HECI GCB for Generators – Rychlá obvodová přerušovačka SF₆

1. Definice a funkce

1.1 Role vypínače generátoru

Vypínač generátoru (GCB) je řiditelný odpojovací bod mezi generátorem a stupňovacím transformátorem, který slouží jako rozhraní mezi generátorem a elektrickou sítí. Jeho hlavní funkce zahrnují izolaci poruch na straně generátoru a umožnění operačního řízení během synchronizace generátoru a připojení k síti. Princip fungování GCB se neliší zásadně od principu standardního vypínače; avšak vzhledem k vysokému stejnosměrnému složku v proudě poruchy generátoru, musí GCB fungovat velmi rychle, aby mohl rychle izolovat poruchy.

1.2 Srovnání systémů s a bez vypínače generátoru

Obrázek 1 znázorňuje scénář přerušení proudu poruchy generátoru v systému bez vypínače generátoru.

Obrázek 2 ukazuje scénář přerušení proudu poruchy generátoru v systému vybaveném vypínačem generátoru (GCB).

Jak je znázorněno v tomto srovnání, výhody instalace vypínače generátoru (GCB) lze shrnout následovně:

Během normálného startu a zastavení výkonové jednotky není potřeba přepínání pomocného zdroje napájení – stačí pouze provést operaci vypínače generátoru, což značně zvyšuje spolehlivost stanice.

V případě interní poruchy uvnitř generátoru (tj. na straně generátoru za GCB) je třeba jen vyhodit vypínač generátoru, což značně snižuje operační komplexitu při poruchách jednotky.

Poskytuje lepší ochranu hlavnímu transformátoru a vysokonapěťovému transformátoru stanice. Když dojde k interní poruše v jednom z těchto transformátorů, generátor nadále podává proud poruchy během doby vyhasnutí pole (excitačního) proudu – i po otevření vysokonapěťového vypínače hlavního transformátoru ochranným relé. S nainstalovaným GCB lze generátor rychle odpojit, čímž se minimalizuje poškození hlavního transformátoru – to je klíčová výhoda pro velké výkonové jednotky.

Další významnou výhodou je zmírňování nebo eliminace poškození generátoru způsobeného nesoučasným (neúplným) chováním vysokonapěťového vypínače. V připojeních generátor-transformátor pracuje vysokonapěťový vypínač při vysokém nominálním napětí, a v otevřených schránkových zařízeních velké mezifázové vzdálenosti brání mechanickému zapnutí třífázového uzávěru. Tedy nesoučasné chování může nastat i při normálním přepínání. Takové situace indukují negativní sekvence proudu v statoru generátoru, a rotor má velmi omezenou toleranci k negativním sekvencím magnetických polí – což může vést k vážnému poškození rotoru. Moderní GCB jsou však navrženy a vyráběny s třífázovým mechanickým zapnutím, což efektivně previne nesoučasné chování.

Pro poruchy na straně generátoru za GCB je třeba jen vyhodit vypínač generátoru – bez otevření vysokonapěťového vypínače hlavního transformátoru – což minimalizuje dopad na celkovou strukturu sítě a prospívá stabilitě systému.

Rozvržení elektrárny se stává jednodušším a ekonomičtějším, což snižuje náklady na instalaci a nasazení. Transformátor stanice a jeho příslušná středně- a vysokonapěťová vypínačová zařízení mohou být vynechány. S implementací GCB se průměrná dostupnost stanice zvyšuje o 0,3%–0,6%, a vyšší dostupnost generátoru přímo přispívá k zvýšení energetického příjmu.

2. Struktura a funkce

2.1 Celková struktura

Systém vypínače zahrnuje zásadně následující komponenty a zařízení, všechny umístěné na společném nosném rámu. Závislosti na specifikacích objednávky mohou některé uvedené komponenty vynechat.

Standardní návrh vypínačového zařízení typu HEC/HECI zahrnuje:

• SF₆ vypínač

• Odpojovač (izolační vypínač)

• Zazemňovací vypínač

• Kondenzátory

• Proudové transformátory (CTs)

• Napěťové transformátory (VTs)

Protibleskové ochrany, krátké spoje a spouštěcí vypínač (pro Statický frekvenční převodník, SFC) jsou k dispozici jako volitelné položky.

1 – Vypínač 2 – Odpojovač (Izolační vypínač) 3a – Zazemňovací vypínač 3b – Zazemňovací vypínač 4 – Krátký spoj 5 – Spouštěcí vypínač (SFC) 6 – Kondenzátor

7 – Proudový transformátor 8 – Napěťový transformátor 9 – Protiblesková ochrana 10 – Schránka

Přepínač je plněn plynem SF₆ jako střediskem pro uhašení oblouku. Hlavní kontakty a obloukové kontakty jsou odděleny. Kontakty ovládá pružinový mechanismus. Tři póly přepínače jsou mechanicky propojeny.

1 – Pohyblivé spojení 2 – Odebraný přepínač (Izolační spínač) 3 – Komora pro uhašení oblouku 4 – Izolace 5 – Obal 6 – Zazemňovací (Zemnící) přepínač 7 – Spojení izolované fázové sběrnice

8 – Transformátor proudu

Vnitřní komponenty uvnitř obalu GCB jsou znázorněny na následujícím obrázku.

2.2 Složení a funkce komponent

1) Ovládací mechanismus

Přepínač typu HECI5 používá ovládací mechanismus AHMA 4. Fyzický snímek tohoto ovládacího mechanismu je následující:

1 – Kombinovaný motor (motor čerpadla oleje) 2 – Pomocné kontakty řídícího ventilu 3 – Pomocné kontakty

① Modul ovládání:

Modul používá konstrukci s konstantním rozdílem tlaku, kde vysokotlaký olej nepřetržitě působí na horní konec tyče pístu. Rychlosti otevírání a zavírání lze samostatně upravit pomocí odpovídajících šroubů drosselů.

② Modul akumulace energie:

Pod působením hydraulického oleje tlačí píst akumulátoru diskové pružiny a dlouhodobě ukládá hydraulickou energii v válcovém akumulátoru, což poskytuje nezbytný energetický zásob pro operace otevírání a zavírání.

③ Modul ovládání:

Elektrické příkazy ze hlavní řídicí místnosti aktivují elektromagnetické ventily otevírání/zavírání, které opět změní polohu směrového ventilu, aby bylo dosaženo buď otevření, nebo zavření přepínače.

④ Adaptér (spojovací modul):

Během pohybu tyče pístu spojovací klikový rameno pohání pomocný přepínač, což umožňuje přepnutí signálů pozice otevření/zavření.

⑤ Modul hydraulického čerpadla:

Elektrický motor pohání hydraulické čerpadlo, které vstřikuje olej do akumulátoru, převádějící elektrickou energii na hydraulickou energii.

⑥ Modul sledování:

Stlačení diskových pružin pohání klika na limitním spínači, který se otáčí a otevírá nebo zavírá kontakty mikrospínače. To poskytuje signály poplachu a automatické interlockové funkce pro hlavní řídicí místnost. (Když přesahuje tlak stanovenou hodnotu, bezpečnostní ventil se automaticky otevře a dosáhne ochrany před přetlakem.)

2) Přepínač

Přepínač je hlavní komponentou GCB. Jeho strukturní princip není složitý a jeho funkční schéma je následující:

S1 – Spínač s pružinou S0 – Pomocný spínač SA – Indikátor polohy Y1 – Cívek uzavírání Y2, Y3 – Cívek otevírání 1 a 2 M0 – Motor pro akumulaci energie R10 – Ohřívač DI – Indikátor hustoty 

F6 – Monitor hustoty

3) Systém plynu SF₆

V GCB je plyn SF₆ přítomen pouze v přepínači, relé hustoty, manometru hustoty a propojovací trubce plynu.

Monitor hustoty je zařízení pro sledování tlaku kompenzovaného teplotou, které slouží k monitorování hustoty plynu SF₆ v třífázovém přepínači. Tlak plynu lze přímo pozorovat pomocí manometru. Pokud klesne pod stanovenou hranici, monitor hustoty odešle signál „DOPRAVIT PLYN“. Pokud tlak plynu SF₆ dále klesá, dva nezávislé mikrospínače aktivují interlocky, které zabrání jakýmkoli přepínacím operacím – přepínač se stane mechanicky a elektricky zablokovaným.

Nastavení hranic monitoru hustoty jsou specifikovány v relevantních kontrolních diagramech a charakteristických křivkách hustoty plynu SF₆.

Řídicí panel v řídicím skříňku se skládá především ze čtyř částí:

• Spínač interlocku

• Počítadlo počtu operací

• Indikátory operací a poplachů

• Tlačítka místního režimu operace

4) Řídící skříň

Všechny funkce provozního mechanismu vypínače jsou integrovány do řídící skříně. Konečná konfigurace a funkční rozvržení jsou podrobně popsány v příslušných kontrolních diagramech. Následující kontrolní komponenty jsou umístěny uvnitř řídící skříně:

S2 – Přepínač místní/dálkové kontrola: Režim provozu je vybrán pomocí přepínače S2.

V poloze Dálkový lze příkazy zadávat pouze z hlavní kontroly.

V poloze Místní lze příkazy iniciovat pouze z řídící skříně vypínače.

Když je přepínač nastaven na položku Místní, klíč přepínače S2 nelze odstranit. Doporučuje se klíč uchovávat v kontrolovně.

S11/S12 – Osazené tlačítkové spínače pro ovládání vypínače.

5) Systém pro uvolnění tlaku (ochrana proti explozi)

Praskací membrána: V případě vnitřního obloukového poruchy (způsobené dlouhodobým krátkým spojením), pokud dosáhne plynový tlak uvnitř obalu aktivační hranice, praskací membrána praskne a okamžitě uvolní nadbytečný tlak. Toto rychlé výtěsnění zabrání katastrofálnímu selhání obalu bezpečným uvolněním přetlakového plynu SF₆.