На правах рукописи

ЛАПИДУС Александр Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ПРИ ИХ РЕКОНСТРУКЦИИ

И ПРОДЛЕНИИ РЕСУРСА

Специальность 05.14.02 – Электростанции и электроэнергетические

системы

Работа выполнена на кафедре «Электрические станции и автоматизация энергетических систем» в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Научный руководитель: доктор технических наук

, профессор кандидата технических наук Черновец Александр Кузьмич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гук Юрий Борисович кандидат технических наук Мельничников Сергей Александрович

Ведущая организация: ФГУП Санкт-Петербургский институт Санкт-Петербург – Атомэнергопроект (СПбАЭП)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. На сегодняшний день целый ряд энергоблоков отечественных электростанций выработал свой временный ресурс эксплуатации, заложенный при проектировании. В связи с этим остро встает вопрос о возможности продолжения работы этих энергоблоков, возникает необходимость мероприятий, направленных на их реконструкцию и продление ресурса.

Особенно это актуально для атомных электростанций, предъявляющих повышенные требования по надежности и безопасности эксплуатации.

Одной из составляющих реконструкции электростанции является совершенствование системы ее электроснабжения, т.е. системы собственных нужд (СН). Основные электрические процессы, протекающие в системах электроснабжения электростанций, – короткие замыкания, самозапуск и пуск электродвигателей, совместный выбег турбогенератора с нагрузкой СН – существенно влияют на надежность, безопасность и экономичность функционирования всей электростанции в целом. Поэтому вопросы, связанные с процессами в системах собственных нужд электростанций, весьма актуальны.

цепях, содержащих кабельные линии;

Целью диссертационной работы являются определение, разработка и исисследование математической модели самозапуска асинхронных электроследование направлений совершенствования систем СН электростанций раздвигателей механизмов СН.

личного типа, обеспечивающих продление ресурса электростанций, а также В области методической:

создание методик расчета основных процессов в сетях СН применительно к сосоздание методики учета теплового спада тока при расчете температур временным директивным материалам и современному оборудованию систем нагрева жил кабелей после КЗ;

СН.

- создание методики выбора кабелей и автоматических выключателей в сеВ соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются тях недвигательной нагрузки 0,4 кВ;

следующие задачи:

- создание методики определения фазы остаточного напряжения асинхронВ области теоретических исследований:

ных электродвигателей относительно напряжения резервного источника при - разработка математической модели нагрева жил кабелей СН при протекасамозапуске.

нии по ним токов КЗ;

В области практической реализации:

- исследование на данной математической модели теплового спада тока в - расчет токов короткого замыкания в сетях СН АЭС, ТЭС и ГЭС, температур нагрева жил кабелей СН, процесса самозапуска электродвигателей СН, - численное интегрирование методом последовательных интервалов системы дифференциальных уравнений движения асинхронных электродвигателей;

- объектно-ориентированное программирование в среде Microsoft Access на языке Visual Basic for Applications.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

Проведено исследование систем электроснабжения АЭС, ТЭС и ГЭС с позиции реконструкции электростанций и продления их ресурса.

Исследован вопрос учета теплового спада тока при КЗ за отрезком кабельной линии.

Создана методика расчета разности фаз остаточного напряжения асинхронного электродвигателя и питающего напряжения резервного источника при самозапуске в зависимости от длительности перерыва питания.

Даны теоретические и расчетные обоснования техническим мероприятиям по совершенствованию систем электроснабжения электрических станций.

Разработана и реализована на ЭВМ новая методика выбора кабелей и автоматических выключателей при проектировании сетей 0,4 кВ для электрификации зданий и сооружений электростанций.

- на предприятиях Росэнергоатом, ФГУП СПбАЭП при проектировании Практическая ценность и внедрение результатов работы. Научные резульАЭС с реакторами ВВЭР-1000, ВВЭР-640, а также ОАО СевЗапВНИПИЭнертаты работы используются на следующих электростанциях и предприятиях:

гопром при выборе вариантов резервного электроснабжения Петрозаводской - на Кольской АЭС при замене ОДГ на тиристорные преобразователи с цеТЭЦ.

лью обеспечения установившейся работы на нагрузку СН и удовлетворения Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на:

требований СУЗ;

- научно-практической конференции СПбГПУ «Формирование техничена Петрозаводской ТЭЦ при совершенствовании системы резервного ской политики инновационных наукоемких технологий». Санкт-Петербург, электроснабжения энергоблоков;

2002;

- на Северной ТЭЦ Ленэнерго при проверке кабельных линий на невозгоVII Всероссийской конференции СПбГПУ по проблемам науки и высшей рание и исследовании процесса самозапуска;

школы. Санкт-Петербург, 2003;

- на Каскаде Нивских ГЭС (ГЭС-1,2,3,9,10,11) при проверке кабельных лимежвузовских научных конференциях СПбГПУ. Санкт-Петербург, 2002 – ний на невозгорание и обеспечении селективности работы защит присоединений 0,4 кВ;

- международной научно-практической конференции СПбГПУ «Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России». СанктВ первой главе диссертации произведен обзор основных направлений совершенствования систем электроснабжения АЭС, ТЭС и ГЭС в связи с необходимостью реконструкции и продления ресурса действующих электростанций.

Показано, что рассмотренные направления совершенствования систем СН позволяют существенно повысить надежность, безопасность и экономичность работы всей электростанции в целом.

Во второй главе даны методики расчета основных процессов, протекающих в системах СН электростанций, которые позволяют рассчитывать значения токов короткого замыкания, тепловых импульсов токов КЗ, температур нагрева жил кабелей во время КЗ. Также имеется возможность рассчитывать основные параметры процесса самозапуска (начальное напряжение при восстановлении питания, минимальное напряжение при самозапуске, длительность самозапуска, времена отключения электродвигателей ступенями защиты минимального напряжения), вычислять фазу остаточного напряжения асинхронных электродвигателей относительно напряжения резервного источника.

В третьей главе приводятся расчеты перечисленных процессов для Кольской АЭС, Петрозаводской ТЭЦ, Каскада Нивских ГЭС.

Для Кольской АЭС (рис.1) проведены расчеты, связанные с реконструкцией первой очереди. Предусматривается замена резервного трансформатора собственных нужд (РТСН) 1ТР мощностью 32 МВА на РТСН мощностью 40 МВА.

Кроме того, изменяется схема питания резервного трансформатора СН в связи с введением автотрансформатора (АТ) 330/110 кВ мощностью 125 МВА. Реализация указанных технических решений позволяет:

- повысить надежность электроснабжения СН станции в аварийных ситуациях за счет использования для этих целей сети 330 кВ;

- выдавать в энергосистему генерирующую мощность КАЭС на напряжении 110 кВ;

- исключить использование покупной электроэнергии для обеспечения СН, выведенных из работы энергоблоков.

ние АТ связи практически не влияет на термическую стойкость кабелей и отключающую способность выключателей.

При замене РТСН выключатели ячеек КРУ 6 кВ проходят по отключающей способности, термической и электродинамической стойкости. Требуемое минимальное сечение кабелей по условию термической стойкости, увеличивается на одну ступень (от 95 мм2 до 120 мм2), по условию невозгораемости – на ступени (от 95 мм2 до 150 мм2).

Результаты расчета самозапуска показали, что наиболее тяжелыми являются режимы самозапуска от предварительно загруженного РТСН. В этих режимах вторая ступень защиты минимального напряжения (ЗМН-2) на секциях, испытавших перерыв питания, не успевает отключить предусмотренные к отключению двигатели.

Режимы самозапуска одновременно двух блоков от одного РТСН завершаются быстрее, чем режимы самозапуска от предварительно загруженного РТСН, благодаря отключению части двигателей второй ступенью ЗМН.

При установке АТ связи 330/110 кВ с точки зрения облегчения режимов самозапуска резервное питание СН первой очереди Кольской АЭС следует 1. Одновременное обесточивание двух (из четырех) секций главного коросуществлять от сети 330 кВ, что значительно сократит время самозапуска за пуса 1С и 2С при участии в составе нагрузки секций водогрейной котельной.

счет увеличения мощности питающей сети.

2. Одновременное обесточивание двух (из четырех) секций главного корПри коротких перерывах питания ~0,30,5 с, электродинамическое воздейпуса 3С и 4С.

ствие на двигатели может превысить нормированное воздействие, поскольку Самозапуск электродвигателей механизмов СН Петрозаводской ТЭЦ в остаточное напряжение на секциях в момент несинхронного переключения на нормальном режиме работы и при перерывах питания до 2,5 с для рассмотренрезервный трансформатор превышает 50% Uном. Поэтому необходимо либо ных вариантов является успешным и в значительной мере зависящим от напряувеличить перерыв питания до ~0,6 с, либо осуществлять включение резервных жения, поддерживаемого на МРП. Проведены расчеты для двух значений навводов питания с контролем синхронизма.

пряжения на МРП – 6,3 и 6,7 кВ. Поддержание на МРП рабочего напряжения Для Петрозаводской ТЭЦ (рис.2) были проведены расчеты, связанные с 6,7 кВ вместо 6,3 кВ позволяет заметно повысить начальное напряжение при нарушением в работе 24.02.02, когда произошел полный сброс электрической и самозапуске и сократить его продолжительность, в особенности при длительтепловой нагрузки после короткого замыкания на системе шин ОРУ-110 кВ.

ных перерывах питания в 2,5 с.

Приведены расчеты по двум вариантам самозапуска:

Наиболее тяжелым является расчетный вариант 1 из-за высокой и неравномерной загрузки обмоток сдвоенного токоограничивающего реактора и Недостатком существующей схемы с включением РТСН-1 на генераторный токопровод Г2 в нормальном режиме является отсутствие тормозной нагрузки СН для Г2 и последующая невозможность автоматического ввода резерва (АВР). Если же выбег генератора Г2 осуществлять на нагрузку секций 1С, 2С, то тормозная нагрузка для Г2 существует, но источник АВР отсутствует.

В еще большей степени недостаток питания СН ПТЭЦ проявляется в ремонтном состоянии схемы. Например, при ремонте блока с генератором Г2 и отсутствии резервного трансформатора РТСН-1 длительность самозапуска возрастает, для предвключенной нагрузки требуется работа ступеней ЗМН-1 и даже ЗМН-2. По завершении процесса самозапуска требуется восстановление в работе как потребителей, отключенных в процессе выбега, так и потребителей предвключенной нагрузки, отключенных в процессе самозапуска ЗМН-1 и ЗМН-2.

Время срабатывания АВР после окончания совместного выбега турбогенератора с нагрузкой СН даже для самого неблагоприятного ремонтного режима не превышает 120 с, из чего видно, что уставка времени отключения генераторного выключателя и срабатывания автомата гашения поля может быть снижена - применить электроснабжение СН генератора Г2 по схеме, аналогичной от 240 с (это значение рекомендовано Ленинградским механическим заводом) генератору Г3.

до 150 с.

Для гидроэлектростанции «Нива-3» Каскада Нивских ГЭС выполнен расРежим совместного выбега генератора с последующим действием АВР чет токов КЗ на секциях 0,4 кВ и 6(10) кВ и проведена проверка кабельных лиможно признать успешным. Основную задачу режим совместного выбега выний на невозгорание при протекании тока КЗ согласно циркуляру №Ц-02-98(Э).

полняет – предотвращает разгон турбогенератора выше уставки автомата безоПо результатам расчета составлен перечень необходимых мероприятий по пасности, при внезапном отключении турбогенератора от сети и отказах в сисулучшению пожарной безопасности кабельных коммуникаций, состоящих в теме регулирования частоты его вращения.

увеличении сечений кабелей и снижении времен срабатывания защит присоеПовысить эффективность использования режима совместного выбега мождинений 0,4 кВ.

но за счет модернизации системы электроснабжения СН:

В четвертой главе дается обоснование перехода систем СН электростанций - РТСН-1 следует подключить к ОРУ-110 кВ;

с напряжений 6/0,4 кВ на напряжения 10,5/0,69/0,4 кВ. Приведен пример такого - заменить сдвоенный токоограничивающий реактор на одинарный реактор перехода для проектируемого энергоблока с реакторами ВВЭР-640, подтверили разделительный трансформатор;

ждающий теоретические положения.

Основной эффект от перехода с системы напряжений 6,3/0,4 кВ на напряпряжения 0,38 и 0,22 кВ с электроснабжением через трансформаторы агрегатов бесперебойного питания (АБП) с напряжением 10,5/0,4 кВ. Дизель-генераторы системы аварийного электроснабжения предлагается перевести на напряжение 10,5 кВ с использованием трансформаторов надежного питания 10,5/0,69 кВ и разделительных трансформаторов АБП 10,5/0,4 кВ.

Также следует учитывать удорожание двигателей напряжением 10 кВ по сравнению с двигателями на 6 кВ.

В пятой главе рассматриваются вопросы, связанные с кабельными коммуникациями в сетях СН. Приводится обзор, характеристика и классификация отечественных кабелей. Рассмотрена проблема обеспечения невозгораемости кабелей в сетях СН электростанций. Анализируются кабели нового поколения с улучшенными показателями пожарной безопасности. Дан анализ циркуляра №Ц-02-98(Э) «О проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока короткого замыкания». Выводятся формулы циркуляра для расчета температуры нагрева жил кабелей при КЗ. Обосновывается необходимость учета теплового спада тока вследствие увеличения активного сопротивления жил кабелей при их нагреве током КЗ, при выборе расчетной точки КЗ на расстоянии 20 м (кабеплекс “Сети электрификации зданий”.

ли 0,4 кВ) и 50 м (кабели 6 кВ) от начала кабельной линии. Производится сравПрограммный комплекс предназначен для автоматизированного выбора нение кабелей с алюминиевыми и медными жилами с точки зрения их термичеоборудования сетей освещения и электрификации (кабелей и автоматических ской стойкости и невозгораемости.

выключателей) по условиям обеспечения требуемого качества электроэнергии в В шестой главе описывается программный комплекс по автоматизированрабочих режимах, по нагрузочной способности и по условиям термической ному выбору электротехнического оборудования в сетях 0,4 кВ недвигательной стойкости при коротких замыканиях.

нагрузки.

При создании программного комплекса учтены общие требования междуВо многих отечественных проектных организациях проектирование сетей народных стандартов, национальных стандартов России, Германии и Франции, электрификации производится вручную, что осложнено не только возникаючто обеспечивает возможность выбора и заказа оборудования не только росщими погрешностями, но и большими трудозатратами.

сийских, но и ведущих иностранных фирм. Учитываются условия прокладки Для повышения точности расчетов и для автоматизации процесса выбора кабелей и параметры окружающей среды.

кабелей и автоматических выключателей при проектировании сетей 0,4 кВ для Выбранные выключатели, тип и сечение жил кабелей обеспечивают:

электрификации зданий электростанций разработан новый программный комселективное отключение тока короткого замыкания в любой точке сети раньше, чем произойдет нагрев кабеля до предельно допустимой температуры;

Программный комплекс реализован в среде Microsoft Access 97, программирование выполнено на языке Visual Basic for Applications. Разработан пользовательский интерфейс для диалогового ввода исходной информации с запроПрисоединения Присоединения сом параметров электрооборудования без резервного питания данных и с клавиатуры, предусматривается контроль ввода данных и обработка ошибок с выдачей диагностических сообщений и рекомендаций. Результаты автоматизированного выбора оборудования заносятся в таблицы и хранятся в базе данных сети.

Отлажен механизм переноса щитков и присоединений на другие сборки и щитки схемы. Таким образом, пользователь имеет возможность оптимизироПрисоединения Присоединения вать распределение потребителей по секциям.

Алгоритм выбора оборудования носит итеративный характер, т.е. при выборе отдельного элемента проверяются все остальные элементы и вносятся необходимыеРис.3. Расчетная схема сети освещения и электрификации Сформированы и заполнены таблицы реально существующих кабелей (

ВЫВОДЫ

В рамках поставленной цели диссертационной работы определены, разработаны и исследованы направления совершенствования систем СН электростанций различного типа, обеспечивающие продление ресурса электростанций, а также созданы методики расчета основных процессов в сетях СН применительно к современным директивным материалам и современному оборудованию систем СН.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Разработана математическая модель нагрева жил кабелей 0,4–10 кВ при протекании по ним токов КЗ. На данной модели проведено исследование теплового спада тока в цепях, содержащих кабельные линии. Определены области сечений кабелей, для которых учет теплового спада тока обязателен, что позволяет предотвратить неоправданное увеличение сечения кабелей.

2. Исследована математическая модель самозапуска асинхронных электродвигателей механизмов собственных нужд, позволяющая оценить успешность 5. Создан программный комплекс по автоматизированному выбору оборусамозапуска в зависимости от длительности перерыва питания, мощности пидования в сетях недвигательной нагрузки 0,4 кВ, что позволяет снизить потающей сети, характеристик электродвигателей, параметров защиты минимальгрешность и трудоемкость проектирования таких сетей.

ного напряжения.

6. Рассчитаны основные процессы в сетях СН Кольской АЭС, ПетрозаводСоздана методика определения фазы остаточного напряжения асинской ТЭЦ и ГЭС-3 Каскада Нивских ГЭС. Разработан перечень мероприятий, хронного электродвигателя относительно фазы напряжения резервного источнаправленных на совершенствование системы СН указанных электростанций и ника в зависимости от перерыва питания, что позволяет оценить вероятность обеспечивающих продление ресурса электростанций различного типа.

включения электродвигателей в противофазу с питающим напряжением и 7. Произведены анализ схем собственных нужд действующих АЭС, ТЭС и обеспечить электродинамическую стойкость двигателей при самозапуске.

ГЭС и выдача рекомендаций по их изменению для повышения надежности раСоздана методика выбора кабелей и автоматических выключателей в себоты электростанции в целом.

тях недвигательной нагрузки 0,4 кВ, что может применяться при проектироваРезультаты данного исследования позволяют решать практические нии сетей со следующими потребителями: освещение, обогрев, компьютерная задачи совершенствования систем СН при реконструкции и продлении ретехника и т.д.

сурса действующих электростанций, повысить точность расчета процессов в сетях СН, снизить трудоемкость расчетов при выборе электротехничеЛапидус А. А. Увеличение активного сопротивления проводников от их нагрева током короткого замыкания / Лапидус А. А. // XXXI неделя науки СПбГПУ. Материалы межвузовской научной конференции. – СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2003. – С. 5–7.

4) Лапидус А. А. Пуск и самозапуск электродвигателей механизмов собственных нужд электростанций : учеб. пособие / А. К. Черновец, К. Н. Семенов, А. А. Лапидус / Изд. 2-е, перераб. – СПб. : Изд-во ПЭИПК, 2004. – 72 с.

5) Лапидус А. А. Электрификация зданий и сооружений блочных ТЭС и АЭС / Черновец А. К., Шаргин Ю. М., Семенов К. Н., Чижков К. Г., Лапидус А.

А. // Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России. Труды международной научно-практической конференции. – СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2002. – С. 219–220.