Przerzutniki generatorowe są właściwe dla szerokiej gamy elektrowni, w tym elektrowni opalanych paliwami kopalnymi, jądrowych, gazowych turbin, cyklu połączonego, wodnych i pompujących. Są one również idealne do modernizacji istniejących elektrowni, które nie mają przerzutników generatorowych.
W przeszłości przerzutniki generatorowe były powszechnie stosowane w stacjach wielojednostkowych, gdzie kilka stosunkowo małych generatorów było podłączonych do wspólnego busu. Jednak z szybkim wzrostem rozmiarów generatorów i poziomu prądu uszkodzeniowego systemu, zdolności przerywania tego typu sprzętu rozdzielczego zostały szybko wykorzystane. Następnie przyjęto koncepcję jednostkową, gdzie każdy generator miał niezależny system pomocniczy dostarczający pary bezpośrednio podłączony do transformatora podnoszącego napięcie i przerzutnika o wysokim napięciu.
Porównując do połączenia jednostkowego, używanie przerzutników generatorowych do przełączania generatorów na ich napięciu końcowym zapewnia wiele korzyści:
Uproszczenie operacji: Uprości procedury operacyjne, zmniejszając złożoność i potencjał błędu ludzkiego podczas zadań związanych z przełączaniem generatorów.
Zwiększenie ochrony: Zapewnia lepszą ochronę generatora, jak i głównych i jednostkowych transformatorów, chroniąc te kluczowe komponenty przed awariami elektrycznymi i przepięciami.
Zwiększenie niezawodności: Wzmacnia bezpieczeństwo systemu generowania energii i znacznie zwiększa ogólną dostępność elektrowni, minimalizując czas przestoju i maksymalizując produkcję energii.
Korzyści ekonomiczne: Prowadzi również do korzyści ekonomicznych, takich jak obniżone koszty konserwacji i poprawiona długoterminowa efektywność operacyjna.
Podstawowe wymagania dotyczące układu elektrycznego elektrowni można podsumować następująco:
Efektywne transferowanie mocy: Transferuje wygenerowaną energię elektryczną z generatora do systemu transmisji wysokiego napięcia (HV), uwzględniając potrzeby operacyjne, jak również czynniki związane z dostępnością, niezawodnością i rentownością ekonomiczną.
Niezawodne zasilanie pomocnicze: Zapewnia zasilanie elektryczne dla systemów pomocniczych i stacyjnych, co jest kluczowe dla utrzymania bezpiecznej i niezawodnej pracy elektrowni.
Rysunek 1 ilustruje przykłady układów elektrowni, które wykorzystują przerzutnik generatorowy do podłączenia generatora do głównego transformatora, pokazując, jak te przerzutniki są integrowane w ogólnej konfiguracji elektrycznej elektrowni.
Przerzutniki generatorowe odgrywają kluczową i wieloaspektową rolę w systemach energetycznych, spełniając wiele niezbędnych obowiązków operacyjnych:
Synchronizacja z systemem HV: Są odpowiedzialne za synchronizację generatora z napięciem systemowym na poziomie wysokiego napięcia (HV). Zapewnia to płynne połączenie między wyjściem generatora a siecią, ułatwiając efektywny transfer energii elektrycznej.
Rozłączenie od systemu HV: Pozwalają na oddzielenie generatorów od systemu HV, co jest szczególnie przydatne przy wyłączaniu niewyładowanych lub słabo wyładowanych generatorów. Ta operacja pomaga w utrzymaniu stabilności i bezpieczeństwa sieci energetycznej.
Przerywanie prądu obciążenia: Te przerzutniki są w stanie przerywać prądy obciążeniowe, z możliwością obsługi pełnego prądu obciążenia generatorów. Ta funkcja jest kluczowa dla normalnej pracy i zarządzania obciążeniem w elektrowni.
Przerywanie krótkiego zwarcia zasilanego przez system: Mogą przerywać krótkie zwarcia zasilane przez system, chroniąc generator i inne komponenty przed szkodliwymi skutkami nadmiernego przepływu prądu spowodowanego awariami w systemie.
Przerywanie krótkiego zwarcia zasilanego przez generator: Podobnie, są zaprojektowane do przerywania krótkich zawałów zasilanych przez generator, chroniąc sam generator przed wewnętrznymi awariami i zapewniając jego bezpieczną pracę.
Przerywanie prądu w warunkach nierównoległości fazowej: Przerzutniki generatorowe mogą obsłużyć przerwanie prądu w warunkach nierównoległości fazowej, z możliwością zarządzania kątem nierównoległości do 180°. Ta funkcja jest kluczowa do utrzymania stabilności systemu w niestandardowych warunkach pracy.
Synchronizacja w elektrowniach pompowo-turbogeneracyjnych (tryb motora): W elektrowniach pompowo-turbogeneracyjnych, gdy generator-motor jest uruchamiany w trybie motora, przerzutnik służy do synchronizacji maszyny z systemem HV. Istnieje kilka metod synchronizacji, takich jak uruchamianie za pomocą statycznego konwertera częstotliwości (SFC) lub uruchamianie w konfiguracji back-to-back.
Obsługa prądu startowego w elektrowniach pompowo-turbogeneracyjnych (tryb motora): Gdy generator-motor jest uruchamiany w trybie motora z asynchronicznym uruchamianiem w elektrowniach pompowo-turbogeneracyjnych, przerzutnik zamyka się na prąd startowy i przerywa go, zapewniając płynny i kontrolowany proces startu.
Przerywanie prądu krótkiego zwarcia o niskiej częstotliwości: W elektrowniach gazowych, cyklu połączonego i pompowo-turbogeneracyjnych, w zależności od zasilania startowego, przerzutnik może przerywać prądy krótkiego zwarcia zasilane przez generator przy częstotliwości poniżej 50/60 Hz, dostosowując się do specyficznych wymagań tych systemów generacji energii.
Istnieje wiele metod synchronizacji w elektrowniach pompowo-turbogeneracyjnych.
Schemat uruchamiania za pomocą statycznego konwertera częstotliwości (SFC): Ten schemat składa się głównie z thyristorowego konwertera podłączonego do jednostkowego transformatora po stronie HV i inwertera podłączonego do generatora. Inwerter rozpoczyna pracę generatora od niskiej częstotliwości mocy i stopniowo zwiększa ją do nominalnej częstotliwości mocy. Po wzbudzeniu generatora do produkcji energii może wystąpić różnica kąta fazowego między jego wyjściem a siecią. W momencie, gdy różnica fazowa między generatorem a siecią HV jest zminimalizowana, generator jest synchronizowany z siecią HV za pomocą przerzutnika generatorowego lub przerzutnika HV.
Schemat uruchamiania back-to-back: W elektrowni z wieloma generatorami można zastosować schemat uruchamiania back-to-back. Energia wygenerowana przez generator działający w nominalnych warunkach jest wykorzystywana do uruchomienia zatrzymanego generatora do nominalnej częstotliwości mocy. Następnie generator jest synchronizowany z siecią HV za pomocą przerzutnika generatorowego lub przerzutnika HV.
Według normy IEC/IEEE 62271-37-13, nominalny cykl obowiązków krótkiego zwarcia przerzutnika generatorowego określony jest jako składający się z dwóch jednostek operacji, z 30-minutowym interwałem między każdą operacją. Cykl obowiązków jest reprezentowany jako "CO – 30 minut – CO", co oznacza dwa pełne przerywania krótkiego zwarcia, z 30-minutowym odstępem między każdym zdarzeniem zamykania krótkiego zwarcia.Ten projekt jest specjalnie zaprojektowany, aby chronić elektrownie i generatory. Wykonanie dwóch kolejnych operacji zamknięcia-otwarcia podczas pełnego krótkiego zwarcia może potencjalnie spowodować uszkodzenie generatora i transformatorów podnoszących napięcie.
Takie rodzaje krótkich zawałów są bardzo mało prawdopodobne, a także jest bardzo mało prawdopodobne, aby zarządca elektrowni próbował ponownie zamknąć obwód tylko 30 minut po pełnym zdarzeniu krótkiego zwarcia.
30-minutowy interwał między dwiema operacjami jest niezbędny do przywrócenia początkowych warunków przerzutnika i zapobieżenia nadmiernemu nagrzewaniu jego komponentów. Należy zauważyć, że ten okres czasu może się różnić w zależności od konkretnego typu operacji i charakterystyki przerzutnika generatorowego.
