Глава III. Как гидроагрегат № 2 отправился в "полет"

Из истории строительства СШГЭС:
"Крупнейшее предприятие Ленинграда - производственное электромашиностроительное предприятие (ЛПЭО) "Электросила" (главный конструктор А.А. Дукштау) создало для СШГЭС гидрогенератор номинальной мощности 640 тыс. кВт с номинальным напряжением 15750 В с частотой вращения 142,8 об/мин.  Гидрогенераторы — зонтичного типа с подпятником на крышке турбины с одним направляющим подшипником в центре верхней крестовины. На одном валу с генератором расположены вспомогательный генератор возбуждения и тахогенератор питания электрогидравлического регулятора скорости вращения турбины" (см. здесь и здесь). 
Источник снимка. Все права на снимок принадлежат его владельцам




        ГЛАВА III. КАК ГИДРОАГРЕГАТ № 2 ОТПРАВИЛСЯ В "ПОЛЕТ"




     НЕОБХОДИМЫЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ  ЭКСПЕРТНОГО ЗАКЛЮЧЕНИЯ  ПО ПРИЧИНАМ АВАРИИ НА СШГЭС

     Нашим расчетам предпошлем свидетельство одного из очевидцев аварии, Главную электрическую схему СШГЭС, Схему распределения токов короткого замыкания и схемы замещения [61], данные генераторов, установленных на ГЭС, чтобы обосновать главную причину аварии.
     «Персонал электростанции, находившийся в машинном зале, услышал громкий хлопок в районе гидроагрегата № 2 и увидел выброс мощного столба воды. Олег Мякишев, очевидец аварии, описывает этот момент так:
     «...Я стоял наверху, услышал какой-то нарастающий шум, потом увидел, как поднимается, дыбится рифлёное покрытие гидроагрегата: Потом видел, как из-под него поднимается ротор. Он вращался. Глаза в это не верили. Он поднялся метра на три. Полетели камни, куски арматуры, мы от них начали уворачиваться… Рифлёнка была где-то под крышей уже, да и саму крышу разнесло… Я прикинул: поднимается вода, 380 кубов в секунду, и — дёру, в сторону десятого агрегата. Я думал, не успею, поднялся выше, остановился, посмотрел вниз — смотрю, как рушится всё, вода прибывает, люди пытаются плыть… Подумал, что затворы надо закрывать срочно, вручную, чтобы остановить воду… Вручную, потому что напряжения-то нет, никакие защиты не сработали…», стр.3 [60].

Рис. 4.Разрез по гидрогенератору Саяно-Шушенской ГЭС:

         Обозначения к рис. 4
1 - перекрытие генератора; 2 - контактные кольца; 3 - генераторный подшипник; 
           4 - железобетонная "бочка" генератора; 5 - крестовина генератора; 6 - лобовые части обмотки статора; 
           7 - полюс; 8 - сердечник статора; 9 - корпус статора; 10 - обмотка возбуждения; 11 - воздухоохладитель; 
           12 - спица ротора; 13 - вал; 14 - подпятник генератора; 15 - тормозное кольцо; 16- обод.
 
     Диаметр ротора                                                 – 11800мм,
     воздушный зазор между статором и ротором       –      30 мм;
     высота активного железа  статора                 –   2750 мм;
     высота активного железа  ротора                          –  3100 мм;
     масса ротора                                                  –    912 тонн;
     общий вес «взлетевшей» части агрегата 1687 тонн, в том числе:
     рабочее колесо                                                     –   154 тонны,
     крышка турбины                                                    –   379 тонн,
     ротор генератора                                                   –   912 тонн,
     вал с подшипником и подпятником                        –   242 тонны;
     момент инерции ротора                                          –   25,5·10 кгм²
     частота вращения ротора                                       – 142,8 об/мин;
     генератор рассчитан на двойную скорость              – 280 об/мин;
     число полюсов                                                       –   42;
     число витков обмотки статора                                  –  28;
     номинальная полная мощность                               – 711 МВА;
     коэффициент мощности cosφ = 0,9;
     напряжение                                                             – 15,75 кВ;
    

     Примечание: Для достижения высоких технико-экономических показателей, снижения габаритов и массы в гидрогенераторе осуществлены непосредственное водяное охлаждение обмотки статора и форсированное воздушное охлаждение обмотки ротора - обмотка статора состоит из трубчатых (элементарных полых) проводников, охлаждаемых дистиллированной водой, стр. 163 [56].

Фото 7. Ротор генератора диаметром 11800 мм




Фото 8. Гидротурбина. Общий вес «взлетевшей части» гидроагрегата ‎(ротор и гидротурбина)‎ 1687 тонн!


Рис.5. СШГЭС. Главная электрическая схема.


  

Рис.6. Схема распределения токов короткого замыкания и схема замещения



РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ СШГЭС В ЕДИНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ РОССИИ

     Мы связываем начало аварии с поступлением воды в воздушный зазор между статором и ротором генератора, которая может проникнуть туда двумя путями:
     – в результате повреждения обмотки статора, поскольку обмотка статора состоит из трубчатых (элемен-тарных полых) проводников, охлаждаемых дистиллиро-ванной водой, стр. 163 [56]. Такие явления происходили на Красноярской ГЭС. Подобное короткое замыкание уже было 10 лет назад на ГА №7 СШГЭС на нижних лобовых частях обмотки из-за течи фторопластового шланга водоподвода к стержням обмотки статора. Следы перекрытий были в области нижних лобовых частей. Дуга зажигалась в нескольких местах, расплавив головки стержней верхнего ряда.  По-видимому,  были замыкания на землю: двух, трехфазные короткие замыкания. Часть стержней  была повреждена. Авария не получила развитие, поскольку автоматика вовремя произвела отключение.
     В нашем  случае авария начинается немедленно, даже до заполнения водой всего воздушного зазора. После появления воды, растворяющей соли, содержащиеся в изоляционных материалах, короткие замыкания могут быть одно, двух, трехфазными, витковыми, но мы ведем расчет только трехфазного короткого замыкания статора без коротких замыканий в роторе, учитывая, впрочем, скачок тока и в роторе тоже, связанном с коротким замыканием в статоре;
     - мы не исключаем также проникновение воды через неплотности между крышкой турбины и крепежным узлом. 
     Сначала определим вклад в короткое замыкание на ГА №2 от Единой Энергетической Системы, связанной с СШГЭС двумя ЛЭП-500 через подстанции Новокузнецка и Саяногорска, затем - вклад от генераторов самой станции и собственно генератора ГА №2 и оценим результат.



 

Фото 9. Место срыва шпилек



     Процитируем В.Н.Тарасова [59]:  «Усталостный излом происходит в результате воздействия знакопеременной силы, превышающей предел выносливости материала. Такое разрушение развивается примерно по следующему сценарию:
-  в зоне повышенных напряжений (в шпильках это углубления витков резьбы) образуются микротрещины; 
- кристаллы, расположенные в устье трещины, начинают разрушаться. Трещина проникает   вглубь   тела,   причём   на   поверхностях   трещины   кристаллы   при контактных взаимодействиях истираются; 
- при развитии трещины сечение ослабляется, и на последнем этапе происходит внезапное разрушение.
     Поэтому поверхность разрушения обычно имеет две характерные зоны. Зона относительно гладкой поверхности усталостного излома, которая образуется постепенно. Зона внезапного разрушения с неповрежденными чистыми кристаллами.

Фото 10. Шпильки, которые не имели гаек, либо гайки были сорваны.


     Средняя площадь усталостного излома обследованных шпилек составляет примерно 65%. Следовательно, оборвавшая ослабленные шпильки (35%) сила должна быть не менее 6700 тонн. Если добавить вес агрегата, получается  8400 тонн».

      
      Сила же, возникающая при электромагнитном залпе составила Fx = 12420 тонн, что гарантировано разрушила крепежный узел. Если бы короткое замыкание произошло в другом генераторе, то крепежный узел находился бы в подобном состоянии и был бы также разрушен.
      В электромагнитном залпе участвовало 11 источников питания. Если бы ЕЭС вовремя была отключена, то залпа бы не последовало. Не последовало бы залпа и в том случае, если бы каждый генератор системы был вовремя отключен. Очевидцы утверждают, что звук короткого замыкания, и довольно долгий, был слышен не только в машинном зале, но и в сопредельных помещениях – это был период накопления энергии, затем раздался хлопок – это срыв крышки агрегата, затем из колодца появился вращающийся ротор, и хлынула вода. 

     В [24] член-корреспондент РАН Б.Г.Ершов, д.х.н. А.В.Пономарев замечают: «важной составляющей взрывной нагрузки на ротор, возникшей в процессе ударных вибраций и пробоев и, в конечном итоге, обусловившей его выброс, по-видимому,… явилось мощное электростатическое и магнитное отталкивание в агрегате, обусловленное переносом громадного заряда на ротор в условиях резкого снижения диэлектрической проницаемости и силы трения в ионизированной среде». 
     В [17] к.т.н. В.Ф.Воробьев отмечает: «…здесь, возможно, недооценен энергетический вклад энергетической системы и параллельно работающих генерирующих агрегатов. При торможении ротора поврежденного генератора его следует рассматривать как электрическую нагрузку, в которой будет рассеиваться энергия». Известно, что в ходе аварии возбуждение генератора действовало, а значит, было обеспечено электромагнитное взаимодействие ротора и статора. 
     В [62] д.ф.-м.н., проф. В.А.Саранин пишет, что «…принципиально нельзя исключить прямое преобразование электромагнитной энергии в кинетическую при аварии на СШГЭС. Для этого необходима серия одновременных дуговых разрядов по периметру ротора с силой тока в 1 МА. Тогда может сработать эффект электромагнитной пушки с выстрелом агрегата в машинный зал».
     Итак, целый ряд экспертов, особенно профессионально связанных с производством и эксплуатацией электрических машин, говорит о том, что развитие аварии связано с характером поведения электрических машин в переходных процессах при коротком замыкании.





 
Comments