Генераторные воздушные выключатели выпускаются для номинальных классов напряжения

Эксплуатация высоковольтных выключателей переменного тока — Генераторные воздушные выключатели

На энергоблоках 800, 1000 МВт применяется комплектный аппарат КАГ-24, основной частью которого является выключатель нагрузки, рассчитанный на напряжение 24 кВ и ток 30 кА. Выключатель нагрузки при номинальном давлении воздуха 2 МПа может отключать ток 30 кА и включать ток 75 кА (амплитудное значение). Возможна одна операция включения аварийного тока 310 кА. При такой операции допускается частичное сваривание контактов.
Устройство КАГ-24 встраивается в комплектный токопровод генераторного напряжения.
Генераторные выключатели нагрузки значительно увеличивают гибкость и надежность схем блочных электростанций.

Рис. 10. Электрическая схема блока генератор-трансформатор:
Г — генератор; Т — трансформатор; Вг — генераторный выключатель; Вт — трансформаторный выключатель; Тсн — трансформатор собственных нужд; с.ш. — система шин высшего класса напряжения

Особые требования предъявляются к генераторным выключателям, работающим в схемах мощных блоков, в режимах отключения КЗ. Эти режимы возникают при КЗ в точках К11, К12 и К13 (рис. 10).

Для выключателей нагрузки (БНСГ-15, КАГ-24) определяющим, как правило, является режим, связанный с отключением КЗ в точке К13; для генераторных выключателей универсального назначения (ВВГ-20) — режим отключения КЗ в точке КП.
Оба режима характеризуются присутствием высокочастотной составляющей в кривой переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН), формирующейся в цепи блока генератор- трансформатор и обусловливающей высокие скорости восстановления напряжения. Для генераторных выключателей блоков мощностью 320-1000 МВт эти скорости составляют 6-8, для выключателей нагрузки — 0,9-1,6 кВ/мкс.
Отключаемые токи КЗ в цепях мощных блоков могут достигать 200 кА и содержать апериодическую составляющую, которая к моменту размыкания контактов выключателя, как показывают исследования, может достигать 70% амплитуды начального значения периодической составляющей тока КЗ и 100-120% ее значения (с учетом затухания обеих составляющих) к моменту отключения тока.
Еще большие проблемы возникают при предъявлении к генераторным выключателям требований отключения токов несинхронного хода. В схемах блоков ТЭС и ГЭС максимальные токи несинхронного хода при максимальном угле расхождения фаз (180°) составляют для отечественных энергосистем 66-69 кА для блоков ТЭС мощностью 320 МВт, 78-80 кА для блоков ГЭС мощностью 333 МВт, 118-124 кА для блоков ТЭС мощностью 800 МВт, 114-118 кА для блоков АЭС мощностью 1000 МВт.
Полученные значения токов во всех рассмотренных случаях составляют 56-81 % максимальных токов КЗ, отключаемых соответствующими генераторными выключателями (КЗ в точке КП). Полученные соотношения незначительно зависят от времени отключения выключателей, хотя амплитуды токов с ростом времени отключения, естественно, уменьшаются.
Скорости ПВН при отключениях токов несинхронного хода находятся в пределах 2,2-5,2 кВ/мкс, т.е. ниже, чем при отключениях токов КЗ.
Амплитуда первого пика ПВН составляет 28-42 кВ при номинальном напряжении выключателей 15,75-20-24 кВ.
Амплитуда восстанавливающегося напряжения промышленной частоты (возвращающегося напряжения) достигает 59 кВ для выключателей с номинальным напряжением 24 кВ, 49 кВ — для
выключателей с номинальным напряжением 20 кВ и 39 кВ — для выключателей с номинальным напряжением 15,75 кВ.
Эти значения амплитуд вдвое превышают значения амплитуд при отключении токов КЗ.
Очевидно, в таких условиях максимальные отключаемые мощности при больших углах рассогласования фаз могут в 1,5-1,6 раза превышать максимальную мощность отключения в режиме КЗ.
Находящиеся в эксплуатации генераторные выключатели, работающие в цепях мощных блоков генератор-транс форматор, лишь частично удовлетворяют предъявляемым требованиям. Они не рассчитаны на отключение токов КЗ с указанным содержанием апериодической составляющей и не предназначены для отключений токов несинхронного хода.
Блоки мощностью 800, 1000, 1200 МВт до настоящего времени коммутируются аппаратными комплексами КАГ-24, не позволяющими отключать максимально возможные в схемах блоков токи КЗ.
Ни один из применяемых выключателей не способен работать в режиме отключения блока генератор-трансформатор — ненагруженная ВЛ, например 500 кВ, хотя такие схемы без выключателя на высокой стороне при небольшой длине ВЛ применяются.
Повреждаемость генераторных выключателей весьма высока.
В ряде случаев режимы работы могут быть облегчены относительно простыми средствами. Так, скорости ПВН могут быть снижены включением дополнительных емкостей на землю: установка конденсаторов емкостью 0,05-0,10 мкФ на фазу со стороны обмоток НН трансформаторов блоков позволит уменьшить скорости ПВН на контактах выключателей более чем в 2 раза.
Применение предвключаемых резисторов сопротивлением 0,005- 0,01 Ом позволит снизить предельное содержание апериодической составляющей в отключаемых токах КЗ до 10-12%.
Сложный вопрос коммутации токов несинхронного хода может быть решен с помощью устройств, обеспечивающих коммутацию этими выключателями указанных токов при углах рассогласования фаз, не превышающих 90°. В этом случае коммутируемые токи будут находиться в пределах 60% номинального тока отключения, соответствующего максимальному току КЗ в рассматриваемой точке; скорости ПВН будут близки к нормированным для соответствующих режимов; амплитуда восстанавливающегося напряжения промышленной частоты увеличена по сравнению с режимом КЗ в 2 раза.

Электрические аппараты — Воздушные выключатели

Воздушные выключатели, в которых гашение дуги осуществляется потоком сжатого воздуха, получили весьма широкое распространение и во многих случаях вытеснили масляные. Они позволили перейти к классам напряжения 750 и 1150 кВ и в основном применяются:
как сетевые на напряжение 6—1150 кВ с номинальными токами до 4000 А и токами отключения до 63 кА;
как генераторные на напряжение 6—20 кВ с номинальными токами до 20 кА и токами отключения до 160 кА;
как выключатели нагрузки на 6—220 кВ и 110—500 кВ и выключатели комплектных распределительных устройств на напряжение до 35 кВ.
Ожидается, что в ближайшее время появятся сетевые выключатели на напряже- ние 1500—2000 кВ с номинальными токами 10—15 кА и токами отключения: 100—120 кА и генераторные выключатели на номинальные токи до 50 кА с токами отключения до 300 кА.
Выключатели выпускаются различного климатического исполнения, для различных категорий размещения и различного вида установки (опорные, подвесные, настенные, выкатные и др.).
Независимо от типа и конструкции воздушный выключатель состоит из трех основных частей: дугогасительного устройства с отделителем или без него, системы снабжения сжатым воздухом и системы управления. Система управлен выполняется с одним пневматическим приводом с механической передачей, с индивидуальной пневматической передачей, с пневмомеханической передачей, с пневмогидравлической передачей и пневмосветовой передачей.
Гашение дуги в выключателях осуществляется сжатым воздухом номинальным давлением 0.6—5 МПа в различных камерах продольного и поперечного, одностороннего и двустороннего дутья с соответствующим напряжению числом последовательно включенных разрывов.
В выключателях с отделителем размыкание дугогасительных контактов и га- шение дуги осуществляются одним и тем же потоком сжатого воздуха, поступающего из отдельного резервуара. Контакты (один или оба) выполнены в виде контактно- поршневых механизмов. Во включенном положении выключателя в дугогогасительном устройстве и в отделителе все контакты замкнуты. При подаче команды на отключение сжатый воздух из резервуара подается в дугогасительную камеру, размыкает контакты и гасит дугу. Обычно параллельно контактам включается шунтирующий резистор, облегчающий гашение дуги. После погасания дуги на основных дугогасительных контактах размыкается отделитель, который отключает оставшийся ток. Отделитель может выполняться открытым (до 35 кВ) или в виде воздухонаполняемых камер. После погасания дуги на отделителе подача воздуха в дугогасительные камеры прекращается и контакты под действием пружин замыкаются. Контакты же отделителя остаются разомкнутыми, обеспечив необходимое изоляционное расстояние для разомкнутой цепи.
В выключателях без отделителя широко применяются воздухонаполненные металлические камеры (резервуары), в которых размещены дугогасительные устройства. Привод контактов отделен от гасящей среды. При размыкании контактов открываются выхлопные клапаны камер и сжатый воздух, вытекая из камер через соответствующие сопла контактов, гасит дугу. Контакты могут выполняться одно- и двухступенчатыми. Число последовательно включенных дугогасительных устройств определяется номинальным напряжением выключателя. Изоляционный промежуток в отключенном положении обеспечивается расхождением этих же контактов на соответствующее расстояние. Ниже приведены примеры исполнения выключателей.

Рисунок 2 — Конструктивная схема воздушного выключателя ВВП-35

Конструктивная схема воздушного выключателя (ВВП-35) с контактно-поршневым механизмом и открытым отделителем приведена на рис. 2. Выключатель состоит из трех механически связанных полюсов (на рисунке приведен разрез одного полюса), смонтированных на общем основании (резервуаре 1), и распределительного шкафа (на рисунке не показан). На резервуаре установлены: дугогасительные устройства 5 на опорных изоляторах 2, неподвижные контакты 12 отделителя 10 на изоляторах 16, электропневматическое устройство 17 (одно на три полюса) для управления встроенным в резервуар дифференциальным клапаном 18и привод (на рисунке не показан), управляющий отделителем через вал 15 и изоляционные штанги 14. Полюсы выключателя (отделителя) разделены между собой изоляционными перегородками 11 и имеют выводы 7 и 13.
При открытии дифференциального клапана сжатый воздух из резервуара через полость опорного изолятора поступает в дугогасительную камеру, давит на контактно-поршневой механизм 8, размыкает контакты (неподвижный 3, подвижный 6) и через сопло подвижного контакта выдувает и гасит дугу. Пламя дуги охлаждается в пламегасительной решетке 9. Для облегчения гашения дуги контакты шунтированы резистором 4. После погасания дуги отделитель 10 размыкается и отключает оставшийся ток.
Длительность времени подачи дутья в дугогасительную камеру регулируется механизмом пневматической отсечки электропневматического устройства. После того как дифференциальный клапан закроется, подача воздуха в камеру прекратится, давление в ней упадет и подвижный контакт под действием пружины контактно-поршневого механизма возвратится на место, контакты замкнутся. Однако цепь останется разомкнутой отделителем.
Генераторные выключатели. Функциональная электрическая схема полюса и общий вид выключателя ВВГ-20 (Uном = 20 кВ, Iном = 20 кА, Iоном = 160 кА, сквозной ток 410 кА) с воздухонаполненным отделителем приведены на рис. 3. Полюс выключателя состоит из основного токоведущего контура — выводов 1 и 4 и разъединителя (основного контакта) 2, основных дугогасительных контактов 7 и 10, которые шунтированы резисторами 8и 11 соответственно, вспомогательных дугогасительных контактов 6, отделителя 9 и разрядника 3с нелинейным резистором 5.

Рисунок 3 — Функциональная электрическая схема полюса (а) и общий вид (б) генераторного воздушного выключателя ВВГ с воздухонаполненным отделителем

Все устройства монтируются на баке и снабжаются соответствующими электро- пневматическими приводами. Выключатель состоит из трех одинаковых полюсов, связанных между собой воздуховодами, и распределительного шкафа.
Во включенном положении большая часть тока протекает через основной токо- ведущий контур. При отключении сначала размыкается основной контакт 2 и в ток переходит в дугогасительный контур. Затем размыкаются основные дугогасительные контакты 7 и 10; ограниченный резисторами 8 и 11 ток протекает через вспомогательные дугогасительные контакты 6. После их размыкания и погасания дуги ток в цепи прекращается и размыкается отделитель 9, обеспечивая необходимый изоляционный промежуток. Разрядник служит для ограничения перенапряжений при отключении (в случае их возникновения). После прекращения подачи сжатого воздуха контакты 6, 7 и 10 под действием пружин возвращаются во включенное положение.
Выключатели серии ВВБ. Общий вид и функциональная схема дугогасительного устройства без отделителя приведены на рис. 4. В металлическом резервуаре (камере) 6, заполненном воздухом под высоким давлением (1.6—2.4 МПа) размещается дугогасительное устройство с двумя разрывами (контакты — подвижные 8, неподвижные 9) одностороннего дутья (сопло 4). Резервуар находится под высоким потенциалом. Напряжение подводится через выводы 13 с эпоксидной изоляцией 14, защищенные снаружи фарфоровыми рубашками 12. Основные разрывы (контакты 8 и 9) шунтированы линейными резисторами 10, что облегчает гашение дуги на них. Оставшийся ток отключается вспомогательными дугогасительными разрывами (контакты — неподвижный 15, подвижный, полый, он же сопло 17 — закрыты кожухом 1). Камеры могут выполняться и без вспомогательных контактов, а следовательно, и без шунтирующих резисторов. Полное гашение осуществляется на основных разрывах. Конденсаторы (делительные) 11 служат для выравнивания напряжения по разрывам в отключенном положении выключателя.

Рисунок 4 – Общий вид (а) и функциональная схема (б) дугогасительного устройства без отделителя выключателей серии ВВБ

Рисунок 5 — Полюс выключателя серии ВВБ на 220 кВ

(К рис. 4) Контакты камеры управляются пневмоэлектрическими механизмами 18. При подаче воздуха в цилиндр 2 поршень 3, связанный с траверсой 7, размыкает основные контакты. Одновременно открываются клапаны 19 выхлопных каналов сопел. Сжатый воздух устремляется наружу (показано стрелками), гасит дугу в соплах. Аналогично гасится дуга на вспомогательном разрыве. После погасания дуги выхлопные клапаны сопел закрываются. Давление внутри резервуара несколько снижается. Объем резервуара и давление в нем рассчитаны так, что камера способна выполнить несколько отключений. При этом давление в резервуаре не упадет ниже допустимого для надежного гашения дуги.
В отключенном положении контакты удерживаются давлением в цилиндре 2. Для включения выключателя воздух из цилиндра выпускается через клапан 16. Возвратный механизм 5 замыкает контакты. Соответственно управляются и вспомогательные разрывы.
Камера устанавливается на изоляционную опору 20, через которую проходят воздуховоды — основной 22 (высокого давления) и управления 21.
Приведенное дугогасительное устройство принято как модуль на 110—150 кВ для выключателей до 750 кВ без отделителей. Каждый выключатель состоит из трех полюсов, не имеющих между собой механической связи, и одного (35, 110, 220 кВ) или четырех (330, 500 и 750 кВ) распределительных шкафов. Отсутствие механической связи между полюсами позволяет выполнять трехфазное или пополюсное отключение.
Полюсы выключателей на 35, 110 кВ состоят из одной дугогасительной камеры-модуля (одного резервуара 6 — рис. 4), расположенной на изоляционной опоре. Полюс выключателей на 220 кВ (рис. 5) состоит из двух металлических дугогасительных камер 1, разделенных промежуточным изолятором 2 и расположенных на соответствующей изоляционной опоре 3. Полюсы выключателей на 330, 500 и 750 кВ состоят соответственно из двух, трех и четырех однотипных элементов (четырех, шести и восьми модулей), каждый из которых представляет собой полюс выключателя на 220 кВ на соответствующей изоляционной опоре,— показано штрихпунктирными линиями).
. Выключатели воздушные серии ВВБК выпускаются на напряжение 110-1150 кВ, номинальный ток 3200 и 4000 А, номинальный ток отключения 5-40 кА, номинальное давление сжатого воздуха 4 МПа, время отключения 0.04 с.
Эти выключатели являются дальнейшим шагом в развитии конструктивных принципов, заложенных в серии ВВБ. Отличительными их особенностями являются повышенное рабочее давление воздуха и усовершенствованное дугогасительное устройство с несимметричным дутьем, что позволило повысить напряжение модуля (220 и 330 кВ — два модуля, 500 и 750 кВ — четыре модуля, 1150 кВ — шесть модулей). Выключатели снабжены новой быстродействующей системой управления.

Тенденции в развитии современных воздушных выключателей

1. Модульный принцип построения серий. Этот принцип позволяет строить серии в весьма большом диапазоне напряжений (35-1150 кВ) из одинаковых модулей, производить помодульные испытания и иметь максимально выгодные условия производства, эксплуатации и монтажа. Наметилась тенденция существенного увеличения напряжения, приходящегося на один модуль (250 кВ и выше).
2. Размещение дугогасительных устройств непосредственно в сжатом воздухе. При этом обеспечиваются максимальная коммутационная способность, быстродействие, изоляционная прочность межконтактных промежутков и пропускная способность по номинальному току. Наибольшее применяемое сейчас давление достигает 6-8.5 МПа.
3. Применение быстродействующих систем управления с малым разбросом времени оперирования. Основным назначением таких систем является обеспечение работы выключателей на очень высокие напряжения с временем отключений до одного полупериода, а также выключателей с синхронным отключением или включением.
4. Ограничение коммутационных перенапряжений, что особенно важно для выключателей высших классов напряжения.
5. Повышение надежности и увеличение межремонтных сроков до 15—20 лет.
6. Введение принудительного охлаждения для генераторных выключателей.

1.8.20 . Воздушные выключатели

а) опорных изоляторов, изоляторов гасительных камер и отделителей, изолирующих тяг и воздухопроводов выключателей всех классов напряжений. Производится мегаомметром на напряжение 2,5 кВ.

В случае необходимости измерение сопротивления изоляции опорных изоляторов, изоляторов гасительных камер и отделителей следует производить с установкой охранных колец на внешней поверхности.

Сопротивление изоляции должно быть не ниже значений, приведенных в табл.1.8.17.

б) вторичных цепей, обмоток электромагнитов включения и отключения. Производится в соответствии с 1.8.37.

2. Испытание повышенным напряжением промышленной частоты:

а) изоляции выключателей. Обязательно для выключателей до 35 кВ. Опорную фарфоровую изоляцию выключателей следует испытывать повышенным напряжением промышленной частоты в соответствии с табл.1.8.16. Продолжительность приложения нормированного испытательного напряжения 1 мин.

б) изоляции вторичных цепей и обмоток электромагнитов управления. Производится в соответствии с 1.8.37.

3. Измерение сопротивления постоянному току:

а) контактов воздушных выключателей всех классов напряжения. Измерению подлежит сопротивление контактов каждого элемента гасительной камеры, отделителя в отдельности. Наибольшие допустимые значения сопротивления контактов воздушных выключателей приведены в табл.1.8.18.

б) обмоток электромагнитов включения и отключения выключателей. Устанавливается для каждого типа выключателей согласно данным завода-изготовителя.

в) результаты измерений сопротивления элементов делителей напряжения и шунтирующих резисторов должны соответствовать заводским нормам, приведенным в таблице 1.8.19.

4. Проверка характеристик выключателя.

Характеристики выключателя, снятые при номинальном, минимальном и максимальном рабочих давлениях при простых операциях и сложных циклах, должны соответствовать данным завода-изготовителя.

5. Проверка минимального напряжения срабатывания выключателя.

Электромагниты управления воздушных выключателей должны срабатывать при напряжении не более 0,7·U_ном при питании привода от источника постоянного тока и не более 0,65·U_ном при питании от сети переменного тока через выпрямительные устройства и наибольшем рабочем давлении сжатого воздуха в резервуарах выключателя. Напряжение на электромагниты должно подаваться толчком.

6. Испытание выключателя многократным включением и отключением.

Количество операций и сложных циклов, выполняемых каждым выключателем, устанавливается согласно табл.1.8.20.

7. Испытание конденсаторов делителей напряжения воздушных выключателей.
Производится в соответствии с 1.8.30.
Таблица 1.8.17

Наименьшее допустимое сопротивление опорной изоляции и изоляции подвижных частей воздушных выключателей

Элегазовый генераторный выключатель 10кВ — Анализ конструкций генераторных выключателей

Генераторные выключатели, устанавливаемые в цепях генераторов энергоблоков (генератор-трансформатор, укрупненных электрических блоках — несколько генераторов — трансформатор), осуществляют следующие функции:

• оперативные: включение, отключение генератора с рабочими токами; отключение ненагруженного трансформатора; отключение генератора в режиме синхронного двигателя, т.е. обеспечивают процессы пуска, останова агрегатов;
• защитные отключение токов КЗ в генераторе, трансформаторе и в цепях генераторного напряжения; включение на токи КЗ и отключение; включение в условиях противофазы; отключение в условиях рассогласования фаз вплоть до противофазы при ошибочной синхронизации или при выпадении генератора из синхронизма.

К характеристикам генераторных выключателей, предназначенных для работы в эксплуатации, предъявляются более высокие требования, чем к силовым выключателям на средние классы напряжения.
Проблема применения генераторного выключателя 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-ых, началу 70-ых 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 генераторного выключателя. По этим же причинам при реконструкции электростанций, работавших ранее без генераторного выключателя, предусматривается установка этих выключателей.
Сегодня широко используется установка генераторных выключателей между генератором и стороной низкого напряжения повышающего трансформатора, т.к. это обеспечивает лучшую защиту от перенапряжений. Одна из основных причин установки таких выключателей – улучшенная защита, которую он обеспечивает как для генератора, так и для повышающего трансформатора от повреждений от токов короткого замыкания, разбаланса нагрузки и несогласования фаз.
Однако, установка выключателя между генератором и повышающим трансформатором тем не менее оказывает влияние на тип и величину возникающих перенапряжений. Возникает вопрос о возникновении перенапряжений, инициированных выключателем в течение операций коммутации и в отключенном состоянии.
Существуют публикации о перенапряжениях, возникающих на высоковольтной стороне повышающих трансформаторов. Такие перенапряжения возникают, например, из-за воздействия молнии, быстрого срабатывания разъединителя, токов намагничивания. Есть также сведения о перенапряжениях, появляющихся на стороне генератора и другого оборудования, подключающегося к шине генератора. Особо выделяют перенапряжения, возникающие на низковольтной стороне повышающего трансформатора на электростанции, оснащенной генераторным выключателем.
Различают:

• Кратковременные перенапряжения
• Коммутационные перенапряжения
• Переходные перенапряжения, проходящие через повышающий трансформатор.

На большинстве электростанций повышающий трансформатор защищен ограничителями перенапряжения. Эти ограничители не могут во всех случаях обеспечить достаточную защиту от перенапряжений оборудования на низковольтной стороне и могут понадобиться дополнительные меры для защиты шины генератора и оборудования, подключенного к ней.
Последствия использования генераторного выключателя на подстанции при нормальных и аварийных режимах показаны в табл.1.1.
Таблица 1.1.
Последствия использования генераторного выключателя: нормальный режим и режим аварийного отключения

Соединение с генераторным выключателем

Нормальный рабочий режим

1.1Разгрузка повышающего трансформатора на стороне высокого напряжения

Протекание пускового тока1. Возможна высокочастотная генерация на стороне высокого напряжения повышающего трансформатора (если выключатель расположен на некотором расстоянии от электростанции), феррорезонанс на стороне низкого напряжения повышающего трансформатора.

1.2. Устройство синхронизации со стороной высокого напряжения.

Сравнительно низкое напряжение, приложенное к выключателю перед отключением

Сравнительно высокое напряжение, приложенное к выключателю перед отключением (особенно плохо для выключателя наружной установки с сильным загрязнением).

1.3. Съемный блок, вышедший из строя.

Выключатель отключает небольшой ток (несколько процентов от номинального тока генератора). ПВН

Выключатель отключает небольшой ток (несколько процентов от номинального тока генератора). ПВН

1.4. Снятие возбуждения с повышающего трансформатора на стороне высокого напряжения.

Выключатель отключает ток намагничивания, небольшое перенапряжение переключения < 2,5pU.

2.1. Снятие возбуждения с повышающего трансформатора на стороне высокого напряжения

Выключатель отключает ток намагничивания, очень небольшое перенапряжение переключения < 2,0pU3

Выключатель отключает ток намагничивания, небольшое перенапряжение переключения < 2,5pU

2.2. Сброс нагрузки.

Временное перенапряжение (1,4 pU). Выключатель отключает ток нагрузки, ПВН

Временное перенапряжение (1,4 pU). Выключатель отключает ток нагрузки ПВН

3.1. К.з. между генераторным выключателем и генератором.

1 Величина пускового тока может быть снижена синхронизированным отключением
2 Использовать информацию относительно предотвращения феррорезонанса на стороне низкого напряжения повышающего трансформатора.
3 Относится только к элегазовым генераторным выключателям, т.к. воздушные и вакуумные выключатели могут вызвать большие перенапряжения.

Одним из основных параметров, определяющих выбор выключателя, является номинальный ток отключения (Iо ном), обеспечивающий выполнение защитных функций. Как правило, при выборе выключателя принимается условие отключение максимального тока КЗ, протекающего через выключатель.
Требования к номинальному току и току отключения генераторного выключателя зависят от того, в каких генераторных цепях он установлен и какие оперативные и защитные функции на него возлагаются. Примерные современные и прогнозируемые величины номинальных токов и токов к.з. приведены в табл.1.2.[4].
Номинальное напряжение должно быть в пределах 16-30 кВ. Класс изоляции генераторных выключателей обычно устанавливается один на все номинальные напряжения – 24 или 36 кВ.
Номинальный ток в пределах 12-50 кА. Номинальный ток отключения, в зависимости от защитных функций, от номинального тока генератора до 400 кА.

Тип и характеристика

Номинальная мощность генераторов, МВА

Номинальное напряжение, кВ

Номинальный ток, кА

Ток к.з. генератора, кА

Ток генератора, поступающий через трансформатор из сети:
Действующее значение, кА

Амплитудное значение, кА

Ток динамической стойкости и ток включения от 270 до 1000 кА (амплитуда).
В дальнейшем предполагается работа генераторных выключателей в режиме АПВ.
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 генераторного выключателя 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 в 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 напряжения.
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.

1.2. Схемы применения генераторных выключателей

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. 1.2 показана схема соединения генератора с повышающим трансформатором без генераторного выключателя [5].

Рис.1.2. Схема блока генератор — повышающий трансформатор без генераторного выключателя

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, ВЗ 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 генераторные выключатели (рис. 1.3).

Для схем с укрупненными электрическими блоками на ГЭС (рис.1.4 – 1.6) токи КЗ от системы и других генераторов через выключатель превышают токи КЗ от генератора в 3-6 раз.
Установка генераторного выключателя 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 па стороне высшего напряжения, а затем генераторного выключателя. 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 генераторного выключателя 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 , где I—ток к.з., t—длительность тока к.з., что позволяет резко уменьшить объем и последствия повреждений.
Имеются решения, когда по указанным причинам в цепи генератора установлен выключатель нагрузки — аппарат, рассчитанный на выполнение только оперативных функций выключателя, а защитные функции возложены на выключатель ВН. Это облегчает условия работы выключателя ВН и управления агрегатом.
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 генераторного выключателя 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 генераторные выключатели имеют различные электрические схемы. Рассмотрим основные из них, поясняющие принцип работы генераторного выключателя.
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 генераторного выключателя 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 генераторного выключателя 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 генераторного выключателя 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 генераторные выключатели 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 короткого замыкания и напряжения
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 на дуге. Рис. 1.12. Напряжение на дуге в 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.

Рис. 1.11. Осциллограммы токов и напряжений в процессе отключения КАГ-24 НВГРЭС с применением РОМ
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.