Выключатели генераторов подходят для широкого спектра электростанций, включая угольные, атомные, газотурбинные, комбинированные циклы, гидроэлектростанции и насосно-аккумулирующие станции. Они также идеально подходят для модернизации существующих электростанций, у которых отсутствуют выключатели генераторов.
В прошлом выключатели генераторов обычно использовались на многоблочных станциях, где несколько относительно небольших генераторов были подключены к общей шине. Однако с быстрым ростом размеров генераторов и увеличением уровней тока короткого замыкания системы, прерывательные способности этого типа коммутационного оборудования вскоре были превзойдены. Впоследствии был принят блочный принцип, при котором каждый генератор имел независимую паровую систему вспомогательного питания, напрямую подключенную к повышающему трансформатору и высоковольтному выключателю(ам).
По сравнению с блочным соединением, использование выключателей генераторов для переключения генераторов на их терминальное напряжение предоставляет множество преимуществ:
Упрощение операций: Упрощает операционные процедуры, снижая сложность и потенциал для ошибок человека при выполнении задач, связанных с переключением генераторов.
Улучшенная защита: Предоставляет улучшенную защиту для генератора, а также для основных и блочных трансформаторов, защищая эти важные компоненты от электрических неисправностей и скачков напряжения.
Повышенная надежность: Повышает безопасность системы генерации электроэнергии и значительно улучшает общую доступность электростанции, минимизируя простои и максимизируя производство электроэнергии.
Экономические выгоды: Также приносит экономические преимущества, такие как снижение затрат на обслуживание и улучшение долгосрочной эксплуатационной эффективности.
Ключевые требования к электрической планировке электростанций можно свести к следующему:
Эффективная передача энергии: Передача произведенной электроэнергии от генератора к высоковольтной (ВН) системе передачи, с учетом эксплуатационных потребностей, а также факторов, связанных с доступностью, надежностью и экономической целесообразностью.
Надежное питание вспомогательных систем: Обеспечение электроснабжения вспомогательных и станционных систем, что критически важно для безопасной и надежной работы электростанции.
Рисунок 1 показывает примеры планировок электростанций, которые используют выключатель генератора для подключения генератора к основному трансформатору, демонстрируя, как эти выключатели интегрируются в общую электрическую конфигурацию электростанции.
Выключатели генераторов играют важную и многофункциональную роль в энергетических системах, выполняя множество необходимых операционных обязанностей:
Синхронизация с ВН системой: Они отвечают за синхронизацию генератора с напряжением системы на уровне высокого напряжения (ВН). Это обеспечивает бесшовное соединение между выходом генератора и сетью, облегчая эффективную передачу электроэнергии.
Отключение от ВН системы: Они позволяют отделить генераторы от ВН системы, что особенно полезно при отключении разгруженных или слабо нагруженных генераторов. Эта операция помогает поддерживать стабильность и безопасность энергосистемы.
Прерывание нагрузочного тока: Эти выключатели способны прерывать нагрузочные токи, с возможностью обработки до полной нагрузки генераторов. Эта функциональность важна для нормальной работы и управления нагрузкой на электростанции.
Прерывание короткого замыкания, питающегося от системы: Они могут прерывать короткие замыкания, питающиеся от системы, защищая генератор и другие компоненты от потенциально разрушительных эффектов избыточного тока, вызванного неисправностями в системе.
Прерывание короткого замыкания, питающегося от генератора: Аналогично, они предназначены для прерывания коротких замыканий, питающихся от генератора, защищая сам генератор от внутренних неисправностей и обеспечивая его безопасную работу.
Прерывание тока при несинхронном режиме: Выключатели генераторов могут обрабатывать прерывание тока при несинхронных условиях, с возможностью управления до угла несинхронизма 180°. Эта функция критически важна для поддержания стабильности системы при аномальных условиях эксплуатации.
Синхронизация в насосно-аккумулирующих электростанциях (режим мотора): В насосно-аккумулирующих электростанциях, когда генератор-двигатель запускается в режиме двигателя, выключатель используется для синхронизации машины с ВН системой. Существуют различные методы синхронизации, такие как запуск с помощью статического частотного преобразователя (SFC) или запуск «назад-вперед».
Обработка пускового тока в насосно-аккумулирующих электростанциях (режим мотора): Когда генератор-двигатель запускается в режиме двигателя с асинхронным запуском в насосно-аккумулирующих электростанциях, выключатель закрывается на пусковом токе и прерывает его, обеспечивая плавный и контролируемый процесс запуска.
Прерывание тока короткого замыкания при низкой частоте: В газовых турбинах, комбинированных циклах и насосно-аккумулирующих электростанциях, в зависимости от источника питания при запуске, выключатель может прерывать ток короткого замыкания, питающийся от генератора, при частотах ниже 50/60 Гц, адаптируясь к специфическим требованиям этих систем генерации электроэнергии.
Существует несколько методов синхронизации в насосно-аккумулирующих электростанциях.
Схема запуска с помощью статического частотного преобразователя (SFC): Эта схема в основном состоит из тиристорного преобразователя, подключенного к блочному трансформатору на стороне ВН, и инвертора, связанного с генератором. Инвертор запускает работу генератора с низкой частоты мощности и постепенно увеличивает ее до номинальной частоты. Как только генератор возбуждается для производства энергии, может возникнуть фазовый угол между его выходом и сетью. В момент, когда фазовый угол между генератором и ВН сетью минимален, генератор синхронизируется с ВН сетью с помощью либо выключателя генератора, либо ВН выключателя.
Схема запуска «назад-вперед»: В электростанциях с несколькими генераторами может быть использована схема запуска «назад-вперед». Энергия, произведенная генератором, работающим в номинальных условиях, используется для запуска остановленного генератора до номинальной частоты. Затем генератор синхронизируется с ВН сетью с помощью либо выключателя генератора, либо ВН выключателя.
Согласно стандарту IEC/IEEE 62271-37-13, номинальный цикл короткого замыкания выключателя генератора определяется как состоящий из двух единиц операций, с интервалом в 30 минут между каждой операцией. Цикл представляется как "CO – 30 минут – CO", что означает два полных прерывания короткого замыкания, с 30-минутным интервалом между каждым событием закрытия короткого замыкания.Этот дизайн специально предназначен для защиты электростанций и генераторов. Выполнение двух последовательных операций закрытия-открытия во время полного короткого замыкания может потенциально вызвать повреждение генератора и повышающих трансформаторов.
Такие типы коротких замыканий крайне маловероятны, и также очень маловероятно, что менеджер электростанции попытается закрыть цепь снова всего через 30 минут после полного события короткого замыкания.
Интервал в 30 минут между двумя операциями необходим для восстановления начальных условий выключателя и предотвращения чрезмерного нагрева его компонентов. Следует отметить, что этот временной интервал может варьироваться в зависимости от конкретного типа операции и характеристик выключателя генератора.
