Генераторные выключатели и комплексы - Назначение и область применения

Глава первая
НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, УСЛОВИЯ РАБОТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНЕРАТОРНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
1-1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Генераторными выключателями (ГВ) обычно называются выключатели на номинальный ток 3150 А 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 генераторных выключателей 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 генераторные выключатели не применялись. Такой принцип конструирования распределительного устройства (РУ) использовался примерно до второй половины 60-х годов. К концу 60-х, началу 70-х 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 генераторных выключателей. По этим же причинам при реконструкции электростанций, работавших ранее без генераторных выключателей, предусматривается установка этих выключателей.
В последние годы все больший интерес проявляется к генераторным выключателям с токами отключения более 160 кА. Это обусловлено ростом единичных мощностей генераторов, внедрением высшего напряжения сетей вплоть до 765 кВ и тенденцией к дальнейшему росту высшего напряжения, развитием атомных электростанций (АЭС), где необходима высокая надежность системы собственных нужд реактора, развитием гидроаккумулирующих станций (ГАЭС) и пиковых ГЭС, характеризующихся частой сменой генераторно-турбинного и насосно-двигательного режимов работы, что, в свою очередь, выдвигает дополнительные тяжелые требования к коммутационной аппаратуре по механическому и коммутационному ресурсу.

Рис. 1-1. Схема блока генератор — повышающий трансформатор без генераторного выключателя

Однако уже несколько лет как прекратился рост единичной мощности энергетических блоков. Агрегаты мощностью более 1300 МВт не изготовляются. Формально самой крупной машиной является турбогенератор 1330 МВт, установленный на АЭС «Брокдорф» в ФРГ.
Выбор типа и места установки генераторного выключателя 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. 1-1 показана схема соединения генератора с повышающим трансформатором без генераторных выключателей. 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, В3 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 генераторный выключатель (рис. 1-2). Установка генераторных выключателей 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 генераторного выключателя. Поэтому при повреждении в цепи генераторного выключателя сначала отключается выключатель В1 на стороне высшего напряжения, а затем генераторный выключатель. ТСН коммутируется выключателем В2 схемы собственных нужд.
Защита от повреждений в ПТ или ТСН может осуществляться либо с помощью генераторного выключателя, либо снятием возбуждения с генератора. Применение генераторных выключателей 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 It, где I — ток к. з., t — длительность тока к.з., что позволяет резко уменьшить объем и последствия повреждений.

Рис. 1-2. Схема блока генератор — повышающий трансформатор с генераторным выключателем

Рис. 1-3. Упрощенная схема электростанции с двумя повышающими трансформаторами

Применение ТСН на станциях выполняется по схемам с верхней (вариант I) и нижней (вариант II) перемычкой (рис. 1-3). 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 станции. В связи с этим на АЭС предпочтение отдается схеме с нижней перемычкой. Имеются и другие схемы, в которых применение генераторных выключателей 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. Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что установка генераторного выключателя 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 генераторных выключателей 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 и целом.    
2. Обеспечивается возможность синхронизации генератора с сетью посредством генераторного выключателя, 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 напряжении.
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 генераторного выключателя требуется установка двух ТСН, что увеличивает стоимость и усложняет схему питания системы собственных нужд станции.

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