Роль вакуумных генераторных автоматических выключателей в повышении кпд установок и улучшении защиты генераторов мощностью до 450 мва

Аннотация

Технология вакуумного прерывания — это ведущая технология оборудования среднего напряжения до 52 кВ, особенно в распределительных схемах. За десятилетия существования этой технологии отключающая способность вакуумных автоматических выключателей (ВАВ) существенно улучшилась, а диапазон их применения расширился, и теперь включает в себя даже схемы генераторов, которые требуют большего, чем обычные выключатели распределительных систем. С появлением новейших разработок стало возможным применение вакуумных генераторных автоматических выключателей/генераторных распределительных устройств (ГРУ) для защиты и синхронизации электростанций мощностью до 400 МВт. Цепи генераторов предъявляют более высокие требования, в частности, из-за их высоких токов короткого замыкания, высоких номинальных токов, задержек перехода тока через нуль и очень высокой скорости нарастания восстанавливающегося напряжения (СНВН), а вакуумные прерыватели доказали свою способность надежно справляться с такими проблемами. Все ГРУ должны проходить испытания в соответствии со стандартом IEEE C37.013 или МЭК 62271-37-013, которые разработаны специально для проверки работы в указанных выше условиях.

Отсутствие выбросов парниковых газов, простота установки, отсутствие необходимости технического обслуживания, большое количество отключений при коротких замыканиях и экономичность — вот некоторые из наиболее заметных преимуществ ГРУ, которые делают их наилучшей альтернативой другим технологиям, применяемым в схемах генераторов. С годами эти выключатели подтвердили свою репутацию экономичного и эффективного решения для защиты генераторов и повышающих трансформаторов, улучшающих эффективность и надежность установки.

Кроме того, вопреки многочисленным аргументам против использования вакуумных автоматических выключателей в качестве генераторных автоматических выключателей, вакуумные прерыватели также имеют напряжение дуги до 150В, в зависимости от типа контакта, которое помогает демпфировать постоянную составляющую тока и снижает время существования дуги как минимум до двух циклов или менее. В этой статье содержится краткий обзор коммутационных характеристик ГРУ, а также рассмотрен конкретный пример, который показывает влияние напряжения дуги на смещение моментов перехода тока через нуль при замыкании, когда генератор является источником, и при токах замыкания с рассогласованием фаз. Для анализа влияния напряжения дуги используется промышленное программное обеспечение для моделирования PSS NETOMAC, результаты моделирования представлены в статье.

I. Введение

За последние 35 лет ВАВ стали наиболее предпочтительными коммутационными устройствами в системах среднего уровня напряжения до 52 кВ, и в настоящее время более 80% установленных устройств — это ВАВ. Главным образом это обусловлено их преимуществами с точки зрения установки, технического обслуживания и эксплуатации по сравнению с другими технологиями. Что касается применения в области коммутации генераторов, которые также считаются системами среднего напряжения, ранее невозможно было использовать технологию вакуумного прерывания в генераторных системах.

Но за десятилетия существования этой технологии отключающая способность ВАВ значительно повысилась, а технологические достижения в области физики дугового разряда в вакууме позволили этим устройствам прерывать более высокие токи короткого замыкания и пропускать более высокие номинальные токи, что делает их идеальным решением для генераторных систем с мощностью до 450 МВА.

Ниже приведены некоторые из основных проблем, с которыми сталкиваются автоматические выключатели, установленные в схемах генераторов. Вне зависимости от типа коммутационного устройства генераторный выключатель должен выдерживать жесткие условия коммутации. Они кратко описаны в разделе II.

В разделе III кратко поясняются некоторые основные коммутационные характеристики ВАВ, такие как их превосходная электрическая прочность, а также описываются различные типы контактов. ВАВ всегда считались менее эффективными, особенно с точки зрения напряжения дуги. По этой причине измерение напряжения дуги проведено в вакуумных прерывателях новейшей разработки с отключающей способностью тока короткого замыкания 100кА и получено напряжение в диапазоне 100-120В [2]. Это напряжение показало, что имеется влияние на подавление постоянной составляющей, которым нельзя пренебречь и оно способствует приближению моментов перехода тока через нуль.

В разделе IV приведены результаты исследования конкретного примера, которое проведено на основе типичных параметров генератора и системы. Графики иллюстрируют влияние напряжения дуги величиной до 100 В внутри вакуумных прерывателей на смещение моментов перехода тока через нуль и значительное уменьшение времени существования дуги. Представленные здесь результаты моделирования получены с помощью ПО PSS NETOMAC.

Последнее, но не менее важное — помимо вышеуказанных коммутационных характеристик общие преимущества ГРУ перед другими технологиями представлены в разделе V.

II. Проблемы, с которыми сталкиваются генераторные распределительные устройства (ГРУ)

ГРУ всегда устанавливаются между генератором и повышающим трансформатором генератора (ПТГ). В некоторых случаях генератор также питает вспомогательный трансфpорматор для покрытия собственных нужд станции, который подключается к главной шине через другой разъединитель. Упрощенная схема цепи генератора показана на рис. 1.

Вне зависимости от типа коммутационного устройства установленные ГРУ должны выдерживать жесткие условия коммутации, на которые влияют параметры электрических цепей генератора. Например, в зависимости от места КЗ, автоматический выключатель испытывает либо тепловую, либо механическую нагрузку.

Ниже рассматриваются типы замыканий и проблемы, связанные с ними.

(a) Замыкания, когда источником является генератор: если замыкание происходит между ГРУ и ПТГ, такое замыкание называется «замыканием, когда источником является генератор». Как показано на рис. 2, токи короткого замыкания протекают от генератора. Величина этих токов короткого замыкания относительно мала, но, тем не менее, считается критической ввиду их высокой степени асимметрии, которая приводит к задержкам моментов перехода тока через нуль, как показано на рис. 3. Возможными причинами такой асимметрии являются высокое значение отношения X/R цепи из-за малой длины токопровода между генератором и ГРУ и более быстрое убывание переменной составляющей, чем постоянной составляющей из-за таких параметров машины, как реактивные сопротивления генератора (Xd”, Xd’, Xd) и постоянные времени (Td”, Td’, Ta).

Как указано в стандарте [3], постоянная составляющая тока замыкания, когда источником является генератор, может достигать до 130% и выше в момент отделения контактов друг от друга, в зависимости от типа замыкания, произошедшего в цепи, что ведет к задержке перехода тока через нуль. Поэтому необходимо, чтобы все установленные ГРУ были способны выдерживать тепловую нагрузку, создаваемую такими большими временами существования дуги.

(б) Замыкания, когда источником является система: Если замыкание происходит между генератором и ГРУ, такое замыкание называется замыканием, когда источником является система, так как ток короткого замыкания протекает от системы через ПТГ, как показано на рис. 4.

В отличие от замыканий, когда источником является генератор, при замыканиях, когда источником является система, постоянная составляющая обычно находится в диапазоне 75% из-за наличия ПТГ. Но ток короткого замыкания в этом случае почти вдвое выше тока короткого замыкания, при котором источником является генератор. Это обусловлено тем, что энергия всей системы будет поступать в точку замыкания, и низкое входное сопротивление трансформатора будет оказывать меньшее влияние на снижение этих токов замыкания. Типичный ток короткого замыкания, когда источником является система, показан на рис. 5. Такие высокие токи создают механическую нагрузку на выключатели.

(в) Коммутация при фазовом рассогласовании: Синхронизация при фазовом рассогласовании время от времени происходит на электростанциях из-за ошибок при подключении токопровода, допущенных во время пуско-наладки и во время технического обслуживания оборудования. В этом состоянии в выключателе будет протекать ток величиной до 50% от тока короткого замыкания, когда источником является система. Такие токи замыкания могут привести к задержкам перехода тока через нуль, в зависимости от угла рассогласования фаз по причинам, отличающимся от тех, которыми объясняется традиционная задержка перехода тока через нуль при замыканиях, когда источником является генератор [5].

Кроме того, прерывание токов замыкания такого рода приводит к переходным восстанавливающимся напряжениям (ПВН), которые обусловлены фазовым рассогласованием напряжения между генератором и системой, со значениями до 2,6 отн. ед. и с СНВН до 5 кВ/мкс [3].

(г) Другие важные условия: Помимо вышеописанных условий другими важными требованиям к ГРУ являются способность выдерживать экстремальные значения ПВН при очень высокой скорости нарастания восстанавливающегося напряжения (СНВН) и условиях фазового рассогласования. Наличие элементов с высокой индуктивностью, таких как генератор и трансформатор, и низкие сопротивление и емкость электрической цепи генератора приводят к тому, что ее собственные частоты очень высоки, что ведет к высоким ПВН с очень высокими СНВН, до 5 кВ/мкс.

III. Коммутационные характеристики ГРУ

ВАВ имеют заметные преимущества перед другими типами коммутационных устройств, так как благодаря их коммутационным характеристикам, процесс коммутации происходит в них совершенно по-другому. При замыканиях, когда источником является генератор, постоянная составляющая тока сравнительно высока и контакты прерывателя должны быть способны выдержать тепловую нагрузку из-за длительного существования дугового разряда, а также должны быть способны выдерживать высокие ПВН, которые возникают непосредственно после размыкания. Катодные пятна, которые создаются в контактах прерывателя и благодаря которым продолжается дуговой разряд между контактами, исчезают при переходе тока через нуль. Ввиду очень быстрой радиальной диффузии ионов и электронов в область контактов вакуумные прерыватели имеют скорость нарастания электрической прочности до 10 кВ/мкс [6]. Поэтому ГРУ не требуют дополнительного конденсатора для защиты от перенапряжений и, таким образом, вакуумная технология коммутации идеально подходит для выполнения требований по ПВН в генераторных схемах. А так как энергия дуги внутри трубки прерывателя меньше, эрозия контактов минимальна, что обеспечивает очень низкое сопротивление контактов.

Пригодность ВАВ для использования в схемах генераторов с задержками переход тока через нуль была впервые исследована и подтверждена Шраммом и Кулике (Schramm, Kulicke) [7]. Они показали, что тип контактов прерывателя играет очень важную роль в работе с этими задержанными переходами тока через нуль. Широко используемые типы контактов — это контакты RMF (создающие радиальное магнитное поле) и AMF (создающие аксиальное магнитное поле). Если ток замыкания превышает 10 кА, вследствие пинч-эффекта происходит стягивание дугового разряда. Чтобы избежать локального перегрева контактов, этот стянутый дуговой разряд следует либо заставить вращаться вокруг поверхности контакта с помощью контактов типа RMF, либо рассеять его над поверхностью контактов с помощью контактов типа AMF.

При очень высоких токах обычно предпочтение отдают контактам типа AMF благодаря их равномерному распределению тепла по поверхности контактов за счет диффузии дуги. Типичная конструкция обоих типов контактов показана на рис. 6.

Напряжение дуги в вакууме после разделения контактов:

Напряжение дуги типичного вакуумного автоматического выключателя — определяется нелинейным сопротивлением — может уменьшить постоянную времени постоянного тока цепи и приблизить момент перехода тока через нуль. Напряжение дуги в основном зависит от тока короткого замыкания и длины дуги. По сравнению с элегазовыми (SF6) выключателями, уровни напряжения дуги в вакуумных выключателях меньше, но оно по-прежнему оказывает заметное влияние на задержку времени перехода тока через нуль. Среднее напряжение дуги, создаваемое контактами вакуумного прерывателя типа AMF, находится в диапазоне 100-120 В согласно результатам испытаний коммутационных характеристик, проведенных в компании SIEMENS AG [2], а напряжение, создаваемое контактами вакуумного прерывателя типа TMF, находится в диапазоне 120-150 В [8]. Обычно для систем с высокими токами, т.е. при токах короткого замыкания 80 кА и 100 кА, предпочтительнее использовать вакуумные прерыватели с контактами AMF.

В следующих разделах приведены результаты исследования конкретного примера с типовыми данными электрической машины — паротурбинного генератора. Ситуации задержки перехода тока через нуль вследствие замыкания, когда источником является генератор, и условия фазового рассогласования смоделированы, а также исследовано влияние напряжения дуги. Теоретическое объяснение причин, приводящих к задержке перехода тока через нуль в условиях короткого замыкания, когда источником является генератор, и в случае коммутации при фазовом рассогласовании, приводится в работах [7] и [5], соответственно.

IV. Исследование конкретного примера

Для анализа использовалась упрощенная конфигурация схемы генератора, показанная на рис. 7. Замыкание в точке «a» представляет собой замыкание, когда источником является генератор. В таблице 1 приведены типичные параметры генератора, трансформатора и системы. Они создают жесткие условия замыкания, налагаемые на ГАВ, особенно в случае замыкания, когда источником является генератор.

Таблица 1: Типичные параметры системы с паротурбинным генератором

(a) Состояние замыкания, когда генератор является источником:

Полученные после моделирования токов короткого замыкания в случае, когда генератор является источником, приведены в таблице 2. Время между началом замыкания и разведением контактов считается равным 53 мс, куда входит время срабатывания реле, равное 1/2 цикла, и время срабатывания механических устройств, равное 45 мс. На рис. 8 показано влияние четырех разных напряжений дуги (пиковых), т.е. 0 В, 30 В, 60 В и 100 В.

Эти напряжения кажутся очень низкими по сравнению с напряжением цепи, которое составляет 19 кВ, но результаты моделирования показывают, что дополнительное сопротивление из-за напряжения дуги играет важную роль в смещении моментов перехода тока через нуль.

Часть (a) на рис. 8 показывает ток короткого замыкания, когда генератор является источником, без всякого напряжения дуги. Видно, что время существования дуги составляет до 80 мс. На частях (b), © и (d) напряжения дуги составляют 30В, 60В и 100В, соответственно, в времена существования дуги уменьшаются до 62 мс, 45 мс и 29 мс, соответственно.

В некоторых случаях используется преднамеренная задержка до 150 мс в цепи отключения, чтобы постоянная составляющая в момент разведения контактов достигала значения, при котором автоматический выключатель будет способен быстро прервать ток замыкания. Однако использование задержанного срабатывания не рекомендуется, так как длительность замыкания более 150 мс может привести к повреждению внутренней изоляции трансформатора. Поэтому вообще рекомендуется использовать генераторные автоматические выключатели, которые имеют достаточное напряжение дуги, чтобы приблизить момент перехода тока через нуль.

(б) Состояние коммутации при фазовом рассогласовании

Синхронизация при фазовом рассогласовании на электростанциях происходит редко и является результатом токов короткого замыкания с задержанными моментами перехода через нуль. Углы рассогласования фаз могут иметь любое значение и могут быть вызваны ошибками проводимой вручную синхронизации или ошибками монтажа кабелей. В зависимости от типа машины и параметров системы, любой угол рассогласования фаз может оказаться критическим. Быстрый поворот ротора из состояния изначального угла рассогласования фаз в состояние нулевого угла рассогласования приводит к небольшой переменной составляющей тока и очень высокой постоянной составляющей. Это ведет к очень большим задержкам перехода тока через нуль. Если машина имеет большое значение постоянной инерции, постоянная составляющая тока во время разделения контактов сравнительно мала. У ротора с большой массой постоянная инерции меньше и постоянная составляющая тока в момент разделения контактов будет выше. В обоих случаях очень важно, чтобы автоматический выключатель был способен принудительно приблизить момент перехода тока через нуль с помощью своего напряжения дуги. В случае параметров машины и системы, приведенных в таблице 1 при большей постоянной инерции, угол фазового рассогласования 90° оказался критичнее с точки зрения задержки перехода тока через нуль.

На рис. 9 показаны кривые (a) типичных токов при фазовом рассогласовании, когда угол рассогласования фаз равен 90°, (b) прерывание тока при фазовом рассогласовании при напряжении дуги 0В, © прерывание при напряжении дуги 50В и (d) прерывание при напряжении дуги 100В. Время существования дуги без напряжения дуги составляет 189 мс, что очень критично для оборудования в цепи. Но наличие напряжения дуги 100В благодаря дуговому разряду в вакууме существенно снижает постоянную составляющую и уменьшает время существования дуги до 30 мс.

На основании вышеприведенного исследования конкретного примера можно сделать вывод, что напряжение дуги в вакууме оказывает влияние на способность выключателя прерывать токи короткого замыкания. В следующем разделе кратко рассматриваются преимущества ГРУ перед другими существующими технологиями с точки зрения экономичности, а также технического выигрыша.

Преимущества ГРУ перед существующими технологиями

ГРУ уже рассматриваются как возможная замена существующих технологий для отключения токов короткого замыкания порядка 100 кА при номинальных напряжениях 24кВ и номинальных токах до 12500А ввиду их явных преимуществ [4]. Ниже перечислены некоторые из них.

1) Простота монтажа: Вакуумное генераторное распределительное устройство — это решение, собираемое на заводе-изготовителе, которое проходит заводские приемочные испытания перед отгрузкой, что означает, что такое распределительное устройство готово к установке на электростанции. В случае элегазового (SF6) распределительного устройства газ необходимо откачать перед перевозкой, а затем вновь заправить устройство на объекте во время установки, используя для этого специальные инструменты и соблюдая правила техники безопасности. Это влечет за собой дополнительные расходы и требует проведения испытаний на объекте.

2) Высокая надежность: Благодаря своим великолепным коммутационным характеристикам ГРУ обладают высокой надежностью при отключении любых видов замыканий, которые могут происходить в цепях генераторов. Кроме того, они гарантируют высокий уровень безопасности персонала и эксплуатации ввиду меньшего количества движущихся деталей в камере дугового разряда, в случае чрезвычайно маловероятной потери вакуума дуговой разряд возникает и остается внутри кожуха прерывателя, пока резервный выключатель не разомкнет цепь.

3) Техническое обслуживание и экономичность: ГРУ не требуют технического обслуживания, выполняя до 10 000 электрических коммутаций (до 100% номинального тока). Это означает отсутствие необходимости повторного смазывания и перенастройки на протяжении всего срока службы. Кроме того, не требуется оборудование для работы с газом, что значительно сокращает затраты.

4) Режимы коммутации: ГРУ подходят для любых режимов коммутации благодаря своим низким токам среза и могут отключать нагрузки безопасно, без повторных включений. Это снимает возможные проблемы с перенапряжением. При скорости восстановления электрической прочности >10кВ/мкс ГРУ не требуют дополнительного конденсатора для защиты от высоких ПВН в цепи генератора, что является значительным преимуществом по сравнению с другими технологиями.

5) Воздействие на окружающую среду: Среди всех технологий коммутации среднего напряжения ВАВ обеспечивают самое низкое воздействие на окружающую среду на протяжении всего своего жизненного цикла. В отличие от них элегазовые (SF₆) и другие широко применяемые в генераторных системах технологии считаются потенциальными источниками парниковых газов. Агентства защиты окружающей среды США и Дании рекомендовали использовать альтернативы SF₆ везде, где это возможно. Дания пошла еще дальше, введя экологические налоги на использование промышленных парниковых газов, таких как SF₆ [9].

VI. Выводы

Цепи генераторов предъявляют очень высокие требования с точки зрения условий коротких замыканий. Установленные автоматические выключатели должны хорошо работать в условиях токов короткого замыкания высокой амплитуды, задержек перехода токов через нуль как при замыканиях, когда источником является генератор, так и при коммутациях с фазовым рассогласованием, а также при высоких ПВН.

Моделирование с помощью PSS NETOMAC проведено при типичных параметрах системы, чтобы исследовать влияние напряжения дуги вакуумных устройств на ускорение снижения постоянной составляющей и значительное сокращение времени существования дуги. На основании результатов моделирования можно сделать вывод, что ГРУ, с их типичными напряжениями дуги порядка 100 — 120В, способны отключать замыкания без задержки перехода тока через нуль.

Кроме того, многочисленные преимущества ГРУ перед существующими технологиями делают их потенциальным кандидатом на замену этих технологий. На сегодняшний день ГРУ способны работать с токами короткого замыкания 100кА при номинальных токах цепей 12500А при естественном охлаждении. Таким образом, для электростанций мощностью до 400 МВт, вне зависимости от типа турбины, ГРУ являются идеальным и надежным решением при меньшей стоимости.

Литература

1. Braun et. al, Generator Circuit-Breakers-Application Guide, ABB, 2012.
2. Test Order No: 14-00626, Hochspannungs- und Schaltleistungsprufungen, Schalter-3AH36, Siemens AG, EM MS R&D OC TD2, 2015
3. IEC/IEEE 62271-37-013, «High-voltage switchgear and control gear- Part 37-013: Alternating-current generator circuit breakers».
4. Venna et. al, «Vacuum Generator Circuit Breaker — A Proven Switching Technology for Generators up to 450 MVA » GETS-2015, NTPC, India
5. I. M. Canay et. al, «Delayed Current Zeros due to Out-of-phase synchronizing», IEEE Trans. Energy Conversion, 1997
6. M. A. Laughton et. al, «Electrical Engineer’s Reference Book», Butterworth Int. Edition 1990
7. B. Kulicke, H. H. Schramm, «Application of Vacuum Circuit-Breaker to Clear Faults With Delayed Current Zeros», IEEE Trans. Power Delivery, vol. 3, no. 4, Oct. 1988, pp. 1714-1723
8. R. K Smith et. al «Vacuum interrupters for generator circuit breakers they’re not just for distribution circuits breakers anymore» 17th CIRED conf. 2003
9. Green taxes: New tax aims to reduce Danish consumption, of industrial greenhouse gasses", Danish Environment & Energy Newsletter, ISSN1600-6909, http: //www. mex. dk/uk/vis_nyhed_uk. asp?id=1075&nyhed sbrev_id=118