В связи с необходимостью повышения номинальных параметров и надежности высоковольтного коммутационного оборудования для атомных электростанций необходима разработка современных генераторных выключателей на повышенные параметры.

Генераторными выключателями (ГВ) обычно называются выключатели на номинальный ток 3150А и более и на напряжение 10—36 кВ. Они предназначены для оперативной и аварийной коммутации нагрузочных токов и токов короткого замыкания (к.з.) в трехфазных цепях переменного тока на генераторном напряжении. Те генераторные выключатели, которые не предназначены для аварийного отключения токов к.з., называются выключателями нагрузки.

Проблема применения ГВ на электростанциях весьма сложна. На ранней стадии развития энергетики генератор электростанции соединялся с повышающим трансформатором или сборными шинами генераторного напряжения. Вырабатываемая генераторами электроэнергия выдавалась через повышающий трансформатор в сеть 110 или 220 кВ. При этом ГВ не применялись. Такой принцип конструирования распределительного устройства (РУ) использовался примерно до второй половины 60-х годов. К концу 60-ых, началу 70-ых годов мощность турбогенераторов возросла до 500 МВт и более. Вырабатываемая этими генераторами энергия стала выдаваться в сети с напряжением 330—500 кВ. Для облегчения эксплуатационного разграничения функций производства (машинный агрегат) и передачи (подстанция) энергии, а также получения существенного технико-экономического эффекта появилась целесообразность применения ГВ. По этим же причинам при реконструкции электростанций, работавших ранее без ГВ, предусматривается установка этих выключателей.

Сегодня широко используется установка генераторных выключателей между генератором и стороной низкого напряжения повышающего трансформатора, т.к. это обеспечивает лучшую защиту от перенапряжений. Одна из основных причин установки таких выключателей – улучшенная защита, которую он обеспечивает как для генератора, так и для повышающего трансформатора от повреждений от токов короткого замыкания, разбаланса нагрузки и несогласования фаз.

Однако, установка выключателя между генератором и повышающим трансформатором тем не менее оказывает влияние на тип и величину возникающих перенапряжений. Возникает вопрос о возникновении перенапряжений, инициированных выключателем в течение операций коммутации и в отключенном состоянии.

Современный генераторный выключатель должен выполнять множество различных функций, к которым относятся:

• синхронизация генератора с основной энергетической системой

• отделение генератора от энергетической системы

• отключение токов нагрузки (с величиной, доходящей до уровня тока полной нагрузки генератора)

• отключение тока короткого замыкания, независимо от того, произошло оно на стороне энергосистемы или на стороне генератора

• прерывание тока при выходе из синхронизма (при сдвигах по фазе до 180°).

Таким образом, применение ГВ влияет на технический уровень применяемых схем собственных нужд станции, обеспечивает существенное повышение надежности работы блоков и электростанции в целом.

Глава 1. Анализ конструкций генераторных выключателей

1.1 Основные параметры генераторных выключателей

Генераторные выключатели, устанавливаемые в цепях генераторов энергоблоков (генератор-трансформатор, укрупненных электрических блоках - несколько генераторов - трансформатор), осуществляют следующие функции:

- оперативные: включение, отключение генератора с рабочими токами; отключение ненагруженного трансформатора; отключение генератора в режиме синхронного двигателя, т.е. обеспечивают процессы пуска, останова агрегатов;

- защитные отключение токов КЗ в генераторе, трансформаторе и в цепях генераторного напряжения; включение на токи КЗ и отключение; включение в условиях противофазы; отключение в условиях рассогласования фаз вплоть до противофазы при ошибочной синхронизации или при выпадении генератора из синхронизма.

К характеристикам генераторных выключателей, предназначенных для работы в эксплуатации, предъявляются более высокие требования, чем к силовым выключателям на средние классы напряжения.

Существуют публикации о перенапряжениях, возникающих на высоковольтной стороне повышающих трансформаторов. Такие перенапряжения возникают, например, из-за воздействия молнии, быстрого срабатывания разъединителя, токов намагничивания. Есть также сведения о перенапряжениях, появляющихся на стороне генератора и другого оборудования, подключающегося к шине генератора. Особо выделяют перенапряжения, возникающие на низковольтной стороне повышающего трансформатора на электростанции, оснащенной генераторным выключателем.

Различают:

1. Кратковременные перенапряжения

2. Коммутационные перенапряжения

3. Переходные перенапряжения, проходящие через повышающий трансформатор.

На большинстве электростанций повышающий трансформатор защищен ограничителями перенапряжения. Эти ограничители не могут во всех случаях обеспечить достаточную защиту от перенапряжений оборудования на низковольтной стороне и могут понадобиться дополнительные меры для защиты шины генератора и оборудования, подключенного к ней.

Последствия использования генераторного выключателя на подстанции при нормальных и аварийных режимах показаны в табл.1.1.

Таблица 1.1.

Последствия использования генераторного выключателя: нормальный режим и режим аварийного отключения

Режим	Соединение с генераторным выключателем		Устройства
Режим	Генераторный выключатель	Высоковольтный выключатель	Высоковольтный выключатель
Нормальный рабочий режим
1.1Разгрузка повышающего трансформатора на стороне высокого напряжения	___	Протекание пускового тока1. Возможна высокочастотная генерация на стороне высокого напряжения повышающего трансформатора (если выключатель расположен на некотором расстоянии от электростанции), феррорезонанс на стороне низкого напряжения повышающего трансформатора.	___
1.2. Устройство синхронизации со стороной высокого напряжения.	Сравнительно низкое напряжение, приложенное к выключателю перед отключением	___	Сравнительно высокое напряжение, приложенное к выключателю перед отключением (особенно плохо для выключателя наружной установки с сильным загрязнением).
1.3. Съемный блок, вышедший из строя.	Выключатель отключает небольшой ток (несколько процентов от номинального тока генератора). ПВН <1,0 pU 3	___	Выключатель отключает небольшой ток (несколько процентов от номинального тока генератора). ПВН <1,0 pU 3
1.4. Снятие возбуждения с повышающего трансформатора на стороне высокого напряжения.	___	Выключатель отключает ток намагничивания, небольшое перенапряжение переключения < 2,5pU.	___
Аварийный режим
2.1. Снятие возбуждения с повышающего трансформатора на стороне высокого напряжения	Выключатель отключает ток намагничивания, очень небольшое перенапряжение переключения < 2,0pU3	Выключатель отключает ток намагничивания, небольшое перенапряжение переключения < 2,5pU	___
2.2. Сброс нагрузки.	Временное перенапряжение (1,4 pU). Выключатель отключает ток нагрузки, ПВН<1,9 pU3	___	Временное перенапряжение (1,4 pU). Выключатель отключает ток нагрузки ПВН <1,7 pU
Аварийные отключения
3.1. К.з. между генераторным выключателем и генератором.	Выключатель отключает ток к.з. от системы ПВН <2,7pU. Для снятия возбуждения с генератора необходимо отключить ток к.з. генератора.

1 Величина пускового тока может быть снижена синхронизированным отключением

2 Использовать информацию относительно предотвращения феррорезонанса на стороне низкого напряжения повышающего трансформатора.

3 Относится только к элегазовым генераторным выключателям, т.к. воздушные и вакуумные выключатели могут вызвать большие перенапряжения.

Одним из основных параметров, определяющих выбор выключателя, является номинальный ток отключения (Iо ном), обеспечивающий выполнение защитных функций. Как правило, при выборе выключателя принимается условие отключение максимального тока КЗ, протекающего через выключатель.

Требования к номинальному току и току отключения генераторного выключателя зависят от того, в каких генераторных цепях он установлен и какие оперативные и защитные функции на него возлагаются. Примерные современные и прогнозируемые величины номинальных токов и токов к.з. приведены в табл.1.2.[4].

Номинальное напряжение должно быть в пределах 16-30 кВ. Класс изоляции генераторных выключателей обычно устанавливается один на все номинальные напряжения – 24 или 36 кВ.

Номинальный ток в пределах 12-50 кА. Номинальный ток отключения, в зависимости от защитных функций, от номинального тока генератора до 400 кА.

Таблица 1.2.

Параметры	Тип и характеристика
Параметры	Гидростанций	Тепловых электростанций	АЭС
Номинальная мощность генераторов, МВА	200-300	200-1000	600-900	1650	2300
Номинальное напряжение, кВ	16	18-24	22	24-18	27
Номинальный ток, кА	7-12	7-24	16-24	40-50	50
Ток к.з. генератора, кА	50	50-100	60-100	150	180
Ток генератора, поступающий через трансформатор из сети: Действующее значение, кА	100	200	200	310	380
Амплитудное значение, кА	270	540	540	870	1030

Ток динамической стойкости и ток включения от 270 до 1000 кА (амплитуда).

В дальнейшем предполагается работа генераторных выключателей в режиме АПВ.

Установка ГВ в цепях генераторов имеет следующие основные преимущества:

1. Достигается существенное повышение надежности эксплуатации, так как при аварийных отключениях генератора обеспечивается непрерывность питания системы собственных нужд 6—10 кВ. Без ГВ любое отключение генератора, в том числе и по режимным условиям, должно сопровождаться переключением ТСН с рабочего на резервный ТСН. Это существенно снижает надежность работы энергоблоков и электростанции в целом.

2. Обеспечивается возможность синхронизации генератора с сетью посредством ГВ, а не высоковольтными выключателями, установленными за повышающим трансформатором.

3. Обеспечивается возможность отключения генераторов по режимным условиям посредством генераторных выключателей, не затрагивая схем и высоковольтного оборудования открытого распределительного устройства (ОРУ) повышенного напряжения.

4. Представляется возможным применять более экономичные схемы электрических соединений с использованием укрупненных трансформаторов и с попарным присоединением турбогенераторов к ОРУ повышенного напряжения.

5. Обеспечивается возможность применения рабочих и резервных ТСН одинаковой мощности, что приводит к снижению токов к.з. В ряде случаев, например для тепловых электростанций с турбогенераторами мощностью 320 МВт, обеспечивается возможность применения более дешевых серий КРУ с меньшими токами отключения.

6. При наличии на электростанции более двух генераторов согласно нормам технологического проектирования ТЭС допускается установка одного резервного ТСН. Без ГВ требуется установка двух ТСН, что увеличивает стоимость и усложняет схему питания системы собственных нужд станции.

1.2 Схемы применения генераторных выключателей

Выбор типа и места установки ГВ определяется схемой и режимом работы блока электростанции, а также способом питания и ответственностью системы собственных нужд. При чисто блочной схеме выдачи мощности (генератор Г—повышающий трансформатор ПТ) генераторный выключатель в ряде случаев можно не устанавливать, а выполнение необходимых коммутационных операций возложить на коммутационный аппарат со стороны высшего напряжения. На рис. 1.2 показана схема соединения генератора с повышающим трансформатором без ГВ [5].

Рис.1.2. Схема блока генератор - повышающий трансформатор без генераторного выключателя

Питание системы собственных нужд блока в нормальных условиях обеспечивается через выключатель высшего напряжения (В1). В случае планового или аварийного отключения блока питание системы собственных нужд автоматически переключается с трансформатора собственных нужд ТСН1 на ТСН2 через выключатели В2, ВЗ и В4. Во время строительства и ввода в эксплуатацию станции питание ее системы собственных нужд также осуществляется от общестанционного ТСН2. При повреждении ТСН1 ток к.з., текущий от генератора через место повреждения в ТСН1, отключается на стороне высшего напряжения выключателем В1. За счет большой энергии, выделяемой в ТСН1 при повреждении, бак его может быть разрушен до отключения тока к.з. выключателем В1. Для защиты от повреждений в системе собственных нужд генератора Г и ПТ применяется ГВ (рис. 1.3).

Рис.1.3.

Для схем с укрупненными электрическими блоками на ГЭС (рис.1.4 – 1.6) токи КЗ от системы и других генераторов через выключатель превышают токи КЗ от генератора в 3-6 раз.

Установка ГВ в схеме блока Г—ПТ уменьшает перегрузки генератора и ТСН при несимметричных к.з. в сети высшего напряжения и при неправильной синхронизации. Это связано с тем, что выключатели на стороне высшего напряжения имеют обычно меньшее время отключения по сравнению со временем отключения ГВ. Поэтому при повреждении в цепи ГВ сначала отключается выключатель В1 па стороне высшего напряжения, а затем ГВ. ТСН коммутируется выключателем В2 схемы собственных нужд. Защита от повреждений в ПТ или ТСН может осуществляться либо с помощью ГВ, либо снятием возбуждения с генератора. Применение ГВ в данном случае предпочтительно, так как позволяет сократить продолжительность тока к.з. с 4—5 с до 0,06—0,1 с. При этом на несколько порядков уменьшается выделяемая энергия, пропорциональная , где I—ток к.з., t—длительность тока к.з., что позволяет резко уменьшить объем и последствия повреждений.

Имеются решения, когда по указанным причинам в цепи генератора установлен выключатель нагрузки - аппарат, рассчитанный на выполнение только оперативных функций выключателя, а защитные функции возложены на выключатель ВН. Это облегчает условия работы выключателя ВН и управления агрегатом.

Как показывают расчеты, указанные решения недостаточны для защиты трансформатора при внутренних КЗ, так как продолжительность тока КЗ при отсутствии выключателя определяется временем гашения поля генератора, которое составляет порядка 1,5 с. Такое время подпитки дуги КЗ в трансформаторе приводит к разрушению бака, возгоранию масла и обмоток трансформатора. Отечественный и зарубежный опыт это подтверждает, после такой аварии трансформатор не восстанавливается.

При наличии выключателя в цепи генератора ток КЗ прерывается за 0,05-0,1 с. В этом случае, как показывает практика, разрушение бака трансформатора не происходит и поврежденный трансформатор восстанавливается.

Поэтому установку в цепи генератора выключателя, обеспечивающего отключение тока КЗ от генератора, следует считать обязательной и это будет соответствовать ГОСТ 12.1.010 "Взрывобезопасность. Общие требования." Пункт 2.6 "Предотвращение возникновения источника инициирования взрыва должно быть обеспечено: ...применением быстродействующих средств защитного отключения возможных электрических источников инициирования взрыва."

Что касается отключения тока КЗ от системы, то как показывает практика, оно может быть возложено на выключатель ВН, при этом время воздействия на оборудование тока подпитки КЗ от энергосистем будет снижено, а ощутимых последствий по снижению надежности из-за перевода питания сети собственных нужд на резервный трансформатор не ожидается.

Применение ТСН на станциях выполняется по схемам с верхней (вариант I) и нижней (вариант II) перемычкой (рис. 1.7). Особенности упомянутых схем хорошо иллюстрируются в схеме объединенного блока. При повреждении ТСН1 или ТСН2 в схеме с верхней перемычкой необходимо отключать весь блок. При повреждении ТСН1 или ТСН2 в схеме с нижней перемычкой ГВ1 или ГВ2 соответственно отключают аварийно только один блок из двух. Оба варианта по надежности и затратам практически равноценны. Выбор схемы включения ТСН определяется ответственностью системы собственных нужд. В связи с этим на АЭС предпочтение отдается схеме с нижней перемычкой.

Рис.1.7. Упрощенная схема электростанции с двумя повышающими трансформаторами.

Имеются и другие схемы, в которых применение ГВ обеспечивают высокую гибкость, надежность системы и экономическую эффективность. Так, в схеме объединенных и укрупненных блоков применяется чередование схем с верхней и нижней перемычками. Ряд отечественных и зарубежных станций с крупными блоками для повышения надежности питания системы собственных нужд комплектуется дополнительным резервным дизель-генераторным источником питания.

Для схем с генераторными выключателями, обеспечивающими отключение токов КЗ только от генераторов, необходимо применение соответствующей логики действия электрических защит.

Проведенные предварительные проработки показывают, что изменения в логике действия защит будут в основном касаться дифференциальных защит генератора, блочного трансформатора и блока.

Дифференциальная защита генератора и дифференциальная защита блока должны сначала действовать на отключение выключателя ВН в укрупненных электрических блоках и на отключение выключателей неповрежденных цепей генераторов. После отключения указанных выключателей должен отключаться выключатель поврежденной цепи, затем должен включаться выключатель ВН для восстановления питания собственных нужд, а в укрупненных электрических блоках могут включаться в сеть генераторы с неповрежденными цепями.

Дифференциальная защита блочного трансформатора должна действовать одновременно на отключение выключателя ВН и выключателя генератора поврежденной цепи.

В зону действия дифференциальной защиты генератора следует включать генераторный выключатель.

1.3 Токоведущая система и система контактов

Выпускаемые промышленностью ГВ имеют различные электрические схемы. Рассмотрим основные из них, поясняющие принцип работы ГВ.

Наиболее простая схема (рис. 1.8, а) содержит главные 1 и дугогасительные 2 контакты. Для этой схемы в отключенном положении выключателя контакты 2 всегда разомкнуты.

Включение выключателя выполняют либо главными контактами 1 (контакты 2 при этом могут оставаться в разомкнутом состоянии или замыкаться после замыкания контактов 1), либо дугогасительными контактами 2, после которых замыкают главные контакты 1.

Порядок оперирования при отключении: размыкаются контакты 1, ток из главной цепи переходит в цепь контактов 2, а затем размыкаются контакты 2. Если во включенном положении контакты 2 разомкнуты, то по команде на отключение выключателя до начала размыкания контактов 1 замыкаются контакты 2 (только на время оперирования). После этого отключение происходит, как описано выше.

Рис.1.8. Основные электрические схемы генераторных выключателей.

В схеме рис. 1.8, б при включенном положении выключателя контакты 1, 2 и 3 замкнуты. Обязательным элементом такого выключателя является отделитель 3. Порядок оперирования при отключении: размыкаются контакты 1, после этого — контакты 2 и затем уже без тока размыкаются контакты 3, после чего замыкаются контакты 2. Контакты 2, размыкающиеся только на время оперирования, принято называть импульсными. Включение осуществляется либо главными контактами 1, либо контактами отделителя 3.

Схемы рис. 1.8, а и б обычно применяются при Iо.ном, не большем 100 кА. Электрическая схема ГВ с Iо.ном, большим 100 кА, приведена на рис. 1.8,в. По сравнению с описанными выше схемами она снабжена шунтирующим резистором 4 и вспомогательным контактом 5. Включение ГВ осуществляется либо контактом 1, либо контактом 3. Отключение отличается тем, что после размыкания дугогасительных контактов 2 ток переходит в цепь резистора 4, ограничивается им, а затем прерывается вспомогательным контактом 5. [5].

Одним из основных недостатков ГВ является проблема переброса тока из главной токоведущей цепи в цепь дугогасительных контактов. Так как генераторное напряжение не велико, а мощность большая, то возникают большие токи. При перебросе 95% тока должно быть отправлено в дугогасительную цепь, что вызывает большое возмущение в системе. За счет этого возмущения возникает, так называемая дуга переброса, что приводит к оплавлению контактов.

Так как ГВ являются выключателями на большие токи, то возникает проблема с контактными системами. Происходит оплавление, сваривание контактов, что приводит к отказу аппарата при отключении. Решением является использование контактов из тугоплавких материалов (кирита); использование нескольких ярусов контактов в токоведущей системе с целью последовательного переброса тока из большего контура в меньший, что уменьшает индуктивность и облегчает условия переброса, при которых не возникает дуга переброса. Необычное решение этой проблемы реализовано в выключателе НЕ фирмы «АВВ» на напряжение 24кВ, отключаемый ток до 100кА, номинальный ток 12кА. На рис. 1.9 изображена схема его дугогасительного устройства.

Рис. 1.9. Дугогасительное устройство генераторного выключателя НЕ «АВВ»

I - вводы; 2 – катушка магнитного дутья; 3 – неподвижный дугогасительный контакт, он же металлическое дугогасительное сопло; 4 – подвижной дугогасительный контакт, он же – второе сопло; 5 – главный неподвижный контакт; 6 – главный мостиковый контакт; 7 - изоляторы; 8 – компрессионный поршень; 9 – изоляционный вал-тяга; 10 – камера высокого давления;

При отключении производится перемещение детали, которая выполняет одновременно функции Главного и дугогаситепьного контакта, дугогасительного сопла и компрессионного поршня. Сначала размыкаются главные контакты 5 и 6, потом дугогаситепьные 3 и 4. Внутри неподвижного соплообразного дугогаситепьного контакта помещена катушка магнитного дутья 2. При размыкании контактов дуга приходит в движение в магнитном поле и перекачивает газ в камеру высокого давления. Благодаря этому снижается эрозия и разрушение дугогасительных контактов. В случае, когда приходится отключать малый ток, небольшое давление в этой камере создается с помощью компрессионного поршня.

Также при отключении присутствует большое значение апериодической составляющей. На примере французкого генераторного выключателя FKG2S 24кВ, 63кА на рис. 1.10 видно что ток не проходит через ноль.

Рис. 1.10 Ток короткого замыкания с апериодической составляющей

На рис. 1.11,1.12 показано отключение дуги выключателем FKG2S за 18.4 мс, напряжение на дуге достигает 4.8 кВ в момент отключения.

Рис. 1.11. Осциллограммы тока Рис. 1.12. Напряжение на дуге в короткого замыкания и напряжения момент отключения.

Благодаря запасу давления газа за счет энергии дуги и эффекта автогенерации выключатель FKG2S успешно гасит дугу при повторном проходе тока через ноль. Это дает возможность отключать токи с большой постоянной времени апериодической составляющей.

В качестве примера отключения можно рассмотреть отключение генераторного блока 800 МВт выключателем нагрузки КАГ-24 [7].

Выключатель нагрузки КАГ-24 имеет четыре контакта, размыкающихся в определенной последовательности. Схема контактов полюса выключателя нагрузки КАГ-24 показана на рис. 1.10. При отключении генератора сначала начинает расходиться главный токоведущий контакт выключателя нагрузки 1. Через 20 - 30 мс после начала расхождения главного токоведущего контакта начинает отключаться основной дугогасительный контакт 2. Еще через 20 - 30 мс начинает расходиться вспомогательный дугогасительный контакт 3, последовательно с которым включен резистор 140 Ом. К этому времени должно произойти отключение тока основным дугогасительным контактом. Ток генератора, ограниченный резистором, окончательно гасится вспомогательными дугогасительными контактами. Затем отключаются контакты отделителя 4.

Рис. 1.10 Схема контактов выключателя нагрузки КАГ-24:

I - главный токоведущий контакт; 2 - контакт основной дугогасительной камеры; 3 - контакт вспомогательной дугогасительной камеры; 4 - контакт отделителя

Ни в одном из случаев отказов выключателя нагрузки КАГ-24 повреждений его дугогасительных камер не было. Все повреждения отмечались только в камере главных токоведущих контактов. Эти контакты размыкаются без напряжения на них, поскольку в начале расхождения контактов они шунтированы замкнутыми контактами основной дугогасительной камеры. Отключение тока нагрузки дугогасительными камерами происходит при еще не полностью разошедшихся главных токоведущих контактах. Камера главных токоведущих контактов не имеет дутья. Все эти обстоятельства требуют определения выдерживаемого напряжения главных токоведущих контактов в процессе коммутаций.

Осциллограммы токов и напряжений генератора в момент отключения показаны на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Осциллограммы токов и напряжений в процессе отключения КАГ-24 НВГРЭС с применением РОМ

Страницы: 1, 2, 3, 4