Элегазовый генераторный выключатель 10 кВ, 63 кА, 8000 А

Элегазовый генераторный выключатель 10 кВ, 63 кА, 8000 А

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Электромеханический факультет

Кафедра электрических и электронных аппаратов

Работа допущена к защите

Зав. кафедрой Г.Н.Александров

«___» __________2007 г.

ВЫПУСКНАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

Тема: Элегазовый генераторный выключатель 10кВ, 63кА,8000А

Направление:

Выполнил студент гр. 4025/1 (подпись) Д.К.Климачев

Руководитель, к.т.н., проф. (подпись) Е.Н.Тонконогов

Рецензент (подпись) В.А.Соснин

Санкт-Петербург

2007 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Анализ конструкций генераторных выключателей     

1.1        Основные параметры генераторных выключателей

1.2        Схемы применения генераторных выключателей

1.3        Токоведущая система и система контактов

1.4        Параметры современных генераторных выключателей

Выводы

Глава 2. Взаимодействие выключателя с сетью       

2.1. Анализ переходного восстанавливающего напряжения     

2.2. Расчет переходного восстанавливающего напряжения      

2.3. Анализ влияния малых индуктивных токов

2.4. Анализ влияния сквозных токов короткого замыкания     

Выводы

Глава 3. Расчёт и оптимизация дугогасительного устройства элегазового генераторного выключателя

3.1 Конструкция и принцип работы дугогасительного устройства

3.2 Математическая модель и расчет параметров выключателя

Выводы

Глава 4. Расчёт и оптимизация приводного устройства элегазового генераторного выключателя

4.1 Анализ начального режима разгона гидропривод    

4.2.Анализ торможения гидропривода

4.3. Расчет трогания и торможения гидропривод

Выводы

Заключение

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Текст программы расчета ДУ и графики результатов расчета

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Свойства элегаза

Введение

В связи с необходимостью повышения номинальных параметров и надежности высоковольтного коммутационного оборудования для атомных электростанций необходима разработка современных генераторных выключателей на повышенные параметры.

Генераторными выключателями (ГВ) обычно называются выключатели на номинальный ток 3150А и более и на напряжение 10—36 кВ. Они предназначены для оперативной и аварийной коммутации нагрузочных токов и токов короткого замыкания (к.з.) в трехфазных цепях переменного тока на генераторном напряжении. Те генераторные выключатели, которые не предназначены для аварийного отключения токов к.з., называются выключателями нагрузки.

Проблема применения ГВ 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 ГВ 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 ГВ. По этим же причинам при реконструкции электростанций, работавших ранее без ГВ, 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.

Современный генераторный выключатель должен выполнять множество различных функций, к которым относятся:

• синхронизация генератора с основной энергетической системой

• отделение генератора от энергетической системы

• отключение токов нагрузки (с величиной, доходящей до уровня тока полной нагрузки генератора)

• отключение тока короткого замыкания, независимо от того, произошло оно на стороне энергосистемы или на стороне генератора

 • прерывание тока при выходе из синхронизма (при сдвигах по фазе до 180°).

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

Глава 1. Анализ конструкций генераторных выключателей

1.1 Основные параметры 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 ГВ 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 ГВ 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 ГВ. По этим же причинам при реконструкции электростанций, работавших ранее без ГВ, 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:

1.                Кратковременные перенапряжения

2.                Коммутационные перенапряжения

3.                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

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.

Таблица 1.2.

Ток динамической стойкости и ток включения от 270 до 1000 кА (амплитуда).

В дальнейшем предполагается работа генераторных выключателей в режиме АПВ.

Установка ГВ 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 ГВ 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 ГВ, 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 ГВ 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 ГВ 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 ГВ [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 ГВ (рис. 1.3).

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 ГВ 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 ГВ. Поэтому при повреждении в цепи ГВ сначала отключается выключатель В1 па стороне высшего напряжения, а затем ГВ. ТСН коммутируется выключателем В2 схемы собственных нужд. Защита от повреждений в ПТ или ТСН может осуществляться либо с помощью ГВ, либо снятием возбуждения с генератора. Применение ГВ 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 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.

Страницы: 1, 2, 3, 4