Организация управления системой электроснабжения. Назначение релейной защиты и автоматики

Эффективность действия АВР в системах электроснабжения составляет 90…95%. Простота схем и высокая эффективность обусловили широкое применение АВР в электрических сетях и энергосистемах.

В схемах электроснабжения получило распространение резервирование элементов (например, линий, электродвигателей), выполненное на вводных или линейных выключателях, автоматах и т.п., и АВР линий и трансформаторов, выполненное на секционных выключателях или других коммутационных аппаратах (рис. 4, 5, 6).

Рис. 4. АВР линии	Рис. 5. АВР питания с помощью перемычки между подстанциями	Рис. 6. АВР трансформатора на секционном выключателе

 

В первом случае используется так называемый "холодный" резерв, а во втором - "горячий". На схеме рис. 4 в нормальном режиме питание потребителей осуществляется по рабочей линии, а резервная линия отключена выключателем В2. При повреждении рабочей линии устройство АВР отключает выключатель B1, а выключателем В2 включает резервную линию (разъединитель Р включен). Недостатки рассмотренной схемы:

1. Неудовлетворительное использование  резервного электрооборудования (в частности, резервной линии) ввиду нормальной работы его без нагрузки.

2. Тяжелые условия самозапуска  электродвигателей (одновременное переключение всех электродвигателей на резервную линию).

3. Значительно большие потери  электроэнергии, чем в схемах  питания потребителей по двум линиям с секционными аппаратами на подстанциях.

Из-за указанных недостатков этот тип схем с резервными элементами используется редко. На промышленных предприятиях они применяются, если в качестве резервных линий принимают короткие перемычки между подстанциями (рис. 5).

На рис. 6 приведена схема широко применяемая для питания потребителей 1 и 2 категорий. Питание осуществляется по двум рабочим линиям. Секционный выключатель В отключен. При повреждении одной из питающих линий или трансформатора устройство АВР отключает соответственно выключатель B1 или В2 и включает секционный выключатель В, восстанавливая тем самым питание обесточенной секции.

 

3. Автоматическая частотная разгрузка

 

Частота переменного тока в энергосистемах определяется угловой частотой вращения синхронных генераторов и является одним из главных показателей качества электрической энергии. Ее значение определяется условием равенства (баланса) активной мощности, потребляемой нагрузкой Рн, и мощности, вырабатываемой генераторами Рг. Если Рг = Рн, частота остается неизменной и сохраняется на уровне номинального значения. Для этой цели в энергосистемах применяются устройства автоматического регулирования частоты, воздействующие в каждый момент времени на увеличение или снижение суммарной мощности, вырабатываемой генераторами в зависимости от ее потребления нагрузкой. При Рг < Рп частота понизится и тем больше, чем больше неравенство.

Снижение частоты на 1…2 Гц уже ведет к серьезной опасности для нормальной работы энергосистемы. Глубокое же снижение частоты является аварийным для энергосистемы и недопустимо. Понижение частоты влияет на работу собственных нужд тепловых электростанций. Вследствие этого при уменьшении частоты до 45...46 Гц питательные насосы снижают производительность до нуля, а циркуляционные - на 25...40 %. Последнее вызывает  резкое снижение вырабатываемой генераторами мощности и дальнейшее уменьшение частоты, в результате чего возникает взаимосвязанный процесс, который развивающийся очень быстро, и в практике энергосистем получил название «лавины частоты». Уменьшение скорости вращения генераторов приводит также к уменьшению вырабатываемой реактивной мощности и к увеличению ее потребления, вследствие чего снижается напряжение в энергосистеме. При частоте 43...45 Гц процесс уменьшения напряжения может иметь лавинообразный характер. Это явление называют "лавиной напряжения". Оба указанных лавинообразных процесса протекают достаточно быстро (от десятков секунд до нескольких секунд) и приводят к полному сбросу нагрузки и отключению всех либо части электростанций энергосистемы.

Образование значительного дефицита активной мощности в энергосистеме может возникнуть внезапно, например, при авариях с отделением крупных станций или отключением мощных блоков. Аварийное понижение частоты при этом происходит в течение нескольких секунд. В такое время персоналу трудно (а порой и невозможно) правильно оценить всю опасность тревожного положения и принять необходимые меры по его предотвращению. Единственным способом восстановления баланса активной мощности и прекращения снижения частоты до опасных пределов в такой ситуации является быстрый ввод в работу имеющегося резерва активной мощности или отключение части нагрузки. Последнее осуществляется с помощью устройств автоматической частотной разгрузки  (АЧР).

Автоматическая частотная разгрузка рассчитывается и выполняется по многоступенчатому принципу - в несколько очередей, отличающихся друг от друга различными уставками по частоте и времени срабатывания. Это необходимо для более точного выявления соответствия нагрузки, отключаемой устройством АЧР, дефициту активной мощности, образовавшемуся при аварии.

АЧР заключается в том, что при значительном снижении частоты в сети отключается часть электрических нагрузок, причем осуществляется это дискретно, очередями. Устройства АЧР в зависимости от своего назначения подразделяются на три основные категории:

- АЧР1 - быстродействующая категория  разгрузки, предназначенная для  предотвращения глубокого снижения частоты;

- АЧР2 - категория разгрузки, предназначенная  для подъема частоты после действия устройств АЧР1, а также для предотвращения "зависания" частоты на недопустимом уровне;

- дополнительная разгрузка - предназначена  для ускорения разгрузки и увеличения ее объема при значительных (45 % и более) дефицитах мощности. Должна действовать селективно, т.е. только при появлении местных дефицитов мощности (аварийное отделение района или узла нагрузки от главного источника питания и т.п.).

Процесс изменения частоты f при появлении в энергосистеме дефицита мощности показан на рис.7, из которого видно, что при уменьшении частоты в момент времени t1 вступает в действие АЧР1 и предотвращает глубокое снижение частоты, а в момент времени t2 начинает действовать АЧР2 и обеспечивает восстановление частоты (кривая 2). При возникновении значительного дефицита активной мощности в энергосистеме и отсутствии устройств АЧР может наступить явление "лавины частоты", т.е. частота будет снижаться, стремясь к нулю (кривая 1). При АЧР1 отключение нагрузки производится несколькими очередями, начиная с уставки f1АЧР1 и заканчивая при уставке fNАЧР1. Верхний предел

Рис. 7. Изменение частота энергосистемы при возникновении значительного дефицита активной мощности: 1 - при отсутствии устройств АЧР; 2 - при наличии устройств АЧР

 

уставки f1АЧР1 обычно принимают равным 48,5 Гц, а нижний предел fNАЧР1 - 46,5 Гц. В этом диапазона очереди отключаются равномерно с минимальным интервалом по частоте Δf = 0,1 Гц. Уставка по времени для всех устройств АЧР1 принимается одинаковой и равна 0,1...0,3 с. Присоединенная к АЧР1 мощность распределяется равномерно между отдельными очередями. Так, при наличии 20 очередей и отключаемой мощности 30 %Рн на каждую очередь придется по 1,5 %Рн (Рн - номинальная (расчетная) мощность энергосистемы).

При АЧР2 нагрузка отключается также очередями. Они имеют общую уставку по частоте, равную верхнему пределу уставок устройств 1ЧР1 или несколько больше (до 0,5 Гц), но не выше 48,8 Гц. Минимальные интервалы выдержки времени между смежными очередями принимаются равными Δt = 3 с. Минимальная начальная уставка по времени устройств АЧР1 составляет 5...10 с, а максимальная - 60 с. При наличии существенной резервной мощности на ГЭС и возможности ее мобилизации указанная конечная уставка по времени может быть повышена до 70. ..90 с. Отключаемая мощность между отдельными очередями АЧР2 распределяется равномерно.

Следует отметить, что допускается неселективное действие смежных очередей АЧР1, а также отдельных очередей АЧР2, например, при медленном снижении частоты в энергосистеме до значения, близкого к уставке АЧР2.

Мощность нагрузки, присоединенную к устройствам АЧР1, находят по формуле

РАЧР1 ≥ ΔРдм + 0,05 ∙Рно - ΔРгр,

где ΔРдм - максимальный дефицит мощности; Рно - мощность нагрузки в исходном режиме до возникновения дефицита мощности; ΔРгр - величина учитываемой части гарантированного резерва мощности на ГЭС.

Мощность нагрузки, отключаемой устройствами АЧР2, принимается

РАЧР2 ≥ 0,4 ∙РАЧР1, но не менее 0,1 ΔРно.

Более эффективное использование системы АЧР может быть достигнуто совмещением действия устройств АЧР1 и AЧР2, когда  одна и та же нагрузка подключается и к очереди АЧР1, и к очереди АЧР2. Такое совмещение обеспечивает необходимую последовательность отключения потребителей (имеется в виду их ответственность при различных по характеру авариях) и позволяет уменьшить суммарную мощность нагрузки, подключаемой к устройствам АЧР. Совмещенная частотная разгрузка находит широкое применение на промышленных предприятиях.

На рис. 8 изображена схема совмещенной АЧР. Пуск АЧР1 происходит от реле частоты РЧ1, a AЧP2 - от реле частота РЧ2 и реле времени РВ. При понижении частоты срабатывает реле РЧ2 и реле РВ начинает отсчитывать выдержку времени. Если уставка реле РЧ1 ниже, чем РЧ2, то при дальнейшем снижении частоты срабатывает РЧ1, а затем промежуточное реле РП1. В зависимости от того, какая категория АЧР сработала первой, через указательное реле РУ1 или РУ2 будет подано напряжение на выходное реле РП2, замыкающее цепи отключения потребителей.

Рис. 8. Схема совмещенной АЧР

 

Указательные реле обеспечивают сигнализацию вида сработавшего АЧР. Схемы управления отдельными очередями АЧР1 и АЧР2 представляют собой частные случаи схемы, изображенной на рио.8.

 

 

 

 

 

4. Автоматическая разгрузка по току.

 

Важной характеристикой силовых трансформаторов является их нагрузочная способность, представляющая собой совокупность допустимых нагрузок и перегрузок. Опыт эксплуатации показал, что трансформаторы могут быть без ущерба для нормального срока службы загружены в течение части суток года сверх номинальной мощности, если в другую часть рассматриваемого периода их нагрузка была меньше номинальной. Загрузка трансформатора сверх номинальной мощности называется перегрузкой.

В зависимости от характера суточного или годового графика нагрузки и температуры охлаждающей среды допускаются систематические и аварийные перегрузки трансформатора.

Допустимые систематические перегрузки превышают номинальную нагрузку трансформатора, однако они не вызывают сокращение срока его службы, так как при этом износ витковой изоляции не превышает нормального.

Допустимые аварийные перегрузки трансформатора вызывают повышенный, в сравнении с нормальным, износ витковой изоляции, что может привести к сокращению установленного срока службы трансформатора, если повышенный износ со временем не будет компенсирован нагрузкой с износом витковой изоляции ниже нормального.

Систематическая перегрузка трансформатора допустима за счет неравномерности нагрузки его в течение суток года. Трансформатор может быть перегружен зимой за счет снижения его нагрузки летом, т.е. когда нагрузка снижается вообще и естественный срок службы трансформатора увеличивается за счет снижения температуры металла обмоток при летних нагрузках. Допускается перегружать трансформатор в зимнее время на 1% на каждый процент недогрузки в летнее время, но всего не более, чем на 15%

 

5. Релейная защита

 

Релейная защита — комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов этой электроэнергетической системы в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы всей системы. Действия средств релейной защиты организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетических систем. Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль состояния всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить повреждённый участок и отключить его от ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения (короткого замыкания). Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энергосистем.

 

Требования к релейной защите:

 

• Быстродействие — это свойство релейной защиты, характеризующее скорость выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов. Показателем быстродействия является время срабатывания защиты — это интервал времени от момента возникновения повреждения до момента отделения от сети повреждённого элемента.
• Селективность — свойство релейной защиты, характеризующее способность выявлять поврежденный элемент электроэнергетической системы и отключать этот элемент только ближайшими к нему выключателями. Это позволяет локализовать повреждённый участок и не прерывать нормальную работу других участков сети.
• Чувствительность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты выявлять повреждения в конце установленной для неё зоны действия в минимальном режиме работы энергосистемы. Другими словами — это способность чувствовать те виды повреждений и ненормальных режимов, на которые она рассчитана, в любых состояниях работы защищаемой электрической системы. Показателем чувствительности выступает коэффициент чувствительности, который для максимальных защит (реагирующих на возрастание контролируемой величины) определяется как отношение минимально возможного значения сигнала, соответствующего отслеживаемому повреждению, к установленному на защите параметру срабатывания (уставке).
• Надежность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты действовать правильно и безотказно во всех режимах контролируемого объекта при всех видах повреждений и ненормальных режимов для действия при которых данная защита предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима, при которых действие данной защиты не предусмотрено. Иными словами, надежность — это свойство релейной защиты, характеризующее ее способность выполнять свои функции в условиях эксплуатации, ремонта, хранения и транспортировки. Основные показатели надёжности — время безотказной работы и интенсивность отказов (количество отказов за единицу времени).