Играя важную роль в защите электростанций, генераторные выключатели дают возможность более гибкой эксплуатации и позволяют находить эффективные решения для сокращения инвестиционных затрат.
Играя важную роль в защите электростанций, генераторные выключатели переменного тока дают возможность более гибкой эксплуатации и позволяют находить эффективные решения для сокращения инвестиционных затрат. Техническое обслуживание, энергетическая эффективность и экологическое влияние оборудования в равной степени улучшаются и оптимизируются за счет применения этих механизмов.
Генераторные выключатели переменного тока считаются основным оборудованием электростанции и находятся между генератором переменного тока, который вырабатывает электроэнергию напряжением примерно 15-26 кВ, и повышающим трансформатором, который транспортирует эту энергию дальше, повышая при этом напряжение до 110-750 кВ. Они играют ключевую роль в защите трансформатора и генератора переменного тока от внештатных ситуаций (короткого замыкания в передающей системе), а также выполняют основные функции при нормальном состоянии системы, отключая генератор переменного тока от сети. Эти объекты должным образом обеспечивают надежность и высокий уровень защиты. Существующие десятилетиями они имеют отключающие способности от 50 МВА до 1 400 МВА. В настоящее время в мире их эксплуатируется более 7000 единиц. Эти выключатели позволили усовершенствовать и уменьшить издержки жизненного цикла электрических станций, оказывая эффективную защиту генераторов переменного тока и трансформаторов. С их помощью была упрощена синхронизация оборудования с сетью.
«Страховой полис» для электростанций
По определению, самым интересным в производстве электроэнергии является выработка и транспортировка энергии. С генераторным выключателем переменного тока можно получить возможность управления операционной системой вкупе с системой защиты электростанции. Эта система так же дает возможность уменьшить негативные последствия для генераторов и трансформаторов в случае возникновения аварийных ситуаций, за счет сокращения время воздействия. «Новейшее оборудование не сегодняшний день предлагает самую низкую вероятность отказа, но, тем не менее, внезапность этих явлений может вызвать катастрофические последствия», - говорит Жан-Марк Вильям, старший эксперт Центра Исследований Высоковольтного Оборудования во Франции. «Высоковольтные генераторные выключатели переменного тока являются своего рода страховым полисом. Пока все идет хорошо, выключатель кажется бесполезной тратой средств. Когда события разворачиваются не лучшим образом, мы рады, что он установлен». Финансовое исследование, основанное на сравнении стоимости жизненного цикла электростанций оборудованных и необорудованных генераторными выключателями переменного тока. Явный перевес был в сторону оборудованных.
Генераторные выключатели переменного тока в чем-то аналогичны страховому полису
«Типичный пример, основанный на эксплуатации электростанции 400 МВт, показывает, что установка оборудования этого типа является выгодной, если на протяжении двадцати лет с момента начала работы выключателя удавалось избегать перерывов в работе более, чем на 14 часов», - отметил Вильям. Более того, если точнее посчитать экономию, которая получается при установке генераторных выключателей переменного тока, например, при размещении удаленных высоковольтных выключателей (ВН) и трансформаторов высокого/среднего напряжения (ВН /СН), а также при установке выключателя на вспомогательной линии питания, то «можно легко определить общую экономию всего запущенного проекта», - добавил Ж.-М. Вильям.
Выключатели постоянно совершенствуются
Коммутационная способность в мире высоковольтных выключателей является одной из важнейших особенностей. Эта способность дает возможность точно прогнозировать крупные внештатные ситуации и остановки, которые вполне возможны на электростанциях. Такие виды аварий достаточно редкие, но имеют тяжелые последствия. Конструктивно, дугогасительная камера – это сердце высоковольтного выключателя генератора переменного тока, решающий фактор. Причиной, по которой компании производители данного оборудования постоянно их дорабатывают и улучшают, является применение технологии дутья с тепловым эффектом. Это даст возможность прервать ток короткого замыкания, сила которого менее 160 кА, с помощью гибкого управляющего механизма. На протяжении нескольких лет исследования неудач и дефектов выключателей, выявленных в процессе эксплуатации, показали, что работоспособность высоковольтных выключателей существенно зависит от надежности кинематики и что самый надежный приводной механизм - это пружинно-моторный привод. Для последующего производства выключателей генераторов переменного тока компании оптимизируют и улучшают свои привода за счет упрощения, с целью экономии энергоресурсов и принудительного сокращения количества коротких замыканий.
Самый надежный механизм – пружинный привод
Компании повышают надежность и увеличивают запас мощности выключателей с пружинным управлением. Теперь эти системы могут быть размещены на электростанциях с генераторами до 1 400 МВА. Генераторные выключатели переменного тока первоначально использовали технологию сжатого воздуха для гашения электрической дуги. Сейчас в выключателях указанного выше назначения сжатый воздух постепенно заменяется. Технология, разработанная в середине 80-х, подразумевает использование гексафторида серы (SF6, элегаз). Высоковольтный выключатель с SF6 имеет герметичную конструкцию, ему не требуется автономное питание для подачи сжатого воздуха, как это требовал выключатель старого образца. В частности, преимущества заключаются в значительном уменьшении размеров выключателей. Однако в целом конструкция дугогасительной камеры нового выключателя идентична старому образцу – главные контакты используются для передачи тока, а дугогасительные контакты работают при коммутации тока от главных контактов в направлении дугогасительной камеры. Дуга разворачивается между дугогасительными контактами до полного исчезновения.
Снижение потерь
Чтобы минимизировать издержки жизненного цикла, конструкторы выключателей для генераторов сделали акцент на положение дугогасящих контактов, которые подвергаются сильному износу в ходе работы и должны рассматриваться как стратегический элемент выключателя. «Другой значимый элемент выключателя – его отключающая мощность в условиях номинального тока», - говорит Ж.-М Вильям. «Хотя это не составляет и десятой доли разрывной мощности выключателя, производитель обязан обратить особое внимание на этот аспект». «Технические условия основного тока связанны с текущей функцией. Определенная токовая нагрузка с как можно меньшими потерями обеспечивают почти 100% срок службы операционного выключателя». Значимость этого момента подкрепляется тем, что высоковольтные выключатели традиционно устанавливаются с разъединителями линий, функция которых заключается в обеспечении видимого разрыва для безопасности персонала во время технического обслуживания. К сожалению, выключатели не лишены недостатков: они являются источником джоулевых потерь на этапе производства энергии; они увеличивают вероятность и частоту возникновения незначительных рисков, таких как механические повреждения. Они так же являются причиной основных рисков, таких как тепловые потери на контактах. Следовательно, они чаще нуждаются в техническом обслуживании. Для уменьшения потерь конструкторы должны обратить особое внимание на точность расчетов высковольтного выключателя и разъединителя. Тем более что окружающая среда оборудования в первую очередь ассоциируется с энергией, который рассеивает выключатель на протяжении всего своего срока эксплуатации в виде энергии или материалов, используемых в процессе изготовления. «Самый эффективный способ избежать потерь энергии этим оборудованием является снижение количества внутренних потребителей энергии еще на стадии проектирования», - говорит Ж.-М. Вильям.
Программа эффективности и защиты окружающей среды
С точки зрения снижения потерь, конфигурация классических выключателей SF6 не является 100% эффективной. Объем SF6 под давлением будет связан с размером контактов. Оператор при этом должен принимать компромиссное решение между снижением джоулевых потерь и сокращением объема SF6. Другая помеха: главные контакты находятся в такой же окружающей среде, что и дугогасящие контакты, и, стало быть, подвергаются воздействию потока горячего газа, используемого для прерывания тока, а также находятся под воздействием агрессивных продуктов разложения SF6. «Инновационное устройство – FKGA2 от Альстом – лишено таких компромиссов, позволяя главным контактам быть изолированными от горячего элегаза и коррозийных частиц, возникающих в результате взаимодействия дуги и SF6 в дугогасительной камере», - объяснил Ж.-М. Вильям. Как следствие, их срок службы становится независимым от процессов, происходящих в дугогасительной камере. Интеграция в единый элемент главных контактов выключателя и функции отключения особенно эффективна для снижения потерь: электрическое сопротивление становится значительно ниже, чем у классических выключателей и линейных разъединителей, выделение тепла снижается на протяжении всего срока эксплуатации оборудования. Среди других преимуществ следует отметить уменьшение общей длины оборудования, что позволяет использовать гораздо меньше материалов, и снижение количества производственных процессов. В результате этого наблюдается меньше воздействия на окружающую среду.
Упрощенный контроль главных контактов
Помимо аспектов окружающей среды, оператор электрической станции в первую очередь заинтересован в надежности и доступности оборудования для минимизации негативных последствий в результате отказа. Причина, по которой это имеет решающее значение, является как можно скорейшее выявление возможных признаков, предшествующих отказу. Главные контакты в основном способствуют передаче произведенной энергии, поэтому особенно интересно наблюдать за оборудованием на протяжении всего его срока эксплуатации для обнаружения любого чрезмерного износа контактной поверхности.
Рассеивание тепла уменьшается на протяжении всего срока эксплуатации оборудования
Преимущественно легкий доступ к главным контактам является единственно важным, потому что единственного замера сопротивления контактов является недостаточным для основанием для повышения температуры. Кроме того, новый проект общего стандарта генераторного выключателя переменного тока IEEE-IEC рекомендует визуальный контроль главных контактов, как эффективное средство «проверки емкости выключателя генератора переменного тока, поддерживающей номинальный ток». С конструкцией классического выключателя инспектирование и обслуживание контактов занимает много времени, так как основные контакты находятся в герметически закрытой дугогасительной камере, содержащей гексафторида серы под давлением и подвержены влиянию потока горячего газа. В настоящее время разовые проверки в течение нескольких недель позволят проконтролировать контакты. Выделив главные контакты из газовой среды, новая конструкция FKGA2 обеспечивает легкий доступ к выключателю извне во время непродолжительных плановых отключений выключателя электрического генератора. Таким образом, проверка главных контактов существенно облегчается по сравнению с классической конструкцией. При необходимости намного упрощается замена деталей выключателя.
