HECI GCB für Generatoren – Schneller SF₆-Schaltapparat

1. Definition und Funktion

1.1 Rolle des Generator-Schalters

Der Generator-Schalter (GCB) ist ein steuerbarer Trennungspunkt zwischen dem Generator und dem Spannungswandler und dient als Schnittstelle zwischen dem Generator und dem Stromnetz. Seine Hauptfunktionen umfassen die Isolierung von Fehlern auf der Generatorseite sowie die Betriebssteuerung während der Synchronisation und Netzverbindung des Generators. Das Arbeitsprinzip eines GCB unterscheidet sich nicht signifikant von dem eines Standard-Schalters. Allerdings müssen GCBs aufgrund des hohen Gleichstromanteils in Generator-Fehlerströmen extrem schnell arbeiten, um Fehler rasch zu isolieren.

1.2 Vergleich zwischen Systemen mit und ohne Generator-Schalter

Abbildung 1 zeigt das Szenario der Unterbrechung des Generatorfehlerstroms in einem System ohne Generator-Schalter.

Abbildung 2 zeigt das Szenario der Unterbrechung des Generatorfehlerstroms in einem System, das mit einem Generator-Schalter (GCB) ausgestattet ist.

Wie im obigen Vergleich gezeigt, lassen sich die Vorteile der Installation eines Generator-Schalters (GCB) wie folgt zusammenfassen:

Während des normalen Start- und Stillstandsprozesses der Erzeugereinheit ist kein Umschalten der Hilfsenergieversorgung erforderlich – nur die Bedienung des Generator-Schalters wird benötigt, was die Zuverlässigkeit der Stationsenergieversorgung erheblich verbessert.

Bei einem internen Fehler innerhalb des Generators (d.h. auf der Generatorseite des GCB) muss nur der Generator-Schalter ausgelöst werden, was die operative Komplexität bei Einheitsfehlern erheblich reduziert.

Es bietet besseren Schutz für den Hauptschalter und den Hochspannungs-Stationsdienstschalter. Wenn ein interner Fehler in einem dieser Schalter auftritt, speist der Generator weiterhin Fehlerstrom während des Abklingens seines Feldstroms (Erregungsstrom), selbst nachdem der Hochspannungsseitige Schalter des Hauptschalters durch Schutzrelais geöffnet wurde. Mit einem installierten GCB kann der Generator schnell getrennt werden, wodurch Schäden am Hauptschalter minimiert werden – ein entscheidender Vorteil für große Erzeugereinheiten.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die Minderung oder Eliminierung von Schäden am Generator, die durch nicht-simultane (Pol-Disagreement) Operation des Hochspannungsschalters verursacht werden. In Generator-Transformator-Einheitsverbindungen operiert der Hochspannungsschalter bei hoher Nennspannung, und in offenen Schaltanlagen verhindert die große Phasenabstandsmechanische Dreipolverschlussung. Daher kann es sogar bei normaler Schaltung zu nicht-simultanem Betrieb kommen. Solche Bedingungen induzieren negative Sequenzströme im Generatorstator, und der Rotor hat eine sehr geringe Toleranz gegenüber negativen Sequenzmagnetfeldern, was zu schweren Rotorschäden führen kann. Moderne GCBs sind jedoch mit dreiphasiger mechanischer Verschlussung konzipiert und hergestellt, was effektiv einen nicht-simultanen Betrieb verhindert.

Für Fehler, die auf der Generatorseite des GCB auftreten, muss nur der Generator-Schalter ausgelöst werden, ohne den Hochspannungsseitigen Schalter des Hauptschalters zu öffnen, was den Einfluss auf die gesamte Netzstruktur minimiert und die Systemstabilität fördert.

Die Anordnung des Kraftwerks wird einfacher und kostengünstiger, wodurch die Installations- und Inbetriebnahmedauer und -kosten reduziert werden. Der Stationsdiensttransformator und seine zugehörigen Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen können eliminiert werden. Mit der Implementierung von GCB erhöht sich die durchschnittliche Anlagenverfügbarkeit um 0,3%–0,6%, und eine höhere Generatorverfügbarkeit übersetzt sich direkt in höhere Energieeinnahmen.

2. Struktur und Funktion

2.1 Gesamtstruktur

Das Schaltersystem besteht im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten und Ausrüstungen, die alle auf einem gemeinsamen Träger montiert sind. Je nach Bestellbedingungen können bestimmte aufgeführte Komponenten ausgeschlossen sein.

Das Standarddesign der HEC/HECI-Typ-Schaltanlage umfasst:

• SF₆-Schalter

• Trennschalter (Isolierschalter)

• Erdungsschalter

• Kondensatoren

• Stromwandler (CTs)

• Spannungswandler (VTs)

Überströmerschützer, Kurzschlussleiter und der Startschalter (für den statischen Frequenzumrichter, SFC) sind als optionale Artikel verfügbar.

1 – Schalter 2 – Trennschalter (Isolierschalter) 3a – Erdungsschalter 3b – Erdungsschalter 4 – Kurzschlussleiter 5 – Startschalter (SFC) 6 – Kondensator

7 – Stromwandler 8 – Spannungswandler 9 – Überströmerschützer 10 – Gehäuse

Der Schaltkreisbrecher ist mit SF₆-Gas als Bögenlöschmedium gefüllt. Die Hauptkontakte und Bogenkontakte sind getrennt. Die Kontakte werden durch ein Federbetätigungsmechanismus betrieben. Die drei Pole des Schaltkreisbrechers sind mechanisch miteinander verbunden.

1 – Flexible Verbindung 2 – Trennschalter (Isolierschalter) 3 – Bögenlöschkammer 4 – Isolierung 5 – Gehäuse 6 – Erdungsschalter 7 – Isolierte Phasenbusverbindung

8 – Stromwandler

Die internen Komponenten im GCB-Gehäuse sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

2.2 Komponentenstruktur und -funktion

1) Betriebsmechanismus

Der HECI5-Typ GCB-Schalter verwendet den AHMA 4-Betriebsmechanismus. Das Foto dieses Betriebsmechanismus ist wie folgt:

1 – Kombiniertes Motor (Ölpumpenmotor) 2 – Hilfskontakte des Steuerventils 3 – Hilfskontakte

① Betriebsmodul:

Das Modul verwendet eine Struktur mit konstantem Druckunterschied, bei der Hochdrucköl ständig auf das obere Ende des Kolbenstifts wirkt. Die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten können über entsprechende Drosselschrauben separat eingestellt werden.

② Energiespeichermodul:

Unter dem Einfluss von Hydrauliköl komprimiert der Speicherkolben Scheibenfedern und speichert hydraulische Energie langfristig im Energiespeicherkolbenzylinder, um die notwendige Energierezerve für Öffnungs- und Schließvorgänge bereitzustellen.

③ Steuermodul:

Elektrische Befehlssignale aus dem Hauptkontrollraum aktivieren die Öffnen-/Schließen-Solenoidventile, die wiederum den Richtungswechselventil verschieben, um entweder das Öffnen oder Schließen des Schaltkreisbrechers zu erreichen.

④ Anpassungs- (Verbindungs-) Modul:

Während der Bewegung des Kolbenstifts treibt ein Verbindungs-Kurbelarm den Hilfsschalter, um die Öffnen-/Schließen-Positionssignale zu wechseln.

⑤ Hydraulikpumpenmodul:

Ein Elektromotor treibt die Hydraulikpumpe an, um Öl in den Speicher einzupumpen und elektrische Energie in hydraulische Energie umzuwandeln.

⑥ Überwachungsmodul:

Die Kompression der Scheibenfedern treibt einen Wippen an einem Grenzwertschalter, der rotiert, um die Kontakte eines Mikroschalters zu öffnen oder zu schließen. Dies bietet Alarmzeichen und automatische Verriegelungsfunktionen für den Hauptkontrollraum. (Wenn der Druck den vorgegebenen Wert überschreitet, öffnet sich der Druckablassventil automatisch, um Überdruckschutz zu erreichen.)

2) Schaltkreisbrecher

Der Schaltkreisbrecher ist die Hauptkomponente des GCB. Sein struktureller Prinzip ist nicht komplex, und sein Funktionsdiagramm ist wie folgt dargestellt:

S1 – Federlimitierschalter S0 – Hilfsschalter SA – Positionsanzeiger Y1 – Schlusswicklung Y2, Y3 – Öffnungswicklungen 1 und 2 M0 – Energiespeicher-Motor R10 – Heizelement DI – Dichteindikator 

F6 – Dichtemonitor

3) SF₆-Gassystem

Im GCB befindet sich SF₆-Gas nur im Schaltkreisbrecher, im Dichterelay, im Dichtemesser und in den verbindenden Gasleitungen.

Der Dichtemonitor ist ein temperaturkompensierter Drucküberwachungsgerät, das zum Überwachen der SF₆-Gasdichte im dreipoligen (dreiphasigen) Schaltkreisbrecher verwendet wird. Der Gasdruck kann direkt über den Druckmesser beobachtet werden. Wenn der Druck unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt, sendet der Dichtemonitor ein „GAS NACHFÜLLEN“-Signal. Falls der SF₆-Druck weiterhin abnimmt, aktivieren zwei unabhängige Mikroschalter Verriegelungen, die jegliche Schaltvorgänge verhindern – der Schaltkreisbrecher wird mechanisch und elektrisch gesperrt.

Die Einstellpunkte des Dichtemonitors sind in den relevanten Steuerdiagrammen und den SF₆-Gasdichtekennlinien angegeben.

Die Bedienfeldsteuerung des Steuerschrankes besteht hauptsächlich aus vier Teilen:

• Verriegelungsschalter

• Betriebszähler

• Betriebs- und Alarmsignale

• Lokale Betriebsmodusknöpfe

4) Schaltkasten

Alle Funktionen des Betriebsmechanismus des Leistungsschalters sind in den Schaltkasten integriert. Die endgültige Konfiguration und Funktionsanordnung werden in den entsprechenden Steuerungsschemata detailliert beschrieben. Folgende Steuerelemente befinden sich alle im Schaltkasten:

S2 – Lokal/Fern-Schalter: Der Betriebsmodus wird über den Schalter S2 ausgewählt.

In der Fernsteuerstellung können Befehle nur vom Hauptsteuerungsraum aus gegeben werden.

In der Lokalsteuerstellung können Befehle nur vom Schaltkasten des Leistungsschalters aus initiiert werden.

Wenn der Schalter in der Lokalsteuerstellung ist, kann der Schlüssel des Umschalters S2 nicht entfernt werden. Es wird empfohlen, den Schlüssel im Steuerungsraum aufzubewahren.

S11/S12 – Beleuchtete Taster für die Bedienung des Leistungsschalters.

5) Druckentlastung (Explosionsvorbeugungssystem)

Platzierungsdisk: Im Falle eines internen Bogenfehlers (verursacht durch einen lang anhaltenden Kurzschlussstrom), erreicht der Gasdruck im Gehäuse den Aktivierungsschwellwert, so reißt die Platzierungsdisk, um den Überdruck sofort abzulassen. Dieses schnelle Abblasen verhindert eine katastrophale Gehäuseversagen, indem es das überdruckte SF₆-Gas sicher entlädt.