Phân tích sâu về Cơ chế Bảo vệ Sự cố cho Công tắc Máy phát điện

1.Giới thiệu

1.1 Chức năng cơ bản và Bối cảnh của GCB
Áp-tơ cắt mạch (GCB), như một nút kết nối quan trọng giữa máy phát điện và biến áp tăng áp, chịu trách nhiệm ngắt dòng điện trong cả điều kiện bình thường và sự cố. Không giống như các áp-tơ cắt mạch trạm biến áp thông thường, GCB trực tiếp chịu đựng dòng ngắn mạch lớn từ máy phát điện, với dòng ngắn mạch định mức đạt hàng trăm kiloampe. Trong các đơn vị phát điện lớn, hoạt động đáng tin cậy của GCB được liên kết trực tiếp với sự an toàn của máy phát điện và vận hành ổn định của lưới điện.

1.2 Tầm quan trọng của Cơ chế Bảo vệ Sự cố
Khi xảy ra sự cố bên trong máy phát điện hoặc trên đường dây ra, dòng điện sự cố có thể đạt đỉnh trong vài chục miligiây. Nếu không có cơ chế bảo vệ mục tiêu, những hư hỏng không thể đảo ngược như quá nhiệt/lệch hình cuộn dây và sự cố cách điện sẽ xảy ra. Phân tích về một sự cố lưới điện khu vực Bắc Mỹ năm 2010 cho thấy chi phí sửa chữa sau sự cố đối với thiết bị phát điện thiếu bảo vệ nhanh cao hơn 300%. Do đó, việc thiết lập một cơ chế bảo vệ đa chiều, phối hợp là lõi phòng thủ đảm bảo độ tin cậy của hệ thống phát điện.

2.Nguyên tắc Cơ bản của Cơ chế Bảo vệ GCB
2.1 Định nghĩa và Mục tiêu Chính của Cơ chế Bảo vệ
Cơ chế bảo vệ GCB thực chất là một giải pháp kỹ thuật hệ thống giám sát các tham số điện bất thường theo thời gian thực và kích hoạt thao tác ngắt mạch dựa trên logic đã xác định trước. Mục tiêu chính của nó gồm ba điểm: đầu tiên, ngắt dòng sự cố trong ba chu kỳ (60 ms); thứ hai, phân biệt chính xác sự cố nội bộ và nhiễu ngoại vi; và thứ ba, xác định chính xác vị trí sự cố để hỗ trợ quyết định bảo trì sau này.

2.2 Tổng quan về Các Loại Sự cố Thường gặp
Các kịch bản sự cố điển hình thuộc ba loại: (1) ngắn mạch pha-phased, đặc trưng bởi sự gia tăng đột ngột của dòng điện và mất cân bằng ba pha quá mức; (2) sự cố đất một pha, được xác định bằng sự lệch điện áp điểm trung tính; và (3) sự cố phát triển, ban đầu biểu hiện là phóng điện cục bộ bất thường và dần phát triển thành sự cố cách điện. Thống kê cho thấy, trong các đơn vị trên 600 MW, sự cố đất chiếm 67%, đặt ra yêu cầu cao hơn về độ nhạy của hệ thống bảo vệ.

3.Các Loại Chính của Cơ chế Bảo vệ
3.1 Cơ chế Bảo vệ Dòng quá Cường
Một tiêu chuẩn tổng hợp nhiều giai đoạn cho phép phản ứng phân cấp: ngắt nhanh tức thì nhằm vào các sự cố gần và nghiêm trọng với thời gian hoạt động được kiểm soát trong 25 ms; đường cong nghịch thời gian định rõ phù hợp với khả năng chịu nhiệt của thiết bị, khởi động ngắt chậm khi dòng điện vượt quá 1,5 lần giá trị định mức liên tục; các yếu tố phân biệt hướng hiệu quả ngăn chặn hoạt động sai trong các sự cố ngoại vi. Dữ liệu thực tế từ một nhà máy điện ven biển đã xác nhận cơ chế này thành công hạn chế thời gian dòng ngắn mạch xuống 83 ms.

3.2 Cơ chế Bảo vệ Sai biệt
Một phương án bảo vệ hoàn toàn số hóa được xây dựng dựa trên Định luật Dòng Điện Kirchhoff. Các biến dòng lớp 0.2S được lắp đồng bộ tại điểm trung tính máy phát và phía xuất của GCB. Khi sự khác biệt vector giữa hai bên vượt qua ngưỡng (thông thường được đặt ở 15% dòng định mức), một sự cố nội bộ được tuyên bố. Việc triển khai mới nhất bao gồm thuật toán hiệu chỉnh pha, giải quyết thành công lỗi góc pha 15° do dòng điện dung phân tán gây ra.

3.3 Cơ chế Bảo vệ Sự cố Đất
Đối với các hệ thống tiếp đất trở kháng cao, bảo vệ hướng dòng không-đồng đã được phát triển: các thành phần điện áp không-đồng được lấy thông qua các biến áp điện áp chuyên dụng và kết hợp với dòng không-đồng để tạo thành ma trận phân biệt hướng. Một kỹ thuật chặn sóng ba-harmonic sáng tạo hiệu quả tránh nhiễu từ điện áp harmonics tại điểm trung tính trong quá trình vận hành bình thường. Thực tế trên trường cho thấy cơ chế này đạt tỷ lệ thành công 98,7% trong việc phát hiện sự cố đất với trở kháng trên 10 Ω.

4.Quá trình Triển khai Cơ chế Bảo vệ
4.1 Vai trò của Rơle và Hệ thống Điều khiển
Các thiết bị bảo vệ dựa trên vi xử lý hiện đại sử dụng kiến trúc ba tầng: tầng đo lường thu thập dạng sóng theo thời gian thực với tốc độ lấy mẫu 4000 Hz; tầng quyết định sử dụng xử lý song song đa CPU để hoàn thành 32 phép tính—bao gồm biến đổi Fourier và phân tích harmonics—trong 10 ms; tầng thực thi sử dụng mạch tripping trực tiếp bằng sợi quang để đảm bảo độ trễ truyền lệnh nhỏ hơn 2 ms. Các đơn vị quan trọng thường triển khai logic bỏ phiếu "hai trong ba" để loại bỏ rủi ro hỏng hóc điểm duy nhất.

4.2 Phát hiện Sự cố và Chuỗi Hoạt động Nhanh
Một chuỗi tripping điển hình bao gồm tám bước then chốt: sự xuất hiện của dòng sự cố → chuyển đổi tín hiệu thứ cấp bởi biến dòng → kích hoạt thiết bị bảo vệ → xác định loại sự cố → tính toán logic tripping → xác minh tín hiệu chặn → cấp điện cho cuộn tripping của áp-tơ cắt mạch → dập hồ quang. Các nghiên cứu tối ưu hóa thời gian cho thấy việc sử dụng buồng dập hồ quang được ép trước có thể giảm thời gian ngắt tổng cộng xuống 58 ms, cải thiện 22% so với các cơ chế thông thường.

5.Kết luận
5.1 Tóm tắt Điểm chính của Cơ chế Bảo vệ
Bảo vệ GCB hiện đại đã phát triển thành một hệ thống phòng thủ đa lớp, thông minh: bảo vệ dòng quá cường làm nền tảng, bảo vệ sai biệt cung cấp phân cách vùng chính xác, và bảo vệ sự cố đất tăng cường phạm vi bảo vệ. Sáng tạo cốt lõi nằm ở việc đạt được việc xóa bỏ sự cố trong ba chu kỳ trong khi duy trì tỷ lệ nhảy sai dưới 0,01 lần mỗi năm. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng cài đặt bảo vệ phải được hiệu chỉnh lại mỗi hai năm theo đường cong lão hóa thiết bị.

5.2 Đề xuất Tối ưu hóa cho Ứng dụng Thực tế
Ba biện pháp cải tiến tiên tiến được đề xuất: thứ nhất, tích hợp công nghệ định vị lỗi sóng duỗi tạm thời để cải thiện độ chính xác định vị lỗi đến ±5 mét; thứ hai, phát triển thuật toán bảo vệ thích ứng tự động điều chỉnh hệ số nhạy dựa trên tuổi thọ hoạt động của đơn vị; thứ ba, thực hiện theo dõi trực tuyến tình trạng cơ khí của cầu chì, sử dụng 12 tham số - bao gồm tốc độ đóng và mòn tiếp điểm - để dự đoán độ tin cậy của cơ chế. Một nhà máy điện mẫu đã xác nhận các biện pháp này tăng khả năng sẵn sàng của hệ thống bảo vệ lên 99,97%.