Генераторные выключатели и комплексы - Требования

5. ТРЕБОВАНИЯ К ГЕНЕРАТОРНЫМ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМ
В последние 10—15 лет как в СССР, так и за рубежом наметилась четкая тенденция обязательного применения генераторных выключателей на вновь строящихся станциях. Аварии на электростанциях без генераторного выключателя и связанные с этим экономические потери явились причиной того, что проектами реконструкции большинства электростанций предусматривается установка генераторных выключателей.
генераторных выключателей имеет ряд отличий от сетевых высоковольтных выключателей. Это определяется требованиями, которым они должны удовлетворять, а также нагрузками на них. В связи с этим многие требования, изложенные в рекомендациях МЭК, СИГРЭ и национальных стандартах, неприменимы к генераторным выключателям.
Ниже приводятся наиболее существенные отличия, которые затем рассматриваются более подробно. К ним относятся: Uном, которое составляет 10— 36 кВ; Iном, достигающий 50 000 А; Iо.ном, достигающий 250 кА; большая апериодическая составляющая тока, в ряде случаев превышающая 100%; большие скорости нарастания восстанавливающегося напряжения (СНВН) при переходных процессах; возможность прерывания тока нагрузки; возможность отключения при рассогласовании фаз; характер и число циклов переключения.

Рис. 1-7. Общая схема блока электростанции

Сегодня требуются генераторные выключатели, способные отключать генераторы электростанций с номинальным напряжением от 10 до 36 кВ и номинальными токами от 3150 до 50 000 А.
Для оценки предельных токов к. з., которые должны отключать генераторный выключатель, рассмотрим общую схему соединений блока электростанции (рис. 1-7).
Основными видами повреждений, существенными для генераторного выключателя, являются:
а)  повреждение между генератором Г и генераторным выключателем. В этом случае ток Itn, который должен отключать ГВ, поступает от сети высокого напряжения через трансформатор Т;
б)  повреждение между ГВ и трансформатором Т. В этом случае генераторный выключатель должен отключать токи I' и I", соответствующие переходной и ударной реактивностям; генератора;
в)  повреждение в высоковольтной части трансформатора Т. В этом случае генераторный выключатель должен отключать ток Iт.г.

Отключаемый ГВ ток при повреждении типа а имеет наибольшее значение, а при повреждении типа в — наименьшее. При однофазных повреждениях в точках а и б к. з. не возникает, так как нейтраль изолирована или заземлена через сопротивление. К. з. в двух или трех фазах одновременно маловероятно. Тем не менее приводимые ниже данные относятся к трехфазным к. з.
При повреждении в точке а ток к. з. и СНВН зависят от мощности к. з. и характеристик трансформатора. Ток к. з. будет большим (200—300 кА) только при значительной мощности трансформатора и высокой мощности к. з. цепи одновременно.
Форма волны к. з. определяется затуханием постоянной составляющей. Асимметрия тока в момент прерывания зависит от постоянной времени, за которое происходит затухание. В цепях высокого напряжения для частоты 50 Гц характерная постоянная времени трансформаторов составляет 100—150 мс и более, якоря турбогенератора — 200 до 600 мс.

Эквивалентная постоянная времени апериодической составляющей тока к. з. в точке а рис. 1-7 для большинства встречающихся на практике случаев составляет величину от 130 до 150 мс, а для точки б лежит в пределах от 200 до 600 мс.

Рис. 1-8. Зависимость апериодической составляющей тока к. з. от времени

Отношение апериодической составляющей тока к. з. к максимальному значению периодической составляющей в зависимости от времени, прошедшего с момента к. з., показано на рис. 1-8. Кривая а относится к повреждению в точке а (см. рис. 1-7), кривая б— к повреждению в точке б. Как видно из приведенных графиков, апериодическая составляющая может превышать 100%.
Через 50—80 мс после возникновения к. з. контакты размыкаются и отключают ток повреждения, что возможно только при нулевом токе, т. е. затухание постоянной составляющей должно происходить быстрее, чем по кривой б рис. 1-8. Это достигается за счет сопротивления дуги, возникающей при отключении, которое добавляется к сопротивлению, определяющему постоянную времени цепи отключения.
Генераторные выключатели должны отключать предельные значения периодической составляющей тока к. з., которые оцениваются в 500 кА, и соответствующие им предельные значения ударного тока к. з. — 1200 кА.
Необходимо отметить широкий диапазон требований к режимам работы генераторных выключателей. Так, выключатели ТЭС и АЭС работают крайне редко. В связи с этим механический и коммутационный ресурс выпускаемых генераторных выключателей (от 1000 до 3000—5000 циклов ВО) достаточен на срок службы выключателя (25—28 лет). Генераторные выключатели, устанавливаемые в цепях блоков остропиковых ГЭС и ГАЭС, могут срабатывать до 6 и более раз в сутки, что превышает 2000 циклов в год. Ресурс таких выключателей вырабатывается в течение 1—2 лет, что явно недостаточно. В связи с этим все чаще выдвигается требование увеличения механического и коммутационного ресурса до 10—15 тысяч циклов или до 6—7 лет работы, что соответствует межремонтному сроку работы генератора. Выпуск генераторных выключателей с указанным ресурсом позволит совместить капитальный ремонт генератора и генераторных выключателях и снизить потери электроэнергии из-за простоя блока. Установка генераторных выключателей существенно уменьшает объем повреждения при к. з. в цепи повышающего трансформатора или трансформатора собственных нужд по сравнению с гашением поля генератора, которое длится от 3 до 5 с вместо 0,06—0,1 с (время действия генераторных выключателях). Быстродействие генераторных выключателей 3—5 периодов является приемлемым для большинства цепей.
К дополнительным требованиям, предъявляемым к современным генераторным выключателем, относится сохранение его отключающей способности в режиме противофазы, если выполнение этого требования не приводит к чрезмерным затратам. При этом для генераторного выключателя возможно увеличение приложенного напряжения до 2—3 Uном и предельного тока до 50—60% максимального значения периодической составляющей тока к. з. Однако ведущие зарубежные фирмы (например, фирма АВВ, которая образовалась в 1988 г. в результате объединения фирм ASEA и «Броун-Бовери») гарантируют отключающую способность генераторных выключателей при рассогласовании фаз до 90°.
Скорость восстановления напряжения при размыкании контактов генераторных выключателях определяется параметрами системы, местом и характером повреждения. В докладе временной рабочей группы СИГРЭ 13.00.2 [25] приводятся рекомендации по нормированию переходного восстанавливающего напряжения (ПВН) генераторный выключатель при отключении к. з. в наиболее тяжелых условиях. Рекомендации составлены на основе анализа случаев трехфазного к. з. на землю между генератором и трансформатором в схеме с генераторным выключателем. К. з. между генераторным выключателем и трансформатором в схеме (см. рис. 1-7, точка б) характеризуется наибольшими скоростями ПВН на контактах генераторного выключателя. Зависимость скорости ПВН от мощности генератора приведена в табл. 1-3.
Таблица 1-3
Максимальные скорости ПВН при отключении генераторов различной мощности

Практически не зарегистрировано скоростей ПВН больше 6 кВ/мкс. При установке конденсаторов емкостью 0,1—0,3 мкФ в каждой фазе скорость ПВН уменьшается вдвое. Время задержки ПВН не превышает 1 мкс.
При к. з. между генератором и ГВ (рис. 1-7, точка а) скорости ПВН в зависимости от мощности генератора лежат в пределах от 1,6 до 2,2 кВ/мкс, время задержки ПВН не превышает 0,3 мкс. Для обеих схем коэффициент амплитуды ПВН составляет 1,5, как и коэффициент первого гасящего полюса.
Генераторный выключатель должен обеспечивать выполнение цикла О—t—ВО, где tn задается обычно в интервале от 3 до 30 мин, причем большие бестоковые паузы относятся к режимам отключения тока к. з.
Конструктивные требования к генераторным выключателям. В последние годы сформировалась тенденция выполнения генераторных выключателей для встраивания в экранированные токопроводы. При этом отпадают специальные требования к камерам, а в ряде случаев допускается бескамерная установка генераторных выключателей, исключаются случаи попадания под напряжение, так как оболочки (экраны) и выключателя и токопроводов заземлены. Экраны, кроме того, препятствуют попаданию пыли и влаги внутрь аппарата, особенно при небольшом избыточном давлении внутри аппарата или при продувке полостей.
Генераторные выключатели на номинальные токи до 10000—18 700 А обычно выполняют с естественным воздушным охлаждением. Увеличение номинального тока аппарата достигается за счет принудительного воздушного или водяного охлаждения. Дальнейшее увеличение номинального тока достигается комбинированным охлаждением.
Эксплуатационная надежность и безопасность работы больших атомных, тепловых и гидравлических блоков требует таких технических решений при создании основного оборудования, которые могут обеспечить необходимую сейсмостойкость. Требования к устойчивости генераторного выключателя в отношении землетрясений в разных странах предъявляются разные, и базируются они на различных расчетных критериях.
Для определения требуемой сейсмостойкости используется расчет ожидаемых на месте монтажа подземных толчков и описание ожидаемого поведения генераторных выключателей во время и после землетрясения и связанных с ним механических нагрузок на аппаратуру. Характеристики ускорений на месте установки генераторных выключателей являются основой для расчета сейсмостойкости. При этом учитывается передаточная характеристика всего здания.
Генераторные выключатели испытывают на сейсмостойкость в соответствии с имеющимися данными об ускорениях или с требованиями заказчика.
При этом во время и после сейсмических испытаний генераторных выключателей должен обеспечивать выполнение следующих требований:
а)  во время испытаний в выключателе не должны происходить изменения, нарушающие его работоспособность после испытаний; работоспособность генераторных выключателей после сейсмических испытаний должна гарантироваться обязательно;
б)  желательно сохранение работоспособности генераторных выключателей и во время сейсмических испытаний, однако это требование не является обязательным.

Испытания выключателей.

Генераторные выключатели должны проходить полный цикл испытаний на соответствие основным требованиям, так же как любой выключатель.
Особенность коммутационных аппаратов заключается в том, что в мире нет лабораторий для испытаний на токи отключения свыше 200 кА по прямым схемам. В связи с этим генераторные выключатели для крупных блоков испытывают по синтетическим схемам. Одним из путей подтверждения высокой отключающей способности генераторных выключателей является создание аппаратов с двумя дугогасительными разрывами, включенными последовательно, и испытание одного из них при половинном напряжении. По такому пути пошла, например фирма АВВ с выключателями типа DR.

Рис. 1-9. Интенсивность отказов выключателей типа DR

Надежность.

Неисправности и отказы выключателя приводят к простоям оборудования, которые связаны с большими материальными затратами. Надежность изделий в процессе эксплуатации принято характеризовать интенсивностью отказов, под которой понимают число отказов, приходящихся на один выключатель в год (или на выполняемое число коммутаций). Интенсивности отказов выключателей типа DR за 10 лет эксплуатации 383 штук, которыми было выполнено 627 000 циклов ВО за общее время эксплуатации 4340 лет, представлены на рис. 1-9. Видно, что интенсивность отказов с 5,1% в первый год эксплуатации снизилась в последующие годы примерно до 1%, что в 1,6—2,4 раза меньше средней интенсивности отказов высоковольтных выключателей. Из указанного числа генераторных выключателей приблизительно 10% выключателей работало на ГАЭС, 12% — на ГЭС, 26% — на АЭС, 46,5% — на ТЭС и 5% — в синхронных компенсаторах и на газотурбинных электростанциях. За время эксплуатации выключатели наработали в среднем 145 циклов ВО.