Опыт создания и работы Выборгской выпрямительно-инверторной подстанции

Балыбердин Л. Л., Галанов В. И., кандидаты техн. наук, Ковалев В. Д., доктор техн. наук,
Казаров С. С., канд. техн. наук, Смирнов А. А., Гольберг М. И., инженеры
НИИПТ - ВЭИ - ВП МЭС Северо-Запада ЕЭС России

В декабре 2001 г. исполняется 20 лет со дня ввода в эксплуатацию первого преобразовательного блока на вставке постоянного тока (ВПТ) электропередачи 330/400 кВ Россия - Финляндия.
Это событие явилось результатом реализации межправительственного соглашения о сотрудничестве в области энергетики между внешнеторговым объединением Энергомашэкспорт (СССР) и финской фирмой “Иматран Войма”, в соответствии с которым в 1975 г. был заключен контракт о поставках электроэнергии из ЕЭС в энергосистему Финляндии, входящую в состав североевропейского объединения НОРДЕЛ. ЕЭС и объединение НОРДЕЛ отличаются как по требованиям к точности поддержания частоты, так и средствами ее автоматического регулирования.
Исследования и технико-экономические сопоставления возможных вариантов схемы межгосударственной связи показали, что наиболее приемлемым является вариант с линиями переменного тока 330/400 кВ и нереверсивной вставкой постоянного тока в районе г. Выборга. При этом решалась также задача усиления энергоснабжения Выборгской промышленной зоны.
Для того, чтобы оценить масштабы проблем, которые впервые в энергетике нашей страны пришлось решать при создании асинхронной межгосударственной связи, приведем основные требования к ней, согласованные сторонами при заключении контракта:
Годовой объем передаваемой электроэнергии,                 4 0
млрд. кВт-ч
Расчетная (базовая) мощность, МВт                               600,0
Максимальная мощность при аварийных ситуациях в энергосистеме Финляндии, МВт 1000 0
Технический минимум мощности, МВт                         100,0
Возможность дистанционного регулирования + 10% мощности      текущей
Ограничение суммарного действующего значения высших гармоник тока в отходящих линиях 400 кВ как для диапазона частот           20 100 - 200 Гц, так и для частот 250 Гц и выше,
А, не более
Суммарный переток реактивной мощности по + 300 линиям 400 кВ в сечении “граница”, МВ-А
- МЭС Северо-Запада ЕЭС России - ГП ОДП
Построение подстанции, многие схемные и конструктивные решения преобразователей Выборгской ППТ имели мировой приоритет и реализовали несколько десятков оригинальных разработок, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения и патентами.
Так, основой Выборгской ВПТ являются идентичные по схемам и параметрам преобразовательные блоки номинальной мощностью по проекту 355 МВт, включенные параллельно между сборными шинами 330 и 400 кВ подстанции (см. рисунок). По первому контракту их было три. Вторым контрактом 1992 г. было предусмотрено создание четвертого блока.
В состав каждого блока входят: четыре мостовых преобразователя М1 — М4, образующие вместе со сглаживающими реакторами контур постоянного тока;
две группы силовых трансформаторов (ТВ и ТИ); фильтровые конденсаторные батареи; коммутационная и измерительная аппаратура (выключатели, разъединители, трансформаторы тока, делители напряжения);
аппаратура системы управления, регулирования, защиты и автоматики блока.
Номинальные параметры мостов выпрямителя и инвертора по проекту одинаковы — 2100 А (после реконструкции — 2400 А), 85 кВ.
Силовые трансформаторы, связывающие двухмостовые преобразователи (выпрямители, инверторы) со сборными шинами, соответственно 330 и 400 кВ — однофазные, трехобмоточные. Мощность трехфазной группы, питающей два одноименных моста, 405 МВ-А. Номинальные линейные напряжения обмоток — 330/67/38,5 кВ (выпрямитель) и 44/70/38,5 кВ (инвертор). Вентильная обмотка каждого трансформатора состоит из двух полуобмоток, одинаковых по мощности, отличающихся схемой соединения (звезда и треугольник).

Принципиальная электрическая схема Выборгской ВПТ
Блочное построение ВПТ позволяет осуществлять независимое регулирование выпрямленных тока, напряжения и мощности; ограничивать напряжение, воздействующее на изоляцию оборудования в рабочих, переходных и аварийных режимах; унифицировать оборудование; осуществлять поэтапный ввод мощности; свести к минимуму нарушения графика экспортных поставок; обеспечивать возможность подключения и отключения одного из блоков для проведения планового или аварийного ремонта без какого-либо вмешательства в условия работы остальных блоков.
В схеме преобразователей осуществлено симметрирование двухмостовых выпрямителей и инверторов относительно земли путем присоединения средних точек последовательно соединенных мостов через резисторы к защитному заземлению подстанции. Такая схема позволяет сохранять работоспособность при возникновении короткого замыкания в любой точке контура постоянного тока.
Для исключения взаимного влияния выпрямителя и инвертора при включении вентилей и обеспечения полной симметрии напряжений, воздействующих на главную изоляцию оборудования преобразовательных блоков, между незаземленными полюсами преобразователей включены два разделяющих реактора.
Ограничение перенапряжений в переходных процессах обеспечивается с помощью резисторноконденсаторных демпфирирующих цепочек, шунтирующих на землю полюса каждого двухмостового преобразователя.
Чрезвычайно высокие требования к фильтрации гармоник тока, вызванные широко развитой телефонной сетью и высоким сопротивлением грунтов в районе пролегания межгосударственной линии электропередачи, потребовали разработки двухступенчатой схемы фильтров. В этой схеме узкополосные звенья фильтров (5-й, 11-й и 13-й гармоник) присоединены к шинам третичных обмоток преобразовательных трансформаторов, а широкополосные звенья разнесены между шинами третичных обмоток и шинами 330 и 400 кВ. Таким образом, многозвенные фильтры на шинах третичных обмоток совместно с широкополосными фильтрами на шинах 330 кВ (400 кВ) образуют П-образные фильтры, продольная ветвь которых - индуктивные сопротивления рассеяния между сетевыми и третичными обмотками преобразовательных трансформаторов.
В высоковольтных тиристорных вентилях применены: “следящая” система управления; передача световых импульсов управления, формируемых твердотельными лазерами, по волоконным оптическим каналам; отбор мощности для питания с.н. тиристорных ячеек на высоком потенциале; охлаждение тиристоров и других тепловыделяющих элементов глубоко химочищенной водой; защита вентильных блоков от перенапряжений с использованием ограничителей из высоконелинейных резисторов; модульное построение вентиля.
В части системы управления, регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА) остановимся только на одном техническом решении.
Кроме выполнения традиционных задач по обеспечению устойчивости, точности и других функций, возлагаемых на подсистему быстродействующего регулирования, в данной подсистеме реализованы новые - уменьшение влияния преобразователей на режимы связываемых энергосистем путем снижения уровней неканонических гармоник, а также ограничение сбросов передаваемой мощности в переходных процессах, вызываемых нарушениями режима или его изменениями в любом из параллельно работающих блоков. Для этого в переходных процессах применен метод, основанный на динамическом управлении выпрямленным током преобразовательного блока в зависимости от минимального угла отключения инвертора, а не форсированное воздействие на углы опережения включения инвертора.
Учитывая международное значение электропередачи, особое внимание при разработке технических решений по ВПТ, при создании нового нестандартного оборудования (высоковольтные тиристорные вентили, аппаратура СУРЗА и др.), при его наладке и испытаниях было уделено вопросам обеспечения надежности.
Во-первых, многие технические решения по нестандартному оборудованию предусматривали дублирование или троирование ответственных узлов (лазеры в каналах световой системы управления, генераторы управляющих импульсов, ячейки управления, субблоки СУРЗА и т.д.); мажоритарный принцип действия некоторых элементов аппаратуры (два из трех); питание ответственных потребителей от двух источников; разделение контуров водяного охлаждения.
Во-вторых, головные образцы нестандартного оборудования проходили наработку на специальных стендах в г. Тольятти, Белом Расте, НИИПТ, после чего по возникшим замечаниям в схемы, конструкции, алгоритмы, технологические процессы вносились коррективы. Контроль за проведением наработки и приемка оборудования осуществлялись межведомственными комиссиями.
В-третьих, заводами-изготовителями была осуществлена комплексная поставка преобразовательного и высоковольтного оборудования со всеми входящими с них системами и элементами.
В-четвертых, на подстанции все оборудование проходило входной контроль, наладку, проверку на моделях и эквивалентных стендах (этап пусконаладки) и большой объем системных испытаний в составе преобразовательных блоков.
Испытания блоков проводились объединенной бригадой специалистов НИИПТ, ВЭИ, наладочных организаций, шеф-инженеров заводов - изготовителей оборудования. В системных испытаниях принимали участие также специалисты Финляндии.
На этапе пусконаладки преследовались следующие цели: проверка правильности монтажа и устранение ошибок в схемах вторичной коммутации; согласование всех подсистем; проверка работоспособности оборудования блоков; обучение ремонтного персонала.
Пусконаладочные испытания проводились без связи с энергосистемой Финляндии, для чего специальной перемычкой соединялись третичные обмотки выпрямительного и инверторного трансформаторов испытуемого блока. Питание осуществлялось со стороны российской энергосистемы и туда же, за вычетом потерь, энергия возвращалась. Испытания предусматривали работу блока при половинной от номинала нагрузке, диктуемой мощностью третичных обмоток, в установившихся, переходных и некоторых аварийных режимах. Они позволяли в достаточной мере оценить воздействия на оборудование, проверить работу аппаратуры СУРЗА и систем резервирования.
Для проверки действия защит имитировались некоторые виды отказов оборудования. Выполнялись оперативные вводы и выводы из работы блоков, однофазные и двухфазные опрокидывания инвертора, пропуски включения вентилей выпрямителя, длительная работа блоков. Испытания показали, что оборудование и аппаратура блоков функционируют нормально, характер процессов соответствует расчетному, аппаратура систем управления, регулирования, защиты и автоматики действует в установившихся, переходных и аварийных режимах в соответствии с заданными алгоритмами.
После включения каждого из блоков на энергосистему Финляндии производились системные испытания - статические и динамические.
Статические испытания ставили целью проверить работу преобразовательных блоков в реальных условиях передачи в установившихся режимах и режимах оперативных коммутаций оборудования. Определялись диапазоны регулирования активной мощности от 100 МВт до номинала, перетоки реактивной мощности по линиям 330 и 400 кВ и возможности ее изменения; измерялись уровни напряжений на сборных шинах подстанции и гармоники тока в линиях 330 и 400 кВ.
Степень подавления гармоник тока оценивалась сопоставлением гармоник, измеренных в линиях 330 и 400 кВ и в фазах вентильных обмоток. Полученные данные соответствовали расчетным. Испытания одновременно двух, трех и четырех блоков показали, что операции включения и коммутаций в одном из них в основном не влияют на устойчивость работы другого (других).
Но, как и ожидалось, мешающее влияние на работу блоков может оказывать включение на холостой ход трансформаторов другого, параллельно подключенного блока, при этом возникают ферро- резонансные явления в контурах, образуемых ими с конденсаторными батареями. Развитие ферроре- зонансных явлений носит, в известной мере, статистический характер и зависит от остаточного намагничивания трансформаторов, фазы включения, состава оборудования.
Одно из мероприятий, предотвращающих нежелательный ход процесса, было реализовано уже в ходе испытаний. Было признано целесообразным включать конденсаторные батареи на третичных обмотках не ранее чем через 1 — 2 мин после включения силовых трансформаторов. При выводе блоков из работы сначала отключаются фильтры, а затем — трансформаторы.
Другое мероприятие (это совершенствование земляных защит конденсаторных батарей фильтров гармоник, которое осуществляется.
Динамические испытания подстанции выполнялись в несколько ступеней и ставили целью проверку работы оборудования вставки как звена примыкающих энергетических систем. Испытания проводились в схеме с одним, двумя, тремя и четырьмя блоками при различном составе фильтрокомпенсирующих устройств.
Динамическими испытаниями были предусмотрены коммутации фильтрокомпенсирующих устройств и преобразовательных трансформаторов, специально организованные в отправной и приемной энергосистемах, сброс и наброс нагрузки, АПВ передачи и линий, имитации нарушения режима работы преобразовательных блоков. Регистрация явлений велась одновременно на Выборгской подстанции и на подстанции Юликкяля в Финляндии. Фиксировалось одновременно до 250 явлений в различных точках подстанций. Затем материалы испытаний проходили совместную обработку и анализ.
Показатели работы Выборгской ВИП

В процессе испытаний исследовались два режима работы преобразовательного блока, которые представляют значительный интерес из-за увеличенных воздействий на оборудование преобразовательного блока. Это режимы обрыва связи с приемной или передающей энергосистемами, получившие наименование “обрыв транзита”. Опыты показали, что обрыв связи с приемной энергосистемой приводит к воздействиям на оборудование преобразовательного блока, близким к критическим. Специально разработанные защиты позволили снизить эти воздействия.
С целью проверки возможности быстрого изменения мощности вставки и определения реакции приемной энергосистемы осуществлялся мгновенный сброс нагрузки 600, 900 и 1050 МВт с последующим ее набором.
При испытаниях, а затем и эксплуатации было доказано, что изменение частоты в большом диапазоне в любой из систем не отражается на работе блоков. В одном из опытов при работе с разрывом связи с передающей системой выпрямитель одного блока питался от синхронного компенсатора, который интенсивно тормозился, и частота на отправных шинах упала до 33 Гц. Однако система управления блока работала устойчиво, пока режим не был прекращен действием защиты минимального тока.
При аварии в шведской энергосистеме 26 декабря 1983 г. произошло ее разделение с финской энергосистемой, после чего частота в последней стала падать. Вставка работала при мощности 600 МВт. Через 16 с с момента начала аварии частота снизилась в финской энергосистеме до величины, много ниже номинальной. Электропередача с ВПТ продолжала нормально функционировать.
Измерения потерь в оборудовании подстанции показали, что ее КПД на участке шины 330 кВ — шины 400 кВ составляет (с доверительной вероятностью 0,9) 97,3 — 97,7%. Следует отметить, что в настоящее время, после замены высоковольтных тиристорных вентилей старого поколения на более совершенные, КПД подстанции выше.
Большой объем пусконаладочных и системных испытаний оправдал себя, ускорив пуск мощной вставки постоянного тока и надежную ее работу в течение многих лет.
За время эксплуатации вставки неоднократно возникали аварийные ситуации, многие из которых имитировались при испытаниях. В большинстве случаев передача энергии не прекращалась и вставка несла заданную диспетчерским графиком нагрузку.
В процессе 20-летней эксплуатации вставки подтверждена правильность схемных, режимных и конструкторских решений по основным видам оборудования. Эффективной и надежной зарекомендовала себя аппаратура системы управления, регулирования, защиты и автоматики преобразовательных блоков. Были решены вопросы электромагнитной совместимости вставки с примыкающими энергосистемами. Вставка является высокоманевренным, надежным элементом электропередачи (таблица).
Одним из важнейших критериев оценки надежности работы преобразовательного оборудования является число выходящих из строя тиристоров вентильных блоков. Мировым уровнем принято считать выход в год 0,5% установленных. В высоковольтных тиристорных блоках Выборгской ВПТ эта величина практически не превышается.
Достаточно неожиданным оказалось значительное число отказов оборудования переменного тока. Этот факт коррелируется с данными, приведенными в обзоре по надежности связей на постоянном токе высокого напряжения в мире за период 1997                - 1998 гг., доложенном ИК 14 СИГРЭ в 2000          г.
Экспортные возможности электропередачи с ВПТ позволили приносить стране прибыль от экспорта электроэнергии в течение длительного времени. Создание вставки показало высокие возможности отраслевой науки, электротехнического производства, проектировщиков и энергетического строительного комплекса. На вставке использовалось только оборудование отечественной разработки и изготовления. При создании линии электропередачи с ВПТ удалось наладить взаимодействие специалистов многих организаций: научно-исследовательских и проектных институтов, предприятий - изготовителей оборудования, строителей, монтажников, наладчиков, эксплуатационников, руководителей отрасли. Этот опыт мог бы принести огромную пользу при создании других объектов постоянного тока. Надежная работа сложного высоковольтного преобразовательного оборудования и его систем придала уверенности всем специалистам энергетики - сторонникам создания ВПТ и ППТ. Работа по созданию ВЛ Россия - Финляндия с ВПТ была отмечена Государственной премией.
Конечно, в процессе создания ВПТ и ее эксплуатации имелись и недостатки в технических решениях, частично преодоленных, а частично не нашедших своего решения на данном объекте, но вполне устранимых в следующих проектах.
Очевидно, что за годы эксплуатации многие виды оборудования вставки приблизились к предельным срокам наработки по действующим в настоящее время нормам.
При решении вопросов замены этого оборудования вполне целесообразным будет оснащение ВПТ оборудованием нового поколения. В частности, преобразователи могут быть выполнены с применением полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, использование которых позволит улучшить технико-экономические показатели и основные характеристики вставки. Следует отметить повышение внимания к работе электропередачи с ВПТ со стороны нового руководства РАО “ЕЭС России”.
Вставка находится в постоянном развитии и обновлении. Преобразовательные блоки с новыми вентилями были испытаны при выпрямленном токе 2400 А, что дало возможность повысить номинальную мощность каждого блока до 380 МВт. Блоки оснащены высоковольтными тиристорными вентилями нового поколения, более совершенными и с меньшими потерями, нежели вентили старого поколения.
Устройства управления, регулирования, защиты и автоматики, выполненные на дискретных элементах, проработавшие по 20 лет, заменяются на цифровые. Полной модернизации подверглась АСУ ТП подстанции. Совершенствуются устройства защиты и противоаварийной автоматики, конденсаторные батареи фильтров высших гармоник, системы регистрации и записи предаварийных и аварийных процессов, главный щит управления, устройства связи, источники бесперебойного питания, дизайн и отделка зданий, реконструированы некоторые узлы синхронных компенсаторов.
Как уже указывалось, в 2000 г. пущены в эксплуатацию четвертый преобразовательный блок и еще две линии 330 кВ. Идет строительство и монтаж распредустройства для передачи мощности от первого блока Северо-Западной ТЭЦ по выделенным линиям 330 и 400 кВ.
Вместе с тем увеличение мощности ВПТ и возрастающие требования со стороны приемной энергосистемы выдвигают необходимость исследования и решения новых вопросов.
Большую тревогу и сожаление вызывает тот факт, что ВПТ на линии Россия - Финляндия остается единственным объектом постоянного тока в отечественной энергетике.
Двадцатилетний перерыв в разработке и создании такой сложной техники, какими являются вставки и электропередачи постоянного тока, отбрасывают энергетическую науку и электротехническую промышленность России в аутсайдеры, нарушает преемственную связь специалистов в этой области.
Вместе с тем имеющиеся проработки по концепции использования электропередач и вставок постоянного тока показывают целесообразность сооружения таких объектов как в ЕЭС России, так и на межгосударственных электроэнергетических связях. При этом опыт сооружения и длительной надежной эксплуатации Выборгской вставки постоянного тока, несомненно, окажется полезным и востребованным.