HECI GCB för generatorer – Snabb SF₆-brytare

1.Definition och funktion

1.1 Rollen av generatorbrytaren

Generatorbrytaren (GCB) är en kontrollerbar kopplingspunkt placerad mellan generatorn och stegupptransformatorn, som fungerar som ett gränssnitt mellan generatorn och elkraftnätet. Dess huvudsakliga funktioner inkluderar att isolera fel på generatorsidan och möjliggöra driftkontroll under generatorsynkronisering och nätanslutning. Driftprincipen för en GCB skiljer sig inte markant från den för en standardbrytare; emellertid, på grund av det höga likströmsinnehållet i generatorfelströmmar, krävs det att GCB:er fungerar extremt snabbt för att snabbt isolera fel.

1.2 Jämförelse mellan system med och utan generatorbrytare

Figur 1 illustrerar scenariot för avbrott av generatorfelström i ett system utan generatorbrytare.

Figur 2 visar scenariot för avbrott av generatorfelström i ett system utrustat med en generatorbrytare (GCB).

Som visas i jämförelsen ovan kan fördelarna med installation av en generatorbrytare (GCB) sammanfattas som följer:

Under normal start och stopp av generatorensheten behövs ingen växling av hjälppowersystem—endast operation av generatorbrytaren behövs, vilket betydligt ökar tillförlitligheten för stationens servicepower.

Vid inre fel i generatorn (dvs. på generatorsidan av GCB), behöver endast generatorbrytaren utlösas, vilket betydligt minskar driftkomplexiteten vid enhetsfel.

Den ger bättre skydd för huvudtransformatorn och högspänningsstationstjänstepowertransformatorn. När ett internt fel uppstår i någon av dessa transformatorer, fortsätter generatorn att matas med felström under perioden för dess fältströms (excitation) nedbrott—även efter att högspänningsbrytaren på huvudtransformatorn har öppnats av skyddsläggningen. Med en installerad GCB kan generatorn snabbt kopplas ifrån, vilket minimerar skada på huvudtransformatorn—ett kritiskt fördel för stora generatorenheter.

En ytterligare viktig fördel är minimering eller eliminering av skada på generatorn orsakad av icke-samtidig (pol-disagreement) operation av högspänningsbrytaren. I generator-transformatorenhetskopplingar opererar högspänningsbrytaren vid hög nominalspänning, och i öppen switchgear, förebygger den stora fas-till-fasavståndet mekanisk trepolinterlockning. Därför kan icke-samtidig operation inträffa även under normal växling. Sådana villkor inducerar negativ sekvensströmmar i generatorstatorn, och roteraren har mycket begränsad tolerans mot negativa sekvensmagnetiska fält—vilket potentiellt kan leda till allvarlig roterarskada. Moderna GCB:er designas och tillverkas dock med trefasmechanisk interlockning, vilket effektivt förhindrar icke-samtidig operation.

För fel som uppstår på generatorsidan av GCB, behöver endast generatorbrytaren utlösas—utan att öppna huvudtransformatorns högspänningsbrytare—vilket minimerar påverkan på det totala nätstrukturen och gynnar systemstabilitet.

Kraftverkslayout blir enklare och mer ekonomisk, vilket minskar installations- och inledningskostnader. Stationstjänstepowertransformatorn och dess associerade medium- och högspänningsswitchgear kan elimineras. Genom implementering av GCB ökar genomsnittlig anläggningstillgänglighet med 0,3%–0,6%, och högre generatorstillgänglighet översätts direkt till ökad energiintäkt.

2. Struktur och funktion

2.1 Översiktlig struktur

Brytarssystemet består i grunden av följande komponenter och utrustning, alla monterade på en gemensam stödfäste. Beroende på beställningsspecifikationerna kan vissa listade komponenter uteslutas.

Standarddesignen av HEC/HECI-typ switchgear inkluderar:

• SF₆-brytare

• Frånkopplingsbrytare (isoleringsswitch)

• Jordningsbrytare

• Kondensatorer

• Strömförstärkare (CT:er)

• Spänningsförstärkare (VT:er)

Överbeläggningar, kortslutningslänkar och startswitch (för statisk frekvenskonverterare, SFC) finns som valbara artiklar.

1 – Brytare 2 – Frånkopplingsbrytare (Isoleringsbrytare) 3a – Jordningsbrytare 3b – Jordningsbrytare 4 – Kortslutningslänk 5 – Startswitch (SFC) 6 – Kondensator

7 – Strömförstärkare 8 – Spänningsförstärkare 9 – Överbeläggning 10 – Hölje

Strömbrytaren är fylld med SF₆-gas som bågsläckningsmedium. Huvudkontakterna och bågkontakterna är separerade. Kontakterna styrs av en fjäderdriven mekanism. De tre polerna i strömbrytaren är mekaniskt sammanlänkade.

1 – Flexibel anslutning 2 – Kopplare (Isolerande växel) 3 – Bågsläckningskammare 4 – Isolering 5 – Hölje 6 – Jordningsväxel 7 – Anslutning till isolerad fasbuss

8 – Strömtransformator

De inre komponenterna i GCB-höljet visas i figuren nedan.

2.2 Komponentkomposition och funktion

1) Drivmechanism

HECI5-typen GCB-växel använder AHMA 4 drivmekanism. Fysisk bild av denna drivmekanism visas nedan:

1 – Kombinerad motor (oljepumpmotor) 2 – Kontrollventilens hjälpkontakter 3 – Hjälpkontakter

① Drivmodul:

Modulen använder en konstant tryckdifferensstruktur, där högtrycksolja ständigt verkar på den övre delen av kolbjäcken. Öppnings- och stängningshastigheter kan justeras separat via motsvarande strypskruvar.

② Energilagringsmodul:

Under verkan av hydraulisk olja komprimerar ackumulatorns kolbjäcke skivfjädrar och lagrar hydraulisk energi långsiktigt i energilagringskolbjäckscylinder, vilket ger nödvändig energireserv för öppnings- och stängningsoperationer.

③ Kontrollmodul:

Elektriska kommandosignaler från huvudkontrollrummet aktiverar öppna/stänga elektromagneter, vilka i sin tur skiftar riktning på kontrollventilen för att uppnå antingen öppning eller stängning av strömbrytaren.

④ Adapter (Koppling) modul:

Under kolbjäckens rörelse drar en kopplingsvinkelarm den hjälphögen för att rotera, vilket växlar öppna/stänga positionssignaler.

⑤ Hydraulisk pumpmodul:

En elektrisk motor driver hydraulisk pump för att injicera olja i ackumulatorn, vilket omvandlar elektrisk energi till hydraulisk energi.

⑥ Övervakningsmodul:

Komprimering av skivfjädrarna driver en kamska på en gränsventil, vilken roterar för att öppna eller stänga kontakterna på en mikroväxel. Detta ger larmsignaler och automatiska låsningfunktioner till huvudkontrollrummet. (När trycket överstiger det angivna värdet öppnar tryckavlastningsventilen automatiskt för att uppnå övertrycksskydd.)

2) Strömbrytare

Strömbrytaren är den huvudsakliga komponenten i GCB. Dess strukturella princip är inte komplex, och dess funktionsdiagram visas nedan:

S1 – Fjädergränsventil S0 – Hjälpväxel SA – Positionsindikator Y1 – Stängningsspole Y2, Y3 – Öppningsspolar 1 och 2 M0 – Energilagringsmotor R10 – Värmare DI – Täthetsindikator 

F6 – Täthetsövervakare

3) SF₆-gassystem

I GCB finns SF₆-gas endast i strömbrytaren, täthetsreläet, täthetsmätaren och de anslutande gasrörledningar.

Täthetsövervakaren är en temperaturkompenserad tryckövervakningsenhet som används för att övervaka SF₆-gastätheten i den trepoliga (trefasiga) strömbrytaren. Gastrycket kan observeras direkt via tryckmätaren. När trycket sjunker under ett angivet tröskelvärde sänder täthetsövervakaren ett “Fyll på gas”-signal. Om SF₆-trycket fortsätter att sjunka kommer två oberoende mikroväxlar att aktivera låsningar som förhindrar alla växlingsoperationer—strömbrytaren blir både mekaniskt och elektriskt låst.

Inställningspunkterna för täthetsövervakaren anges i relevanta kontroldiagram och SF₆-gastäthetskarakteristikkurvor.

Kontrollpanelen i kontrollskåpet består huvudsakligen av fyra delar:

• Låsningsväxel

• Driftnummer

• Drift- och larmsignalindikatorer

• Knappar för lokal driftläge

4) Kontrollkabinett

Alla funktioner för strömbrytarens driftmekanism är integrerade i kontrollkabinettet. Den slutgiltiga konfigurationen och funktionslayouten beskrivs i relevanta styrdiagram. Följande styrkomponenter finns alla inuti kontrollkabinettet:

S2 – Lokal/Fjärr-väljarswitch: Driftläget väljs via switch S2.

I Fjärrläget kan kommandon endast ges från huvudkontrollrummet.

I Lokalläget kan kommandon endast initieras från strömbrytarens kontrollkabinett.

När den är i Lokalläge kan inte nyckeln till väljarswitch S2 tas bort. Det rekommenderas att nyckeln hålls lagrad i kontrollrummet.

S11/S12 – Upplysta tryckknappar för strömbrytarens drift.

5) Tryckavlastningssystem (Explosionskydd)

Sprängskiva: Vid intern bågbrist (orsakad av långvarig kortslutningsström), om gastrycket inuti omslutningen når aktiveringströskeln, spränger sig sprängskivan för att omedelbart släppa det överflödiga trycket. Denna snabba ventilering förhindrar katastrofalt omslutningsfel genom säker avledning av övertryckta SF₆-gaserna.