Diepgaande Analyse van Foutbeschermingsmechanismen voor Generator Circuit Breakers

1. Inleiding

1.1 Basisfunctie en achtergrond van GCB
De Generator Circuit Breaker (GCB), als het cruciale knooppunt dat de generator met de stijgtransformator verbindt, is verantwoordelijk voor het onderbreken van stroom onder zowel normale als storing-omstandigheden. In tegenstelling tot conventionele stationscircuitbrekers kan de GCB direct de enorme kortsluitstroom van de generator weerstaan, met gerateerde kortsluitonderbrekingen die honderden kiloamperes bereiken. Bij grote generatie-eenheden staat het betrouwbare functioneren van de GCB in directe relatie tot de veiligheid van de generator zelf en de stabiele werking van het elektriciteitsnet.

1.2 Belangrijkheid van storingbeveiligings mechanismen
Bij het optreden van een storing binnen de generator of op zijn uitgangslijn kan de storingstroom binnen tientallen milliseconden zijn piek bereiken. Zonder geïnrichte beveiligingsmaatregelen treedt onherstelbare schade op zoals oververhitting/vervorming van windingen en isolatie doorbraak. Een analyse van een Noord-Amerikaanse regionale netstoring in 2010 toonde aan dat elektriciteitsopwekkende apparatuur zonder snelle beveiliging herstelkosten na de storing meer dan 300% hoger had. Daarom is het leggen van een meerdimensioneel, gecoördineerd beveiligingsmechanisme het kernverdedigingsmiddel om de betrouwbaarheid van elektriciteitsopwekkende systemen te waarborgen.

2. Fundamentele principes van GCB-beveiligingsmechanismen
2.1 Definitie en kerndoelen van beveiligingsmechanismen
Het GCB-beveiligingsmechanisme is in wezen een systeemtechnische oplossing die afwijkende elektrische parameters in real-time monitort en op basis van vooraf gedefinieerde logica de circuitbreker tript. De kerndoelen zijn drievoudig: ten eerste, de storingstroom binnen drie cycli (60 ms) onderbreken; ten tweede, interne storingen nauwkeurig onderscheiden van externe verstoringen; en ten derde, de exacte locatie van de storing bepalen om latere onderhoudsbeslissingen te ondersteunen.

2.2 Overzicht van gangbare storingtypen
Typische storingsscenario's vallen in drie categorieën: (1) fases-sfeer kortsluitingen, gekenmerkt door plotselinge stroompieken en excessieve driesfase-ongevenwichtigheid; (2) enefase-aardleidingsstoringen, geïdentificeerd door neutraalpuntspanningsverschuiving; en (3) evoluerende storingen, die zich eerst manifesteren als abnormale partiële ontlading en geleidelijk ontwikkelen naar isolatie doorbraak. Statistieken tonen aan dat bij eenheden boven 600 MW, aardleidingsstoringen 67% uitmaken, wat hogere eisen stelt aan de sensitiviteit van beveiligingssystemen.

3. Hoofdtypen van beveiligingsmechanismen
3.1 Overstroombeveiligingsmechanisme
Een multi-stapgecombineerde criterium stelt een gestructureerde respons in: onmiddellijke hoge snelheids-tripping richt zich op ernstige nabije storingen met een bedrijfstijd van maximaal 25 ms; definitief inverse krommen passen bij de thermische belastbaarheid van apparatuur, initieert een uitgestelde trip wanneer de stroom continu 1,5 keer de nominale waarde overschrijdt; richtingsdiscriminatie-elementen voorkomen effectief foutieve activering tijdens externe storingen. Veldgegevens van een kustelektriciteitscentrale bevestigden dat dit mechanisme de duur van de kortsluitstroom succesvol beperkte tot 83 ms.

3.2 Differentiële beveiligingsmechanisme
Een volledig digitaal beschermingschema wordt gebouwd op basis van Kirchhoff’s Wet van Stromen. Klasse 0.2S stroomtransformatoren worden synchroon geïnstalleerd op het neutraal punt van de generator en de uitgangskant van de GCB. Wanneer het vectorverschil tussen beide zijden de drempelwaarde overschrijdt (meestal ingesteld op 15% van de nominale stroom), wordt een interne storing verklaard. De nieuwste implementatie integreert een fasecorrectie-algoritme, wat succesvol de 15° fasehoekfout veroorzaakt door gedistribueerde capacitaire stromen oplost.

3.3 Aardleidingsbeveiligingsmechanisme
Voor hoog-impedantie-aangesloten systemen is richtingsbescherming met nulsequenties ontwikkeld: nulsequentiespanningcomponenten worden verkregen via specifieke spanningstransformatoren en gecombineerd met nulsequentiestroom om een richtingsdiscriminatie-matrix te vormen. Een innovatieve derde-harmonische blokkeringstechniek vermijdt effectief interferentie van harmonische spanningen op het neutraal punt tijdens normaal gebruik. Praktijkervaring toont dat dit mechanisme een successrate van 98,7% behaalt bij het detecteren van aardleidingsstoringen met een weerstand boven 10 Ω.

4. Implementatieproces van beveiligingsmechanismen
4.1 Rol van reelay's en besturingssystemen
Modern microprocessor-based beschermingsapparatuur adopteert een drielagenarchitectuur: de metinglaag vangt golfformen in real-time met een samplingfreqüentie van 4000 Hz; de beslissingslaag maakt gebruik van multi-CPU parallel processing om 32 berekeningen – inclusief Fourier-transformatie en harmonische analyse – binnen 10 ms te voltooien; de uitvoeringslaag gebruikt glasvezel rechtstreekse trippingschakelingen om de commandoverzendingslatency tot minder dan 2 ms te garanderen. Kritieke eenheden implementeren doorgaans een "two-out-of-three" stemlogica om enkel-punt-fout-risico's te elimineren.

4.2 Storingdetectie en snel operatievolgorde
Een typische trippingvolgorde omvat acht sleutelstappen: optreden van storingstroom → secundaire signaalconversie door stroomtransformatoren → activatie van beschermingsapparaat → identificatie van storingtype → berekening van trippinglogica → verificatie van blokkeringssignalen → energievoorziening van de circuitbreker trippingspoel → boogextinctie. Tijdoptimalisatiestudies laten zien dat het gebruik van pre-gepresseerde boogextinctie-kamers de totale interruptietijd kan terugbrengen tot 58 ms, een verbetering van 22% ten opzichte van conventionele mechanismen.

5. Conclusie
5.1 Samenvatting van belangrijke beveiligingsmechanismenpunten
Modern GCB-beveiliging is geëvolueerd naar een meerkoppig, intelligent defensiesysteem: overstroombeveiliging vormt de basislaag, differentiële beveiliging biedt nauwkeurige zone-isolatie, en aardleidingsbeveiliging versterkt kwetsbaarheidsdekking. Het kernbreakthrough ligt in het bereiken van storingclearance binnen drie cycli terwijl een vals-tripratio onder 0,01 keer per jaar wordt gehouden. Het moet echter worden opgemerkt dat beveiligingsinstellingen elke twee jaar moeten worden herkalibreerd volgens apparatuur-verouderingscurves.

5.2 Optimalisatieaanbevelingen voor praktische toepassingen
Er worden drie geavanceerde verbeteringsmaatregelen voorgesteld: ten eerste, de integratie van tijdelijke reiskolfstoringlocatietechnologie om de nauwkeurigheid van storinglocatie tot ±5 meter te verbeteren; ten tweede, het ontwikkelen van aanpassende beschermingsalgoritmen die gevoeligheidscoëfficiënten automatisch aanpassen op basis van de leeftijd van de eenheid; ten derde, online monitoring van de mechanische toestand van schakelaars, waarbij 12 parameters - waaronder openingssnelheid en contactverslijtage - worden gebruikt om de betrouwbaarheid van het mechanisme te voorspellen. Een demonstratiekrachtcentrale bevestigde dat deze maatregelen de beschikbaarheid van het beschermingssysteem tot 99,97% hebben verhoogd.