Dybdanalyse av feilbeskyttelsesmekanismer for generator strømbrytere

1.Introduksjon

1.1 Grunnleggende funksjon og bakgrunn for GCB
Generator sirkuitbryter (GCB), som den kritiske knutepunktet som forbinder generatoren med stegopptransformator, er ansvarlig for å avbryte strøm både under normale og feilsituasjoner. I motsetning til konvensjonelle substationssirkuitbrytere utsetter GCB direkte for den massive kortslutningsstrømmen fra generatoren, med spesifiserte kortslutningsavbrytelsesstrømmer som når flere hundre kiloamperer. I store genererende enheter er den pålitelige drifta av GCB direkte knyttet til sikkerheten til selve generatoren og stabilt drift av kraftnettverket.

1.2 Viktigheten av feilbeskyttelsesmekanismer
Når en feil oppstår inne i generatoren eller på dens utgående linje, kan feilstrømmen nå sitt topp innen noen tiendeler av et sekund. Uten målrettede beskyttelsesmekanismer vil irreversibel skade som vindings overheting/formforandring og isolasjonsoverbelastning forekomme. En analyse av et nordamerikansk regionalt nettincident i 2010 viste at kraftproduksjonsutstyr uten rask beskyttelse fikk reparasjonskostnader etter feilen som var over 300% høyere. Derfor er etablering av en flerdimensjonal, koordinert beskyttelsesmekanisme kjernen i forsvar for å sikre påliteligheten til kraftproduksjonssystemer.

2.Grunnleggende prinsipper for GCB-beskyttelsesmekanismer
2.1 Definisjon og kjernemål for beskyttelsesmekanismer
GCB-beskyttelsesmekanismen er i grunnen en systemingeniøringsløsning som overvåker unormale elektriske parametre i sanntid og utløser sirkuitbryteravbrytelse basert på forhåndsdefinert logikk. Dets kjernemål er trefold: først, å avbryte feilstrøm innen tre sykluser (60 ms); andre, å nøyaktig skille interne feil fra eksterne forstyrrelser; tredje, å nøyaktig lokalisere feilposisjonen for å støtte senere vedlikeholdsbeslutninger.

2.2 Oversikt over vanlige feiltyper
Typiske feilsituasjoner faller innenfor tre kategorier: (1) fase-til-fase kortslutninger, karakterisert ved plutselige strømoverslag og overdreven trefasen ubalans; (2) enefase jordfeil, identifisert ved neutralpunktspansningsforskjell; og (3) utviklingsfeil, som først viser seg som abnormale delvisse utslipp og gradvis utvikler seg til isolasjonsoverbelastning. Statistikk viser at i enheter over 600 MW utgjør jordfeil 67%, noe som stiller høyere krav til følsomheten til beskyttelsessystemer.

3.Hovedtyper av beskyttelsesmekanismer
3.1 Overstrømbeskyttelsesmekanismen
En flertrinnsvise sammensatt kriterie muliggjør trinnvis respons: øyeblikkelig høyhastighetsavbryting retter seg mot alvorlige nærfeil med driftstid kontrollert innen 25 ms; fasttid invers kurver matcher utstyrets termiske tålegrense, initiere forsinket avbryting når strøm overskrider 1,5 ganger spesifisert verdi kontinuerlig; retningsskiltnings-elementer effektivt forhindrer ugyldig drift under eksterne feil. Feltdata fra en kystkraftverk bekreftet at denne mekanismen vellykket begrenset kortslutningsstrømtid til 83 ms.

3.2 Differensialbeskyttelsesmekanismen
En fullstendig digital beskyttelsesløsning bygges basert på Kirchhoffs strømlag. Klasse 0.2S strømtransformatorer installeres synkront ved generatorens neutrale punkt og GCB-utlettsiden. Når vektorskjellen mellom de to sidene overskrider terskelen (typisk satt til 15% av spesifisert strøm), erklærer en intern feil. Den nyeste implementeringen inkluderer en fasen-korreksjonsalgoritme, løste vellykket 15° fase-vinkel-feil forårsaket av distribuert kapasitiv strøm.

3.3 Jordfeilbeskyttelsesmekanismen
For høyimpedans jordede systemer, nullsekvens retningsskydd har blitt utviklet: nullsekvens spenningskomponenter er hentet via dedikerte spenningstransformatorer og kombinert med nullsekvens strøm for å danne en retningsskiltningsmatrise. En innovativ tredje-harmonisk blokkereteknikk effektivt unngår støy fra harmoniske spenninger ved neutralpunkt under normal drift. Feltpraksis viser at denne mekanismen oppnår en 98,7% suksessrate i deteksjon av jordfeil med motstand over 10 Ω.

4.Implementeringsprosess for beskyttelsesmekanismer
4.1 Rolle av relæer og kontrollsystemer
Moderne mikroprosessorbaserte beskyttelsesenheter bruker en trelagsarkitektur: målingslaget fanger bølgeformer i sanntid med en 4000 Hz samplingrate; avgjørelseslaget bruker fler-CPU parallell behandling for å fullføre 32 beregninger - inkludert Fourier-transformasjon og harmonisk analyse - innen 10 ms; utførelseslaget bruker fiber-optisk direkte avbrytelseskretser for å sikre at kommandotransmisjonsforsinkelsen er mindre enn 2 ms. Kritiske enheter implementerer ofte en "to-av-tre" avstemmingslogikk for å eliminere risiko for enkeltfeil.

4.2 Feildeteksjon og rask operasjonssekvens
En typisk avbrytingssekvens inkluderer åtte nøkkeltrinn: feilstrøm inntreffer → sekundær signalomforming av strømtransformatorer → aktivering av beskyttelsesenhet → identifisering av feiltype → beregning av avbrytingslogikk → verifisering av blokkeringsignal → energisering av sirkuitbryter avbrytelsesspole → buelokking. Tidsforbedringer viser at bruk av fortrykkede buelokkingskammer kan redusere total avbrytingsperiode til 58 ms, en forbedring på 22% sammenlignet med konvensjonelle mekanismer.

5.Konklusjon
5.1 Oppsummering av hovedpunkter for beskyttelsesmekanismer
Modern GCB-beskyttelse har utviklet seg til et flerlaget, intelligent forsvarssystem: overstrømbeskyttelse fungerer som grunnlaget, differensialbeskyttelse gir nøyaktig zonering, og jordfeilbeskyttelse styrker sårbarhetsoverdekkelse. Kjerneoppreisningen ligger i å oppnå feilrensning innen tre sykluser mens man beholder en falsk-tripp-rate under 0,01 ganger per år. Det skal imidlertid merkes at beskyttelsesinnstillinger må kalibreres på nytt hvert andre år ifølge utstyrets aldringkurver.

5.2 Optimaliseringsanbefalinger for praktiske anvendelser
Tre avanserte forbedrings tiltak er foreslått: først, integrer midlertidig reisende bølge feilposisjoneringsteknologi for å forbedre feilposisjoneringens nøyaktighet til ±5 meter; andre, utvikle adaptive beskyttelsesalgoritmer som automatisk justerer følsomhetskoeffisienter basert på enhetens driftsalder; tredje, implementer online overvåking av kretsavbryters mekaniske tilstand, ved bruk av 12 parameterer – inkludert åpningshastighet og kontaktslitasje – for å predikere mekanismens pålitelighet. En demonstrasjonskraftverk bekreftet at disse tiltakene økte beskyttelsessystemets tilgjengelighet til 99,97 %.