//Электрика. – 2010. – № 6.– С. 31–35.
ОБ АВАРИИ НА САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС*
Ю. П. Попов, профессор, канд. техн. наук, eet-215@yandex.ru
Политехнический институт Сибирского федерального университета
Летом 2009 года произошла национальная трагедия на Саяно-Шушенской ГЭС: погибли люди, электростанция перестала вырабатывать электроэнергию. Ростехнадзор назвал причины аварии на Саяно-Шушенской, опубликован "Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 г. в филиале открытого Акционерного общества «РусГидро» – Саяно-Шушенская ГЭС имени П. С. Непорожнего" [1].
Позволю себе предложить вниманию специалистов собственное видение происшедшего. Мой многолетний опыт преподавателя электротехнических дисциплин даёт возможность считать, что изменение нагрузки гидрогенератора осуществляется за счёт количества воды, подаваемой на турбину: больше воды – увеличивается скорость вращения – генератор набирает нагрузку; меньше воды – уменьшается скорость вращения – нагрузка уменьшается.
В соответствии с представлениями, изложенными в учебниках по электромеханическим переходным процессам в электрических системах, передача электроэнергии по сетям переменного тока определяется углом δ (рис. 1) между "приведёнными" (с учётом количества пар полюсов) осями роторов одного или нескольких генераторов, включённых на параллельную работу, и двигателей нагрузки (приёмной энергосистемы).
Рис. 1. К понятию угла δ: 1 − "ротор" генератора (электростанции); 2 − "ротор" двигателя (приёмной энергосистемы); ω − скорость и направление вращения
Рассмотрим самую элементарную схему (рис. 2, 3): генератор Г, через трансформатор Т и линию Л передаёт активную мощность Р в приёмную систему, где Е, Uc – соответственно действующие значения ЭДС генератора (генерирующей станции), напряжения на шинах приёмной системы, нагрузки, приведённые к одной ступени напряжения; Z∑ − суммарное комплексное сопротивление элементов схемы.
Рис. 2. Схема линии электропередачи
Рис. 3. Схема замещения (пренебрегая проводимостями)
В соответствии с законом Ома (пренебрегая активными сопротивлениями элементов схемы), запишем:
(1)
где Iа, IL – активные и индуктивные составляющие полного тока I, передаваемого на шины приёмной системы, нагрузки.
В соответствии с векторной
диаграммой напряжений на комплексной плоскости (рис. 4) из треугольника находим
, умножив
числитель и знаменатель на Uc,
получим 
–
выражение, с помощью которого можно понять физический смысл передачи активной
мощности на переменном токе:
,
(2)
т. е. "угловую характеристику передаваемой мощности" (рис. 5).
Рис. 4. Векторная диаграмма напряжений линий электропередач
Рис. 5. Угловая характеристика передаваемой мощности:
1 − электрический (тормозной) момент от нагрузки; 2 − механический момент на валу генератора
Как видно, в точке b механический и "электрический" моменты равны, генератор работает с углом δ0, при увеличении нагрузки (точка с) нужно увеличить механический момент, при уменьшении (точка b) – уменьшить.
На участке 0d "угловой характеристики передаваемой мощности" режим устойчивый: увеличивается скорость вращения ротора генератора − увеличивается выдаваемая мощность ("тормозной" момент); на участке de и ниже – режим неустойчивый: скорость вращения ротора увеличивается − выдаваемая мощность уменьшается.
При угле δ, близком к 120º, можно считать, что в цепи "генератор–приёмная система" происходит короткое замыкание, так как каждая из трёх фаз генератора фактически оказывается электрически соединённой с разноименной фазой шин нагрузки (приёмной системы), генератор от токовых защит должен отключиться.
Согласно [1], авария произошла на гидроагрегате № 2 после 08.00 (время местное) 17 августа 2009 г.; после срыва крышки турбины гидроагрегат поднялся вверх, повредил здание машинного зала, упал на соседний генератор, хлынувшей через камеру турбины водой затопило машинный зал, погибли люди, повреждено оборудование станции.
При наложении данных из таблицы на приведённую выше "угловую характеристику передаваемой мощности" (рис. 6) можно предположить, что гидроагрегат № 2 от токовых защит отключился от сети, турбины и ротор генератора приобрели очень большую угловую скорость.
Рис. 6. "Угловая характеристика передаваемой мощности" ГА-2
Данные по регулированию мощности ГА-2 [1]
|
№ п/п |
Время (местное) |
Мощность, МВт |
|
|
часы |
минуты |
||
|
6 |
0 |
30 |
135 |
|
7 |
0−7 |
30−03 |
10÷255 |
|
8 |
7 |
03 |
600 |
|
9 |
7 |
29 |
170 |
|
10 |
7−7 |
30−45 |
170÷260 |
|
11 |
7 |
46 |
610 |
|
12 |
7−8 |
47−00 |
605 |
|
13 |
8 |
12 |
575 |
|
14 |
8 |
13 |
475 |
|
15 |
8 |
13 |
0 |
Если предположить, что генератор отключился от сети, начал разгоняться при отсутствии или неправильной работе электромеханических защит, то гидроагрегат должен (при непрерывности водяного потока) перейти из генераторного режима (усилие на колесо турбины вниз) в насосный режим (усилие − вверх). Например, если на центробежный насос подавать воду, он работает в режиме генератора; если крутить ротор насоса, опущенного в воду, он работает в режиме насоса.
Как видно из рис. 6, после 07.47 генератор начал разгоняться, в 08.13 отключился от сети, продолжая разгоняться; если предположить, что его скорость увеличилась относительно скорости водяного потока, он перешёл в насосный режим, турбина фактически превратилась в винт генератора – "вертолёт", и гидроагрегат поднялся вверх (рис. 7–12 [3]).
Рис. 7. Турбинная установка с радиально-осевой турбиной Саяно-Шушенской ГЭС с водоприёмником, зданием ГЭС с водоводом, спиральной камерой, агрегатом и отсасывающей трубой:
1 − воздухоприёмный канал; 2 – сороудерживающая решётка; 3 – ремонтный затвор; 4 – быстропадающие затворы; 5 – гидроподъёмник; 6 – турбинный водовод; 7 – козловой кран; 8 – камера рабочего колеса турбины; 9 – обод колеса с лопастью; 10 – ступица колеса; 11 – спиральная камера; 12 – колонны статора; 13 – железобетонный массив; 14 – направляющий аппарат (НА) вертикальных лопаток; 15 – отсасывающая труба для отвода воды от турбины; 16 – ремонтный затвор; 17 − сервомоторы для управления лопатками направляющего аппарата; 18 – вал соединения турбины с генератором; 19 – опора генератора; 20 – крышка турбины; 21 – генератор; 22 – маслонапорная установка для привода лопаток НА; 23 – мостовые краны; 24 – козловой кран для подъёма и опускания ремонтного затвора; 25 − система токопроводов; 26 – повышающий трансформатор; 27 − проводá.
Рис. 8. Сервомотор гидроподъёмника:
1 − корпус (цилиндр); 2 − поршень; 3 − шток; 4 − устройство гидравлического торможения при подходе затвора к порогу; 5 − проýшина
Рис. 9. Внешний вид рабочего колеса гидротурбины Саяно-Шушенской ГЭС
Рис. 10. Крышка турбины в сборе с опорой подпятника и индивидуальными сервомоторами привода лопаток направляющего аппарата Саяно-Шушенской ГЭС
Рис. 11. Фрагмент крышки турбины с индивидуальными сервомоторами привода лопаток направляющего аппарата:
1 − крышка турбины, 2 − корпус индивидуального сервомотора 3 − золотник индивидуального сервомотора, 4 − промежуточный сервомотор, 5 − поршень со штоком индивидуального сервомотора, 6 − лопатка направляющего аппарата 7 − верхний подшипник лопатки; 8 − средний подшипник, 9 − нижний подшипник, 10 − побудительный золотник, 11 − рычаг, 12 − тяга
Рис. 12. Разрез по гидрогенератору Саяно-Шушенской ГЭС:
1 − перекрытие генератора; 2 − контактные кольца ротора; 3 − генераторный подшипник; 4 − железобетонный кожух ("бочка") генератора; 5 − крестовина; 6 − лобовые части обмотки статора; 7 − полюсы ротора; 8 − сердечник статора; 9 − корпус статора; 10 − обмотка возбуждения; 11 − воздухоохладители; 12 − спицы ротора; 13 − вал; 14 − подпятник; 15 − тормозной диск (кольцо); 16 − обод ротора; 17 − остов ротора
"Для того, чтобы
определить кинетическую энергию тела, применяют формулу 
, где m
− масса тела; v
− скорость движения тела" [4]. В рассмотренном случае: m
− масса гидроагрегата; 
,
где v1
− скорость вращения колеса турбины гидроагрегата; v2
− скорость водяного потока.
"Для защиты турбины в случае отказа направляющего аппарата имеются специальные пазы, где установлены быстропадающие затворы (аварийные), которые опускаются от действия автоматических устройств, контролирующих недопустимое повышение частоты вращения агрегата. Быстропадающий затвор приводится в действие гидроподъёмником" [2, с. 138].
"Режим готовности сервомотора к сбросу аварийного затвора состоит в том, что затвор удерживается в верхнем положении лишь на масляной «подушке», находящейся под поршнем. Достаточно открыть клапан, отсекающий масляную подушку от бака МНУ, как затвор, вытесняя масло собственным весом, пойдёт на сброс" [там же, с. 183].
Из предложенных вниманию читателей наших рассуждений становится ясной причина аварии: отказ в работе "быстропадающего затвора" и автоматических устройств управления лопатками турбины направляющего аппарата гидроагрегата.
Опираясь на простые физические посылки, нами понят факт "взлёта" турбины, что дополняет материалы большого количества публикаций об аварии и выводы высокой правительственной комиссии.
Список литературы
1. Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 г. в филиале открытого Акционерного общества "РусГидро" − Саяно-Шушенская ГЭС имени П. С. Непорожнего.
2. Брызгалов В. И., Гордон Л. А. Гидроэлектростанции: Учеб. пособие. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. 541 с.
3. Брызгалов В. И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. Монография. Красноярск: Сибирский издательский дом "Суриков", 1998.
4. Пёрышкин А. В. Физика: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. 7 класс. 6-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2002. 192 с.