Электрическая часть АЭС: от генератора до сети и собственные нужды

• ≈ 27 кАток генератора мощностью 1000 МВт при напряжении 24 кВ
• 220–750 кВнапряжение, на котором крупные российские АЭС выдают мощность в сеть
• ≈ 15 снужно дизель-генератору, чтобы запуститься и быть готовым принять нагрузку
• 20 мснаибольший перерыв питания для потребителей первой группы в проекте АЭС-2006

От генератора до линии электропередачи

Как устроены турбина и генератор и чем охлаждают генератор, рассказано в статье «Турбина и машинный зал АЭС». Генератор энергоблока с ВВЭР-1000 или ВВЭР-1200 выдаёт трёхфазный ток напряжением порядка 20–24 кВ. При мощности 1000 МВт и напряжении 24 кВ ток в каждой фазе — около 27 тысяч ампер. Передавать такой ток далеко невыгодно: потери в проводах растут пропорционально квадрату тока. Поэтому рядом с машинным залом напряжение повышают в 10–30 раз, во столько же раз снижая ток, и только тогда энергия уходит в сеть. Весь этот путь — генератор, трансформаторы, распределительные устройства и линии — называют схемой выдачи мощности.

Ток от генератора к трансформатору ведёт пофазно-экранированный токопровод: каждая фаза — алюминиевая шина в собственном заземлённом алюминиевом кожухе. Кожух практически исключает короткое замыкание между фазами и резко ослабляет магнитное поле снаружи, а с ним — электродинамические силы и нагрев соседних стальных конструкций.

На многих энергоблоках в эту цепь включён генераторный выключатель — аппарат, способный разорвать ток короткого замыкания больше сотни килоампер. Он отключает генератор, не разрывая связи блока с сетью: блочный трансформатор остаётся под напряжением, и через него собственные нужды получают питание из энергосистемы при пуске и останове. Без такого выключателя генератор и трансформатор включают и отключают вместе, со стороны высокого напряжения, а на время остановки собственные нужды переводят на резервные трансформаторы.

Генераторный выключатель: с ним и без него

Блочный трансформатор повышает напряжение до напряжения сети — у крупных российских АЭС это 220, 330, 500 или 750 кВ. Трансформатор на мощность больше тысячи мегавольт-ампер весит сотни тонн, поэтому для крупных блоков нередко ставят группу из трёх однофазных трансформаторов — их проще изготовить и перевезти. Обмотки изолирует и охлаждает масло, и трансформаторы разделяют противопожарными стенками, под ними устраивают маслоприёмники, а для тушения — автоматические установки.

Распределительное устройство и линии

От блочных трансформаторов энергия приходит в распределительное устройство — узел, где сходятся присоединения энергоблоков, линий электропередачи и резервных трансформаторов. Его выключатели и разъединители позволяют включать и отключать линии, выводить оборудование в ремонт и за доли секунды отделять повреждённый участок при коротком замыкании.

На большинстве действующих станций это открытое распределительное устройство (ОРУ): площадка под открытым небом с порталами, шинами и аппаратами. Изолятором в нём служит воздух, поэтому расстояния между фазами при 500 кВ и выше измеряются метрами. На многих новых блоках ставят КРУЭ — комплектное распределительное устройство с элегазовой изоляцией. Его шины и аппараты заключены в заземлённые металлические трубы и баки, заполненные под давлением элегазом — шестифтористой серой, газом с высокой электрической прочностью. КРУЭ в разы компактнее ОРУ, его обычно размещают в здании, и оно мало зависит от погоды, загрязнения и гололёда. Так, на Нововоронежской АЭС-2 установлено КРУЭ на 500 кВ, на Курской АЭС-2 — на 330 кВ.

Станцию связывают с энергосистемой несколькими линиями, обычно на двух классах напряжения: Нововоронежская АЭС-2, например, выдаёт мощность по линиям 220 и 500 кВ. Распределительные устройства разных напряжений соединяют автотрансформаторами связи. Внешние связи нужны не только для выдачи мощности: от них питаются собственные нужды остановленных блоков, поэтому их делают независимыми друг от друга.

Собственные нужды

Часть выработки станция тратит на себя — на насосы, вентиляцию, освещение, системы управления, подготовку воды. Это собственные нужды. У блока на 1000 МВт они составляют десятки мегаватт, а в проекте АЭС-2006 с ВВЭР-1200 на них закладывают около 7 % выработки с учётом затрат на оборотное водоснабжение.

Сколько выработки станция тратит на себя — проект АЭС-2006

• ≈ 7 %уходит на собственные нужды
• остальная выработка

В нормальной работе собственные нужды питаются от своего генератора. На ответвлении от токопровода между генератором и блочным трансформатором стоят рабочие трансформаторы собственных нужд, которые понижают напряжение до 6 или 10 кВ. Обмотка низкого напряжения у них обычно расщеплена на две половины, и каждая питает свою секцию — сборные шины с ячейками выключателей. Так повреждение на одних шинах не обесточивает весь блок, а токи короткого замыкания получаются меньше.

Для пуска, останова и на случай отказа рабочих трансформаторов есть резервные трансформаторы собственных нужд, которые питаются от распределительного устройства или от другой независимой связи с энергосистемой. Если рабочий источник пропадает, автоматика ввода резерва (АВР) переключает секцию на резервный.

От секций 6–10 кВ питаются двигатели мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт:

• главные циркуляционные насосы — около 5 МВт каждый, обычно по одному на секцию;
• циркуляционные насосы, которые подают охлаждающую воду в конденсаторы;
• конденсатные насосы, а на блоках с электроприводными питательными насосами, как у ВВЭР-1200, — и питательные;
• насосы технической воды, крупные вентиляторы и компрессоры.

Двигатели поменьше, электроприводы арматуры, освещение и вентиляция получают питание от секций 0,4 кВ через понижающие трансформаторы, а цепи управления и релейной защиты — от сети постоянного тока 220 В.

Надёжное питание систем безопасности

Потребителей собственных нужд делят на три группы по тому, какой перерыв питания они допускают:

1. первая группа не допускает перерыва — в проекте АЭС-2006 дольше 20 мс — ни в каком режиме, даже при полном исчезновении переменного тока: аппаратура управления и защиты реактора, контроля и автоматики, часть аварийного освещения;
2. вторая группа допускает перерыв на время, которое определяют условия безопасности и сохранности оборудования, но обязательно должна получить питание после срабатывания аварийной защиты: насосы и арматура систем аварийного охлаждения, аварийные питательные насосы, насосы технической воды ответственных потребителей, вентиляция помещений систем безопасности;
3. третья группа допускает перерыв на время перевода на резервный источник и после аварийной остановки реактора питания не требует: главные циркуляционные, циркуляционные и конденсатные насосы, большая часть оборудования нормальной эксплуатации.

Третью группу питают секции нормальной эксплуатации. Для второй у каждого канала систем безопасности есть своя секция надёжного питания среднего напряжения и секции 0,4 кВ за ней. При потере напряжения её подхватывает свой дизель-генератор: он запускается автоматически и примерно через 15 секунд готов принять нагрузку. Потребителей подключают не все сразу, а ступенями, по программе ступенчатого пуска, чтобы пусковые токи двигателей не перегрузили дизель-генератор. У энергоблока с ВВЭР-1000 таких дизель-генераторов три, по числу каналов, а в проекте АЭС-2006 с ВВЭР-1200 — четыре, мощностью около 6 МВт каждый.

Первую группу питают аккумуляторные батареи и агрегаты бесперебойного питания. В нормальной работе выпрямители питают сеть постоянного тока и держат батареи заряженными, а инверторы делают из постоянного тока переменный для аппаратуры, которой нужен он. Если переменное напряжение пропадёт, батарея продолжит питать нагрузку без перерыва, пока дизель-генератор не восстановит питание выпрямителей. Ёмкость батарей рассчитывают на время, заданное проектом.

Каждый канал — дизель-генератор, секции, батареи, щиты и кабели — независим от других и размещён в своих помещениях, разделённых противопожарными преградами. Это прямое следствие принципов резервирования, единичного отказа и физического разделения, о которых рассказано в статье «Безопасность АЭС». У каждого дизель-генератора свой запас топлива и масла и своё охлаждение. Вот как распределены роли в электрической части:

Электрическая часть АЭС (однолинейная схема, упрощённо). Генератор через блочный трансформатор выдаёт энергию в распределительное устройство и дальше в сеть. Часть энергии идёт на собственные нужды станции — насосы, вентиляцию, освещение. Системы безопасности питаются от отдельных секций: при потере внешнего питания их подхватывают дизель-генераторы, а аккумуляторные батареи без перерыва питают самые важные потребители.

Обесточивание блока

Самый тяжёлый режим для электрической части — обесточивание, когда блок теряет и собственный генератор, и все связи с энергосистемой, например при тяжёлой аварии в сети. Секции нормальной эксплуатации остаются без напряжения, и все четыре главных циркуляционных насоса начинают останавливаться одновременно. Аварийная защита глушит реактор, а насосы ещё некоторое время гонят воду по инерции: плавный выбег им обеспечивает маховик, о котором рассказано в статье «Главный циркуляционный насос». Дальше тепло из активной зоны к парогенераторам уносит естественная циркуляция.

Обесточивание: как блок переходит на дизель-генераторы

1. Обесточиваниеблок потерял и генератор, и все связи с энергосистемой
2. Отделение секцийсекции надёжного питания отделяются от обесточенной сети
3. Пуск дизель-генераторовавтоматически, у каждого канала — свой
4. Подключение нагрузокступенями: системы безопасности, аварийные питательные насосы

Аппаратура управления и защиты всё это время работает от батарей.

Тем временем секции надёжного питания отделяются от обесточенной сети, запускаются дизель-генераторы, и примерно через 15 секунд к ним ступенями подключается оборудование систем безопасности, в том числе аварийные питательные насосы, которые подают воду в парогенераторы. Аппаратура управления и защиты всё это время работает от батарей. Циркуляционные насосы стоят, конденсатор не работает, поэтому пар из парогенераторов сбрасывают в атмосферу через быстродействующие редукционные установки — так отводят остаточное тепло реактора. Этот пар второго контура не радиоактивен.

Проект рассматривает и более тяжёлый случай — обесточивание с отказом всех дизель-генераторов. Для него в новых проектах есть пассивные системы отвода тепла, которым электропитание не нужно: в проекте Белорусской АЭС с ВВЭР-1200, например, они обеспечивают автономность блока до 24 часов.

Испытания и обслуживание

Электрическую часть, важную для безопасности, регулярно проверяют. Дизель-генераторы периодически запускают и нагружают на работающем блоке, проверяя время пуска и работу под нагрузкой, причём каналы испытывают поочерёдно, чтобы остальные оставались в готовности.

Самые полные проверки проводят во время планово-предупредительного ремонта — о нём рассказано в статье «Ремонт АЭС». По сигналу, имитирующему обесточивание, проверяют всю цепочку: отделение секций надёжного питания, пуск дизель-генераторов, ступенчатое подключение нагрузок, переход потребителей первой группы на батареи. Отдельно проверяют автоматику ввода резерва на секциях, релейную защиту и выключатели, а батареи — контрольным разрядом.

Крупное оборудование диагностируют и без разборки. В масле трансформаторов регулярно определяют растворённые газы: их состав подсказывает, не начался ли внутри перегрев или разряд. Контакты распределительных устройств осматривают тепловизором — плохой контакт начинает греться задолго до отказа. В элегазовых устройствах следят за давлением газа и утечками.

Что важно изготовителю

Электрическая часть — это не только генераторы, трансформаторы и аппараты заводской готовности, но и много металлоизделий по чертежам: шины и шинные мосты, детали токопроводов, корпуса шкафов и ячеек, металлоконструкции порталов и опор под аппараты распределительных устройств, кабельные конструкции, детали заземления, крепёж.

Требования к ним свои. От плоскостности, шероховатости и покрытия контактных поверхностей шин — лужения или серебрения — зависит переходное сопротивление, а значит, нагрев соединения, поэтому контакты зачищают, а болты затягивают с нормированным моментом. Алюминиевые шины и кожухи токопроводов сваривают, и к сварке алюминия свои требования. Наружные металлоконструкции защищают от коррозии горячим цинкованием, и толщину покрытия проверяют так же, как размеры.

Шкафы и конструкции систем безопасности должны выдерживать расчётное землетрясение вместе с установленной в них аппаратурой — это подтверждают расчётом или испытаниями на вибростенде. Класс безопасности и категорию сейсмостойкости указывает проект, и от них зависят материалы, объём контроля и документы, которые потребуются при приёмке.

Термины

• Схема выдачи мощностиГенераторы, трансформаторы, распределительные устройства и линии, по которым станция отдаёт энергию в энергосистему.
• Блочный трансформаторПовышающий трансформатор, через который генератор энергоблока подключён к распределительному устройству.
• КРУЭКомплектное распределительное устройство с элегазовой изоляцией: шины и аппараты в заземлённых металлических оболочках, заполненных элегазом.
• Собственные нуждыПотребители электроэнергии самой станции: насосы, вентиляция, освещение, системы управления.
• Трансформатор собственных нуждПонижающий трансформатор, который питает секции собственных нужд от генератора (рабочий) или от энергосистемы (резервный).
• АВРАвтоматика ввода резерва: переключает потребителей на резервный источник при пропадании рабочего.
• Секция надёжного питанияШины, от которых питаются потребители систем безопасности одного канала; при обесточивании их питает дизель-генератор этого канала.
• ОбесточиваниеПотеря энергоблоком всех рабочих и резервных источников переменного тока — и генератора, и связей с энергосистемой.

Частые вопросы

Как электроэнергия с АЭС попадает в сеть?

Генератор выдаёт ток напряжением порядка 20–24 кВ, блочный трансформатор повышает его до 220–750 кВ, и через распределительное устройство энергия уходит в линии электропередачи. Повышение напряжения во много раз снижает ток и потери в линиях.

Что такое собственные нужды АЭС?

Это электроэнергия, которую станция тратит на себя: на главные циркуляционные, питательные и циркуляционные насосы, вентиляцию, освещение, системы управления. Для блока на 1000 МВт это десятки мегаватт.

Зачем на АЭС дизель-генераторы?

Они питают системы безопасности, если блок потеряет и собственный генератор, и связь с энергосистемой. Дизель-генератор запускается автоматически и примерно через 15 секунд готов принять нагрузку; у каждого канала систем безопасности он свой.

Что происходит, если на АЭС пропадает электропитание?

Реактор автоматически заглушается, главные циркуляционные насосы вращаются по инерции благодаря маховикам, а затем тепло уносит естественная циркуляция. Дизель-генераторы примерно через 15 секунд подхватывают оборудование систем безопасности, а аппаратура управления всё это время работает от аккумуляторных батарей.

Чем КРУЭ отличается от ОРУ?

В открытом распределительном устройстве изолятором служит воздух, поэтому оно занимает большую площадку под открытым небом. В КРУЭ шины и аппараты заключены в металлические оболочки с элегазом, поэтому оно в разы компактнее и мало зависит от погоды.