HECI GCB для генераторів – швидкий SF₆ вимикач

1.Визначення та функції

1.1 Роль вимикача генератора

Вимикач генератора (GCB) — це контролюваний точка відключення, розташована між генератором і підвищувальним трансформатором, який служить інтерфейсом між генератором і електромережею. Його основні функції включають ізоляцію аварійних ситуацій на стороні генератора та забезпечення операційного контролю під час синхронізації генератора та з'єднання з мережею. Принцип роботи GCB не значно відрізняється від стандартного вимикача; однак через високу складову постійного струму у аварійному струмі генератора, GCB повинні працювати дуже швидко, щоб швидко ізольувати аварії.

1.2 Порівняння систем з та без вимикача генератора

Рисунок 1 ілюструє ситуацію переривання аварійного струму генератора в системі без вимикача генератора.

Рисунок 2 показує ситуацію переривання аварійного струму генератора в системі, оснаженій вимикачем генератора (GCB).

Як показано в порівнянні вище, переваги встановлення вимикача генератора (GCB) можна підсумувати так:

Під час нормального запуску та зупинки генеруючої установки, не потрібно переключати допоміжне живлення — достатньо оперувати вимикачем генератора, що значно підвищує надійність станційного живлення.

У разі внутрішньої аварії в генераторі (тобто на стороні генератора GCB), достатньо лише відключити вимикач генератора, що значно зменшує складність операцій під час аварійних ситуацій.

Це забезпечує кращу захист головного трансформатора та високовольтного станційного трансформатора. Коли виникає внутрішня аварія в будь-якому з цих трансформаторів, генератор продовжує підтримувати аварійний струм під час спадання поля (вбудованого) струму, навіть після того, як високовольтний боковий вимикач головного трансформатора був відкритий системою захисту. З встановленим GCB, генератор може бути швидко відключений, що мінімізує шкоду головному трансформатору — це ключова перевага для великих генеруючих установок.

Додаткова значна перевага — зниження або уникнення шкоди генератору, спричиненої не одночасним (несправністю полюсів) роботою високовольтного вимикача. У з'єднаннях генератор-трансформатор, високовольтний вимикач працює при високому номінальному напругу, і в розширеному комутаційному обладнанні, велика відстань між фазами не дозволяє механічне триполюсне зв'язування. В результаті, не одночасна робота може виникнути навіть під час нормального комутування. Такі умови викликають негативні послідовні струми в статорі генератора, а ротор має дуже обмежену стійкість до негативних послідовних магнітних полів — що може призвести до серйозної шкоди ротору. Сучасні GCB, однак, проектуються та виготовляються з триполюсним механічним зв'язуванням, що ефективно запобігає не одночасній роботі.

Для аварій, що виникають на стороні генератора GCB, достатньо відключити лише вимикач генератора — без відкривання високовольтного бокового вимикача головного трансформатора — що мінімізує вплив на загальний структуру мережі та сприяє стабільності системи.

Розташування електростанції стає простішим та економічнішим, зменшуючи час встановлення, налаштування та витрати. Станційний трансформатор та його пов'язане середньовольтне та високовольтне комутаційне обладнання можуть бути усунуті. З реалізацією GCB, середній коєфіцієнт доступності станції зростає на 0,3%–0,6%, а вища доступність генератора прямо перетворюється на збільшення доходу від енергії.

2.Структура та функції

2.1 Загальна структура

Система вимикача в основному складається з наступних компонентів та обладнання, всіх монтованих на загальну опорну раму. В залежності від специфікацій замовлення, деякі зі зазначених компонентів можуть бути виключені.

Стандартний дизайн комутаційного обладнання типу HEC/HECI включає:

• Вимикач SF₆

• Відключувач (відокремлювач)

• Заземлювач (заземлювач)

• Конденсатори

• Трансформатори струму (CTs)

• Трансформатори напруги (VTs)

Грозозахисні пристрої, короткозамкнення та запусковий вимикач (для статичного конвертора частоти, SFC) доступні як опціональні елементи.

1 – Вимикач 2 – Відключувач (відокремлювач) 3a – Заземлювач 3b – Заземлювач 4 – Короткозамкнення 5 – Запусковий вимикач (SFC) 6 – Конденсатор

7 – Трансформатор струму 8 – Трансформатор напруги 9 – Грозозахисний пристрій 10 – Оболонка

Автоматичний вимикач заповнений газом SF₆ як середовищем для гасіння дуги. Основні контакти та контакти для гасіння дуги розділені. Контакти приводяться в дію механізмом з пружинним приводом. Три полюси автоматичного вимикача механічно з'єднані.

1 – Гнучке з'єднання 2 – Відокремлювач (відключаючий переключатель) 3 – Камера для гасіння дуги 4 – Ізоляція 5 – Корпус 6 – Переключатель заземлення (земляний) 7 – З'єднання із об'єднаним фазним шинопроводом

8 – Перетворювач струму

Внутрішні компоненти у корпусі GCB показані на нижньому малюнку.

2.2 Склад та функції компонентів

1) Привідний механізм

Автоматичний вимикач типу HECI5 використовує привідний механізм AHMA 4. Фото цього привідного механізму наведено нижче:

1 – Комбінований двигун (насосне колесо) 2 – Додаткові контакти керуючого клапана 3 – Додаткові контакти

① Модуль управління:

Модуль використовує конструкцію з постійною різницею тиску, де високотискова олія постійно діє на верхній кінець штока поршня. Швидкості відключення та включення можна регулювати окремо за допомогою відповідних регулювальних винтів.

② Модуль зберігання енергії:

Під дією гіdraulic oil, the accumulator piston compresses disc springs and stores hydraulic energy long-term in the energy storage piston cylinder, providing the necessary energy reserve for opening and closing operations.

③ Control Module:

Electrical command signals from the main control room activate the open/close solenoid valves, which in turn shift the directional control valve to achieve either opening or closing of the circuit breaker.

④ Adapter (Linkage) Module:

During piston rod movement, a connecting crank arm drives the auxiliary switch to rotate, thereby switching the open/close position signals.

⑤ Hydraulic Pump Module:

An electric motor drives the hydraulic pump to inject oil into the accumulator, converting electrical energy into hydraulic energy.

⑥ Monitoring Module:

The compression of the disc springs drives a cam on a limit switch, which rotates to open or close the contacts of a microswitch. This provides alarm signals and automatic interlocking functions for the main control room. (When the pressure exceeds the specified value, the pressure relief valve automatically opens to achieve overpressure protection.)

2) Circuit Breaker

The circuit breaker is the main component of the GCB. Its structural principle is not complex, and its functional schematic diagram is shown below:

S1 – Spring limit switch S0 – Auxiliary switch SA – Position indicator Y1 – Closing coil Y2, Y3 – Opening coils 1 and 2 M0 – Energy storage motor R10 – Heater DI – Density indicator F6 – Density monitor

3) SF₆ Gas System

In the GCB, SF₆ gas is present only in the circuit breaker, the density relay, the density gauge, and the interconnecting gas piping.

The density monitor is a temperature-compensated pressure monitoring device used to monitor the SF₆ gas density in the three-pole (three-phase) circuit breaker. The gas pressure can be directly observed via the pressure gauge. When the pressure drops below a specified threshold, the density monitor sends a “REPLENISH GAS” signal. If the SF₆ pressure continues to decrease, two independent microswitches will activate interlocks that prevent any switching operations—the circuit breaker becomes mechanically and electrically locked out.

The set points of the density monitor are specified in the relevant control diagrams and the SF₆ gas density characteristic curves.

The control cabinet’s control panel consists primarily of four parts:

• Interlock switch

• Operation counter

• Operation and alarm indicators

• Local operation mode buttons

4) Шафа керування

Всі функції механізму управління вимикачем інтегровані в шафу керування. Остаточна конфігурація та функціональне розташування детально описані у відповідних діаграмах керування. Наступні компоненти керування розміщені всередині шафи керування:

S2 – Перемикач локальний/довгий: Режим роботи вибирається за допомогою перемикача S2.

У положенні Довгий, команди можуть бути видані лише з головної кімнати керування.

У положенні Локальний, команди можуть бути ініційовані лише з шафи керування вимикачем.

Коли перемикач знаходиться у положенні Локальний, ключ перемикача S2 не може бути вилучений. Рекомендується зберігати ключ у кімнаті керування.

S11/S12 – Світлові кнопки для управління вимикачем.

5) Система зниження тиску (захист від вибуху)

Розривний диск: У разі внутрішньої дугової аварії (спричиненої тривалим коротким замиканням), якщо тиск газу всередині корпусу досягає порогу активації, розривний диск руйнується, щоб негайно випустити надлишковий тиск. Це швидке випускання запобігає катастрофічному завиленню корпусу, безпечним чином випускаючи перетиснуті газ SF₆.