Wnikliwa analiza mechanizmów ochrony przed uszkodzeniami dla wyprowadzających automatów generatorowych

1.Wprowadzenie

1.1 Podstawowe funkcje i tło GCB
Generator Circuit Breaker (GCB), jako kluczowy węzeł łączący generator z transformatorem wzmacniającym, jest odpowiedzialny za przerwanie prądu zarówno w normalnych, jak i awaryjnych warunkach. W przeciwieństwie do konwencjonalnych obwodów przel amatowych stacji, GCB bezpośrednio wytrzymuje masywny prąd zwarciowy od generatora, z nominalnymi prądami zwarciowymi sięgającymi setek kiloamper. W dużych jednostkach generujących niezawodne działanie GCB jest bezpośrednio związane z bezpieczeństwem samego generatora i stabilnym działaniem sieci energetycznej.

1.2 Ważność mechanismów ochrony przed uszkodzeniami
Po wystąpieniu uszkodzenia wewnątrz generatora lub na jego linii wychodzącej, prąd uszkodzeniowy może osiągnąć swoje maksimum w ciągu dziesiątek milisekund. Bez skierowanych mechanizmów ochrony mogą wystąpić nieodwracalne uszkodzenia, takie jak przegrzanie/zniekształcenie cewki i przebicie izolacji. Analiza incydentu regionalnej sieci północnoamerykańskiej z 2010 roku pokazała, że sprzęt produkujący energię bez szybkiej ochrony ponosi koszty napraw po uszkodzeniu wyższe o ponad 300%. Dlatego też ustanowienie wielowymiarowego, koordynowanego systemu ochronnego jest podstawowym środkiem zapewnienia niezawodności systemów produkujących energię.

2.Podstawowe zasady工作机制的翻译似乎被截断了，我将继续完成剩余部分的翻译。 ```html 2.Podstawowe zasady mechanizmów ochrony GCB
2.1 Definicja i główne cele mechanizmów ochrony
Mechanizm ochrony GCB to w zasadzie inżynieryjne rozwiązanie systemowe, które monitoruje w czasie rzeczywistym nietypowe parametry elektryczne i uruchamia operację rozłączania obwodu na podstawie zdefiniowanej logiki. Jego główne cele są trzykrotne: pierwsze, przerwanie prądu uszkodzeniowego w ciągu trzech cykli (60 ms); drugie, dokładne rozróżnienie uszkodzeń wewnętrznych od zewnętrznych zakłóceń; oraz trzecie, precyzyjne zlokalizowanie pozycji uszkodzenia, aby wspierać decyzje dotyczące późniejszych napraw.

2.2 Przegląd typowych rodzajów uszkodzeń
Typowe scenariusze uszkodzeń dzielą się na trzy kategorie: (1) zwarca między fazami, charakteryzujące się nagłym wzrostem prądu i nadmierną nierównowagą trójfazową; (2) jednofazowe zwarce z ziemią, identyfikowane przez przesunięcie napięcia punktu neutralnego; oraz (3) rozwijające się uszkodzenia, które początkowo objawiają się nietypowym częściowym rozładowaniem i stopniowo przechodzą w przebicie izolacji. Statystyki pokazują, że w jednostkach powyżej 600 MW, zwarca z ziemią stanowią 67%, co stawia wyższe wymagania czułości systemów ochronnych.

3.Główne typy mechanizmów ochrony
3.1 Mechanizm ochrony przeciw przepływowi
Wielostopniowy złożony kryterium umożliwia stopniowaną reakcję: natychmiastowe, szybkie rozłączanie skierowane jest na ciężkie uszkodzenia bliskie końcówki, z czasem działania kontrolowanym w granicach 25 ms; stałe krzywe odwrotne dopasowane do termicznej wytrzymałości sprzętu, uruchamiające opóźnione rozłączanie, gdy prąd przekracza 1,5 razy wartość nominalną w sposób ciągły; elementy dyskryminacji kierunkowej efektywnie zapobiegają błędnej akcji podczas zewnętrznych uszkodzeń. Polowe dane z elektrowni przybrzeżnej potwierdziły, że ten mechanizm pomyślnie ograniczył czas trwania prądu zwarciowego do 83 ms.

3.2 Mechanizm ochrony różnicowej
Fully cyfrowy schemat ochrony jest budowany na podstawie Prawa Kirchhoffa dla prądów. Klasy 0.2S transformatory prądowe są synchronicznie instalowane w punkcie neutralnym generatora i na stronie wyjściowej GCB. Gdy wektorowa różnica między dwoma stronami przekracza próg (zwykle ustawiony na 15% wartości nominalnej), zadeklarowane jest uszkodzenie wewnętrzne. Najnowsza implementacja obejmuje algorytm korekcji fazy, który pomyślnie rozwiązuje błąd fazy 15° spowodowany rozproszonymi prądami pojemnościowymi.

3.3 Mechanizm ochrony przed zwarciem z ziemią
Dla systemów z wysoką impedancją uziemienia opracowano ochronę kierunkową sekwencyjną zerową: składowe napięcia sekwencyjnej zerowej są uzyskiwane poprzez dedykowane transformatory napięcia i łączone z prądem sekwencyjnym zerowym, tworząc macierz dyskryminacji kierunkowej. Innowacyjna technika blokowania trzeciej harmonicznej efektywnie unika interferencji z napięciami harmonicznych w punkcie neutralnym podczas normalnej pracy. Doświadczenia polowe pokazują, że ten mechanizm osiąga 98,7% skuteczności w wykrywaniu zwarć z ziemią o oporności powyżej 10 Ω.

4.Proces realizacji mechanizmów ochrony
4.1 Rola relee i systemów sterowania
Nowoczesne mikroprocesorowe urządzenia ochronne stosują trójwarstwową architekturę: warstwa pomiarowa przechwytuje formy fal w czasie rzeczywistym z częstotliwością próbkowania 4000 Hz; warstwa decyzyjna wykorzystuje równoległe przetwarzanie wielu CPU, aby w ciągu 10 ms zrealizować 32 obliczenia, w tym transformację Fouriera i analizę harmonicznych; warstwa wykonawcza używa optycznych obwodów bezpośredniego rozłączania, aby zapewnić, że czas transmisji komend jest mniejszy niż 2 ms. W krytycznych jednostkach często stosuje się logikę głosowania "dwie z trzech", aby eliminować ryzyko pojedynczego punktu awarii.

4.2 Wykrywanie uszkodzeń i szybki proces działania
Zwykła sekwencja rozłączania obejmuje oś keyowych kroków: wystąpienie prądu uszkodzeniowego → konwersja sygnału wtórnego przez transformatory prądowe → aktywacja urządzenia ochronnego → identyfikacja typu uszkodzenia → obliczenie logiki rozłączania → weryfikacja sygnału blokady → wzmocnienie cewki rozłączania obwodu → zgaszenie łuku. Badania optymalizacji czasu pokazują, że używanie uprzednio sprężonych komór gazu łuku może zmniejszyć całkowity czas przerwania do 58 ms, co oznacza 22% poprawy w porównaniu z tradycyjnymi mechanizmami.

5.Podsumowanie
5.1 Podsumowanie kluczowych punktów mechanizmów ochrony
Nowoczesna ochrona GCB ewoluowała w wielowarstwowy, inteligentny system obronny: ochrona przeciw przepływowi pełni rolę podstawowej warstwy, ochrona różnicowa zapewnia precyzyjne izolowanie stref, a ochrona przed zwarciem z ziemią wzmocnia pokrycie vulnerabilności. Kluczowe przełamanie polega na osiągnięciu przerwania uszkodzenia w ciągu trzech cykli, jednocześnie utrzymując wskaźnik błędnych rozłączania poniżej 0,01 razy na rok. Należy jednak zauważyć, że ustawienia ochrony muszą być ponownie kalibrowane co dwa lata zgodnie z krzywymi starzenia sprzętu.