ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы
Мощные тепловые и атомные станции (ТЭС, АЭС) являются ^ стратегическими источниками выработки электрической энергии в России.
Надёжность эксплуатации этих объектов зависит, прежде всего, от надежной работы большого числа технологических систем, одной из которых является электрическая часть станции. Электрическая часть станции состоит из сети собственных нужд (ССН), сети генераторного напряжения (СГН) и схемы выдачи мощности по линиям сверхвысокого напряжения (ВЛ СВН). В последние годы вопросам анализа и защиты от перенапряжений ССН [1-5], СГН [6-8] и ВЛ СВН [9] уделяется достаточно большое внимание, тем не менее, большинство исследований направлено на повышение надёжности отдельных составляющих электрической части станций: либо ССН, либо СГН, либо ВЛ СВН в схемах выдачи мощности от мощных электрических станций, без комплексного анализа эксплуатации этих подсистем при учёте f их взаимного влияния. Так, например, при комплексном подходе к
обеспечению надёжности питания СГН и ССН стал возможным более обоснованный подход перевода сети СН из режима изолированной нейтрали к резистивно-заземлённой [10-12].
Вследствие того, что основное электрооборудование станции -выключатели, кабели, электрические двигатели в настоящее время существенно исчерпали свой ресурс [13, 14], остро стоит необходимость, во-первых, частичной замены существующего оборудования, а во-вторых, разработки комплексных решений, позволяющих обеспечить наиболее рациональную защиту от внутренних перенапряжений существующего оборудования [15]. На формирование концепций исследований большое влияние оказали труды Р.А., Вайнштейна, Г.А. Евдокунина, А.И.Гаврилко, ^ К.П. Кадомской, А.И. Шалина, Ф.Х. Халилова, А.К.Черновца и др.
8
Сформулированная выше цель исследований определила совокупность задач, которые надлежит решить для каждой из рассматриваемых подсистем.
Подсистема ССН
• Анализ стационарных режимов замыкания на землю (033).
• Анализ перенапряжений, возникающих на изоляции оборудования ССН при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ).
• Анализ феррорезонансных процессов, связанных с насыщением магнитопроводов трансформаторов напряжения (ТН) при ОДЗ.
• Защита от перенапряжений изоляции двигателей при их коммутациях. Подсистема СГН
Внедрение генераторных выключателей в СГН мощных станций выдвигает следующие задачи:
• Разработку математической модели элегазового выключателя и сравнение переходных восстанавливающихся напряжений с учётом и без учёта процессов в его дугогасящей камере.
• Сравнительного анализа феррорезонансных процессов при ОДЗ в СГН оснащенной генераторным выключателем и при установке в блоке лишь выключателя ВН.
• Анализа процессов при синхронизации блока генераторным
выключателем.
• Исследование процессов, сопровождающих включение блока выключателем ВН при отключённом генераторном выключателе. Подсистема выдачи мощности станции на высоком напряжении
В последнее время на мощных станциях регистрируются аварийные ситуации, связанные с возникновением несимметричных режимов на ВЛ СВН, оборудованных шунтирующими реакторами (ШР), и последующим отказом защитных и коммутационных аппаратов.
Требование повышения надежности эксплуатации этой подсистемы поставило, прежде всего, следующие задачи.
9
• Оценки резонансных условий в режимах несимметричного одностороннего питания ВЛ ВН.
• Анализа условий эксплуатации защитных аппаратов типа ОПН в ^ несимметричных режимах.
• Оценки резонансных условий в цикле ОАПВ и условий эксплуатации ОПН в этой коммутации.
• Оценки перенапряжений, возникающих на контактах выключателей в цикле ОАПВ с точки зрения воздействия на продольную изоляцию выключателя.
• Анализа целесообразности применения выключателей СВН с использованием в качестве дугогасящеи среды элегаза вместо воздуха.
Очевидно, что решение сформулированных задач должно опираться на разумное сочетание экспериментальных исследований и исследований, проводимых с помощью математических моделей.
Научная новизна основных положений и результатов работы Л может быть сформулирована следующим образом:
• Реализованый в работе комплексный подход к обеспечению надежной эксплуатации изоляции электрооборудования, защитных и коммутационных аппаратов подсистем электрической части таких сложных объектов, как ТЭС и АЭС, позволил выдвинуть дополнительные требования к схемно-аппаратным решениям в ССН и СГН.
• Показано, что при установке генераторного выключателя надежность питания ССН повышается, особенно при оснащении общеблочных секций специальными трансформаторами, оснащенными резисторами в их нейтралях.
• Показано, что не учёт динамических свойств вольт-амперной характеристики (ВАХ) ОПН при частотах процессов, превышающих
0 примерно 70-80 кГц, приводит к занижению кратностей перенапряжений,
возникающих при коммутациях присоединений с двигателями на 7-10%.
10
• На основе сравнительных расчетов, произведенных с помощью компьютерных программ, реализующих собственное переходное восстанавливающееся напряжение (СПВН) на контактах элегазового выключателя и ПВН с учетом процессов в дуге (разработанной на основе выключателя SIEMENS-ПО kV, реализующей уравнения Майера и Касси с использованием экспериментальных данных) было показано, что производить оценку скорости восстанавливающегося напряжения при отключении токов к.з. можно без учёта процессов в ЭДК, т.е. моделируя выключатель в виде идеального ключа.
• Показано, что при установке генераторного элегазового выключателя, оборудованного дополнительными ёмкостями, в случае эксплуатации СГН в режиме изолированной нейтрали, возможен установившийся феррорезонанс, обусловленный насыщением магнитопроводов трансформаторов напряжения, при котором токи в первичных обмотках ТН существенно превышают значения, допустимые по тепловой стойкости ТН.
Практическая значимость результатов работы
• разработанные математические модели для исследования переходных процессов в ССН, СГН и в ВЛ СВН могут быть использованы при разработке мероприятий, обеспечивающих надёжную эксплуатацию как изоляции электрооборудования, так и защитных и коммутационных аппаратов этих электрических подсистем;
• разработанные требования к принципам организации защиты изоляции электрооборудования электрической сети станции как совокупности ССН, СГН, ВЛ СВН, от внутренних перенапряжений, а также меры, обеспечивающие надёжную эксплуатацию коммутационных и защитных аппаратов могут быть использованы как при реконструкции сетей генераторного напряжения существующих электростанций, так и при проектировании новых ТЭС и АЭС блочного типа.
Достоверность результатов работы основывается на:
11
• достаточно хорошем согласии результатов аналитической и численной методик определения перенапряжений в ССН, СГН и ВЛ СВН, применением по-возможности полных математических моделей исследуемых процессов (в том числе теории многофакторного эксперимента, моделирования ОПН с учётом динамических свойств ВАХ), экспериментальном определения кривых намагничивания ТН, и использовании экспериментально определенных параметров при разработке математической модели элегазового выключателя.
• хорошем согласии ряда компьютерных расчётов с экспериментальными данными, полученными при помощи цифровых регистраторов процессов на реальном объекте. Положения, выносимые на защиту:
• Обеспечение надёжной эксплуатации электрооборудования сетей собственных нужд мощных ТЭС и АЭС может быть достигнуто с помощью установки резистора номиналом 500-600 Ом в выделенную с помощью специальных трансформаторов (ТВН) нейтраль сети. ТВН целесообразно устанавливать на общеблочных секциях (ОБС).
• Для защиты присоединений с двигателями от коммутационных перенапряжений, ОПН с повышенными защитными характеристиками целесообразно устанавливать непосредственно у двигателей.
• Обеспечение надёжной эксплуатации сетей генераторного напряжения (СГН), а также повышение надёжности питания ССН достигается при установке на генераторном напряжении выключателя, используемого как в качестве выключателя нагрузки, так и для отключения коротких замыканий в цепи блока.
• Оценка процессов восстановления напряжения на контактах генераторного элегазового выключателя при отключении токов к.з может производиться без учёта процессов в его дугогасительной камере , т.е при моделировании выключателя в виде идеального ключа.
12
• В СГН, оснащённой генераторным элегазовым комплексом с дополнительными ёмкостями, в режиме изолированной нейтрали сети существует опасность возникновения феррорезонансных процессов, обусловленных насыщением магнитопроводов трансформаторов напряжения, после гашения дуги при ОДЗ.
• При оснащении ВЛ СВН шунтирующими реакторами для обеспечения требуемой надежности схемы выдачи мощности от ТЭС и АЭС, необходимо оценивать условия эксплуатации защитных и коммутационных аппаратов во всех несимметричных режимах, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации, в том числе и при ликвидации к.з. на ВЛ.
Апробация работы и публикации. Отдельные результаты работы и работа в целом обсуждались на Всероссийских и международных конференциях в Табризе (Иран), Минске, Москве, Санкт-Петербурге, Томске и Новосибирске, на семинарах каф. ТиЭВН и факультета Энергетики НГТУ. По теме диссертации в научно-технической периодической литературе опубликовано 3 статьи и 6 текстов докладов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников, 67 наименований и 3 приложений. Работа проиллюстрирована 32 таблицами и 97 рисунками.
13
1. Защита от перенапряжений изоляции электрооборудования сети собственных нужд мощных
ТЭС и АЭС
1.1. Схема сети собственных нужд (ССН) атомных электрических станций (АЭС) и параметры основного электрооборудования
1.1.1. Схемы сетей собственных нужд АЭС и режимы их эксплуатации
Схемы сетей собственных нужд мощных тепловых и атомных станций по структуре близки между собой. В настоящем разделе защита от перенапряжений ССН рассматривается на примере сети, характерной для АЭС, так как необходимость аварийного расхолаживания ядерной паропроизводящей установки (ЯППУ) в процессе эксплуатации выдвигают более жесткие требования к надежности всех элементов ССН АЭС по сравнению с соответствующими требованиями к ССН ТЭС. Характерной особенностью АЭС, оказывающей первостепенное влияние на принципы построения схем электроснабжения потребителей собственных нужд (СН), выбор источников питания и кратности резервирования, является наличие остаточных тепловыделений в активной зоне после прекращения цепной реакции. Даже в предположении мгновенного срабатывания аварийной защиты реактора энерговыделение продолжается за счет наличия запаздывающих нейтронов и за счет а-,Р~, у-излучения осколков деления, накопившихся в процессе работы реактора. Эти остаточные тепловыделения должны быть отведены от активной зоны путем обеспечения резервным питанием с повышенной надежностью части механизмов СН. Следовательно, резервное питание должно быть обеспечено не только от сети энергосистемы, но и от автономных источников питания. Основные требования к системе аварийного расхолаживания сводятся к следующим:
14
• система должна обеспечить в течение всего времени аварийного расхолаживания достаточный расход теплоносителя, чтобы не допустить перегрева тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и кипения жидких теплоносителей;
• быть надежной, быстро включаться в работу, не иметь сложных переключений.
Такими системами расхолаживания являются специальные системы САОЗ (система аварийного охлаждения активной зоны). Эта система предназначена для подачи охлаждающей воды в активную зону при разуплотнениях циркуляционной системы. Для отвода в окружающую среду энергии остаточных тепловыделений на теплообменники подается охлаждающая вода. На каждые два реакторных блока предусматриваются три независимые аварийные системы подачи технической воды и одна рабочая система, используемая при нормальной эксплуатации. Успешная работа систем возможна лишь при бесперебойном электроснабжении в течение времени аварии. Перерыв в энергоснабжении не должен превышать 30 с, иначе система не будет эффективной. Для электроснабжения этой системы в аварийном режиме используются автономные дизель-генераторные станции (ДГС) с малым временем пуска.
Электроприёмники ССН АЭС.
Электроприемники ССН АЭС целесообразно разбить на три группы.
1-ая группа. Электроприемники, не терпящие перерыва в электроснабжении
ни при каких режимах, включая полное исчезновение питания от рабочих и
резервных трансформаторов, связанных с сетью энергосистемы, либо
допускающие перерыв в электроснабжении на доли секунды даже при
аварийном отключении реактора.
11-ая группа. Потребители, допускающие перерыв в электроснабжении от
десятков секунд до нескольких минут с последующим обязательным
восстановлением питания после срабатывания аварийной защиты.
15
111 группа. Потребители с теми же требованиями, как и ответственные электроприемники обычных ТЭС.
К приемникам 1 группы относятся системы контрольно-измерительных приборов (КИП), приборы технологического контроля реактора и системы его управления и защиты, системы дозиметрии, часть аварийного освещения, аварийные маслонасосы турбины и уплотнения вала генератора. К этой же группе относятся бессальниковые ГЦН (главные циркуляционные насосы) с малой инерцией маховых масс. (ГЦН с большой инерцией маховых масс, допускающие перерыв на время АВР и на время отключения к.з. без срабатывания аварийной защиты, можно отнести к 111 группе). Питательные насосы (ПН) относятся к той или иной группе в зависимости от типа парогенераторов. При барабанных парогенераторах питание ПН относится кП1 группе, аварийные ПН - ко 11 группе.
Приемники 11 группы - механизмы, обеспечивающие расхолаживание реактора и основного технологического оборудования, останов турбогенератора, вентиляцию реакторного отделения, аварийное освещение.
Это - насосы аварийного охлаждения реактора, аварийные подпиточные насосы высокого давления, рабочие маслонасосы турбин, насосы баков обессоленной воды, насосы технической воды ответственных потребителей, часть электронагревателей компенсаторов объема.
Для питания приемников 1 и 11 группы предусмотрены специальные сети надежного питания.
Среди двигателей в ССН особое место занимают двигатели, являющиеся приводом для главных циркуляционных насосов (ГЦН).
16
1.1.2. Параметры основного электрооборудования
Фрагмент схемы питания СН приведен на рис. 1.1,
24 кВ
МРП
ОБС
ТВН
I" дгс ^ дгс Y дгс
Рис. 1.1. Фрагмент схемы питания СН АЭС
Условные обозначения:
СНП - секция надежного питания; ОБС - общеблочная секция; МРП -
магистраль резервного питания; ТСН - трансформатор собственных нужд;
РТСН — резервный трансформатор собственных нужд; ТВН —
трансформатор для выделения нейтрали; ДГС - дизель-генераторная
станция.
Секции надежного питания 6 кВ.
Система аварийного электроснабжения (САЭ) является системой электроснабжения потребителей систем безопасности АЭС во всех режимах эксплуатации станции, в том числе при потере рабочих и резервных источников от энергосистемы. Эта система имеет в своем составе автономные источники питания, распределительные и коммутационные устройства. В качестве автономных источников используются дизель-генераторные станции (ДГС). САЭ начинается на входных зажимах выключателей секций РУ системы и заканчивается на входных зажимах электроприемников потребителей 1 и 11-ой групп. На атомных станциях
17
России предусмотрены три секции надежного питания (СНП), исходя из обеспечения приемлемой надежности. Считается, что во время аварии один канал может отказать, во втором будет скрытый дефект и тогда третий канал выполнит все требуемые функции. На каждую секцию надежного питания подключены присоединения, в задачу которых входят функции планового и аварийного расхолаживания ядерной паро-производящей установки (ЯППУ), перевода последней в более безопасное состояние. Одной системы безопасности достаточно, чтобы остановить ЯППУ. Независимость трех систем выдержана по технологической, электрической частям и цепям управления. СНП может получать питание как с блочного щита управления (БЩУ), так и с резервного щита управления (РЩУ). Ниже, в качестве примера на рис. 1.2 приведена оценка количества двигателей и трансформаторов 6/0.4 кВ, питающихся от ОБС и СНП, в зависимости от их мощности. Количество
15 10
1
ш Двигатели
¦ Трансформаторы 6/0.4 кВ
250 320 400 500 630 800 10001600 3150 4000 8000
Мощность, кВт
Рис. 1.2. Состав электрического оборудования ССН 6 кВ типовой АЭС Кабели, питающие электротехническое оборудование ССН АЭС в среднем имеют диапазон длин от 50 до 800 м (этот диапазон длин принимался в дальнейшем при расчётах перенапряжений, возникающих при эксплуатации присоединений с двигателями).
Принципиальная схема ССН одного блока АЭС приведена на рис. 1.3 (обозначения секций отвечают обозначениям, принятым на рассматриваемой АЭС).

 Часть из работы     Получить работу