Natančna analiza sistemov zaščite pred napakami za preklopnike generatorjev

1.Uvod

1.1 Osnovne funkcije in ozadje GCB
Generator Circuit Breaker (GCB), kot ključna točka, ki povezuje generator z nadgradnjo transformatorja, je odgovoren za prekinjanje tokov v normalnih in napakastih pogojih. Na razliko od običajnih podstaničnih preklopnikov GCB neposredno prenaša ogromne strmi tokove iz generatorja, z imenovanimi tokovi prekinitve strmi do tisoč amper. V velikih generirnih enotah je zanesljivo delovanje GCB neposredno povezano s varnostjo samega generatorja in stabilnim delovanjem električnega omrežja.

1.2 Pomen mehanizmov zaščite pred napakami
Ko se zgodi napaka znotraj generatorja ali na njegovem odhodnem črtu, lahko tok napake doseže svoj vrhunec v desetkih milisekund. Brez ciljno usmerjenih mehanizmov zaščite bi se pojavile neobratne škode, kot so pregrevanje/deformacija vinčev in propad izolacije. Analiza incidenta v severnoameriškem regionalnem omrežju leta 2010 je pokazala, da so stroški popravil po napaki za opremo za proizvodnjo elektrike, ki manjka hitri zaščiti, bili večji za več kot 300%. Zato je vzpostavitev večdimenzionalnega, koordiniranega mehanizma zaščite ključna obramba za zagotavljanje zanesljivosti sistemov za proizvodnjo elektrike.

2.Osnovni principi mehanizmov zaščite GCB
2.1 Definicija in osnovni cilji mehanizmov zaščite
Mehanizem zaščite GCB je bistveno sistemsko inženirsko reševanje, ki v realnem času spremlja nenormalne električne parametre in na podlagi preddefinirane logike sproži operacijo preklopa preklopnika. Njegovi osnovni cilji so trije: prvič, prekiniti tok napake v treh cikelih (60 ms); drugič, natančno ločiti notranje napake od zunanjih motenj; in tretjič, natančno določiti položaj napake, da bi podprli nadaljnja odlaganja o vzdrževanju.

2.2 Pregled tipičnih vrst napak
Tipični scenariji napak se delijo v tri kategorije: (1) medfazne kratke zaprtice, ki so karakterizirane z nenadnimi povišanji toka in prekomerno nesimetrijo treh faza; (2) enofazne zemljske napake, ki jih lahko prepoznate po odmiku napetosti v neutralni točki; in (3) napake, ki se razvijajo, ki se najprej manifestirajo kot nenormalne delne razsevave in postopoma razvijajo v propad izolacije. Statistika kaže, da v enotah nad 600 MW zemljske napake predstavljajo 67%, kar zahteva višjo občutljivost sistemov zaščite.

3.Glavne vrste mehanizmov zaščite
3.1 Mehkanizem zaščite pred pretokom
Večstopniški kompozitni kriterij omogoča stopnjeno odziv: trenutni hitri preklop namenjen hudi bliski končnim napakam, pri katerih je čas delovanja kontroliran znotraj 25 ms; definitivne obratne krivulje se ujemajo s toplinsko trdnostjo opreme, sprožijo zakasnen preklop, ko preseže toker 1,5-kratno imenovano vrednost; elementi za ločevanje smeri učinkovito preprečujejo napačno delovanje med zunanjimi napakami. Podatki s poljskega elektrarne so potrdili, da ta mehanizem uspešno omeji trajanje kratke zaprtice na 83 ms.

3.2 Mehkanizem diferencialne zaščite
Na podlagi Kirchhoffovega zakona o toku je izgrađen popolnoma digitalni sistem zaščite. Tokomeri razreda 0,2S so sinhrono nameščeni na neutralni točki generatorja in na odhodni strani GCB. Ko vektorska razlika med obema stranema preseže prag (običajno nastavljen na 15% imenovane vrednosti toka), se deklarira notranja napaka. Najnovejša implementacija vključuje algoritem za korekcijo faz, ki uspešno reši 15° fazni odmik, povzročen distribuiranim kapacitivnim tokom.

3.3 Mehkanizem zaščite pred zemljskimi napakami
Za sisteme z visokim upornim zemljenjem je razvita nulto-rangova smerita zaščita: komponente nulto-rangove napetosti so pridobljene preko posvečenih napetostomerov in združene z nulto-rangovim tokom, da tvorijo matriko za ločevanje smeri. Inovativna tehnika blokade tretjega harmonika učinkovito preprečuje motnje zaradi harmonskih napetosti v neutralni točki med normalnim delovanjem. Poljska praksa kaže, da ta mehanizem dosega 98,7%-ni uspešnost pri zaznavanju zemljskih napak z upornostjo nad 10 Ω.

4.Postopek izvajanja mehanizmov zaščite
4.1 Vloga relejev in sistemov nadzora
Sodobni mikroprocesorski sistemi zaščite uporabljajo trostransko arhitekturo: sloj meritve zajema valovne oblike v realnem času z frekvenco vzorčenja 4000 Hz; sloj odločanja uporablja vzporedno obdelavo z več CPU-ji, da dokonča 32 izračune, vključno s Fourierovo transformacijo in analizo harmonik, znotraj 10 ms; sloj izvajanja uporablja direktni preklop s vlaknenimi kabeli, da zagotovi, da je zamuda prenosa ukazov manjša od 2 ms. Ključne enote običajno implementirajo logiko "dva iz treh" za izključitev tveganja enotočkovnega odpada.

4.2 Zaznavanje napak in hitri operacijski zaporedje
Typično zaporedje preklopa vključuje osem ključnih korakov: pojav toka napake → pretvorba sekundarnega signala z tokomeri → aktivacija naprave za zaščito → identifikacija vrste napake → izračun logike preklopa → preverjanje signala za blokado → energizacija bobnega navijača preklopnika → ugasnitveni proces. Študije optimizacije časa kažejo, da uporaba prenapetih ugasevalnih komor lahko skupni čas prekinitve zmanjša na 58 ms, kar je 22% izboljšanje glede na konvencionalne mehanizme.

5.Zaključek
5.1 Povzetek ključnih točk mehanizmov zaščite
Sodobna zaščita GCB se je razvila v večslojno, inteligentno obrambno sistem: zaščita pred pretokom služi kot temeljni sloj, diferencialna zaščita zagotavlja natančno zoniranje, zaščita pred zemljskimi napakami okrepiva občutljivost. Ključno priložnost je v tem, da se doseže prekinitev napake v treh cikelih, medtem ko se ohranja stopnja napačnih preklopov pod 0,01-krat letno. Vendar je treba upoštevati, da morajo biti nastavitve zaščite vsaka dva leta ponovno kalibrirane glede na krivulje staranja opreme.

5.2 Priporočila za optimizacijo v praktičnih aplikacijah
Predlagane so tri napredne ukrepe za izboljšanje: prvič, integracija tehnologije za lokacijsko določanje površinskega toka neprekinjenih valov za izboljšanje natančnosti določanja nezakonitosti na ±5 metrov; drugič, razvoj prilagodljivih algoritmov za zaščito, ki samodejno prilagajajo koeficiente občutljivosti glede na starost delovanja enote; tretjič, implementacija spletne nadzora mehanskega stanja preklopnika, ki uporablja 12 parametrov – vključno s hitrostjo odpiranja in abrazijo kontaktov – za napoved zanesljivosti mehanizma. Demonstracijska elektrarna je potrdila, da so ti ukrepi povečali dostopnost sistema za zaščito na 99,97 %.