ГЕНЕРАТОРНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ 6–24 КВ
ПРОБЛЕМА ВЫБОРА И ПРИМЕНЕНИЯ

В соответствии с нормативными документами, при проектировании электрических станций всех типов в цепи генератора как единичного (имеющего отпайку к трансформатору собственных нужд), так и укрупненного энергоблока предусматривается установка генераторного выключателя напряжением 6–24 кВ.
Генераторные выключатели составляют основу оборудования электростанции, осуществляя защиту и генератора, и силового трансформатора. Условия работы таких аппаратов отличаются от условий работы обычных выключателей переменного тока. Соответственно и требования, предъявляемые к выключателям, установленным в цепях генераторов, имеют свои особенности. О них рассказывает Павел Антонович Шейко.

Павел Шейко, инженер, г. Москва

• повышения надежности электроснабжения собственных нужд (СН) энергоблока, и в первую очередь АЭС и ТЭЦ;
• отключения коротких замыканий, если они возникают на генераторном напряжении;
• снижения объема повреждения и предотвращения развития аварии в случае возникновения короткого замыкания в обмотке низшего напряжения трансформатора блока;
• повышения гибкости в управлении энергоблоком.

На ТЭЦ, ГРЭС, ГЭС, а также на гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС), построенных еще в Советском Союзе, в качестве генераторных выключателей в основном применялись масляные выключатели типа МГГ, ВГМ, а также воздушные типа ВВГ, ВВОА на номинальные рабочие токи от 2000 А до 13000 А и номинальный ток отключения короткого замыкания от 45 до 160 кА. На некоторых энергоблоках 500–800 МВт были установлены выключатели нагрузки типа КАГ. При этом на многих электростанциях по ряду причин генераторные выключатели вообще не были установлены.
Необходимо отметить, что в парогазовых установках (ПГУ), состоящих из двух или трех агрегатов и включаемых по блочной схеме, в блоке, в котором не предусматривается трансформатор СН, устанавливать генераторный выключатель нецелесообразно.
Все находящиеся в эксплуатации генераторные выключатели выработали свой срок службы, морально и физически устарели и в настоящее время требуют замены.

Технические особенности

• большое число ступеней значений номинальных токов и напряжений;
• высокое содержание апериодической составляющей в токе КЗ от генератора;
• большие значения параметров восстанавливающегося напряжения (ПВН) на контактах выключателя, и в первую очередь при отключении КЗ от системы;
• коммутация в режиме рассогласования фаз, например, при неправильной синхронизации, выпадении генератора из син-хронизма и работе защиты от потери возбуждения;
• высокий механический ресурс, особенно для гидростанций и станций, работающих в пиковом режиме, например ГАЭС;
• высокий коммутационный ресурс по нагрузочным токам для гидростанций и ГАЭС, особенно при работе синхронной машины в режиме двигателя (насоса).

К сожалению, отсутствие финансирования институтов, занимающихся разработкой коммутационной аппаратуры, привело к тому, что начатые в конце 80-х годов прошлого века работы по созданию отечественных элегазовых генераторных выключателей, которые так нужны российской энергетике, не были завершены. В НИИВА (г. Санкт-Петербург) был разработан выключатель с элегазовой изоляцией по техническим требованиям института «Теплоэлектропроект». Межведомственная комиссия РАО «ЕЭС России» в 90-х годах приняла работу, однако в силу всем известных причин на этом проект остановился. Некоторые фирмы (в частности Siemens) начали выпускать вакуумные генераторные выключатели [5]. Однако отрицательные свойства вакуумных генераторных аппаратов (особенно в части создаваемых ими коммутационных перенапряжений) хорошо известны. Специалисты сходятся во мнении, что не только без предварительных расчетов по выбору средств защиты от коммутационных перенапряжений, месту их установки, но главное – без полномасштабных испытаний во всех эксплуатационных режимах и опыта использования хотя бы на одном генераторе применение вакуумных вы-ключателей преждевременно [6]. Отметим, что вакуумные выключатели на большие номинальные рабочие токи (6000 А и более) и токи отключения КЗ более 70 кА требуют включения двух или даже трех вакуумных камер параллельно. Это техническое решение в конструкции выключателя приводит к ряду сложных технических проблем. К тому же такие генераторные выключатели будут дороже элегазовых.
Таким образом, в настоящее время на электрических станциях, как при новом строительстве, так и при реконструкции, будут применяться только выключатели фирм АВВ и AREVA.

Несколько лет назад вышеназванные компании разработали генераторные комплексы, в состав которых были включены трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, разъединитель, заземляющие ножи, устройства защиты от перенапряжений и даже разъединитель для подключения тиристорного пускового устройства. Включение в комплекс такого большого количества дополнительного оборудования привело лишь к серьезному (практически двукратному) увеличению цены, но не к улучшению надежности или экс-плуатационных качеств. Тем не менее их дилеры активно посещают электростанции АО-энерго, рекламируют комплексы и предлагают к поставке. Отметим, что порой их усилия венчаются успехом. Возникает закономерный вопрос: что же применять при новом строительстве и реконструкции – элегазовый выключатель или генераторный элегазовый комплекс?
Ранее в российской энергетике была принята следующая практика: трансформаторы тока и напряжения, разъединитель, заземляющие ножи поставлялись в виде отдельных единиц, а компоновочные решения зависели от целого ряда факторов. Начиная с конца 60-х годов вышеперечисленные элементы стали встраиваться в генераторный токопровод. Такое решение в течение длительного времени эксплуатации полностью себя оправдало.
Тем не менее сегодня при замене генераторных выключателей эксплуатационный персонал часто и совершенно необоснованно настаивает на приобретении дорогостоящих генераторных комплексов. Из последних примеров – это Хабаровская ТЭЦ-3, Зейская ГЭС и др., в конкурсной документации которых появилось требование о применении «генераторных распределительных устройств». Естественно, в этом случае трансформаторы тока и напряжения находятся внутри комплекса. Но при этом их число, а также мощности вторичных обмоток порой не соответствуют требуемым. Так, при замене 6 генераторных выключателей на Зейской ГЭС общее количество ТТ, которое пришлось бы в составе «генераторного распределительного устройства» купить у зарубежного поставщика, составляет 72 единицы, а ТН – 54 единицы.
Возникает вопрос, правильно ли такое решение. С технической точки зрения – нет. Необходимо применять генераторные выключатели, а не генераторные комплексы. Следует учесть, что при реконструкции с применением комплексов потребовалось бы выполнение большого объема строительно-монтажных работ. Кроме того, в типовой комплектации комплексов мощность вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения не превышает 20–30 ВА. Она выбирается исходя из предположения, что на электростанции применяемые устройства релейных защит и автоматики, автоматический регулятор напряжения и др. выполняются на микропроцессорной технике.
Но реконструкция, как правило, производится поэтапно, поэтому порой замена вышеназванных устройств во времени происходит позже. В этом случае вторичная мощность трансформаторов тока и напряжения должна быть увеличена. Как следствие, возрастает и их цена. Что касается установки в составе комплекса разъединителя и защитных аппаратов от перенапряжений – это вопрос, который должен решаться отдельно в каждом конкретном случае.

Стандарты и нормы

Специального государственного стандарта на генераторные вы-ключатели в РФ нет, но некоторые положения по техническим требованиям к ним записаны в общем стандарте на выключатели ГОСТ 687. В настоящее время разработана новая редакция ГОСТа, но лишь после его опубликования станет ясно, включен ли в него ряд специфических требований к генераторным выключателям.
Зарубежные производители генераторных выключателей ориентируются на стандарт IEEE Std C37.013-1997 «Высоковольтные генераторные выключатели переменного тока, номинальные данные которых базируются на симметричных токах». В нем даны общие технические подходы и критерии по ряду параметров, методам испытаний и методикам расчетов.

Требования и параметры

В последние годы технические требования к оборудованию, в том числе и к генераторным выключателям, формулируют специалисты электростанций, чего в практике энергетической отрасли никогда не было. Технические требования к генераторным выключателям подробно обсуждались специалистами отечественных проектных и научно-исследовательских институтов, а также многих стран мира на сессиях СИГРЭ и публиковались в технических журналах. Отсутствие необходимой информации, знаний соответствующих ГОСТов и отраслевых документов приводит к тому, что в таблицах либо содержатся завышенные/заниженные требования, либо полностью отсутствуют необходимые параметры. Число технических параметров, которые приводятся в таблицах, колеблется в широких пределах.
Это можно объяснить только тем, что в силу объективных обстоятельств у эксплуатационного персонала нет достаточной технической информации по данному виду оборудования и ему приходится пользоваться только рекламными проспектами или той информацией, которую предоставляют дилеры. Приведу несколько примеров.