Łączniki w Eksploatacji 2018

Doświadczenie ABB Sp. z o.o. w zakresie dostawy i uruchomienia urządzeń dla wyprowadzenia energii z bloku elektrowni o mocy 1075 MW

(Experience of ABB Sp. z o.o. in the scope of delivery and commissioning of devices for energy transfer from the power plant block with the power value 1075 MW)

Słowa kluczowe: wyprowadzenie mocy z bloku elektrowni; transformatory blokowe jednofazowe w technologii TrafoStar™; wyłącznik generatorowy trzeciej generacji.

  1. Streszczenie (Abstract)

W referacie przedstawiono doświadczenie ABB Sp. z o.o. związane z dostawą oraz uruchomieniem jednofazowych transformatorów o  mocy 450 MVA każdy, zaprojektowanych w  Fabryce Transformatorów Mocy w Łodzi dla wyprowadzenia mocy z bloku energetycznego wielkiej mocy w Elektrowni Kozienice, gdzie zainstalowano generator o mocy 1075 MW! Poruszono wybrane aspekty związane ze sposobem monitoringu transformatorów wielkiej mocy, włączając komponenty tego systemu stosowane w Koncernie ABB. Innym krytycznie ważnym elementem wyprowadzenia mocy z bloku energetycznego jest wyłącznik generatorowy, i  w  referacie przedstawiono aparat najnowszej – trzeciej generacji, zbadany laboratoryjnie w oparciu o najnowszą, zuinifikowaną Normą IEC/IEEE 62271-37-01, określającą zakres i parametry próby typu w przypadku wyłącznika generatorowego.

The paper presents the experience of ABB Sp. z o.o. related to the supply and commissioning of single-phase transformers each with 450 MVA with power value , designed at the Power Transformers Factory in Łódź for power transfer from the high power block unit in Kozienice Power Station, where a 1075 MW generator was installed ! Paper present selected aspects related to the monitoring of high power transformers, including components of this system used in the ABB Group. Another critically important element of power output from the power unit is the generator circuit breaker, and the paper presents the latest – third generation of generator breaker, i.e. device tested according the latest requirements, confirmed in Standard IEC/IEEE 62271-37-01, recommended the procedures and parameters of the type tests in the case of a generator circuit breakers.

  1. Transformatory jednofazowe – optymalne rozwiązanie dla Elektrowni z wielkimi mocami Bloków Energetycznych budowanych w Polsce

Masa transportowa oraz ograniczenia skrajni transportowej dla transportu kolejowego czy po drogach publicznych w Polsce czynią niemożliwym transport transformatorów blokowych trójfazowych w przedziale mocy 1000 –1200 MVA (patrz Rys. 1). W przypadku bloków energetycznych wielkich mocy, tzn. 1000 MW i większej, regułą są aplikacje pozwalające na względnie szybką zamianę uszkodzonego transformatora na zapasowy. W takim przypadku w obwodzie wyprowadzenia mocy z bloku 1075 MW, czyli takim jak w Elektrowni Kozienice należałoby zastosować: 2 transformatory trójfazowe o mocy 1200 MVA – jeden pracuje – drugi w rezerwie (patrz Rys. 1);

3 transformatory trójfazowe o mocy 600 MVA – dwa pracują równolegle – jeden w rezerwie; cztery transformatory jednofazowe o mocy 450 MVA każdy – trzy pracują – jeden w rezerwie. W takim przypadku relacja kosztu zakupu byłaby następująca: 200% / 227% /188% (patrz Rys. 1), gdzie 100% to koszt zakupu transformatora trójfazowego o mocy 1200 MVA, i z powyższego jasno wynika, że zastosowanie 4 jenostek jednofazowych (patrz Rys. 2) jest nie tylko celowe ze względu na ograniczenia transportowe, ale jest również optymalnym rozwiązaniem ze względu na koszty, gdyż jest to wariant najtańszy. W lipcu 2015 roku w Fabryce Transformatorów Mocy ABB Sp. z o.o. w Łodzi zakończono próby fabryczne transformatorów blokowych jednofazowych podwyższających 27kV/425 kV o mocy 450 MVA typu TN1SRE, przeznaczonych dla bloku energetyznego o mocy 1075 MW w Elektrowni Kozienice (patrz Rys. 3; Rys. 4), które zostały zaprojektowane i wyprodukowane w  w.w fabryce w oparciu o wspólną technologię TrafoStar™, doskonaloną w ciągu dziesięcioleci w fabrykach ABB w Europie oraz USA, dzięki której we wszystkich fabrykach koncernu ABB transformatory mocy są projektowane i produkowane w oparciu o tę samą technologię, włączając materiały używane do wytwarzania tych urządzeń. W konstrukcji jednofazowych transformatorów zastosowano rozwiązania korzystne dla długiej żywotności transformatorów typu TN1SRE, m.in. w odniesieniu do konstrukcji rdzenia oraz uzwojeń (patrz Rys. 5; Rys. 6).

Rys. 1. Transformatory jednofazowe – optymalne rozwiązanie dla wyprowadzenia mocy z bloków energetycznych wielkiej mocy ze względu na koszt oraz ograniczenia transportowe.

Rys. 2. Schemat z transformatorami jednofalowymi o mocy 450 MVA, zainstalowanymi w bloku o mocy 1075 MW, Elektrownia Kozienice.

Rys. 3. Jednofazowy transformator blokowy podwyższający 27 kV/425 kV o mocy 450 MVA typu TN1SRE podczas prób w Fabryce Transformatorów Mocy, ABB Sp. z o.o. w Łodzi, lipiec 2015.

Rys. 4. Jednofazowy transformator blokowy podwyższający 450 MVA/27kV/425 kV typu TN1SRE podczas montażu w pobliżu budynku bloku energetycznego o mocy 1075 MW, Elektrownia Kozienice.

Rys. 5. Konstrukcja rdzenia jednofazowego transformatora 450 MVA/27 kV/425 kV typu TN1SRE dla Elektrowni Kozienice.

Rys. 6 . Konstrukcja uzwojeń jednofazowego transformatora blokowego podwyższającego 27 kV/425 kV o mocy 450 MVA typu TN1SRE, z zastosowaniem przewodów z ciągłą transpozycją żył.

ABB Sp. z o.o. posiada wysokie kompetencje zarówno w zakresie implementacji kompleksowego monitoringu transformatorów mocy, z komponentami skonstruowanymi i produkowanymi w ABB dla pomiaru i archiwizacji danych pomiarowych, potwierdzających aktualny stan transformatora mocy (patrz Rys. 7), jak i w wykorzystaniu tych danych do określenia przez zespół specjalistów pracujących w Fabryce transformatorów mocy w Łodzi, w  celu określenia rekomendowanych działań zaradczych (patrz Rys. 8), włączając określenie dopuszczalnego czasu eksploatacji transformatora do jego odstawienia w celu dokonania remontu.

W przypadku wcześniej dostarczonych transformatorów mocy, zwłaszcza produkcji ABB Sp z o.o., możliwe jest doposażenie eksploatowanej jednostki w np. w urządzenie typu CoreSense produkcji ABB (patrz Rys. 7), pozwalające wykryć zawartość dziewięciu gazów oraz wody w oleju (szczególnie ważne wczesne wykrycie wzrostu zawartości wodoru).

Rys. 7 . Przykładowy ekran zdalnego odczytu stanu transformatora mocy, elementy dla monitoringu transformatora produkcji ABB.

Rys. 8. Zarządzanie danymi z monitoringu transformatora mocy z wykorzystaniem eksperckiej wiedzy specjalistów
z ABB Sp. z o.o. – producenta transformatorów mocy.

  1. Wybrane aspekty prawidłowego doboru wyłącznika generatorowego w przypadku bloków energetycznych wielkiej mocy, nowoczesny wyłącznik generatorowy trzeciej generacji typu HEC 10

Koncern ABB jest niekwestionowanym liderem w zakresie technologii oraz konstrukcji wyłączników generatorowych (patrz Rys. 10) dla bloków energetycznych wielkiej mocy. Te aparaty są instalowane między generatorem a transformatorem blokowym podwyższającym (patrz Rys. 9), w celu zabezpiecznia zarówno generatora jak i transformatora blokowego przed skutkami zwarć wielko-prądowych. Dla przykładu, wyłącznik generatorowy typu HEC 9 na prąd znamionowy 50.000 A pozwala na transfer mocy na poziomie 2000 MW, posiadając zdolność wyłączania prądu zwarciowego o wartości 300 kA!

Rys. 9 . Miejsce i zasadność instalowania wyłącznika generatorowego, dla ochrony generatora i tranasformatora blokowego przed skutkami zwarć.

Rys. 10. Referancje dla rodziny wyłączników generatorowych produkcji ABB na rynku globalnym.

Aby prawidłowo dobrać wyłącznik generatorowy do warunków pracy w elektrowni, należy wykonać możliwie dokładne obliczenia przebiegu prądu zwarciowego w najbardziej niekorzystnych warunkach. Na Rys. 11 przedstawiono przebieg prądu zwarciowego obliczony z uwzględnieniem danych generatora, udostępnionych przez producenta, oraz precyzyjnych danych (R; L) połączeń wielkoprądowych. Jeśli na przebiegu asymetrycznego prądu zwarciowego odznaczyć czasy własne: zabezpieczenia (założono 20 ms); wyłącznika generatorowego (HEC 9 zmierzono 34 ms), to możliwe będzie określenie zarówno wartości amplitudy jak i współczynnika asymetrii spodziewanego prądu zwarciowego, tak w momencie rozejścia się styków jak i w trakcie palenia się łuku w komorach gaszeniowych. Te wartości należy porównać ze współczynnikiem asymetrii prądu zwarciowego, z jakim badano wyłącznik generatorowy podczas prób zwarciowych w laboratorium, (patrz Rys. 12) a zwłaszcza z wartością współczynnika asymetrii w przypadku wyłączania skrajnie asymetrycznego prądu zwarciowego (współczynnik asymetrii znacznie przekraczający wartość 100%), co jest potwierdzane w próbie z opóźnionym wystąpieniem zera prądu zwarciowego, i co skutkuje wystąpieniem bardzo długch czasów łukowych w komorach gaszeniowych wyłącznika. Poruszone zagadnienie ma szczególne znaczenie w przypadku szybkiego odwzbudzania generatora (patrz Rys. 11), nieuchronnie prowadzącego do dalszego wzrostu współczynnika asymetrii wyłączanego prądu oraz znaczącego wydłużenia czasu łukowego w komorach gaszeniowych wyłącznika. To jeden z zasadniczych powodów wykonania prób zwarciowych, jakim był poddany wyłącznik generatorowy najnowszej – trzeciej generacji typu HEC 10, dla którego potwierdzono współczynnik asymetrii 130%! – dla prądu o wartości skutecznej 160 kA rms.

Rys. 11. Przykład przebiegu prądu zwarciowego przy zwarciu trójfazowym w pobliżu generatora: powolny zanik składowej
nieokresowej prądu; współczynnik asymetrii prądu powyżej 100% w momencie rozejścia się styków w komorach gaszeniowych wyłącznika!

Rys. 12. Wykaz prób wymaganych w ramach próby typu wyłącznika generatorowego na przykładzie aparatu trzeciej generacji typu HEC 10, próby zgodne z wymaganiami zunifikowanej Normy IEC/IEEE 62271-37-01.

Rys. 13. Wyłącznik generatorowy SF6 trzeciej generacji typu HEC 10, z napędem hydrauliczno-sprężynowym typu HMB 8 oraz hybrydowym systemem chłodzenia, wewnątrz obudowy HEC 10 aparaty towarzyszące SN.

Budowę wyłącznika generatorowego SF6 trzeciej generacji typu HEC 10, z napędem hydrauliczno‑sprężynowym typu HMB 8 oraz innowacyjnym, niezawodym systemem chłodzenia torów prądowych, przedstawiono na Rys. 13.

Aby spełnić wymagania elektrowni z blokami energetycznymi wielkiej mocy, w tym jądrowych, w zakresie: bezpieczeństwa eksploatacji; ochrony generatora przed przepięciami łączeniowymi; pomiarem parametrów niezbędnych dla łączeń z kontrolą synchronizmu; sygnałów niezbędnych dla pracy cyfrowych zabezpieczeń tak generatora jak i transformatora blokowego, wewnątrz obudowy wyłącznika typu HEC 10 rozmieszczono grupę aparatów SN (patrz schemat funkcjonalny pokazany na Rys. 14). Innym ważnym elementem budowy wyłącznika generatorowego typu  HEC 10 jest niezawodny napęd hydrauliczno-sprężynowy typu HMB 8, z wysoką energią zgromadzoną z pakiecie sprężyn talerzowych (patrz Rys. 15), dzięki czemu jest zagwarantowana wystarczająca energia dla funkcjonowania trzech komór gaszeniowych.

Rys. 14. Zestaw aparatów SN zintegrowanych z komorami gaszeniowymi wyłącznika typu HEC 10.

Rys. 15. Warianty napędów hydrauliczno-sprężynowych typu HMB, używanych w wyłącznikach generatorowych oraz GIS na największe moce wyłączalne.

O niezawodności napędu typu HMB 8 świadczy jego współczynnik awaryjności MTBF – Main Time Between Failures (patrz Rys. 16), a jest to czas liczony od awarii do awarii, który w przypadku napędu HMB 8 wynosi: 294 lat, a w przypadku innej konstrukcji napędów, takich jak hydrauliczne lub sprężynowe z prównywalną energią, MTBF jest na poziomie 25-31 lat, co świadczy o dziesięciokrotnie większej awaryjności tego rodzaju napędów.

Rys. 16. Niezawodność napędów hydrauliczno-sprężynowych typu HMB w porównaniu z napędami sprężynowymi lub hydraulicznymi.

  1. PODSUMOWANIE

W polskich elektrowniach opalanych węglem widoczna jest tendencja budowy bloków energetycznych wielkiej mocy, tzn. 800 – 1000 MW dawniej charakterystycznych dla elektrowni jądrowych. Fabryki produkujące urządzenia dla elektrowni oraz stacji rozdzielczych, wchodzące w skład
ABB Sp. z o.o., wraz z innymi fabrykami z koncernu ABB, są przygotowane aby: zaprojektować, wyprodukować, dostarczyć i uruchomić komplet urządzeń niezbędnych dla wyprowadzenia mocy z generatorów wielkiej mocy w krajową sieć energetyczną, co zostało potwierdzone w przypadku bloku o mocy 1075 MW zainstalowanego w elektrowni Kozienice. Innym ważnym elementem oferty adresowanej do elektrowni w Polsce są urządzenia do monitoringu w.w urządzeń oraz eksperckie wsparcie w trakcie eksploatacji urządzeń po okresie gwarancyjnym, zwłaszcza w przypadku transformatorów mocy oraz wyłączników generatorowych, w oparciu o kompetencje specjalistów z ABB Sp z o.o. zatrudnionych w Polsce.

  1. SUMMARY

In the case of construction of power blocks in Polish coal-fired power plants, there is a tendency to build high-power units, ie. with power range 800 – 1000 MW, formerly characteristic for nuclear power stations. Factories producing equipment for large sybstations and power plannts operated in ABB Sp. z o.o.  along with other factories from ABB Group, are prepared to: design; produce; deliver and put into operation of devices, which must be installed for energy transfer from high-power generators into the national power grid, what was successfully confirmed in the case of a 1075 MW generator unit, installed by Power Plannt Kozienice. Another important element of the offer addressed to the power plants in Poland are devices for moniroring of above mentioned devices as well, as expert support during the exploitation of devices after the warranty period, especially in the case of power transformers and generator circiut breakers, based on the competences of specia-lists from ABB Sp z o.o. employed in Poland.

dr inż. Aleksander Gul

ABB Sp. z o.o.

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top