Generatorschaltgeräte sind grundsätzlich für eine Vielzahl von Kraftwerken geeignet, einschließlich fossiler, nuklearer, Gasturbinen-, Dampf- und Kombikraftwerke, Wasserkraftwerke und Pumpspeicherkraftwerke. Sie eignen sich auch ideal zur Nachrüstung bestehender Kraftwerke, die keine Generatorschaltgeräte haben.
In der Vergangenheit wurden Generatorschaltgeräte häufig in Mehrblockkraftwerken verwendet, in denen mehrere relativ kleine Generatoren an einen gemeinsamen Bus angeschlossen waren. Mit dem rasanten Wachstum der Generatorgröße und dem Anstieg des Systemfehlstroms überschritten jedoch bald die Unterbrechungsfähigkeiten dieser Art von Schaltanlagen ihre Grenzen. Im Anschluss wurde das Einheitskonzept übernommen, bei dem jeder Generator ein unabhängiges Dampfsystem hatte, das direkt mit einem Spannungssteigertransformator und Hochspannungsschaltgerät verbunden war.
Im Vergleich zur Einheitsverbindung bietet die Verwendung von Generatorschaltgeräten zum Schalten der Generatoren bei ihrer Terminalspannung zahlreiche Vorteile:
Verkürzte Abläufe: Es vereinfacht die Betriebsabläufe und reduziert die Komplexität sowie das Risiko menschlicher Fehler bei generatorbezogenen Schaltvorgängen.
Verbesserte Schutzmaßnahmen: Es bietet verbesserten Schutz für den Generator sowie für die Haupt- und Blocktransformator, um diese kritischen Komponenten vor elektrischen Fehlern und Überspannungen zu schützen.
Erhöhte Zuverlässigkeit: Es erhöht die Sicherheit des Energieversorgungssystems und verbessert erheblich die Gesamtverfügbarkeit des Kraftwerks, indem Stillstandszeiten minimiert und die Leistungsoptimierung maximiert werden.
Wirtschaftliche Vorteile: Es bringt auch wirtschaftliche Vorteile wie reduzierte Wartungskosten und verbesserte langfristige Betriebseffizienz.
Die wesentlichen Anforderungen an die elektrische Auslegung von Kraftwerken können wie folgt zusammengefasst werden:
Effiziente Energieübertragung: Übertragung der erzeugten elektrischen Energie vom Generator auf das Hochspannungs-(HV)-Übertragungssystem, unter Berücksichtigung der Betriebsbedürfnisse sowie Faktoren bezüglich Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und wirtschaftlicher Machbarkeit.
Zuverlässige Hilfsenergieversorgung: Gewährleistung der Versorgung mit elektrischer Energie für Hilfs- und Stationsservice-Systeme, was für eine sichere und zuverlässige Betriebsführung des Kraftwerks entscheidend ist.
Abbildung 1 zeigt Beispiele für Kraftwerksanordnungen, die ein Generatorschaltgerät verwenden, um den Generator mit dem Hauptschaltgerät zu verbinden und verdeutlicht, wie diese Schaltgeräte in die gesamte elektrische Konfiguration des Kraftwerks integriert sind.
Generatorschaltgeräte spielen eine entscheidende und vielseitige Rolle in Stromsystemen und erfüllen eine Vielzahl wesentlicher Betriebsaufgaben:
Synchronisation mit dem HV-System: Sie sind dafür verantwortlich, den Generator mit dem Systemspannung am Hochspannungs-(HV)-Niveau zu synchronisieren. Dies gewährleistet eine nahtlose Verbindung zwischen der Ausgabe des Generators und dem Netz, was die effiziente Übertragung von elektrischer Energie ermöglicht.
Trennung vom HV-System: Sie ermöglichen die Trennung von Generatoren vom HV-System, was insbesondere beim Ausschalten entladener oder leicht belasteter Generatoren nützlich ist. Dieser Vorgang hilft, die Stabilität und Sicherheit des Stromnetzes aufrechtzuerhalten.
Unterbrechung von Lastströmen: Diese Schaltgeräte sind in der Lage, Lastströme zu unterbrechen, wobei sie bis zum vollen Laststrom der Generatoren fähig sein müssen. Diese Funktionalität ist für den normalen Betrieb und die Lastverwaltung innerhalb des Kraftwerks von entscheidender Bedeutung.
Unterbrechung von systemgespeisten Kurzschlüssen: Sie können systemgespeiste Kurzschlüsse unterbrechen und so den Generator und andere Komponenten vor den potenziell schädlichen Auswirkungen von Fehlströmen durch Fehler im System schützen.
Unterbrechung von generatorgespeisten Kurzschlüssen: Ähnlich sind sie darauf ausgelegt, generatorgespeiste Kurzschlüsse zu unterbrechen, um den Generator selbst vor internen Fehlern zu schützen und seine sichere Weiterbetriebsfähigkeit sicherzustellen.
Unterbrechung von Phasenversatzströmen: Generatorschaltgeräte können Ströme unter Phasenversatzbedingungen unterbrechen, wobei sie bis zu einem Phasenversatzwinkel von 180° fähig sein müssen. Diese Funktion ist entscheidend, um die Systemstabilität während abnormer Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten.
Synchronisation in Pumpspeicherkraftwerken (Motorbetrieb): In Pumpspeicherkraftwerken wird, wenn der Generator-Motor im Motorbetrieb gestartet wird, das Schaltgerät verwendet, um die Maschine mit dem HV-System zu synchronisieren. Es gibt verschiedene Synchronisationsmethoden, wie z.B. den Start mit einem statischen Frequenzumrichter (SFC) oder Rückwärtsstart.
Startstrombehandlung in Pumpspeicherkraftwerken (Motorbetrieb): Wenn der Generator-Motor im Motorbetrieb mit asynchronem Start in Pumpspeicherkraftwerken gestartet wird, schließt das Schaltgerät auf den Startstrom und unterbricht diesen, um einen reibungslosen und kontrollierten Startprozess sicherzustellen.
Unterbrechung von Niederfrequenzkurzschlüssen: In Gasturbinen-, Dampf- und Pumpspeicherkraftwerken, je nach Startversorgung, kann das Schaltgerät generatorgespeiste Kurzschlüsse bei Frequenzen unter 50/60 Hz unterbrechen, um den spezifischen Anforderungen dieser Energieerzeugungssysteme gerecht zu werden.
Es gibt mehrere Synchronisationsansätze in Pumpspeicherkraftwerken.
Statischer Frequenzumrichter (SFC) Startschema: Dieses Schema besteht hauptsächlich aus einem Thyristor-Umrichter, der an einem Blocktransformator auf der HV-Seite angeschlossen ist, und einem Inverter, der mit dem Generator verbunden ist. Der Inverter initiiert den Betrieb des Generators bei einer niedrigen Netzfrequenz und steigert ihn schrittweise auf die Nennfrequenz. Sobald der Generator angeregt wird, um Energie zu produzieren, kann es einen Phasenwinkeldifferenz zwischen seiner Ausgabe und dem Netz geben. Im Moment, wenn der Phasenwinkeldifferenz zwischen dem Generator und dem HV-Netz minimal ist, wird der Generator mit dem HV-Netz mithilfe eines Generatorschaltgerätes oder eines HV-Schaltgerätes synchronisiert.
Rückwärtsstartschema: In einem Kraftwerk mit mehreren Generatoren kann ein Rückwärtsstartschema eingesetzt werden. Die von einem Generator unter nominellen Bedingungen erzeugte Energie wird genutzt, um einen stillstehenden Generator bis zur Nennfrequenz hochzufahren. Anschließend wird der Generator mit dem HV-Netz mithilfe eines Generatorschaltgerätes oder eines HV-Schaltgerätes synchronisiert.
Gemäß der Norm IEC/IEEE 62271-37-13 wird die berechnete Kurzschlussdienstlast eines Generatorschaltgerätes als zwei Einheiten von Operationen angegeben, mit einem 30-minütigen Intervall zwischen jeder Operation. Die Dienstlast wird als "CO – 30 Minuten – CO" dargestellt, was bedeutet, dass es zwei vollständige Kurzschlussunterbrechungen gibt, mit einem 30-minütigen Abstand zwischen jedem Kurzschluss-Schließen-Ereignis.Diese Auslegung soll Kraftwerke und Generatoren speziell schützen. Zwei aufeinanderfolgende Schließen-Öffnen-Operationen während eines vollen Kurzschlusses könnten potenziell Schaden am Generator und den Spannungssteigertransformator verursachen.
Solche Arten von Kurzschlüssen sind sehr unwahrscheinlich, und es ist auch sehr unwahrscheinlich, dass ein Kraftwerksleiter versuchen würde, den Schaltkreis nur 30 Minuten nach einem vollen Kurzschlussereignis wieder zu schließen.
Das 30-minütige Intervall zwischen zwei Operationen ist entscheidend, um die anfänglichen Bedingungen des Schaltgerätes wiederherzustellen und eine übermäßige Erwärmung seiner Komponenten zu verhindern. Es sollte beachtet werden, dass dieses Zeitintervall je nach spezifischem Betriebsmodus und den Eigenschaften des Generatorschaltgerätes variieren kann.
