ВАКУУМНЫЙ ГЕНЕРАТОРНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
Впервые отечественный

До недавнего времени в нашей стране не было генераторных выключателей с нужными характеристиками, разработанных отечественной промышленностью, поэтому российские компании были вынуждены закупать выключатели за рубежом.
Сейчас ситуация изменилась: в РФ освоено серийное производство генераторных выключателей на основе вакуумной камеры. Прошел не один десяток лет, прежде чем появился этот аппарат. О его технических характеристиках, а также о трудностях, которые предшествовали появлению этого изделия, рассказывают наши авторы – Павел Антонович Шейко (в свое время работавший в Департаменте научно-технической политики и развития РАО «ЕЭС России») и Александр Анатольевич Богданов, которые совместно со специалистами научно-исследовательских институтов изучили вопрос его применения.

Павел Шейко,
Александр Богданов,
инженеры, г. Москва

В 2003 г. для замены генераторных выключателей типа МГГ, установленных на Камской ГЭС и отработавших более 30 лет, один из поставщиков предложил вакуумный генераторный выключатель зарубежного производителя. При этом, несмотря на решение конкурсной комиссии об установке элегазовых генераторных выключателей, эксплуатационный персонал настаивал на применении вакуумных аппаратов. С этого момента начались переговоры с российскими производителями о возможности разработки вакуумного генераторного выключателя [1].
В 2006 г. появилось первое сообщение о завершении Нижнетуринским электроаппаратным заводом ( сейчас НТЭАЗ входит в «Высоковольтный союз») работы над новым выключателем с номинальным напряжением 10 кВ. Сейчас уже можно говорить об освоении его серийного производства.

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

Техусловия на выключатель, руководство по эксплуатации и протоколы стендовых испытаний, полученные от Нижнетуринского электроаппаратного завода, позволяют проанализировать характеристики и оценить конструкцию генераторного выключателя. Отметим, что впервые в отечественной электроэнергетике технические условия на аппарат были согласованы не с РАО «ЕЭС России», не с Министерством энергетики РФ, а с отдельной генерирующей компанией – ТГК-9, что, несомненно, принизило статус этого документа. Возникает вопрос: теперь каждая ОГК или ТГК на один и тот же вид оборудования должна согласовывать ТУ для себя?
Анализ технических данных выключателя показывает, что аппарат может найти широкое применение при реконструкции действующих ТЭЦ и ГЭС на генераторах мощностью до 60–70 МВт, в цепи которых установлены отработавшие свой срок маломасляные генераторные выключатели типа МГГ. Кроме того, новый аппарат может в ряде случаев применяться и на отходящих линиях секций ГРУ.
В целом технические решения, примененные Нижнетуринским электроаппаратным заводом при разработке вакуумного генераторного выключателя, были правильными. Так, удачным оказался выбор вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) типа VC 10047 (D1) фирмы Siemens, параметры которой позволили создать выключатель с хорошими техническими характеристиками.
При номинальном токе 3150 А/ 4000; 5000 А вакуумный генераторный выключатель типа ВВГ-10 имеет:

• номинальный ток отключения и начальное действующее значение периодической составляющей – 40/63 кА;
• ток электродинамической стойкости – 92/161 кА;
• ток термической стойкости в течение 3 с – 40/63 кА;
• собственное время как включения, так и отключения – не более 0,08 с;
• полное время отключения – не более 0,1 с;
• ток потребления электромагнитов:
  включающий – 200 А,
  отключающий – 4/2 А;
• ресурс по коммутационной стойкости при номинальном токе – 10000 циклов «В-О» для Iном 3150 и 4000 А, 6000 циклов «В-О» для I_ном 5000 А;
• ресурс по коммутационной стойкости при номинальном токе отключения – 30 операций «О»;
• ресурс по механической стойкости – 10000 циклов «В-t_п-О».

• ход подвижного контакта – 11±1 мм;
• средняя скорость движения контакта при включении на участке 0–10 мм составляет 1,2–1,3 мм/с;
• при отключении на участке 6–0 мм скорость равна 1,0–1,4 мм/с.

Применение в аппарате вакуумной камеры зарубежного производства, безусловно, вынужденное решение, так как в России, к сожалению, такие камеры по экономическим и техническим причинам не выпускаются.
Вместе с тем, ещё в конце 80-х годов прошлого столетия во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ) были разработаны и прошли испытания вакуумные камеры типа КДВХ10-31,5/1600; КВДХ-10-40/1600; КВДХ10-50/1600; КВДХ 10-50/3150 и КДВ20- 100/1600 на номинальные токи отключения 31,5; 40; 50 и 100 кА, с нормированным содержанием апериодической составляющей от 20 до 50% [2]. Такая широкая гамма ВДК была предназначена для применения именно в вакуумных генераторных выключателях, разрабатываемых для замены выключателей типа МГГ.
Освоение промышленного производства указанных ВДК начиналось на Минусинском заводе вакуумных выключателей. По своим техническим характеристикам они не уступали камерам, выпускавшимся в то время ведущими зарубежными фирмами. Одновременно шла разработка самого выключателя, но она так и не завершилась. Начались 90-е годы, которые отбросили всю электротехническую промышленность на многие годы назад.
Кроме того, энергетики как технологи не совсем корректно сформулировали технические требования к генераторному выключателю. Например, при разработке вакуумного генераторного выключателя для Волжской ГЭС им. Ленина, который должен был заменить воздушный выключатель типа ВВГ-15-100/6300, разработчик – НПП «Элвест» – подготовил техническое задание, анализ которого показывал, что в тот период создать аппарат с заявленными техническими характеристиками было бы непросто. Предложения по конструктивному исполнению получались очень сложными, неясен был и один из ключевых вопросов – тип вакуумной камеры, на базе которой должен быть выполнен аппарат. В результате работа так и осталась незавершенной.

В свое время вопрос о применении вакуумных генераторных выключателей обсуждался на секции «Электротехническое оборудование» НТС РАО «ЕЭС России» и ГидроОГК. Мнения специалистов разошлись, что в первую очередь было связано с отсутствием методики по расчету средств защиты от коммутационных перенапряжений.
Первые заводские образцы вакуумного генераторного выключателя типа ВГГ-10 с электромагнитным приводом прошли практически весь требуемый объём испытаний в Испытательном центре «Уралэлектротяжмаш». Испытания подтвердили его соответствие техническим параметрам. Завод представил протоколы испытаний, на основании которых был сделан вывод о возможности применения этого аппарата при замене выключателей типа МГГ не только на Камской ГЭС, но и на других электростанциях.
Поскольку вакуумные выключатели при коммутации генерируют высокочастотные перенапряжения, то для принятия окончательного решения об их применении необходимо было решить ряд вопросов. Например, какие применить средства защиты оборудования – ОПН или RC-цепи или же их комбинацию, каковы должны быть их параметры и в каких точках схемы укрупненного блока они должны быть установлены? Кроме того, предстояло решить, какую научно- техническую организацию привлечь для разработки рекомендаций по защите оборудования от коммутационных перенапряжений, а также нужно было договориться с заводом о срочной разработке выключателя с пружинным приводом.
На момент поставки вакуумных генераторных выключателей для Камской ГЭС в РФ не было ни опыта применения таких аппаратов, ни методических указаний, позволяющих проектировщикам выполнить необходимые расчеты для выбора средств защиты, их параметров и мест установки. Поэтому организации, заключившей договоры на поставку выключателей для ГЭС, пришлось решать перечисленные проблемы в инициативном порядке.
Все публикации в технических журналах и монографиях с рекомендациями по защите электрооборудования от коммутационных перенапряжений, генерируемых вакуумными выключателями, в основном относились к защите оборудования сети собственных нужд электростанций и распределительных сетей 6–10 кВ [3, 4, 5]. Об этом же идет речь и в циркуляре Ц-5-98 (Э) Департамента стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС России». Единственным источником информации о возможном применении вакуумного генераторного выключателя в схеме энергоблока была статья К.П. Кадомской и В.А. Хныкова [6]. Для выполнения НИР по расчету коммутационных перенапряжений при применении вакуумных генераторных выключателей были привлечены сотрудники Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) и Всероссийского электротехнического института (ВЭИ). Договоры предусматривали разработку комплекса мероприятий по защите электрооборудования энергоблока от коммутационных перенапряжений, генерируемых вакуумными выключателями в различных режимах его работы, включая и сеть генераторного напряжения.
Расчеты переходных процессов и переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) выполнялись на математических моделях. Генератор моделировался по уравнениям Парка-Горева, выключатель – в виде идеального ключа. В модель вводились параметры реальной схемы, предоставленные заказчиком.
В процессе выполнения НИР НГТУ были рассмотрены все основные эксплуатационные режимы:

• однофазное замыкание на землю;
• трехфазные КЗ на выводах генератора, шинах секции ГРУ, за трансформатором блока;
• синхронизация с углом более 90 эл. градусов;
• отключение генератора в противофазе.

ИСПЫТАНИЯ

С 2007 г. «Высоковольтный союз» работал над созданием и постановкой на производство выключателя с пружинным приводом. Работа шла непросто, но в 2008 г. все-таки завершилась созданием нового типа привода. После проведения части испытаний на самом заводе необходимо было в соответствии с ГОСТ Р 52565-2006 провести испытания на коммутационную стойкость к токам КЗ. Заводская лаборатория необходимым оборудованием не располагала, поэтому было принято решение о проведении испытаний в НИЦ ВВА. Испытания вакуумных генераторных выключателей на коммутационную стойкость при отключении токов КЗ являются очень важным видом испытаний, подтверждающих способность аппарата выдерживать динамические и термические воздействия. Кроме того, в этих режимах должны определяться скорости восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя.
Специалистами завода была составлена программа испытаний, которая подробно была обсуждена с испытательной лабораторией. В ноябре 2008 г. аппарат прошёл испытания по разработанной программе, которая соответствовала ГОСТ и стандарту IEEE Std C37.013- 1997 на генераторные выключатели. Испытания были проведены при двух разных постоянных времени затухания апериодической составляющей тока КЗ. Во время испытаний возникали трудности с реализацией некоторых режимов, но они были успешно преодолены коллективом Испытательного центра. По результатам работы НИЦ ВВА как орган по сертификации выдал сертификат на выключатели серии ВВГ-10.
При проведении испытаний выключателя в очередной раз выявилась острейшая необходимость в срочной модернизации испытательной базы НИЦ ВВА, созданного Минэнерго СССР еще в 1963 г. Чтобы окончательно не потерять, по сути дела, последний в России крупный испытательный центр и не попасть в полную зависимость от зарубежных испытательных центров, необходима его серьезная реконструкция.
В течение более 40 лет работа НИЦ ВВА позволяла электротехнической промышленности не только проверять оборудование на соответствие техническим условиям, но и выявлять недостатки конструктивного характера, вовремя их устранять и определять пути совершенствования конструкции.
Очевидно, что самостоятельно, без финансовой помощи вновь созданного Минэнерго, такую задачу НИЦ ВВА решить не сможет. На эту тему в журнале «Новости ЭлектроТехники» уже было несколько статей различных авторов, в т. ч. и руководителя Центра А. Малышева [7]. Все эти мнения, поддерживаемые и многими специалистами в области злектродинамической стойкости оборудования, сводятся к одному: испытания необходимы, чтобы в энергосистемы поступало оборудование надлежащего качества, отвечающее техническим требованиями.
К великому сожалению, никто из лиц, отвечающих за надежность энергоснабжения, этого не слышит и заниматься этой проблематикой не желает, а зря. Завтра может быть уже поздно. Стенд ни в коем случае нельзя потерять, и Минэнерго должно обратить на это серьезное внимание.

ВЫВОДЫ

1. Вакуумные генераторные выключатели должны применяться только вместе со средствами защиты оборудования от коммута- ционных перенапряжений. Необходима разработка методических указаний по расчету средств защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений, генерируемых вакуумными выключателями. В ситуации неопределенности в электроэнергетике, когда неизвест- но, кто несёт ответственность за техническую политику в отрасли, финансирование разработки таких методических указаний могло бы взять на себя, например, РусГидро. Согласование технических условий на новые виды электротехни- ческого оборудования должно взять на себя Минэнерго.
2. «Высоковольтному Союзу» необходимо разработать выключатель с другими компоновочными решениями, а также аппарат с применением вакуумных камер на меньшие значения номинальных токов.
3. Испытания вакуумных генераторных выключателей на коммутационную способность при отключении токов КЗ являются очень важным видом испытаний, подтверждающим способность аппарата выдерживать динамические и термические воздействия. Кроме того, в этих режимах должны определяться скорости восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белкин Г.С., Перцев А.А., Рыльская Л.А. Перспективы разработки вакуумного генераторного выключателя для применения в цепях генераторов // Сборник докладов VII Симпозиума «Электротехника 2010», том 2, док. 1.12.
2. Белкин Г.С., Лукацкая И.А., Перцев А.А., Потокин В.С., Ромочкин Ю.Г., Шохин Е.А. Вакуумные дугогасительные камеры, разработанные Всесоюзным электротехническим институтом им. В.И. Ленина // Электротехника. 1990. № 12. С. 9–15.
3. Беляков Н.Н. Защита от перенапряжений установок с вакуумными выключателями // Электрические станции. 1994. № 9. С. 65–71.
4. Базуткин В.В., Евдокунин Г.А., Халилов Ф.Х. Ограничение перенапряжений, возникающих при коммутациях индуктивных цепей вакуумными выключателями // Электричество. 1994. № 2. С. 9–15.
5. Аношин О.А., Барсуков А.И., Максимов Б.К., Матвеев Д.А., Юркин П.Л. Защита электрооборудования собственных нужд электростанций от перенапряжений, вызываемых вакуумными выключателями // Электричество. 1997. № 9. С. 8–15.
6. Кадомская К.П., Хныков В.А. Процессы в сети генераторного напряжения энергоблоков при коммутациях вакуумными выключателями // Энергетик. 2003. № 2.
7. Малышев А.В. Нужно возрождать российские испытательные центры // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 4(52). С. 28–29.