Элегазовый выключатель ABB для генераторов на токи до 200 кА

Автоматический элегазовый выключатель для электрогенераторов, рассчитанный на токи короткого замыкания до 200 кА

Лукас Цендер, Йохен Кифер, Дитер Браун, Томас Шёнерманн

Автоматические выключатели для электрогенераторов - это своего рода незаменимая "тяжелая артиллерия" в арсенале электрических разъединителей.
Аварийный ток величиной 200 кА где-то на линии -  уже само по себе довольно опасное явление. Однако ток короткого замыкания такой величины в непосредственной близости от генератора может привести к событию, сравнимому по своим последствиям с землетрясением: он может оказаться настолько велик, что наведенное им магнитное поле попросту согнет и даже разрушит стальные валы.
Противостоять этому могут автоматические элегазовые выключатели типа HEC 7/8 компании АББ, специально предназначенные для решения непростой задачи "обуздания" токов короткого замыкания. Они способны выдержать любой ток, какой только могу сбросить на них даже самые крупные в мире электростанции.
Возникает вопрос: как удается разорвать цепь столь могучего тока вблизи генератора? И каким образом аварийный выключатель эффективно справляется с возникающей при этом электрической дугой?

Два последних десятилетия ознаменовались резкими изменениями в области автоматических выключателей для электрогенераторов. Они прошли в своем развитии путь от довольно скромного первенца образца 1980-х годов, в котором в качестве дугогасительной среды использовался элегаз (шестифтористая сера, SF6), до описываемых в данной статье новейших электрических разъединителей, рассчитанных на ток короткого замыкания 24 000 A (с естественным охлаждением) и
38 000 A (с принудительным воздушным охлаждением), и выключателей, способных коммутировать токи величиной до 200 кА.
Благодаря этим разработкам удалось создать современные специальные элегазовые аварийные выключатели для энергетических агрегатов мощностью до 1500 МВт.
"Мастер на все руки"
Современный автоматический выключатель должен выполнять множество различных функций, которым относятся:

1. синхронизация генератора с основной энергетической системой
2. развязка генератора с основной энергетической системой
3. отключение токов нагрузки (с величиной, доходящей до уровня тока полной нагрузки генератора)
4. отключение тока короткого замыкания, независимо от того, произошло оно на стороне энергосистемы или на стороне генератора
5. прерывание тока при выходе из синхронизма (при сдвигах по фазе до 180°).

1 Общая компоновка распредустройства АББ для генераторов

1 Автоматический выключатель

2 Разъединитель

3,4 Заземляющие переключатели

5/6 Пускатель (статический преобразователь частоты или встречно-параллельный)

7 Выключатель для защиты от токов КЗ, тормозной выключатель

8 Пускатель (встречнопараллельный)

9-12 Трансформаторы напряжения

13,14 Трансформаторы тока

15 Разрядник для защиты от перенапряжений

16,17 Конденсаторы защиты от перенапряжений

18 Клеммы

19 Корпус

К характеристикам автоматических выключателей, предназначенных для работы с электрогенераторами, предъявляются более высокие требования, чем к выключателям, рассчитанным на средние уровни напряжения: положение блока автоматического выключателя генератора, который находится между генератором и главным трансформатором, приводит к тому, что этот выключатель самым прямым образом влияет на выработку электроэнергии, а потому от него требуется очень высокая надежность.
К тому же современные станционные распределительные устройства - это не просто набор электрических прерывателей. В схему современного автоматического выключателя нередко вводятся все сопутствующие устройства: последовательно включенный разъединитель, заземляющий разъединитель, короткозамыкатель, трансформаторы тока, однополюсные разделительные трансформаторы напряжения, защитные конденсаторы, разрядники для защиты от перенапряжений. В некоторых разновидностях энергетических установок в их состав входят также такие устройства, как пускатели (в случае газотурбинных агрегатов и ГЭС) и тормозные переключатели (в случае ГЭС) (рис.1 ).

Нет ничего удивительного в том, что все предприятия - операторы современных электростанций отдают наивысший приоритет такой аппаратуре, которая позволяет им при минимальных затратах добиться максимального уровня безотказности оборудования. Решить эту задачу помогают современные элегазовые коммутационные системы, обеспечивающие:

1. -достижение максимальной селективности путем соответствующего дифференцирования зон защиты генератора, главного трансформатора и силового трансформатора энергоагрегата
2. -прерывание токов короткого замыкания, возникших на стороне генератора, за отрезок времени не более четырех периодов колебаний напряжения (при использовании быстродействующей аппаратуры развозбуждения на это уходит до нескольких секунд)
3. -общее повышение коэффициента готовности вспомогательного оборудования электростанции
4. более надежную синхронизацию напряжения на зажимах генератора, чем при использовании для этой цели высоковольтного выключателя [1]
5. -исключение быстрых переключений на вспомогательные источники при запуске и выключении энергоагрегата, приводящих к возникновению больших бросков тока и сопровождающих их механических нагрузок, способных вывести из строя приводные двигатели насосов, вентиляторов и т. д.
6. -постоянную возможность подачи на энергоблок вспомогательного напряжения от магистральной ЛЭП (которая гораздо надежней любого другого источника) в такие особо ответственные моменты, как его запуск и останов,

2 Поперечный разрез дуговой камеры (контакты замкнуты).

1. Корпус
2. Главная контактная группа
3. Дугогасительная контактная группа (сегментированная часть)
4. Дугогасительная контактная группа (штырь)
5. Изолятор
6. Поршень (поршни)
7. Зубчатое зацепление
8. Привод
9. Тепловой зазор
10. Разогревающийся объем
11. Каналы отвода газов
12. Предохранительный клапан
13. Обратные клапаны

3 Схема перемещения контактов и график зависимости тока от времени.

1. Движение дугогасительного контакта
2. Движение главного контакта
3. График изменения тока
4. Напряжение на выключателе
5. Стадия нарастания давления
6. Гашение дуги при прохождении тока через нуль

t1 Срабатывание привода t2 Размыкание контактов главной контакт ной группы t3 Размыкание кон тактов дугогасительной группы t4 Погасание дугового разряда при про хождении т ока через нуль
■ "быстрое отключение тока короткого замыкания в генераторе, позволяющее избежать тяжелых последствий и сокращающее продолжительность ремонта.
Повышение надежности работы электростанций, оснащенных современными автоматическими выключателями, и увеличение на этой основе доходов делают новый выключатель крайне привлекательным объектом капиталовложений, обеспечивающим очень быструю окупаемость вложенных средств.

Принцип действия нового выключателя

Помимо своих обычных функций - проведение и прерывание рабочего тока, рассматриваемый автоматический выключатель, представляющий собой камеру, наполненную сжатым элегазом, служит для мгновенного (за время "50 мс) размыкания цепей переменного тока в аварийных ситуациях (короткое замыкание с током, в 5-10 раз превосходящим номинальное значение).
Камера высокого давления, в которой происходит размыкание цепи, состоит, как правило, из двух металлических корпусов, играющих роль электрических проводников, и изолятора.
Обе контактные сборки (главная и дугогасительная) вместе со своими концентрическими поршневыми кольцами через внутреннее зубчатое зацепление соединены с высокоскоростным приводным механизмом, смонтированным с наружной стороны камеры.
Зубчатое зацепление сконструировано с таким расчетом, чтобы главная контактная группа размыкалась на несколько миллисекунд раньше дугогасительной группы, обеспечивая тем самым полное размыкание цепи тока дугогасительной группой. Дуга, образующаяся при размыкании дугогасительной группы, гасится в момент ближайшего прохождения переменного тока через нуль (рис. 3 ).
При замыкании контактов события протекают в обратном порядке: нарастание напряжения приводит к возникновению электрической дуги в контактах дугогасительной группы непосредственно перед их смыканием, после чего замыкаются контакты главной группы, и через них начинает протекать полный ток.

4 Поперечный разрез дугогасительной камеры. Стрелками показаны направления потоков горячего газа на этапе нарастания давления (слева) и при прохождении тока через нуль (справа).

Принцип гашения дуги

Подобно своим меньшим собратьям (см. таблицу), автоматический выключатель типа HEC 7/8 гасит электрическую дугу по принципу самопроизвольного взрыва, при котором необходимая для гашения дуги энергия берется из самого дугового разряда. Высвобождаемая при образовании дугового разряда энергия вызывает резкое нарастание локального давления и температуры. За счет конвективного и лучистого теплообмена с дуговым разрядом мгновенно повышается давление в "разогревающемся объеме" между дугогасительной контактной группой и поршнем (рис. 4 ). Именно отсюда начинает взрывообразно распространяться разогретый газ, который в очередной момент прохождения переменного тока через нуль гасит дугу.

5         Схематическое изображение (вверху), фото (в центре) и полученное численным моделированием поле плазменной струи (внизу) с зонами ударной волны. Струя плазмы исходит из зоны дугового разряда (слева) и попадает на предохранительный клапан (справа).

Росту давления способствует и пинч-эффект (шнуровой эффект, эффект сжатия) в дуговом разряде, вызванный действием собственного магнитного поля дуги и проявляющийся в виде силы, направленной к оси дугового разряда. Эта вызванная собственным током разряда магнитная сила создает в свою очередь сильный поток вещества из объема дугового разряда в осевом направлении, представляющий собой не что иное, как струю плазмы, направленную наружу и частично попадающую в разогревающийся объем (рис. 5 ).

При наличии в момент разрыва цепи сверхбольших токов давление может возрасти до очень большого уровня. Чтобы предотвратить механические разрушения, предусмотрен специальный предохранительный клапан, обеспечивающий сброс избыточного давления. Он разработан в сотрудничестве с ABB Corporate Research в рамках экспериментальных работ по измерению роста давления в разогревающемся объеме, в каналах с противотоком и в самой плазменной струе. При небольших токах энергия дугового разряда относительно невелика и недостаточна для поднятия давления до уровня, способного привести к значительному самопроизвольному взрыву. Здесь-то и начинают работать концентрические поршневые кольца: они поддерживают нарастание давления в разогревающемся объеме и способствуют созданию условий для взрывообразного развития и гашения дугового разряда.
Прохождение тока через нуль
Незадолго до прохождения тока через нуль поперечное сечение шнура дугового разряда и давление в зоне разряда резко снижаются, а локальные тепловые эффекты существенно ослабляются. Если контакт размыкается непосредственно перед прохождением тока через нуль, то нарастание давления в разогревающемся объеме может оказаться недостаточным для гашения дуги. В этом случае выключатель будет в течение полупериода ждать следующего прохождения тока через нуль, когда давление достаточно возрастет.
Надежность контактов
Дугогасительная контактная группа - это именно то место, где разворачиваются основные события. Чтобы выдерживать токи амплитудой до 600 кА, конструкция этой группы должна удовлетворять целому ряду весьма необычных требований:

1. достаточный запас материала в контактах, обеспечивающий работу выключателя в течение расчетного срока службы с учетом выгорания контактов под действием экстремальных условий плазменной среды,
2. минимальная скорость выгорания металла, с тем чтобы свести к минимуму загрязнение объема, ведущее к ухудшению изолирующих свойств элегаза,
3. стойкость к большим механическим нагрузкам, сопровождающим коммутационные операции, а также вызываемым действием электродинамических сил,
4. обеспечение оптимального усилия прижатия контактов во всем рабочем диапазоне значений токов за счет тщательного сбалансирования антипараллельных (вызывающих силы отталкивания) и параллельных (вызывающих силы притяжения) траекторий прохождения тока,

Технические характеристики автоматических элегазовых выключателей, выпускаемых компанией АББ для электрогенераторов

1. "гарантированно низкое омическое сопротивление и высокая теплопроводность.

6 Палец сегментированной дугогасительной контактной группы.

1. - Фланец
2. - Контактный палец
3. - Соединительная деталь
4. - Дугостойкий наконечник

Собственно контакт выключателя состоит из центрального штока, зажатого между сегментированными "пальцами" (рис. 6). Основание (1, 2) пальца изготовлено из пружинящего медного сплава (CuCrZr), а дугостойкий наконечник (4) - из медно-вольфрамового композиционного материала (5).
Соединение между основанием и наконечником пальца также выполнено из меди (3).
Температурный режим
Тепловой расчет конструкции выключателя основан на предположении, что расчетный ток в непрерывном режиме протекает в рассматриваемой цепи при температуре окружающей среды 40 °С Максимально допустимая температура в любой нагретой точке посеребренного контакта составляет 105 °С Внешние части, с которыми может соприкасаться человек, не должны нагреваться выше 70 °С (а в некоторых случаях - не выше 80 °С).
Герметизированная конструкция хороша тем, что и цепь внутреннего тока, и цепь наружного обратного тока проходят внутри корпуса устройства. Поскольку эти токи находятся в противофазе, напряженность внешнего поля, а следовательно, и внешнее тепловыделение существенно снижаются.
Для выявления областей больших токов и больших потерь, а также степени ограничения тока на разных частотах под влиянием поверхностного эффекта был проведен двумерный конечноэлементный анализ распределения тока в отдельных компонентах.

7. Корпус прерывателя выключателя

Для повышения точности модели итерационный процесс подкреплялся физической проверкой результатов, что позволило в конечном итоге найти оптимальное поперечное сечение проводника и идеальное распределение тепловых нагрузок в конструкции.

Ребра специальной конструкции, расположенные вокруг корпуса выключателя (рис. 7), увеличивают площадь его поверхности, способствуя тем самым максимальной теплоотдаче. Принудительное воздушное охлаждение, улучшающее конвективный теплообмен, позволяет повысить номинальный ток с 24 кА (при естественном охлаждении) до 38 кА.

Изоляционный материал

Совместное предприятие, созданное компанией ABB Corporate Research и швейцарской фирмой Vantico, добилось определенных успехов в разработке эпоксидной смолы, способной выдерживать температуру 105 °С в течение 30 лет [2]. При диаметре автоматического выключателя 1 м физические размеры изолятора из этого материала производят впечатление (рис. 7 ).

Испытания

Мало создать автоматический выключатель для коммутации токов в сотни килоампер - надо еще и суметь его испытать. К счастью, у компании АББ имеются в Швейцарии собственные лаборатории, располагающие источниками тока до 450 кА. Однако в связи с тем, что выключатель типа HEC 7/8 предназначен для установок с максимальным значением тока 600 кА, его дальнейшие испытания проводились в Испытательной лаборатории высоких энергий KEMA (рис. 8), расположенной в г. Арнем (Нидерланды). Имеющиеся здесь испытательные стенды отличаются самыми высокими в мире параметрами.
Представление о масштабах проведенных в лаборатории KEMA испытаний могут дать следующие цифры, испытания выполнялись бригадой в составе восьми специалистов АББ, которые провели в Арнеме более трех месяцев и привезли туда не менее пяти грузовиков с аппаратурой.
Испытания проводились при токах 160 кА и напряжении 30 кВ и были завершены в мае 2000 г. Стремление проверить работу выключателя при более высоких значениях тока вылилось в проведение тщательного анализа и моделирование, которые завершились осенью 2001 г. новым циклом испытаний выключателя в лаборатории KEMA при напряжении 27,5 кВ и токе 190 кА, а также при напряжении 25 кВ и токе 200 кА. Эти номиналы близки к паспортным данным воздухополного выключателя высокого давления DR, который хотя и снят с производства, но до сих пор остается наиболее распространенным в цепях энергоагрегатов.
Проведенные испытания показали, что выключатель HEC имеет все основания считаться не только крупнейшим элегазо- вым выключателем в мире, но также и самым лучшим и наиболее тщательно испытанным выключателем.

Надежность

Понятно, что на рынке мощных энергоагрегатов важнейшую роль играет надежность аппаратуры. Учитывая это и стремясь разработать меры, обеспечивающие выполнение самых жестких требований к надежности, компания АББ использовала для анализа отказов обновленную методику, отработанную в 1960-х годах в ходе работы по аэрокосмическим проектам. Впоследствии компания АББ внедрила разработанные меры у себя на производстве, занимающемся выпуском автоматических выключателей.

1. Типовые испытания в Испытательной лаборатории высоких энергий KEMA

Лучший в мире
Конструкция автоматических выключателей, предназначенных для самых крупных в мире энергоагрегатов, должна отвечать мировому уровню. Залогом достижения такого уровня стали новаторские идеи и творческая атмосфера, родившиеся в ходе успешного сотрудничества многих, и притом разных по направленности, научно-исследовательских и проектно-конструкторских коллективов, в том числе внешних партнеров.
Автоматический выключатель HEC 7/8 не только отвечает требованиям, предъявляемым к рабочим характеристикам выключателей на рынке мощных энергоагрегатов, но и превосходит их, а значит, является не только крупнейшим и методически наиболее обоснованно испытанным, но и лучшим в мире элегазовым выключателем. Одновременно он задает и новые экономические стандарты, которые призваны гарантировать высокую конкурентоспособность на рынке.

Об авторах
Dr. Lukas Zehnder Dr. Jochen Kiefer Dieter Braun Dr. Thomas Schoenemann ABB Switzerland Ltd.
High Current Systems PTHG CH-8050 Zurich Switzerland
thomas.schoenemann@ch.abb.com

Литература

1. I. M. Canay, D. Braun, G. S. Koppl, "Delayed current zeros due to out-of-phase synchronizing". IEEE Transactions on Energy Conversion, 1998, vol. 13, No. 2,124-132.
2. K. Guzek, M. Claessens, S. Forster, "Starker Schalter". akzent (швейцарский журнал компании ABB), December2000.