Глибокий аналіз механізмів захисту від аварій для вимикачів генераторів

1.Вступ

1.1 Основні функції та контекст GCB
Генераторний вимикач (GCB), як ключовий вузол, що з'єднує генератор з підвищувальним трансформатором, відповідає за переривання струму в нормальних і аварійних умовах. На відміну від звичайних підстанційних вимикачів, GCB безпосередньо стійкий до великої короткозамкненої струми від генератора, з номінальною струмою короткого замикання, що досягає сотень кілоампер. У великих генеруючих установках надійна робота GCB прямо пов'язана з безпекою самого генератора та стабільною роботою електроенергетичної системи.

1.2 Важливість механізмів захисту від аварій
При виникненні аварії всередині генератора або на його виходному лінії, аварійний струм може досягти свого максимуму за десятки мілісекунд. Без цілямих механізмів захисту, необернені пошкодження, такі як перегрівання/деформація обмоток та пробій ізоляції, стануть неминучими. Аналіз інциденту з регіональної мережі Північної Америки 2010 року показав, що витрати на ремонт після аварії для обладнання, що не має швидкого захисту, перевищують 300%. Тому створення багатовимірного, координаційного механізму захисту є основним захисником надійності систем генерації електроенергії.

2.Основні принципи механізмів захисту GCB
2.1 Визначення та основні цілі механізмів захисту
Механізм захисту GCB є суттєво інженерним рішенням, яке в реальному часі моніторить аномальні електричні параметри та запускає операцію відключення вимикача на основі попередньо визначеної логіки. Його основні цілі трьохаспектні: по-перше, перервати аварійний струм протягом трьох циклів (60 мс); по-друге, точно розрізнити внутрішні аварії від зовнішніх завад; по-третє, точно локалізувати місце аварії, щоб підтримувати наступні рішення з ремонту.

2.2 Огляд типових видів аварій
Типові сценарії аварій поділяються на три категорії: (1) короткозамкнення між фазами, характеризовані стрімким зростанням струму та надмірною невідповідністю трифазного режиму; (2) однофазні заземлення, які виявляються зміщенням напруги в нейтральній точці; (3) розвиваючіся аварії, які спочатку проявляються аномальним частковим розрядом та поступово розвиваються до пробою ізоляції. Статистика показує, що в установках понад 600 МВт, заземлення становлять 67%, що ставить вищі вимоги до чутливості систем захисту.

3.Основні типи механізмів захисту
3.1 Механізм захисту від перевищення струму
Багатоступінчастий композитний критерій дозволяє градуйовану реакцію: моментальне швидке відключення спрямоване на серйозні аварії поблизу, з часом роботи, контролюється в межах 25 мс; визначені обернені криві відповідають тепловій стійкості обладнання, ініціюючи затримане відключення, коли струм перевищує 1,5 рази номінальне значення постійно; елементи направлення ефективно запобігають помилковим відключенням при зовнішніх аваріях. Полеві дані з приморської електростанції підтвердили, що цей механізм успішно обмежив тривалість короткозамкненого струму до 83 мс.

3.2 Диференційний механізм захисту
Повністю цифровий схема захисту базується на законі Кірхгофа про струм. Трансформатори струму класу 0.2S синхронно встановлюються в нейтральній точці генератора та на стороні виходу GCB. Коли векторна різниця між двома сторонами перевищує порог (звичайно встановлений на 15% від номінального струму), визначається внутрішня аварія. Найновіший впроваджений алгоритм корекції фази успішно вирішує проблему 15° фазового кута, спричиненого розподіленими ємнісними струмами.

3.3 Механізм захисту від заземлення
Для систем з високим опором заземлення розроблено нульовий послідовний захист: компоненти нульової послідовної напруги отримуються через спеціальні трансформатори напруги та поєднуються з нульовим послідовним струмом, формуючи матрицю направлення. Інноваційна техніка блокування третьої гармоніки ефективно уникне завад від гармонічних напруг в нейтральній точці під час нормальної роботи. Полеві практики показують, що цей механізм досягає 98,7% успішності виявлення заземлень з опором вище 10 Ом.

4.Процес реалізації механізмів захисту
4.1 Роль реле та систем управління
Сучасні пристрої захисту на базі мікропроцесора використовують трьохшарову архітектуру: шар вимірювання захоплює волни в реальному часі з частотою дискретизації 4000 Гц; шар прийняття рішень використовує паралельну обробку багатьма ЦП, щоб завершити 32 розрахунки, включаючи перетворення Фур'є та аналіз гармонік, протягом 10 мс; шар виконання використовує пряме відключення за допомогою волоконно-оптичних ліній, щоб забезпечити затримку передачі команд менше 2 мс. Критичні одиниці зазвичай реалізують логіку голосування "дві з трьох", щоб уникнути ризику одиночної точки відмови.

4.2 Виявлення аварій та швидка послідовність дій
Типова послідовність відключення включає вісім ключових кроків: виникнення аварійного струму → перетворення вторинного сигналу трансформаторами струму → активація пристрою захисту → ідентифікація типу аварії → розрахунок логіки відключення → перевірка сигналу блокування → живлення катушки відключення вимикача → гасіння дуги. Дослідження оптимізації часу показали, що використання попередньо нагартованих камер гасіння дуги може зменшити загальний час переривання до 58 мс, що є покращенням на 22% відносно традиційних механізмів.

5.Висновок
5.1 Підсумок ключових моментів механізмів захисту
Сучасний захист GCB еволюціонував у багатошарову, інтелектуальну оборонну систему: захист від перевищення струму є основним шаром, диференційний захист забезпечує точне зонування, а захист від заземлення посилює покриття вразливостей. Основний прорив полягає в досягненні переривання аварійного струму протягом трьох циклів, підтримуючи частоту хибних відключень нижче 0,01 разів на рік. Однак, слід зазначити, що налаштування захисту повинні переопрацьовуватися кожні два роки відповідно до кривих старіння обладнання.

5.2 Рекомендації щодо оптимізації для практичного застосування
Запропоновано три передових міри покращення: по-перше, інтеграція технології визначення місця виникнення аварій з використанням перехідних хвиль, щоб підвищити точність визначення місця виникнення аварій до ±5 метрів; по-друге, розробка адаптивних алгоритмів захисту, які автоматично налаштовують коефіцієнти чутливості відповідно до віку експлуатації одиниці; по-третє, впровадження онлайн-моніторингу механічного стану вимикача, використовуючи 12 параметрів, включаючи швидкість відкривання та стертість контактів, для прогнозування надійності механізму. Демонстраційна електростанція підтвердила, що ці міри збільшили доступність системи захисту до 99,97%.