В нынешнее непростое время специалисты многих отраслей сталкиваются с определенными сложностями, связанными с санкционным давлением и прекращением бизнеса в России зарубежных производителей оборудования и технологий.

Редакция RusCable.Ru заинтересовалась, какие вопросы и проблемы, требующие скорейшего решения, стоят перед специалистами такой стратегически важной отрасли, как генерация электрической энергии. Мы попробовали разобраться в некоторых нюансах, не лежащих на поверхности и ускользающих от внимания не связанного непосредственно с отраслью человека.

С момента введения санкционных ограничений в отношении Российской Федерации, затронувших как поставки оборудования и технологий, так и сотрудничество с определенными российскими предприятиями, при обсуждении в медиапространстве проблематики импортозамещения в части генерации электроэнергии многочисленные обозреватели ограничиваются рассмотрением вопросов, связанных с производством турбин для электростанций.

Действительно, турбины являются сердцем электростанций, и вопрос их импортозамещения небезосновательно ставится первым при размышлении о строительстве и реконструкции объектов генерации в новой реальности. При этом российские власти, даже после получившей широкую известность истории с поставкой турбин производства Siemens для двух ТЭС в Крыму и вскрывшегося пробела в части собственного производства турбин большой мощности и лопаток для газовых турбин, пытались сохранить бодрое настроение и периодически декларировали в медиапространстве возможность в ближайшем будущем успешно «импортозаместиться».

Проблема с импортозамещением турбин довольно широко обсуждалась с 2017 года. Любой поисковик по запросу «турбины импортозамещение» предоставит гражданину, ищущему и желающему понять реальную ситуацию, значительный объем материалов на эту тему.

Автор данного материала хочет заглянуть чуть дальше турбин в части генерации электрической энергии и ее выдачи потребителям, а именно, рассмотреть вопрос коммутационных аппаратов генераторного напряжения (6-35 кВ), применяемых на электростанциях.

На современных электростанциях для обеспечения требуемого уровня защиты основного оборудования, повышения эксплуатационной готовности станции, сокращения количества и упрощение процессов оперативных переключений стандартным решением является применение в цепях генератор – повышающий трансформатор и в генераторных распределительных устройствах выключателей, отличающихся по параметрам от сетевых высоковольтных аналогов. В силу особенностей параметров системы и её аварийных режимов применяемые аппараты, как правило, имеют значительно более высокие характеристики, чем у стандартных сетевых выключателей. Для электростанций мощностью от 100 МВт номинальные токи выключателей превышают 4000 А, а отключающая способность составляет более 63 кА. На крупных электростанциях с большой единичной мощностью генераторов (АЭС, мощные ГРЭС и ГЭС) номинальные токи в системе (а соответственно, и на генераторных выключателях) могут достигать значений, сопоставимых с отключающей способностью сетевых выключателей – до 50 000 А, а токи короткого замыкания (и соответственно, отключающая способность генераторных выключателей) – до 250 кА.

В режиме короткого замыкания в зависимости от места его возникновения происходит подпитка как со стороны системы, так и от генератора, что еще более усложняет отключение токов в аварийных режимах.

В аварийных режимах апериодическая составляющая тока короткого замыкания может превышать 100 %, т.е. фактически отсутствует благоприятный для отключения момент перехода значения тока через 0. Для сетевых выключателей значение апериодической составляющей в отключаемом токе, как правило, не превышает 50-55 %.

Кроме того, генераторные выключатели должны справляться со своей задачей в режимах значительного рассогласования фаз и при скоростях переходного восстанавливающегося напряжения, также значительно отличающихся от режимов работы сетевых выключателей.

В рамках данной статьи более подробный рассказ об особенностях режимов, в которых генераторные выключатели должны обеспечить решение стоящих перед ними задач, не представляется возможным: это тема многочисленных научных исследований и предмет изысканий ведущих мировых производителей электрогенерирующего оборудования.

Три иностранца на одного россиянина

О сложности разработки и производства генераторных выключателей свидетельствует тот факт, что количество производителей подобной продукции в мире измеряется единицами. Основную долю рынка занимают Hitachi Energy (в 2020 году компания выкупила дочернее подразделение ABB по выпуску оборудования для энергетики), General Electric (в 2015 году приобрела сегмент по производству энергетического оборудования у компании Alstom, Франция) и Siemens.

Следует отметить, что ABB и Alstom являлись пионерами в области разработки генераторных выключателей и сегодня предлагают на рынке элегазовые аппараты (среда гашения дуги – гексафторид серы SF₆) с отключающей способностью до 250 кА. Компания Siemens вышла на рынок позднее и развивает линейку вакуумных генераторных выключателей: в настоящий момент их номенклатура ограничена аппаратами с отключающей способностью до 110 кА.

Единственный российский производитель генераторных выключателей – АО ВО «Электроаппарат» (г. Санкт-Петербург), имеющий в номенклатуре элегазовые генераторные выключатели с отключающей способность только до 90 кА, что зачастую не позволяет удовлетворить потребности заказчиков.

На объектах генерации применяются генераторные выключатели как в виде отдельных аппаратов, так и в составе комплектных генераторных распределительных устройств, в которые, помимо непосредственно выключателей, могут входить разъединители, измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также ограничители перенапряжений.

Генераторный выключатель HVR-63, номинальный ток до 8000 А, отключающая способность до 63 кА (ранее выпускался подразделением ABB Power Grids, Швейцария, в настоящее время производится компанией Hitachi Energy) Источник фотографии: https://www.hitachienergy.com/

Генераторный выключатель ВГГ-20, номинальный ток до 12 кА (с дополнительным обдувом), ток отключения до 90 кА (производитель АО ВО «Электроаппарат», Россия) Источник фотографии: https://elektroapparat.ru/

Генераторное распределительное устройство HB-3, номинальный ток до 12,5 кА, ток отключения до 10 0кА (производитель Siemens, Германия). Источник фотографии: https://new.siemens.com/

Генераторное распределительное устройство HECS-130, номинальный ток до 23 кА, ток отключения до 130 кА (ранее выпускался подразделением ABB Power Grids, Швейцария, в настоящее время производится компанией Hitachi Energy). Источник фотографии: https://www.hitachienergy.com/

Генераторное распределительное устройство FKG1XW, номинальный ток до 24 кА, ток отключения до 160 кА (ранее выпускался Alstom, Франция, в настоящее время производится компанией General Electric). Источник фотографии: https://www.gegridsolutions.com/

Генераторное распределительное устройство HEC-9, номинальный ток до 33,5 кА, ток отключения до 300 кА (ранее выпускался подразделением ABB Power Grids, Швейцария, в настоящее время производится компанией Hitachi Energy). Источник фотографии: https://www.hitachienergy.com/

Стандартные проблемы

Главная особенность российских государственных стандартов, содержащих полноценные требования к параметрам генераторных выключателей и учитывающих особенности режимов их эксплуатации, заключается в том, что их нет. Существует ГОСТ 52565-2006 «Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия», в котором генераторные выключатели упоминаются всего 5 (пять) раз:

• в примечании касательно линейки номинальных напряжений к Таблице 1 «Стандартные значения номинальных параметров выключателя»: «24*/26,5 кВ – Только для выключателей, предназначенных для цепей генераторов»;
• в п. 6.6.1.5 раздела 6.6 «Требования к коммутационной способности при коротких замыканиях», оговаривающем циклы автоматического повторного включения (АПВ): «для генераторных выключателей допускается вместо цикла 2 (отключение – 180 с – включение-отключение – 180 с – включение отключение – Прим. авт.) нормировать цикл ВО – 30 мин – ВО»;
• в двух пунктах, указывающих, что при установке выключателей в цепи генератора ряд параметров (нормированный ток отключения, возвращающееся напряжение и переходное восстанавливающееся напряжение (ПВН) допускается устанавливать «по согласованию с заказчиком»;
• для ПВН выключателя, устанавливаемого в цепи генератора, приведены рекомендованные значения отдельным приложением;
• в п. 9.6.6.1 подраздела 9.6.6 «Режимы испытаний» раздела 9.6 «Испытания на коммутационную способность при коротком замыкании и в условиях рассогласования фаз» имеется примечание: «для выключателей в цепях генераторов и синхронных компенсаторов допускается устанавливать другие режимы испытаний, которые должны быть приведены в программах и протоколах испытаний».

Ключевым упоминание здесь является последнее, допускающее дополнительные испытания для генераторных выключателей, так как перечень испытаний и их режимов, изложенный в ГОСТ 56565-2006, не предусматривает испытаний выключателей во всех режимах, возникающих при их установке в цепях генераторов.

А что в мире? Там все чуть иначе. В 1989 году введен в действие стандарт МЭК IEEE C37.013 AC High-Voltage Generator Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis, регламентирующий требования именно к генераторным выключателям, в том числе перечень обязательных испытаний с поправкой на режимы их работы, учитывающий эволюцию объектов генерации и особенности аварийных режимов в их схемах выдачи мощности.

Стандарт пережил несколько ревизий, в 2015 году был отменен как самостоятельный документ и продолжил жизнь в составе МЭК IEEE/IEK 62271 в виде части 37-031. На сегодняшний день действует обновленная редакция от 2021 года – IEEE/IEC 62271-37-013:2021 High-voltage switchgear and controlgear – Part 37-013: Alternating current generator circuit-breakers. Это единый и единственный международный стандарт на генераторные выключатели, существующий в мире, и именно протоколами испытаний на соответствие IEEE C37.013 или IEC/IEEE 62271-37-013:2021 подтверждается возможность аппаратов справляться со своими задачами.

Таким образом, сегодня в России наблюдается очень интересная ситуация: генерация есть, специальные коммутационные аппараты для нее требуются, а отечественного стандарта, определяющего их параметры и перечень испытаний, нет. Существует ГОСТ 52565-2006, кратко рассмотренный выше, и приказ Росстандарта от 21.06.2021 № 1061 «Об определении Порядка и условий применения международных стандартов, региональных стандартов, межгосударственных стандартов и региональных сводов правил, а также стандартов иностранных государств и сводов правил иностранных государств», в соответствии с которым международные стандарты могут применятся при определенных условиях, в том числе при «отсутствии национальных стандартов Российской Федерации и предварительных национальных стандартов … в отношении объектов стандартизации» и в случае «соответствия стандартов современному уровню развития науки, техники и технологий, передовому зарубежному опыту».

Если работоспособность выключателя во всех возможных аварийных режимах не подтверждена лабораторными испытаниями, то вероятность того, что он отработает корректно, составляет 50/50: или отработает, или нет, т.е. непредсказуемо. Для стратегических объектов такая картина, мягко говоря, неприемлема, особенно когда от аппарата зависит аварийная защита основного оборудования электростанции, т.е. ее работоспособность в принципе.

Как же поступают проектные организации и технические службы заказчика при формировании требований к оборудованию, если при проектировании строительства или реконструкции, требующих установки либо замены на объекте генерации генераторных выключателей, обнаруживаются нерегламентированные ГОСТ, но описаны в стандартах МЭК режимы? Они включают в РД и требования конкурсной документации к предлагаемым участниками конкурсных процедур аппаратам пункт об обязательном подтверждении параметров протоколами испытаний по IEEE C37.013 или IEC/IEEE 62271-37-013:2021.

Пример технических требований к генераторному распределительному устройству

И тут возникает еще одна сложность. Испытательными мощностями, позволяющими смоделировать аварийные режимы на электростанциях для испытаний генераторных выключателей в лабораторных условиях, обладают единичные компании в мире, например голландская KEMA, и все они находятся в странах, которые в официальной риторике сейчас называют недружественными.

Высоковольтных лабораторий, способных провести испытания генераторных выключателей в требуемых режимах коротких замыканий, в России нет, а вероятность их создания «с нуля» в ближайшие годы при существующем положении вещей в российской промышленности и прикладной науке, по экспертной оценке автора материала, стремится к нулю.

 

В следующей части материала, посвященного генераторным выключателям, будет рассмотрена текущая ситуация на рынке этих устройств в России (потребности, основные игроки) и приведены кое-какие соображения о том, как жить дальше в такой ситуации. Продолжение следует!

 

Читать вторую часть материала