Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций

Подождите немного. Документ загружается.

409

рованы увеличения вибраций в средней части машзала. Характерные

частоты этих вибраций при закрытом и открытом водосбросе сос-

тавляют 0,5-2,7 Гц. Вибрации стены машинного зала со стороны

нижнего бьефа также зависят больше от режима работы водосброса.

Максимальные вибрации стены – 628 мкм – зафиксированы на агрега-

те № 8 при двух открытых на 100% водосбросах. По сравнению с заме-

рами 1984 года уровень вибраций остался тот же. Характерные частоты

вибраций имеют две полосы: первая 0,8-2,3 Гц и вторая 2,8-3,8 Гц.

При испытаниях МАРХИ впервые установлено, что при

открытии затвора на 72% (3-я ступень маневрирования) дина-

мическое воздействие на перекрытие больше, чем при открытии

затвора на 100% (рис. 5.18), и соизмеримо с динамическим воздейст-

вием при полном открытии двух затворов.

Максимальное значение двойной амплитуды вертикальной

вибрации середины пролета перекрытия на агрегате 10 при расходе

1240 м/с через 2 открытых водосброса составило 1064 мкм.

При испытаниях 1984 года работали строительные водосбросы

с суммарным расходом 4500 м

/с. Вибрация была существенно

больше, и размах колебаний достигал 2340 мкм не только за счет

недостаточной жесткости недостроенных блоков, но и в результате

большей мощности гидродинамического воздействия потока. Если

в расчете принять размах колебаний середины пролета, полученный

в 1984 году, равный 2340 мкм, то это будет соответствовать следую-

щему значению относительного прогиба перекрытия машзала:

S = 5

-7

2А

= 3,44

-5

где 2А = 2340 мкм – размах вибраций,

S – расчетный относительный прогиб,

– нормативный предельный относительный прогиб, равный

1/50000 длины пролета (2

-5

L = 34 м – длина пролета перекрытия,

-7

– коэффициент, учитывающий размерность 2А и L.

Получается, что S = 3,44

-5

> 2

-5

Испытательный режим в 1997 году был достаточно щадящим,

но даже при этом полученном размахе колебаний 1064 мкм

относительный прогиб составил 1,6

-5

, что близко к нормативному

ограничению, т.е. в период эксплуатации при пропуске половодий и

паводков редкой повторяемости вибрация МАРХИ будет значи-

тельно больше, чем измеренная при работе двух водосбросов с

расходом 1240 м

/с. Это свидетельствует о том, что по действующим

нормативным требованиям для пространственно-стержневой конст-

рукции при работе в условиях ГЭС необходимо проводить динамичес-

410

кий расчет, что не задавалось проектом. Отсутствие предварительного

анализа условий, в которых работает конструкция, не поставило

задачу “отстроиться” на стадии проектирования (геометрическим

подбором деталей) от частот возмущающих сил гидроузла, возни-

кающих от работы гидроагрегатов и водобойного колодца. В ре-

зультате на конструкции возникли колебания в форме биений, а

значит, и значительные динамические нагрузки.

Предположение о существенном уменьшении и выравнивании

амплитуд вибрации МАРХИ после завершения строительных работ

не подтвердилось. Полученный при измерениях повторившийся

характер распределения вибраций вдоль машзала показывает, что

причина не в уменьшении жесткости. Это подтверждают и резуль-

таты замеров прогибов перекрытия МАРХИ при закрытых водосбро-

сах (практически совпадающие в течение 13 лет). В результате

гидродинамических нагрузок от сбрасываемой воды на водобойный

колодец происходит формирование колебательного процесса и

распространение его волн в основании гидроузла. Основание передает

их плотине, агрегатным блокам, другим сооружениям. Передавшиеся

волны возбуждают там колебания с собственными частотами. В свою

очередь, колебания этих элементов сооружений становятся самостоя-

тельными источниками волн. Как известно, при одновременном

распространении в пространстве нескольких волн и их когерент-

ности возникает результирующая стоячая вода. Пространственное

распространение ее создает интерференционную картину волновых

явлений в скальном основании. Агрегатные блоки и установленные

на них конструкции перекрытия машзала, находящиеся в зоне

пучности стоячей волны, и должны иметь максимальные колебания.

Предположив, что полученные в результате испытаний размахи ко-

лебаний перекрытия по агрегатным блокам (рис. 5.20) соответст-

вуют интерференционной картине, следует рассмотреть влияние на

агрегатные блоки второго по мощности (после водобойного колодца)

источника волн – плотины. Полосы спектров частот колебаний

перекрытия содержат одну из собственных частот (полученную

экспериментально) колебаний гребня плотины 3,6 Гц. Рассчитаем

по [104] длину волны собственных колебаний гребня плотины:

λ =

= 611 м,

где С = 2200 м/с для марки бетона М300 [104].

На рисунке 5.20 показано наложение (в масштабе) на гребень

плотины волны f = 3,6 Гц. Сопоставление кривых 1, 4, 5 показывает,

что их максимумы совпадают. Если предположение верно, то

причиной повышенных колебаний перекрытий МАРХИ агрегатов

8-10 стало не нарушение жесткости пространственно-стержневой

конструкции и её фундамента, а величина возмущающих сил,

действующих на агрегатный блок. Следовательно, затяжка спецвту-

411

лок, замена стержней, узлов не поможет решить задачу снижения

вибраций МАРХИ. Решение ее может лежать в области применения

динамических гасителей колебаний (по примеру гасителей, приме-

няемых для виброзащиты висячих мостов, линий электропередач).

Рис. 5.20 Пространственные формы колебаний сооружения

1 – форма собственных колебаний гребня плотины (f = 3,6 Гц); 2 – плотина Саяно-

Шушенской ГЭС; 3 – машзал; 4 – изменение вертикальных колебаний вдоль перекрытий

машзала при открытом водосбросе 40-й секции; 5 – изменение вертикальных колебаний

вдоль перекрытия машзала при закрытых водосбросах и работе только агрегатов;

6 – ось симметрии арки

Факт вибрации обязывает по-иному организовывать контроль

за структурой МАРХИ, нежели при условии воздействия на неё

только статической нагрузки. Так или иначе вибрация ослабляет

резьбовые соединения, что меняет жесткость конструкции, а это, в

свою очередь, должно приводить к увеличению виброперемещений.

До разработки и реализации мероприятий по гашению вибраций

необходимо отслеживать состояние МАРХИ и принимать соответст-

вующие меры.

В связи с этим следует особо отметить, что сложившиеся в

практике монтажа обычных металлоконструкций технологические

412

правила и приемы, а также технический контроль не подходят к

такой конструкции, как МАРХИ. Без разработки специальных

технологических правил достигнуть высокого качества монтажа

МАРХИ не удастся, что и подтвердилось на практике. Оказалось, что

при срезывании штифтов обеспечивалось проектное предположение

о необходимом предварительном напряжении болтов, но в то же

время не обеспечивалась плотность примыкания элементов в узлах.

В частности, во многих зонах конструкции имеют место зазоры меж-

ду сопрягающимися деталями узловых элементов, превышающие

требования проекта. На некоторых стержневых элементах в узлах

опорная поверхность спецвтулок уменьшена, что соответственно

снижает несущую способность этих стержней. Требований по

отбраковке элементов с подобными отклонениями не было. Все это

может привести к перераспределению усилий в стержнях структуры,

и не исключается, что могут увеличиться усилия в растянутых

стержнях ригеля вплоть до их перегрузки.

Отмеченные недостатки поставили перед эксплуатационной

организацией достаточно жесткие требования по содержанию

конструкции МАРХИ. Например, один раз в 3 года, и обязательно

после каждого холостого сброса воды через плотину, необходимо

обследовать тысячи узлов конструкции с измерением зазоров в

стыковочных узлах. Не допускать наличие снежного покрова на

кровле толщиной более 20 см.

Проведенное в 1995 г. обследование конструкций МАРХИ

показало, в частности, что торцы многих спецвтулок (рис. 5.14 поз. 10),

которыми воспринимаются усилия, передаваемые стержнями, имеют

опорную площадь меньше проектной. Уменьшение достигало 57%.

Это по проектным предположениям могло привести при расчетной

статической нагрузке к смятию торцов спецвтулок, т.е. сокращению

их осевых размеров, а следовательно, к изменению напряженно-

деформированного состояния всей конструкции рамы.

Службе эксплуатации предстояло решить непростую задачу по

замене спецвтулок, имеющих сокращенную площадь опоры, учитывая

большой объем работы и сложность технологии её выполнения.

Поэтому было решено произвести испытания спецвтулок с сокра-

щенной площадью опоры. Было изготовлено 4 спецвтулки с площа-

дью опоры, составляющей 57% от проектной, из той же стали 45, что

и в натурной конструкции. Из четырех изготовленных втулок – одна

была использована для отработки методики испытаний (В. Л. Павлов),

поэтому при анализе результатов испытаний данные по этой втулке

не использовались.

На испытательном стенде нагрузка на втулки задавалась сту-

пенями с превышением расчетной (расчетная нагрузка на одну втул-

ку в рамах, перекрывающих машзал в пределах 1-10 агрегатов,

413

составляет 27,7 тн; на торцевом блоке 34,4 тн). Все три испытуемые

втулки под расчетной нагрузкой работали упруго. Учитывая, что

втулки конической формы, кривая их деформации не имеет единой

классической площадки предела текучести. Эти площадки возни-

кают ступенчато по мере увеличения нагрузки, они чередуются на

кривой с участками упругих деформаций.

Первоначальный момент предела текучести втулок наступил

при нагрузке 37,5 тн. До величины нагрузки 34,4 тн деформация

втулок не превышала 0,1-0,15 мм.

Если предположить, что в стеновой конструкции МАРХИ все 12

втулок имеют уменьшенную опорную площадь, составляющую 57%

от проектной, то осадка верхнего пояса стены составит 1,2-1,8 мм.

Подобная величина перемещения не окажет существенного влияния

на напряженно-деформированное состояние рамы перекрестно-

стержневой конструкции высотой 17 м и пролетом 34 м. Из этого

можно сделать вывод, что исследуемая конструкция, исходя из реаль-

ного состояния такого ответственного узла, как специальная втулка,

по статической нагрузке имеет существенный запас.

Ещё один аспект применения конструкции МАРХИ выпал из

поля зрения проектной организации. Лишь в процессе освоения

конструкции МАРХИ выяснилось, что огнестойкость структуры

невысокая и применение в кровельной конструкции горючего ма-

териала недопустимо. Эксплуатационная организация возразила

против такого решения, и кровельное покрытие из “сэндвичей” с

пенополиуретановым утеплительным слоем было демонтировано.

Покрытие было перепроектировано и смонтировано заново с по-

элементной послойной ручной сборкой из негорючих материалов. В

данном случае малоиндустриальный способ сборки кровли, а также

затраты на переделку ранее выполненной работы являются оправ-

данными, так как было обеспечено главное – высокая противо-

пожарная надежность кровли крупного и важного объекта.

Новое решение верхнего строения машинного зала Саяно-

Шушенской ГЭС из перекрестно-стержневой конструкции было

воспринято создателями гидроузла неоднозначно. Многие специа-

листы из числа строителей и руководства Министерства энергетики

и электрификации СССР были против применения конструкции

МАРХИ для машинного зала Саяно-Шушенской ГЭС, считая её

недостаточно фундаментальной, не соответствующей уровню круп-

нейшей гидростанции мира. За внедрение этой конструкции бескомп-

ромиссную позицию заняла проектная организация (Л. В. Чулке-

вич, Г. С. Никулин), которую поддерживали специалисты-эксплуа-

тационники.

В последующий период, после завершения отделочных работ,

на Саяно-Шушенской ГЭС побывало много специалистов из разных

414

стран мира, которые отмечали особую архитектурную выразитель-

ность и изящество машинного зала, которые во многом опреде-

ляются внешним видом пространственно-стержневой конструкции

системы МАРХИ (рис. 5.21). Это свидетельство того, что архитек-

турному облику проектная организация уделила такое внимание, что

оно увенчалось успехом. Из вышеизложенного видно, что насколько

глубоко была проработана архитектурно-художественная часть про-

екта верхнего строения машзала, настолько недостаточным было

внимание технологическому его исполнению. Отмеченные выше не-

достатки пространственно-стержневой конструкции МАРХИ – это

результат отсутствия предварительного всестороннего анализа ус-

ловий, в которых должна работать новая конструкция; отсутствия

подчиненности технического решения и свойств структуры требова-

ниям технической эксплуатации энергетического объекта с мини-

мальными затратами и повышенной надежностью. Кроме того, новые

технические решения для их реализации в период строительства

требуют и новых специальных технологических норм по их монтажу.

Рис. 5.21 Машинный зал Саяно-Шушенской ГЭС

* * * * *

Электротехническая

часть 6

•

Главная схема первичных соединений

•

Оборудование электротехнической части

– Воздушные выключатели типа ВВБ

– Трансформаторы тока типа ТРН

– Устройства противоаварийной автоматики

– Воздушные выключатели типа ВВБК

– Трансформаторы тока типа ТФРМ

– Нелинейные ограничители перенапряжений типа ОПН и ОПНИ

– Малогабаритные разъединители типа РГЗ

– Сборные шины из провода ПА-640

– Выключатели нагрузки типа КАГ

– Токопроводы генератора с водяным охлаждением

416

6.1 Главная схема первичных соединений

Красноярская ГЭС является одним из опорных пунктов меж-

системной связи на напряжении 500 кВ объединенной энергосистемы

Сибири, она расположена в центре нагрузки западного и восточного

районов объединения. Одновременно с этим ГЭС выполняет другую

важную задачу – электроснабжение Красноярского промышленного

узла на напряжении 220 кВ.

Гидрогенераторы, работающие на сеть 500 кВ, объединены в

укрупненные блоки, состоящие из двух генераторов и группы одно-

фазных трансформаторов мощностью 417 МВ

А в фазе. Гидроге-

нераторы, работающие на сеть 220 кВ, присоединены к трёхфазным

трансформаторам мощностью 630 МВ

А по одиночной блочной схеме

генератор – трансформатор.

На стадии технического проекта остро встал вопрос о выборе

схемы присоединений на открытом распределительном устройстве

500 кВ (ОРУ-500). Эксплуатационная организация, которую поддер-

живало Красноярскэнерго (М. П. Сморгунов, С. А. Ткаченко), высту-

пала за подключение каждого присоединения к шинам ОРУ через

2 выключателя. Проектная организация придерживалась предло-

жений по созданию главной схемы с минимальным количеством

выключателей, поскольку довлел предыдущий опыт низкой надеж-

ности выключателей на высокое напряжение типа ВВН. Учитывая

важность ОРУ-500 кВ, являющегося практически крупнейшей

подстанцией на мощном транзите электропередачи, было принято

предложение построения ОРУ-500 кВ, по схеме с двойной секцио-

нированной выключателями системой шин и с двумя выключателями

на каждое присоединение блока и линии. Последующая эксплу-

атация подтвердила правильность выбранного решения, поскольку

даже при ремонте одного из выключателей схема оставалась надежной.

За весь период эксплуатации аварийного разрыва транзитной передачи

электроэнергии в энергообъединении Сибири в узле Красноярской ГЭС

не было.

ОРУ-220 кВ построено по схеме – с одной секционированной

системой сборных шин и обходной системой шин. Секционирование

рабочей системы сборных шин осуществлено с помощью двух об-

ходных выключателей.

В процессе эксплуатации выяснилось, что развитие потребите-

лей и развитие электрической распределительной сети пошло иначе,

нежели по проектным предположениям. Промышленности края

потребовалась значительно большая мощность. Поэтому присое-

динения блоков в главной схеме были изменены. От сети 500 кВ был

417

отключен один укрупненный блок и два его генератора (№ 5, 6) были

пересоединены на сеть 220 кВ.

На Саяно-Шушенской ГЭС построение главной схемы первич-

ных соединений также зависело от ряда специфических условий.

Одним из них было отсутствие генерирующего источника в южной

части энергообъединения Сибири до появления Саяно-Шушенской

ГЭС. Это определило выбор уровня опорного напряжения 500 кВ в

южной части объединения, обеспечивающего надежное регули-

рование напряжения по длинным магистральным линиям ГЭС –

Кузбасс и ГЭС – Красноярск. Некоторые специалисты не склонны

относить эти линии электропередачи (ЛЭП) к системообразующим,

однако это недостаточно обоснованно. Исходя из сложившейся прак-

тики, эти ЛЭП приобрели межсистемное значение. В некоторых

режимах через ОРУ-500 кВ Саяно-Шушенской ГЭС может осуществ-

ляться межсистемный переток электроэнергии. Однако при выборе

главной схемы этому условию решающего значения не придавалось.

Основными условиями, повлиявшими на построение схемы,

была стесненная площадь расположения ОРУ-500 кВ вблизи ГЭС, а

также стремление снизить стоимостные показатели строительства за

счет уменьшения количества достаточно дорогих выключателей.

Мотив о низкой надежности уже не мог быть использован в качестве

аргумента, поскольку выключатели серии ВВБ на Красноярской ГЭС

после их доводки зарекомендовали себя как надежные аппараты [1].

Непростой была и задача по выбору места расположения ОРУ-

500 кВ. Вблизи ГЭС горный массив не имеет благоприятных для

строительства площадок, поэтому в качестве основного варианта

рассматривалось расположение ОРУ в 35 км от ГЭС в степной части

района. Против этого решения возразил завод “Электросила” и

эксплуатационная организация. Пережитый и негативный опыт

освоения гидрогенераторов 500 МВт на Красноярской ГЭС показал,

что они нуждаются в достаточно щадящем режиме использования

в энергосистеме. В случае же расположения ОРУ на большом рас-

стоянии электрический переход по сложной горной местности от ГЭС

до ОРУ становится уязвимым для грозовых отключений, как обычная

ЛЭП-500 кВ, работающая в таких условиях. А это означало бы, что при

любом коротком замыкании на переходе, несмотря на отключение его со

стороны ОРУ, место КЗ продолжал бы питать генератор в течение всего

времени гашения поля ротора, которое составляет около 1,6 с вместо

0,04-0,15 с – время отключения выключателя.

Коммутационных аппаратов, включенных непосредственно в

цепь гидрогенераторов и способных отключать их при протекающем

токе короткого замыкания такой мощности (280 кА), отечественным

высоковольтным аппаратостроением пока не создано. В переходный

коммутационный период, как мы видели в соответствующем разделе,

418

возникает апериодическая составляющая тока статора с частотой,

вызывающей резонанс вибрации обмотки статора, которому обмотка

будет подвержена на порядок больше по времени, чем при отклю-

чении генератора от места КЗ выключателем. Согласиться с этим, как

с нормальным режимом, который будет часто происходить в прак-

тике эксплуатации, было нельзя. Поэтому ОРУ-500 кВ было рас-

положено на расстоянии 1 км от ГЭС. Под территорию ОРУ был

использован лог (рис. 6.1) Карлова ручья, а сам ручей переведен в

подземное под ОРУ искусственное русло. Несмотря на такие финан-

сово-материальные затраты, это решение является оправданным,

поскольку короткий воздушный электрический переход от ГЭС до

ОРУ намного надежнее воздушных линий электропередачи (ВЛ),

которые проходят по горному лесистому району. Переход надежнее

как по механическим характеристикам и грозозащите, так и по

замыканиям на землю, вероятность которых на ВЛ высока из-за

быстро растущей на трассах поросли и ионизации воздуха при лес-

ных пожарах.

Рис. 6.1 Лог Карлова ручья, место расположения ОРУ-500 кВ

Саяно-Шушенской ГЭС

За 20-летний период эксплуатации на переходе от ГЭС к ОРУ

не было коротких замыканий по указанным причинам, а на ВЛ на

горном – 35-километровом участке произошло 58 отключений, т.е.

3 отключения ежегодно. Главная схема первичных соединений

построена, в первую очередь, исходя из этих условий, а также из до-