Содержание к диссертации
Перечень условных обозначений 5
Введение 8
Глава 1. Направления совершенствования систем электроснабжения 13
электрических станций различных типов
1.1. Совершенствование систем электроснабжения АЭС 13
1.1.1. Выработка энергоблоками АЭС своего ресурса 13
1.1.2. Формирование самостоятельных сетей надежного электроснабжения 15
нормальной эксплуатации и систем аварийного электроснабжения
1.1.3. Увеличение числа резервных трансформаторов СН 16
Увеличение числа магистралей резервного питания 6 кВ с двух или 16 четырех до восьми без секционирования
Замена обратимых двигателей-генераторов на агрегаты бесперебойного 19 питания
1.1.6. Электрификация зданий и сооружений АЭС 21
Совершенствование систем электроснабжения ТЭС 21 1.2.1. Внедрение в сетях СН ТЭС агрегатов бесперебойного питания 21
Совершенствование систем электроснабжения АЭС и ТЭС 22
1.3.1. Проблема термической стойкости и невозгораемости кабельных 22
коммуникаций
1.3.2. Установка генераторных выключателей в одинарных блоках 24
1.3.3. Замена электромагнитных и маломасляных выключателей в ячейках 24
комплектных распределительных устройств на вакуумные, элегазовые и
усовершенствованные электромагнитные выключатели
1.3.4. Переход на систему электроснабжения напряжением 10,5/0,69/0,4 кВ 25
1.4. Совершенствование систем электроснабжения ГЭС 27
1.4.1. Проблема стойкости и невозгораемости кабельных коммуникаций 27
1.4.2. Повышение надежности систем электроснабжения за счет 28
совершенствования структуры схем
1.4.3. Обеспечение селективности в работе коммутационной аппаратуры в схеме 28
собственных нужд 0,4 кВ
1.5. Выводы 28
Глава 2. Методика расчета процессов, протекающих в системах 31
электроснабжения электрических станций
2.1. Расчет токов КЗ и тепловых импульсов от протекания токов КЗ 32
2.1.1. Методика аналитического определения тока КЗ на секциях СН 6,3 (10,5) кВ 32
и 0,4 (0,69) кВ с учетом подпитки от асинхронных двигателей
2.1.2. Методика определения тепловых импульсов токов КЗ на секциях 40
собственных нужд 6,3 и 10,5 кВ
2.1.3. Методика графоаналитического определения тепловых импульсов токов КЗ 42
на секциях СН 6,3 и 10,5 кВ по источнику [7]
Расчет температуры нагрева жил кабелей после протекания тока КЗ 45
Расчет процесса самозапуска двигателей механизмов СН при перерыве их 47 электропитания
2.4. Расчет процесса совместного выбега механизмов СН с генераторами с 67
различными системами возбуждения
2.5. Выводы 72
Глава 3. Расчет процессов, протекающих в системах электроснабжения 75 различных электростанций - АЭС, ТЭС, ГЭС
3.1. Расчет токов КЗ, температур нагрева жил кабелей при КЗ, процесса 75
самозапуска электродвигателей Кольской АЭС
Расчет токов КЗ, тепловых импульсов и температур нагрева жил кабелей 76 при КЗ
Расчет процесса самозапуска электродвигателей механизмов СН 79
3.2. Расчет переходных процессов в сети СН Петрозаводской ТЭЦ 86
3.2.1. Расчет самозапуска для нормальной схемы ,86
Расчет переходных процессов в цепи генератор-шины СН 6 кВ 92 Петрозаводской ТЭЦ при выбеге генератора без отключения его выключателем при обособленной работе на шины СН 6 кВ
Расчет самозапуска после достижения третьей ступени ЗМН при 96 совместном выбеге генератора с электродвигателями СН 6 кВ
Расчет токов КЗ и проверка кабелей на невозгораемость в сетях СН ГЭС-3 104 Каскада Нивских ГЭС
Выводы 105
Выводы по Кольской АЭС - 105
Выводы по Петрозаводской ТЭЦ 107
Выводы по ГЭС-3 Каскада Нивских ГЭС 109
Глава 4. Переход систем СН электростанций с напряжений 6,3/0,4 кВ на 111 напряжения 10,5/0,69/0,4 кВ
Предпосылки перехода систем СН с напряжений 6,3/0,4 кВ на напряжения 111 10,5/0,69/0,4 кВ
Расчет процессов в системе СН энергоблока АЭС с реактором ВВЭР-640 с 111 учетом перехода на систему напряжений 10,5/0,69/0,4 кВ
Расчеты параметров токов КЗ 114
Расчеты и анализ термической стойкости и невозгораемости кабелей 6 и 10 116 кВ
Расчеты и анализ токов КЗ и термической стойкости и невозгораемости 117 кабелей 0,4 и 0,69 кВ
Результаты расчета самозапуска электродвигателей 118
Выводы 119
Глава 5. Кабельные коммуникации систем СН электростанций 120
5.1. Обзор, характеристика и классификация кабелей, используемых на 120
отечественных электростанциях
5.1.1. Классификация кабелей 120
5.2. Проблема обеспечения невозгораемости кабелей в сетях СН электростанций 121
5.3. Кабели нового поколения с улучшенными показателями пожарной 122
безопасности
5.3.1. Кабели повышенной негорючести с индексом "нг" - не распространяющие 122
горение
5.3.2. Состояние и перспективы производства кабелей с повышенными 123
показателями пожарной безопасности
5.3.3. Кабели с пониженным дымо- и газовыделением - LS (low-smoke) 125
5.3.4. Кабели, не распространяющие горение, с изоляцией и оболочкой из 126
полимерных композиций, не содержащих галогенов — HF (halogen free)
5.3.5. Огнестойкие кабели с минеральной изоляцией - FR (fire resistance) 127
5.4. Анализ циркуляра №Ц-02-98(Э) «О проверке кабелей на невозгорание При 128
воздействии тока короткого замыкания»
5.5. О необходимости учета теплового спада тока вследствие увеличения 130
активного сопротивления жил кабелей при их нагреве током КЗ, при выборе
расчетной точки КЗ на расстоянии 20 м (кабели 0,4 кВ) и 50 м (кабели б кВ) от
начала кабельной линии
Сравнение кабелей с алюминиевыми и медными жилами с точки зрения их 137 термической стойкости и невозгораемости
Обеспечение защиты кабельных трасс от повреждений при пожаре 138
Выводы 140
Глава 6. Создание программного комплекса для расчета сетей освещения и 142 электрификации АЭС при модернизации действующих и проектировании новых энергоблоков
Общая характеристика программного комплекса 142
Методы и алгоритмы выбора оборудования 145
6.2.1. Общие положения и допущения 145
Структура алгоритма выбора кабелей и автоматов щитка, питающегося 146 непосредственно от сборки по индивидуальной линии
Структура алгоритма выбора кабелей и автоматов щитков, включенных в 147 шлейф
Расчет токов и напряжений нормального режима 148
Выбор сечения кабелей по нагрузочной способности 150
Выбор автоматических выключателей 152
Расчет токов короткого замыкания 157
6.3. Выводы 158
Заключение 159
Список литературы 162
Приложение 1. Исходные данные и результаты расчета процессов в сети 167
собственных нужд Кольской АЭС
Приложение 2. Исходные данные и результаты расчета процессов в сети 179
собственных нужд Петрозаводской ТЭЦ
Приложение 3. Исходные данные и результаты расчетов токов КЗ и проверки 184
кабелей на невозгораемость Каскада Нивских ГЭС
Приложение 4. Исходные данные и результаты расчета токов КЗ, температур 194
нагрева жил кабелей и процесса самозапуска для энергоблока АЭС с реактором
ВВЭР-640 для обоснования перехода на систему напряжений 10,5/0,69/0,4 кВ
Приложение 5. Результаты расчетов температур нагрева жил кабеля при 204
протекании тока КЗ для обоснования учета теплового спада тока
Приложение 6. Описание программного комплекса "Сети электрификации 209
зданий"
Приложение 7. Акты внедрения результатов диссертационной работы 225
5 ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АБ - аккумуляторная батарея;
АБП — агрегат бесперебойного питания;
АВР - автоматический ввод резерва;
АГП - автомат гашения поля;
A3 - аварийная защита;
АИ - автономные инверторы;
АРВ - автоматическое регулирование возбуждения;
АРК - аварийная регулирующая кассета;
АСП - автоматический ступенчатый пуск;
AT — автотрансформатор;
АЭС - атомная электрическая станция;
БН - реактор на быстрых нейтронах;
ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор;
ГПЗ - главная паровая задвижка;
ЩН - главный циркуляционный насос;
ГЭС — гидравлическая электрическая станция;
ДВ - дутьевой вентилятор;
ДГ - дизель-генератор;
Д - дымосос;
ЗМН - защита минимального напряжения;
КАГ - комплекс аппаратный генераторный;
КЗ - короткое замыкание;
КИУМ - коэффициент использования установленной мощности;
КН - конденсатный насос;
КНГЭС - каскад Нивских ГЭС;
КРУ - комплектное распределительное устройство;
КЭС - конденсационная электрическая станция;
МРП - магистраль резервного питания;
ОДГ - обратимый двигатель-генератор;
ОРУ - открытое распределительное устройство;
О.е. - относительные единицы;
ПБВ - переключение без возбуждения;
ПТЭЦ - Петрозаводская ТЭЦ;
ПЭН — питательный электрический насос;
РБМК - реактор большой мощности канальный;
РЗ - релейная защита;
РПН - регулирование под напряжением;
РТСН - резервный трансформатор собственных нужд;
САЭ - система аварийного электроснабжения;
СН - собственные нужды;
СРК - стопорно-регулирующий клапан;
СУЗ - система управления и защиты;
ТП - тиристорный преобразователь;
ТСН - трансформатор собственных нужд;
ТЭС - тепловая электрическая станция;
ТЭЦ - тепловая электрическая централь;
УВ - управляемый выпрямитель;
ЦН - циркуляционный насос;
Ud>Uq- продольная и поперечная составляющие напряжения статора;
Wd, W — потокосцепления статорных контуров в продольной и поперечных осях;
W^Y^.W^- потокосцепления обмотки возбуждения, продольного и поперечного
демпферных (роторных) контуров;
la,Iq—продольная и поперечная составляющие тока статора;
Ir,Ird,Irq - токи в обмотке возбуждения, продольном и поперечном демпферных контурах;
Ег- напряжение возбуждения;
Eq,Erq,Erd- ЭДС, индуктируемые в статоре токами 1ГЛЫЛЩ при синхронной частоте
вращения ротора;
E'd,Eq-продольная и поперечная составляющие переходной ЭДС;
E'J,Eq - продольная и поперечная составляющие сверхпереходной ЭДС;
E&i'Esq- продольная и поперечная составляющие ЭДС за реактивностью рассеяния
статора;
х ~ синхронное реактивное сопротивление;
xd>xq~ синхронные реактивные сопротивления статора по продольной и поперечной
осям;
ха— реактивное сопротивление реакции статора;
xad,xaq—реактивные сопротивления реакции статора по продольной и поперечной осям;
хг,хы,х ~ реактивные сопротивления обмотки возбуждения, продольного и поперечного
демпферных контуров;
xs,xsr,xsrd,xsrq- реактивные сопротивления рассеяния статора, обмотки возбуждения,
продольного и поперечного демпферных контуров;
х'd- переходное реактивное сопротивление по продольной оси;
xd,x" ~ сверхпереходные реактивные сопротивления по продольной и поперечной осям;
/и — коэффициент магнитной связи роторных контуров с контурами якоря;
jud, ju'd ,juq— коэффициент магнитной связи обмотки возбуждения и демпферных контуров
со статорными контурами;
r,rr,rrd)rrq- активные сопротивления статора, обмотки возбуждения, продольного и.
поперечного демпферных контуров;
P,'Prd'Prq~ Декременты обмотки возбуждения, продольного и поперечного демпферных
контуров;
Tr,Trd,Trq- постоянные времени обмотки возбуждения, продольного и поперечного
демпферных контуров при прочих разомкнутых контурах; Т, - инерционная постоянная;
5 - угол между поперечной осью ротора и координатной осью qv;
ооs— синхронная угловая частота;
s- скольжение ротора относительно синхронной оси;
sv— скольжение координатных dv,qv осей относительно синхронной оси;
Ме- электромагнитный момент;
Мп - момент первичного двигателя;
Мс—момент сопротивления на валу двигателя, создаваемый механизмом;
P,Q,S - активная, реактивная и полная мощности;
r,x,Z ~ активное, реактивное и полное сопротивление;
g,b,Y - активная, реактивная и полная проводимости.
Введение к работе
Рост потребления электроэнергии приводит к необходимости увеличения генерируемых мощностей электростанций. В отечественной электроэнергетике существует несколько путей решения этой задачи, которые приведены ниже в порядке возрастания их финансовой стоимости.
Повышение коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) существующих энергоблоков. Целесообразно довести уровень использования номинальной мощности электростанций до зарубежных показателей.
Продление ресурса действующих электростанций. После выработки электростанцией своего временного ресурса, или срока эксплуатации, имеется возможность осуществления ряда технических мероприятий (в том числе замена оборудования), приводящих к продлению ресурса еще на несколько лет.
Достройка электрической части энергоблоков, строительство которых было начато, но приостановилось в советский период. Прежде всего, это относится к Балаковской, Волгодонской, Калининской, Курской, Татарской АЭС.
Пуск новых энергоблоков. Реализация данного направления повышения генерируемых мощностей - самая дорогостоящая.
В данной работе рассматривается второе направление повышения (или хотя бы сохранения) генерируемых мощностей в объединенной энергосистеме - продление ресурса действующих электростанций.
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 продление их ресурса. Особенно это актуально для атомных'электростанций.
Работы по продлению срока службы действующих АЭС развернуты во исполнение Программы развития атомной энергетики РФ на 1998-2005 годы и на период до 2010 года, утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 21.07.98 №815.
Одной из составляющих продления ресурса электростанции в целом является совершенствование системы ее электроснабжения, т.е. системы собственных нужд (СН). Поэтому вопросы, связанные с процессами в системах собственных нужд электростанций, весьма актуальны.
Основные электрические процессы, протекающие в системах электроснабжения электростанций, - короткие замыкания, самозапуск и пуск электродвигателей, автоматический ступенчатый пуск нагрузки от дизель-генераторов, совместный выбег турбогенератора с нагрузкой СН - рассмотрены в работах [7; 11; 12; 13; 16; 22; 32; 38; 40]. Перечисленные исследования дают общее представление об указанных процессах, отражают методику расчета основных величин - токов, напряжений, частот вращения электродвигателей, скольжений, тепловых импульсов, температур нагрева проводников; дают рекомендации по проведению расчетов на ЭВМ. Недостатком ранее проведенных исследований является затруднение их практического использования применительно к действующим директивным материалам [1, 2], недостаточное освещение особенностей расчетов для современного оборудования, применяемого в системах СН, рассмотрение перечисленных вопросов вне контекста продления ресурса действующих электростанций.
Цель данной работы - определение, разработка и исследование направлений совершенствования систем СН электростанций различного типа, обеспечивающих продление ресурса электростанций, а также создание методик расчета основных процессов в сетях СН применительно к современным директивным материалам и современному оборудованию систем СН.
Средствами достижения поставленной цели являются физическая теория, математический аппарат и применение ЭВМ.
В качестве объекта исследования выступают системы собственных нужд электростанций различных типов - АЭС, ТЭС, ГЭС. Предметом исследования являются процессы, протекающие в данных системах, в рамках их влияния на ресурс электростанций.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. В области теоретических исследований:
разработка математической модели нагрева жил кабелей .СН при протекании по ним токов КЗ;
исследование на данной математической модели теплового спада тока в цепях, содержащих кабельные линии;
исследование математической модели самозапуска асинхронных электродвигателей механизмов СН для проверки включения электродвигателей в противофазу с напряжением резервного источника.
2. В области методической:
создание методики учета теплового спада тока при расчете температур нагрева жил кабелей после КЗ;
создание методики выбора кабелей и автоматических выключателей в сетях недвигательной нагрузки 0,4 кВ;
создание методики определения вероятности включения асинхронных электродвигателей в противофазу с питающим напряжением при самозапуске.
3. В области практической реализации:
расчет токов короткого замыкания в сетях СН АЭС, ТЭС и ГЭС, .температур нагрева жил кабелей СН, процесса самозапуска электродвигателей СН, процесса совместного выбега электродвигателей с турбогенератором;
разработка перечня мероприятий, направленных на совершенствование системы СН и обеспечивающих продление ресурса электростанций различного типа;
анализ схем собственных нужд АЭС, ТЭС и ГЭС и выдача рекомендаций по их изменению для повышения надежности работы электростанции в целом;
создание программного комплекса по автоматизированному выбору оборудования в сетях недвигательной нагрузки 0,4 кВ.
Для решения перечисленных задач используются следующие методы:
метод эквивалентных преобразований для расчета электрической цепи в комплексной форме;
математические методы решения дифференциальных уравнений первого порядка;
математическое моделирование переходных процессов на основе системы уравнений Парка-Горева;
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 работы состоит в следующем.
1. Исследован вопрос учета теплового спада тока при КЗ за отрезком кабельной линии. Приведено теоретическое обоснование основных формул и констант, рекомендованных циркуляром №Ц-02-98(Э) «О проверке кабелей на невозгорание при воздействии тока короткого замыкания» для расчета температуры нагрева жил кабелей. Доказана справедливость этих формул с точки зрения корректного учета теплового спада тока и указаны границы их применения.
Создана методика определения фазы остаточного напряжения асинхронного электродвигателя относительно фазы напряжения резервного источника в зависимости от длительности перерыва питания при самозапуске. Предложен способ оценки вероятности включения электродвигателей в противофазу с питающим напряжением при автоматических переключениях.
Разработана и реализована на ЭВМ новая методика автоматизированного выбора кабелей и автоматических выключателей при проектировании сетей недвигательной нагрузки 0,4 кВ.
Проведено исследование систем электроснабжения АЭС, ТЭС и ГЭС с позиции продления их срока эксплуатации, а также даны теоретические и расчетные обоснования техническим мероприятиям по совершенствованию систем электроснабжения электрических станций.
Научные результаты работы используются на следующих электростанциях:
на Кольской АЭС при заменеРТСН мощностью 32 МВА на трансформатор мощг ностью 40 МВА и введении автотрансформатора связи; при замене обратимых двигателей-генераторов на агрегаты бесперебойного питания с целью обеспечения устойчивой работы на нагрузку СН и удовлетворения требований СУЗ;
на Петрозаводской ТЭЦ при совершенствовании системы резервного электроснабжения блоков и котельных с установкой РТСН с питанием от ОРУ-ВН;
на Северной ТЭЦ Ленэнерго при проверке кабельных линий на невозгорание и исследовании процесса самозапуска;
на Каскаде Нивских ГЭС (ГЭС-1,2,3,9Д0,11) при расчете токов КЗ, проверке кабелей СН на невозгораемость, повышении надежности схем СН (ГЭС-3) и обеспечении селективной работы защит присоединений 0,4 кВ (ГЭС-11);
на предприятиях Росэнергоатом, ФГУП СПбАЭП при проектировании АЭС с реакторами ВВЭР-1000,-ВВЭР-640, а также ОАО СевЗапВНИПИЭнергопром при выборе вариантов резервного электроснабжения Петрозаводской ТЭЦ.
В первой главе диссертации произведен обзор основных направлений совершенствования систем электроснабжения АЭС, ТЭС и ГЭС.
Во второй главе даны методики расчета основных процессов, протекающих в системах СН электростанций - короткие замыкания, нагрев кабелей во время КЗ, самозапуск асинхронных электродвигателей и их выбег совместно с турбогенератором.
В третьей главе приводятся расчеты перечисленных процессов для Кольской АЭС, Петрозаводской АЭС, ГЭС-3 Каскада Нивских ГЭС. Даны рекомендации по замене части
оборудования систем СН при реконструкции электростанций. Проведен анализ существующих схем собственных нужд в части их надежности и безаварийной работы.
В четвертой главе дается обоснование перехода систем СН электростанций с напряжений 6,3/0,4 кВ на напряжения 10,5/0,69/0,4 кВ. Приведен пример такого перехода для проектируемого энергоблока с реакторами ВВЭР-640, подтверждающий основные теоретические положения.
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 нагрева жил кабелей при протекании тока 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 (кабели 0,4 кВ) и 50 м (кабели 6 кВ) от начала кабельной линии. Производится сравнение кабелей с алюминиевыми и медными жилами с точки зрения их термической стойкости и невозгораемости.
В шестой главе описывается программный комплекс по автоматизированному выбору электротехнического оборудования в сетях 0,4 кВ недвигательной нагрузки. Приводятся методы и алгоритмы выбора кабелей и автоматических выключателей.
В приложение сведены основные исходные данные для расчета процессов в сетях СН Кольской АЭС, энергоблока АЭС с реактором ВВЭР-640, Петрозаводской ТЭЦ, ГЭС-3 Каскада Нивских ГЭС и результаты расчетов по указанным электростанциям в виде таблиц и графиков переходных процессов. Приведена структура базы данных программного комплекса и инструкция по его применению. Также в приложении имеются акты внедрения результатов диссертационной работы.
На формирование концепции исследования большое влияние оказали научные труды А.К. Черновца, Ю.М. Шаргина, К.Н. Семенова, В.Х. Георгиади.
Автор выражает благодарность А.К. Черновцу, Ю.М. Шаргину, К.Н. Семенову, В.К Ванину, О.Н. Алексеевой, В.Н. Литвинову, Г.М. Павлову и другим сотрудникам кафедры «Электрические станции и автоматизация энергосистем» СПбГПУ за помощь, оказанную при работе над диссертацией. Также выражается признательность Ю.Б. Гуку и С.А. Мель-ничникову за рекомендации и замечания, сделанные при рецензировании рукописи.
