Элегазовый генераторный выключатель 10 кВ, 63 кА, 8000 А

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.

Из рис. 1.11 видно, что до отключения амплитуды фазных токов генератора составляли 450 - 470 А при амплитуде фазного напряжения 18,6 кВ. Приблизительно за два периода до отключения выключателя нагрузки амплитуды токов возрастают до 3,5 кА, а амплитуда фазного напряжения несколько снижается (до 18,2 кВ). Такое увеличение тока связано, видимо, с работой автомата гашения поля и переходом генератора из режима синхронного двигателя в режим асинхронного электродвигателя, в результате чего генератор набирает нагрузку (до 90 Мвар)

Ток отключения, измеряемый через трансформатор тока, практически воспроизводит ток отключения основной дугогасительной камерой, поскольку ток, отключаемый вспомогательной дугогасительной камерой, несоизмеримо меньше и воспринимается на осциллограмме как нулевая линия.

В зависимости от времени подачи импульса на автомат гашения поля отключение выключателем нагрузки генератора может происходить как при достаточно малом токе, так и при большом.

Для выяснения влияния отключаемого тока на восстанавливающееся напряжение были проведены расчеты по общепринятой методике. Программа расчета учитывала параметры всех основных элементов схемы генераторного присоединения:

генератор (индуктивность Ld" и эквивалентная емкость Соэ);

блочный трансформатор (индуктивность рассеяния с учетом ее уменьшения при высоких частотах и эквивалентная емкость на землю с учетом емкости между обмотками ВН и НН);

емкости оборудования генераторного блока на стороне 24 кВ.

Основные результаты расчетов при отключении генераторного блока 800 МВт в двигательном режиме приведены далее (числитель - восстанавливающееся напряжение на контактах основной дугогасительной камеры, знаменатель - вспомогательной).

Расчеты показывают, что восстанавливающиеся напряжения при отключении генераторного блока в двигательном режиме, хотя и зависят от отключаемого тока (500 или 3500 А), но существенно ниже нормируемой величины ПВН (переходного восстанавливающегося напряжения).

Следует, однако, учитывать, что расчеты проводились для отключения токов при естественном переходе его через нуль. Мощное дутье в дугогасительных камерах, которое рассчитано на отключение номинального тока нагрузки (24 кА), существенно меньшая амплитуда отключаемых токов с применением РОМ по сравнению с номинальным током не позволяют исключить возможность среза тока.

Расчеты показывают, что срез тока 90 А дополнительной дугогасительной камерой (амплитуда тока, отключаемая дополнительной дугогасительной камерой в рассматриваемом режиме) может увеличить перенапряжения на контактах выключателя нагрузки до 18 кВ, что ниже нормированной величины ПВН 24,5 кВ.

Если отключение генератора происходит до повышения токов, т.е. при токах до 500 А, то снижается ток, отключаемый вспомогательной дугогасительной камерой, до 10 - 20 А. Срез таких токов не приводит к перенапряжениям выше 5 кВ.

Меньшие отключаемые токи могут сократить время гашения дуги дугогасительными камерами. В этом случае расстояния между главными токоведущими контактами уменьшаются по сравнению с таковыми при гашении номинального тока, а следовательно, отключение может происходить при более низком значении межконтактной электрической прочности.

1.4 Параметры современных генераторных выключателей

Элегазовый выключатель с двумя ступенями давления изготовляется японской фирмой Mitsubishi на напряжение 24 и 36 кВ, номинальные токи 16кА при естественном охлаждении и 36 кА при обдуве воздухом совместно с токопроводом пофазно-экранированного шинопровода. Давление элегаза 1,5/0,3 МПа. Он может применяться как выключатель на ГАЭС и ГЭС с генераторами до 300 МВА, на ТЭС и АЭС он может применяться как генераторный выключатель нагрузки, или как генераторный выключатель с ограниченной мощностью отключения отключающий только ток к.з. генератора мощностью до1000 МВА. Достоинством этого выключателя является относительная бесшумность в работе и допустимость большого количества отключений номинального тока (16кА – 1000 раз). Недостатком являются относительная сложность конструкции, наличие компрессора (для рекомпрессии элегаза), значительно осложненная процедура ревизии и ремонта, заключающаяся в необходимости откачки элегаза, затрудненности доступа к токоведущим деталям при ревизии и ремонте и необходимости осушки внутренней поверхности кожуха и элегаза перед повторным вводом в эксплуатацию. Масса полюса выключателя в два раза превышает массу полюса выключателя Brown, Boveri на такие же параметры.

Фирма Brown, Boveri (Швейцария) начала выпускать мощные генераторные выключатели серии DR с 1969 г. Благодаря постоянно проводимым исследованиям и опытно-конструкторским работам номинальный ток выключателей серии DR доведен до 50000 А, а ток отключения до 250 кА.

Токи от 10 до 50 кА охватывает 7 типоисполнений. Главная токоведущая система выключателя и отделителя состоит из подвижного контакта, выполненного в виде медной трубы, и неподвижных контактов в виде розетки, содержащей около 200 посеребренных, подпружиненных контактных пальцев. Это основное типоисполнение при естественном охлаждении обеспечивает номинальный ток 10 кА при частоте 60 Гц и 11 кА при частоте 50 Гц. При установке выключателя в пофазно-экранированный продольно-продуваемый шинопровод, когда выключатель обдувается тем же потоком воздуха, что и шинопровод, номинальный ток выключателя увеличивается до 20 кА. Номинальный ток 24 кА достигается охлаждением токоведущего контура деионизированной проточной водой. Если выключатель установлен в продольно-продуваемый шинопровод, то его номинальный ток достигает 34 кА.

У выключателей на номинальные токи 40 и 45 кА, кроме водяного охлаждения токоведущих частей, охлаждается также и кожух.

Номинальный ток 50 кА обеспечивается, если выключатель водяного охлаждения смонтирован в продольно-продуваемом шинопроводе. Все контакты главной токоведущей цепи имеют надежное серебряное покрытие, поэтому максимальное превышение температуры нагрева принято равным 65 при расчетной окружающей температуре 40(допустимая температура нагрева 105).

Допустимы кратковременные температуры нагрева до 150 без повреждения изоляции, ухудшения переходных сопротивлений и нарушения механических характеристик.

Характеристики, присвоенные выключателям серии DR, были подтверждены типовыми испытаниями. Испытания на механическую стойкость проводились 5000 циклами ВО при нагретой контактной системе до предельно допустимой по нормам температуре.

Фирма Mitsubishi разработала генераторный выключатель тип 20-SFW-110.В табл.1.3. приведены основные параметры выключателя [4].

Таблица 1.3.

Выключатель прошел все предусмотренные нормами виды типовых испытаний.

При испытании на нагрев оболочка выключателя выполняла роль «обратного» провода.

При длительной нагрузке током 16 кА и естественном охлаждении наибольшее превышение температуры контактных деталей было равно 44(при допустимой норме 65  для посеребренных контактов). При длительном токе нагрузки 36 кА и продольном обдуве шинопровода и выключателя воздухом, при производительности вентилятора 250 наибольшее превышение температуры было в пределах 53. Как показали дополнительные расчеты, выключатель будет соответствовать номинальному току 36 кА, если длина пофазно-экранированных шинопроводов не превышает 35 м.

Возможность отключения токов с большой апериодической составляющей, когда ток в одной из фаз не переходит через нулевое значение, было проверено расчетным путем, при том в расчет были введены величины падения напряжения на дуге, полученные экспериментальным путем (порядка 9 мОм при отключаемом токе 110 кА и 25 мОм при токе 60 кА). Большое внимание при исследованиях было уделено коммутационному ресурсу контактов. В условиях эксплуатации выключателей на ГАЭС дважды в сутки происходит переключение с генераторного на двигательный режим, причем по условиям работы гидротурбин при этом практически должен отключаться номинальный ток 16 кА.

Поскольку по техническим условиям ревизия и смена контактов должна осуществляться не чаще, чем один раз в три года, то ресурс контактов должен обеспечить не менее 365*2*3=2200 отключений до ревизии.

Для подтверждения этого требования было проведено 1000 отключений в однофазном режиме тока 16,3 кА при длительности горения дуги 0,65-0,75 периода. В процессе испытаний была установлена минимальная длительность горения дуги 0,2-0,35 периода.

Технические характеристики элегазовых генераторных выключателей, выпускаемых компанией АББ представлены в табл.1.4 и табл. 1.5. Конструкции выключателей и их основные размеры показаны на рис.1.17 – 1.19.

Рис 1.17. Генераторный выключатель типа HEK

1 – трансформатор тока, 2 – заземлитель, 3 – силовой выключатель, 4 – разъединитель, 5 – корпус выключателя.

Таблица 1.4.

Технические данные выключателя типа HEK/HEI.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5