Автоматизация управления системами электроснабжения
ВВЕДЕНИЕ.
Система электроснабжения – совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.
Электроустановка – совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид электрической энергии.
В системах электроснабжения могут возникать повреждения и ненормальные режимы работы.
Повреждения являются аварийными режимами, так как они приводят к появлению значительных токов и глубокому понижению напряжения. Значительный ток вызывает разрушение в месте повреждения и опасный нагрев проводов. Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость системы электроснабжения.
Основной вид повреждений – короткие замыкания (КЗ).
При возникновении КЗ общее сопротивление цепи системы электроснабжения уменьшается, вследствие чего токи в ветвях системы резко увеличиваются, а напряжения на отдельных участках системы снижаются.
Основные виды КЗ приведены в таблице В.1.
Трехфазное КЗ – наиболее тяжелый вид повреждений.
Трехфазное КЗ является симметричным, поскольку при нем все три фазы оказываются в одинаковых условиях. Все остальные виды КЗ являются несимметричными, поскольку фазы не остаются в одинаковых условиях, а системы токов и напряжений получаются искаженными.
Наиболее часто встречаются однофазные замыкания. На их долю приходится до 65% от общего числа КЗ. Трехфазные КЗ возникают сравнительно редко – в 5% от общего числа КЗ.
При ненормальных режимах происходят лишь отклонения напряжения, тока и частоты от допустимых значений. Ненормальные режимы работы не являются аварийными. К ненормальным режимам относятся:
– перегрузка оборудования, которая вызывается протеканием сверхтоков,
– качания в системе, возникающие при нарушении синхронной работы генераторов,
– асинхронный режим работы синхронного генератора.
Системы электроснабжения являются сложными производственными объектами. Основные специфические особенности – быстрота явлений и неизбежность повреждений аварийного характера. Надёжное функционирование систем электроснабжения возможно лишь при автоматическом управлении ими. Для этой цели используют комплекты автоматических устройств, среди которых первоначальное значение имеют устройства релейной защиты и автоматики.
Т
аблица
В1
При трехфазном КЗ все три фазы замыкаются между собой в одной точке. Точка трехфазного КЗ обозначается К(3). Токи, напряжения, мощности и другие величины, относящиеся к трехфазному КЗ, обозначаются I(3),U(3), S(3) и т.д.
Двухфазное КЗ – замыкание двух фаз между собой. Точка двухфазного КЗ обозначается К(2). Токи, напряжения, мощности и другие величины, относящиеся к двухфазному КЗ, обозначаются I(2), U(2), S(2) и т.д.
Двухфазное КЗ на землю – замыкание двух фаз между собой сопровождается замыканием точки повреждения на землю (в системах с заземленными нейтралями). Точка двухфазного КЗ на землю обозначается K(1.1). Токи, напряжения, мощности и другие величины, относящиеся к двухфазному КЗ на землю, обозначаются I(1.1), U(1.1), S(1.1) и т.д.
Однофазное КЗ – замыкание одной из фаз на нулевой провод или на землю. Точка однофазного КЗ обозначается K(1) . Токи, напряжения, мощности и другие величины, относящиеся к однофазному КЗ, обозначаются I(1), U(1), S(1)и т.д.
В.1. Назначение релейной защиты и автоматики (РЗА).
В условиях эксплуатации возможны повреждения отдельных элементов системы электроснабжения. В ряде случаев повреждение должно быть ликвидировано в течение долей секунды. Поэтому для определения места повреждения и подачи сигнала на отключение соответствующих выключателей устанавливаются специальные автоматические устройства – реле. Это релейная защита, действующая на отключение.
Иногда в условиях эксплуатации возникают ненормальные режимы, существование которых допустимо в течение некоторого времени. Нарушение нормального режима в этих случаях может быть ликвидировано действием оперативного персонала. При этом нецелесообразно немедленное отключение элемента системы электроснабжения, а достаточно дать сигнал персоналу. Это осуществляется релейной защитой, действующей на сигнал.
Таким образом, релейная защита (РЗ) – совокупность устройств и вспомогательных элементов, предназначенных в случае повреждения и опасно ненормального условия работы элемента системы электроснабжения отключить его воздействием на выключатель или действовать на сигнал.
РЗ должна срабатывать при повреждениях в защищаемой зоне (при внутренних повреждениях) и не должна срабатывать при повреждениях вне защищаемой зоны (при внешних повреждениях), а также при отсутствии повреждений.
Защиты подразделяют на основные и резервные.
Основной называется защита, предназначенная для работы при всех или части видов КЗ в пределах всего защищаемого элемента со временем срабатывания меньшим, чем у других установленных защит.
Резервной называется защита, предусматриваемая для работы вместо основной защиты данного элемента при её отказе или выводе из работы, а также вместо защит смежных элементов при их отказе или отказах выключателей смежных элементов.
В современных электроэнергетических системах релейная защита тесно связана с электрической автоматикой, которая предназначена для быстрого автоматического восстановления нормального режима и питания потребителей.
К основным устройствам такой автоматики относятся:
• автоматика повторного включения (АПВ);
• автоматика включения резервных источников питания и оборудования (АВР);
• автоматика частотной разгрузки (АЧР).
В.2. Основные требования, предъявляемые к устройствам РЗА.
В общем случае к устройствам РЗА предъявляются следующие основные технические требования:
1. Селективность. РЗ должна определять поврежденный элемент и подавать команду на отключение только этого элемента выключателем, ближайшим к месту повреждения.
2. Быстродействие. Быстрое отключение КЗ позволяет уменьшить размер повреждения оборудования, снизить влияние понижения напряжения на работу потребителей, повысить вероятность сохранения устойчивости параллельной работы энергосистемы.
Таблица В2
Номинальное напряжение, кВ |
Время действия релейной защиты, с |
300...500 |
0,1...0,12 |
110...220 |
0,15...0,3 |
6...10 |
1,5...3 |
Полное время отключения участка:
tоткл = tс.з + tо.в,
где tс.з – время срабатывания защиты,
tо.в – время отключения выключателя.
Защиты, действующие со временем, не большим 0,1 ... 0,2 с, считаются быстродействующими. Время отключения наиболее распространенных выключателей не превышает 0,06...0,15 с.
3. Чувствительность. Под чувствительностью РЗ понимается ее способность реагировать на возможные повреждения в минимальных режимах системы электроснабжения, когда изменение воздействующей величины (величина, на которую реагирует защита) будет минимальным.
Чувствительность защиты характеризуется коэффициентом чувствительности kч
где Iк.мин – минимальный ток КЗ,
Iс.з – ток срабатывания защиты (наименьший ток, при котором защита начинает действовать).
4. Надежность. Под надежностью понимают свойство устройств РЗ выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.
Требование надежности состоит в том, что РЗ должна безотказно работать при повреждении в пределах установленной для нее зоны и не должна работать неправильно, когда работа ее не предусматривается.
Надежность устройств РЗ обеспечивается простотой и надежностью применяемых конструкций и схем, уменьшением в них количества элементов и контактных соединений, качеством изготовления вспомогательной аппаратуры и монтажных материалов, качеством самого монтажа и контактных соединений, а также периодической проверкой исправности РЗ в процессе эксплуатации.
В.3. Структурная схема устройств защит.
Любую схему релейной защиты можно представить в виде обобщенной схемы (рис. В1).
Рис. В1. Структурная схема релейной защиты
Информация о состоянии объекта (обычно в качестве контролируемых параметров выступает ток и напряжение) преобразуется при помощи ИП (измерительных преобразователей) к виду, удобному для дальнейшей обработки и безопасному для обслуживающего персонала. В качестве ИП применяются трансформаторы тока и напряжения.
ИО (измерительные органы), иногда их называют пусковыми, непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого объекта.
ЛЧ (логическая часть) обрабатывает сведения, поступившие с измерительных органов, и формирует управляющее воздействие через ИЭ (исполнительные элементы) на коммутационную аппаратуру, звуковую и световую сигнализацию.
СО (сигнальные органы) фиксируют срабатывание защиты в целом или ее отдельных блоков.
Q - выключатель
В.4. Основные принципы действия РЗА.
По способам обеспечения селективности все защиты можно разделить на две группы:
1. защиты с относительной селективностью;
2. защиты с абсолютной селективностью.
1. Защиты с относительной селективностью могут работать как при КЗ на защищаемом объекте, так и при повреждениях на смежных присоединениях в режиме резервирования.
К таким защитам относятся токовые защиты, токовые направленные защиты, защиты напряжения, дистанционные защиты.
Общим для всех этих защит является то, что время срабатывания защиты зависит от расстояния между местом ее включения и точкой КЗ. С увеличением расстояния увеличивается и время срабатывания.
Время срабатывания защиты принято называть выдержкой времени. Распространение получили защиты со ступенчатыми, непрерывно зависимыми и комбинированными характеристиками выдержек времени (рис. В2).
а б в
Рис. В2. Виды характеристик выдержки времени срабатывания релейной защиты:
а ─ ступенчатая,
б ─ непрерывно зависимая,
в ─ комбинированная
Защита со ступенчатой характеристикой обычно содержит три ступени. Каждая ступень характеризуется выдержкой времени и защищаемой зоной.
Токовые защиты основаны на фиксации увеличения тока при возникновении КЗ. В общем случае токовые защиты выполняются трехступенчатыми. Первая ступень называется токовой отсечкой мгновенного действия или токовой отсечкой без выдержки времени, вторая ступень – токовой отсечкой с выдержкой времени, третья ступень – максимальной токовой защитой (МТЗ).
Токовые направленные защиты. Поведение защит при КЗ определяется не только значением тока повреждения, но и направлением мощности КЗ в месте их включения. Контроль направления мощности КЗ становится необходим, если защищаемый элемент имеет двустороннее питание.
Защиты напряжения учитывают уменьшение напряжения при КЗ.
Дистанционные защиты фиксируют изменение сопротивления. Если учесть, что Z = Z0 LК, где Z0 – сопротивление одного км линии, а LК – расстояние в км до места КЗ, то сопротивление Z пропорционально расстоянию до места короткого замыкания Z ~ LК , и, следовательно, дистанционный принцип позволяет определить место возникновения КЗ.
2. Защиты с абсолютной селективностью работают только при КЗ на защищаемом участке.
К таким защитам относятся дифференциальные и дифференциально-фазные защиты.
Принцип действия дифференциальной защиты основан на сравнении токов на входе и выходе защищаемого объекта. Дифференциальные защиты бывают продольными и поперечными. Продольные дифференциальные токовые защиты осуществляют сравнение токов по концам защищаемого элемента, а поперечные дифференциальные токовые защиты осуществляют сравнение токов в параллельных цепях электроустановки.
Принцип дифференциально-фазной защиты основан на сравнении фаз токов на входе и выходе объекта.