Jenerator Devre Kesicileri için Arıza Koruma Mekanizmalarının Derin Analizi

1.Giriş

1.1 GCB'nin Temel Fonksiyonu ve Arka Planı
Jeneratöre ve yükseltici dönüştürücüye bağlanan kritik düğüm olarak, Jenerator Devre Kesicisi (GCB), normal ve hata koşullarında akımı kesmekle yükümlüdür. Geleneksel alt istasyon devre kesicilerinden farklı olarak, GCB doğrudan jeneratörden gelen muazzam kısa devre akımını dayanır ve belirlenmiş kısa devre kesme akımları yüzlerce kiloamper seviyesindedir. Büyük üretim birimlerinde, GCB'nin güvenilir çalışması, jeneratörün kendisinin güvenliği ve elektrik şebekesinin istikrarlı çalışmasıyla doğrudan bağlantılıdır.

1.2 Hata Koruma Mekanizmalarının Önemi
Jeneratörün içinde veya çıkışı üzerinde bir hata oluştuğunda, hata akımı onlarca milisaniye içinde zirveye ulaşabilir. Hedefli koruma mekanizmaları olmadan, sarım aşırı ısınma/deformasyon ve yalıtım bozulması gibi geri dönen olmayan hasarlar ortaya çıkar. 2010 yılında Kuzey Amerika bölgesel şebekesi olayı analizi, hızlı korumaya sahip olmayan elektrik üretimi ekipmanlarının hata sonrası onarma maliyetlerinin %300'den fazla olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, elektrik üretimi sistemlerinin güvenilirliğini sağlamak için çok boyutlu, koordineli bir koruma mekanizması kurmak ana savunmadır.

2.GCB Koruma Mekanizmalarının Temel Prensipleri
2.1 Koruma Mekanizmalarının Tanımı ve Ana Amaçları
GCB koruma mekanizması, anormal elektrik parametrelerini gerçek zamanlı olarak izleyen ve önceden belirlenmiş mantıkla devre kesicinin tripping işlemini tetikleyen bir sistem mühendisliği çözümüdür. Ana amaçları üçlüdür: ilk olarak, üç çevrim (60 ms) içinde hata akımını kesmek; ikinci olarak, iç hatalardan dış rahatsızlıkları doğru bir şekilde ayırt etmek; ve üçüncü olarak, sonraki bakım kararlarını desteklemek için hatanın konumunu hassas bir şekilde belirlemektir.

2.2 Yaygın Hata Türlerine Genel Bakış
Tipik hata senaryoları üç kategoriye ayrılır: (1) faz-arası kısa devreler, ani akım sıçramaları ve aşırı üç faz dengesizliği ile karakterize edilir; (2) tek faz yer hatası, nötr nokta voltaj sapması ile tanımlanır; ve (3) gelişen hatalar, başlangıçta anormal kısmi salınım şeklinde ortaya çıkar ve zamanla yalıtım çökmesine dönüşür. İstatistikler, 600 MW üzerindeki ünitelerde yer hatalarının %67'yi oluşturduğunu gösterir, bu da koruma sistemlerinin hassasiyeti üzerinde daha yüksek talepler getirir.

3.Koruma Mekanizmalarının Ana Türleri
3.1 Aşırı Akım Koruma Mekanizması
Birden fazla aşamalı bileşik kriter, dereceli tepki sağlar: anlık yüksek hızda tripping, 25 ms içinde kontrol edilen ciddi yakın uç hatalarına hedeflenir; belirlenmiş süreli ters eğri, ekipmanın termal dayanıklılığına uyan, akım sürekli olarak nominal değerinden 1.5 kat fazlaysa gecikmeli tripping başlatır; yönlendirme ayrım elemanları, dış hatalarda yanlış çalışmayı etkili bir şekilde önler. Sahildeki bir güç istasyonundan elde edilen veriler, bu mekanizmanın kısa devre akım süresini 83 ms'ye sınırladığını doğrulamıştır.

3.2 Diferansiyel Koruma Mekanizması
Kirchhoff Akım Yasası'na dayalı tamamen dijital bir koruma şeması oluşturulmuştur. Sınıf 0.2S akım transformatörleri, jeneratör nötr noktasında ve GCB çıkış tarafında eş zamanlı olarak monte edilmiştir. İki taraf arasındaki vektör farkı eşiğin üzerindeyse (genellikle nominal akımın %15'i olarak ayarlanır), iç hata bildirilir. En son uygulama, dağıtılmış kapasitif akımlar nedeniyle oluşan 15° faz açısı hatasını başarıyla çözen bir faz düzeltme algoritmasını içerir.

3.3 Yer Hatası Koruma Mekanizması
Yüksek impedanslı yerleştirilmiş sistemler için, sıfır-sekans yönlendirme koruması geliştirilmiştir: özel voltaj transformatörleri yoluyla sıfır-sekans voltaj bileşenleri elde edilir ve sıfır-sekans akımı ile birlikte yönlendirme ayrım matrisi oluşturur. Yeni bir üçüncü harmonik engelleme tekniği, normal çalışma sırasında nötr noktada harmonik voltajlardan gelen interferansı etkili bir şekilde önler. Alan uygulamaları, bu mekanizmanın 10 Ω üzerinde dirençli yer hatalarını %98.7 başarı oranıyla tespit ettiğini göstermektedir.

4.Koruma Mekanizmalarının Uygulama Süreci
4.1 Rölelerin ve Kontrol Sistemlerinin Rolü
Modern mikroişlemci tabanlı koruma cihazları, üç katmanlı bir mimariyi benimser: ölçüm katmanı, 4000 Hz örnekleme hızında dalga formlarını gerçek zamanlı olarak yakalar; karar katmanı, Fourier dönüşümü ve harmonik analiz dahil 32 hesaplama yaparak 10 ms içinde çok-CPU paralel işlem kullanır; yürütme katmanı, komut iletim gecikmesinin 2 ms'den az olmasını sağlamak için lif-optik doğrudan tripping devrelerini kullanır. Kritik birimler genellikle tek nokta hata risklerini ortadan kaldırmak için "üçten iki" oylama mantığı uygular.

4.2 Hata Tespiti ve Hızlı İşlem Sıralaması
Tipik bir tripping sırası sekiz ana adımı içerir: hata akımının oluşumu → akım transformatörleri tarafından ikincil sinyal dönüştürme → koruma cihazının aktivasyonu → hata tipi tanımlama → tripping mantığı hesaplaması → engelleme sinyalinin doğrulanması → devre kesici tripping bobininin enerjilendirilmesi → ark söndürme. Zaman optimizasyonu çalışmaları, önyüklü ark söndürme odaları kullanılmasıyla toplam kesinti süresinin 58 ms'ye, geleneksel mekanizmalara göre %22 iyileştirilebileceğini göstermiştir.

5.Sonuç
5.1 Ana Koruma Mekanizma Noktalarının Özeti
Modern GCB koruması, çok katmanlı, akıllı bir savunma sistemine dönüşmüştür: aşırı akım koruması temel katmanı görevi görür, diferansiyel koruma hassas bölge izolasyonu sağlar ve yer hata koruması zayıflık kapsamlarını güçlendirir. Çekirdek ilerleme, yılda 0.01 kez altında bir yanlış tripping oranı koruyarak üç çevrim içinde hata temizlemesini sağlamaktadır. Ancak, koruma ayarlarının her iki yıl sonra ekipman yaşlama eğrilerine göre yeniden kalibre edilmesi gerektiğini unutmamak gerekir.

5.2 Pratik Uygulamalar için Optimizasyon Önerileri
Üç gelişmiş iyileştirme önemi önerilmiştir: İlk olarak, geçici seyir dalgası arızası belirleme teknolojisini entegre etmek, arıza belirleme doğruluğunu ±5 metreye yükseltmek; ikinci olarak, birimin çalışma yaşına göre hassasiyet katsayılarını otomatik olarak ayarlayan adaptif koruma algoritmaları geliştirmek; üçüncü olarak, devre kesicinin mekanik durumunu çevrimiçi izlemek, açma hızı ve temas aşınması dahil 12 parametreyi kullanarak mekanizma güvenilirliğini öngörmektir. Bir gösterim elektrik santrali, bu önlemlerin koruma sistemi kullanılabilirliğini %99,97'ye yükselttiğini doğruladı.