Generatorbrytare är i grunden lämpliga för en mängd olika kraftverk, inklusive fossilbränsleeldade, kärnkraft, gasturbiner, kombinerade cyklar, vattenkraft och pumpspeicheringskraftverk. De är också ideala för omrustning av befintliga kraftstationer som saknar generatorbrytare.
Tidigare användes generatorbrytare vanligtvis i flernitidsstationer där flera relativt små generatorer kopplades till en gemensam bus. Med den snabba ökningen av generatorstorlek och systemfelströmnivåer översteg dock snart denna typs brytars avbrottsförmåga. Därefter infördes enhetskonceptet, där varje generator hade ett oberoende ångförsörjningssystem direkt anslutet till en stegupptransformator och högspänningsbrytare.
När det jämförs med enhetskopplingen ger användningen av generatorbrytare för att växla generatorer vid deras terminalspänning flera fördelar:
Förenklade operationer: Det förenklar driftförfaranden, minskar komplexiteten och potentialen för mänskliga fel vid generatorrelaterade växlingsuppgifter.
Förbättrad skydd: Det erbjuder förbättrat skydd för generatorn, samt huvud- och enhetstransformatorer, vilket skyddar dessa kritiska komponenter från elektriska fel och spänningstoppar.
Ökad tillförlitlighet: Det ökar säkerheten i strömförsörjningssystemet och förbättrar signifikant den totala tillgängligheten för kraftverket, minimerar nedtid och maximera effektleveransen.
Ekonomiska vinster: Det ger också ekonomiska fördelar, såsom minskade underhållskostnader och förbättrad långsiktig driftseffektivitet.
De viktigaste kraven för det elektriska layouten i kraftverk kan sammanfattas som följer:
Effektiv energioverföring: Överföra den genererade elektriska energin från generatorn till högspänningsöverföringssystemet, med hänsyn till driftbehov, samt faktorer relaterade till tillgänglighet, tillförlitlighet och ekonomisk lönsamhet.
Tillförlitlig reservenergiförsörjning: Se till att det finns elenergiförsörjning för hjälp- och stationstjänstsystem, vilket är avgörande för att upprätthålla säker och tillförlitlig drift av kraftverket.
Figur 1 visar exempel på kraftstationslayouter som använder en generatorbrytare för att ansluta generatorn till huvudtransformatorn, vilket visar hur dessa brytare integreras i det totala elektriska konfigurationen för kraftverket.
Generatorbrytare spelar en viktig och mångsidig roll i strömsystem, genom att utföra en rad essentiella driftuppgifter:
Synkronisering med HV-systemet: De ansvarar för synkronisering av generatorn med systemspänningen på högspänningsnivå (HV). Detta säkerställer en sömlös anslutning mellan generatorns utdata och nätet, vilket underlättar effektiv överföring av elektrisk energi.
Avgrensningsfrån HV-systemet: De möjliggör separation av generatorer från HV-systemet, vilket är särskilt användbart vid avstängning av oladdade eller lättladdade generatorer. Denna operation hjälper till att bibehålla stabilitet och säkerhet i strömnätet.
Avbrott av belastningsström: Dessa brytare kan avbryta belastningsströmmar, med kapacitet att hantera upp till fullbelastningsströmmen för generatorerna. Denna funktion är viktig för normal drift och belastningshantering inom kraftverket.
Systemalstrad kortslutningsavbrott: De kan avbryta systemalstrade kortslutningar, vilket skyddar generatorn och andra komponenter från de potentiellt skadliga effekterna av för hög strömflöde orsakade av fel i systemet.
Generatoralstrad kortslutningsavbrott: På liknande sätt är de utformade för att avbryta generatoralstrade kortslutningar, vilket skyddar generatorn själv mot interna fel och säkerställer dess fortsatta säkra drift.
Avbrott av ström vid ofasvinklar: Generatorbrytare kan hantera avbrott av ström under ofasvillkor, med förmåga att hantera upp till en ofasvinkel på 180°. Denna egenskap är avgörande för att bibehålla systemstabilitet under ovanliga driftvillkor.
Synkronisering i pumpspeicheringskraftverk (motorläge): I pumpspeicheringskraftverk, när generator-motor startas i motorläge, används brytaren för att synkronisera maskinen med HV-systemet. Det finns olika synkroniseringsmetoder tillgängliga, såsom användning av en statisk frekvensomvandlare (SFC) start eller back-to-back start.
Hantering av startström i pumpspeicheringskraftverk (motorläge): När generator-motor startas i motorläge med asynkron start i pumpspeicheringskraftverk, stänger brytaren på och avbryter startströmmen, vilket säkerställer en smidig och kontrollerad startprocess.
Avbrott av lågfrekvens kortslutningsström: I gasturbin-, kombinerade cykel- och pumpspeicheringskraftverk, beroende på startförsörjning, kan brytaren avbryta generatoralstrad kortslutningsström vid frekvenser under 50/60 Hz, anpassat till de specifika kraven för dessa kraftgenereringssystem.
Det finns flera synkroniseringsmetoder i pumpspeicheringskraftverk.
Statisk frekvensomvandlare (SFC) startschema: Detta schema består huvudsakligen av en thyristoromvandlare ansluten till en enhetstransformator på högspänningsidan och en inverter kopplad till generatorn. Inverteren initierar generatorns drift från en låg effektfrekvens och rullar gradvis upp den till den nominella effektfrekvensen. När generatorn är uppspänd för att producera energi, kan det finnas en fasvinkel skillnad mellan dess utdata och nätverkets. I det ögonblick då fasvinkelskillnaden mellan generatorn och högspänningsnätet är minimal, synkroniseras generatorn med högspänningsnätet antingen via en generatorbrytare eller en högspänningsbrytare.
Back-to-back startschema: I ett kraftverk med flera generatorer kan ett back-to-back startschema användas. Den energi som genereras av en generator som opererar under nominella villkor används för att starta en stoppad generator upp till den nominella effektfrekvensen. Därefter synkroniseras generatorn med högspänningsnätet antingen via en generatorbrytare eller en högspänningsbrytare.
Enligt standarden IEC/IEEE 62271-37-13 specificeras den nominella kortslutningsoperationscykeln för en generatorbrytare som bestående av två enheter av operationer, med ett intervall på 30 minuter mellan varje operation. Operationscykeln representeras som "CO – 30 minuter – CO", vilket betyder två fullständiga kortslutningsavbrott, med ett intervall på 30 minuter mellan varje kortslutningsstängningshändelse.Denna design är specifikt avsedd för att skydda kraftverk och generatorer. Att utföra två påföljande stäng-öppna-operationer under en fullständig kortslutning skulle potentiellt kunna orsaka skada på generatorn och stegupptransformatorerna.
Sådana typer av kortslutningar är mycket osannolika, och det är också mycket osannolikt att en anläggningsskötselman skulle försöka stänga circuitet igen bara 30 minuter efter en fullständig kortslutningshändelse.
Intervallet på 30 minuter mellan två operationer är nödvändigt för att återställa de ursprungliga förhållandena för brytaren och förhindra överdriven uppvärmning av dess komponenter. Det bör noteras att detta tidsintervall kan variera beroende på den specifika typen av operation och karaktärsdrag hos generatorbrytaren.
