К 60-летию ВНИИЭ1

Представление о том, что возникновение аварийного дефицита активной мощности всегда приводит к снижению частоты, становится не корректным, если дефицит мощности велик. Большие дефициты мощности (в пределе – до 100%) возможны в двух случаях:

когда разрывается связь между энергосистемой и районом, значительная часть нагрузки которого покрывалась перетоком из энергосистемы;

когда в небольшой автономной системе электроснабжения отключается один из генераторов или часть электростанции.

Дефицит d при незначительном вращающемся резерве мощности здесь определяется для начального момента времени как

d Pîã 100%,

Pí

ãäå Ðí – суммарная нагрузка в предаварийном режиме (включая потери); Ðîã – отключенная генерация.

Возможность разных путей развития аварии связана с тем, что потеря значительной доли питания означает в общем случае дефицит не только активной, но и реактивной мощности. Если дефицит реактивной мощности невелик, то он компенсируется действием форсировки возбуждения генератора, и напряжение снижается незначительно. Например, увеличение тока возбуждения турбогенератора на 10% сверх номинального повышает располагаемую реактивную мощность на 47 – 51% по сравнению с номинальной реактив-

ной мощностью (при cos íîì = 0,85 è xd = 1 2,2 îòí. åä.).

Но при потере большой части генерации вероятен такой большой дефицит реактивной мощности, который не может быть скомпенсирован полностью, и напряжение снизится значительно. В зависимости от глубины снижения напряжения и свойств нагрузки возможны разные последствия аварийного дефицита мощности. Эти последствия в начальной стадии аварии, пока не проявилось

1Продолжение. Начало см. “Электрические станции”, 2004, ¹ 8

действие автоматики, показаны на ðèñ. 1. Измерение напряжения, частоты и мощности при трех типах процесса для небольшого района, в котором из-за потери связи с энергосистемой возникает дефицит d = 70%, иллюстрирует ðèñ. 2.

Отображение происходящих процессов максимально упрощено тем, что отключение всех связей с энергосистемой предполагается одномоментным и не сопровождающимся КЗ, а нагрузка представлена одним эквивалентным асинхронным двигателем (АД) и статической компонентой. Связь между генераторами электростанции этого района и нагрузкой в расчетной схеме такова, что суммарная потеря напряжения в ней в нормальном режиме равна 7,3%. Параметры, изменяемые при переходе от первого расчета ко второму и третьему, приведены в òàáë. 1. Все средства противоаварийного управления предполагаются отсутствующими.

Объектом предлагаемого далее анализа является III тип процесса, на возможность возникновения которого указано в [1]. В таком процессе торможение АД, вызванное первоначальным снижением напряжения, приводит к глубокому понижению напряжения (до 20% и менее), при этом активная нагрузка снижается почти до нуля и частота после кратковременного уменьшения на- чинает возрастать. Переход от снижения частоты к ее увеличению начинается тем раньше, чем больше первоначальный дефицит реактивной мощности. Очевидно, что эти процессы требуют внимания, так как противоаварийные меры в узлах нагрузки, где они возможны, должны быть иными, чем обычно [2, 3].

Таким образом, возникновение указанного процесса обусловлено лавиной напряжения. При- чины, приводящие к лавине напряжения, известны. Она может возникать не только при отключе- нии части генерирующей мощности, но и просто при небольшом снижении напряжения в удаленном от нагрузки питающем центре. Лавина напряжения, соответствующая последнему случаю, была зарегистрирована во время испытаний, которые ВНИИЭ проводил в южной части энергосистемы Армении в 1966 г. (ðèñ. 3). Некоторое повы-

шение напряжения при t 2,5 ñ íà ðèñ. 3 обусловлено отключением части двигателей.

Очевидно, что лавина напряжения тем более вероятна, чем большая генерирующая мощность отключается. Но важно, что для одного и того же узла нагрузки нет однозначной связи между условиями возникновения лавины напряжения и вели- чиной d. Далее будет показано, что решающую роль играют те обстоятельства, которые приводят к возникновению дефицита мощности.

Если располагаемая мощность генераторов, оставшихся в работе, превышает их мощность в предаварийном режиме, то последствия аварии, естественно, менее тяжелые, но если вращающийся резерв мощности мобилизуется медленнее, чем проходит лавина напряжения, большого значения этот резерв не имеет.

Рассматриваемый процесс, в котором появление дефицита мощности сопровождается лавиной напряжения, возникает при величине дефицита больше некоторого критического значения dêð.

Признаком того, что дефицит мощности больше критического, является опрокидывание двигателей. Знать возможные величины dêð необходимо

для правильного выбора средств противоаварийного управления.

Анализ показывает, что значение dêð определяется главным образом тремя факторами:

1) долей двигателей в суммарной нагрузке D = Päâ0/Pí0 (индекс “0” указывает на доаварийный режим);

2) долей двигателей, теряющих питание сразу же при понижении напряжения (в основном из-за самоотключения магнитных пускателей), m = 1 – Päâ/Päâ0;

3) тем, в какой мере отключение части генерирующей мощности приводит к снижению напряжения на шинах двигателей.

Последний фактор определяется многими параметрами нагрузки, сети и генераторов. Его можно обобщить следующим образом. Для каждой конкретной совокупности двигателей и каждых конкретных параметров сети (включая в необходимых случаях место и вид КЗ) существует некоторое значение генерирующей мощности, при которой напряжение на нагрузке становится равным критическому. Для такого критического режима обозначим отношение мощности, потребляемой

этими двигателями в нормальных условиях, к указанной генерации как êð

êð = (Päâ Pã)êð,

ãäå Päâ = Pí0D (1 – m ) è Pã = Pã0(1 – dêð); Pã0 – суммарная генерация в предаварийном режиме.

Отсюда, если принять, что вращающийся резерв отсутствует и Pã0 = Pí0, получается выражение для функции dêð(D, m, êð)

величина êð, как показывает анализ, зависит от D è m достаточно слабо.

Пример зависимостей dêð îò D è m приведен в òàáë. 2 для двух случаев: когда потеря части генерирующей мощности сопровождается и не сопровождается коротким замыканием, влияющим на распределительную сеть. Значения dêð округлены до 1%.

По этому примеру видно, что в одной и той же схеме вполне вероятны разные пути развития процесса. Например, если практически возможны дефициты мощности до 60%, то зоны значений, в которых 0 < dêð < 60%, выделенные в òàáë. 2, в этих двух случаях различны. Значение dêð = 0 указывает на то, что в данных условиях само КЗ, без снижения генерации, вызывает опрокидывание двигателей.1 Различия между выделенными зонами тем

1Это соответствует тому известному факту, что после трехфазных КЗ на ГПП предприятия обычно приходится отклю- чать большую часть двигателей, чтобы обеспечить самозапуск меньшей части двигателей, наиболее ответственных.

больше, чем меньше механические постоянные инерции двигателей (здесь АД имеют TJ = 0,8 ñ).

В районах со сложной структурой, сетями нескольких классов напряжения и несколькими электростанциями получаются те же три типа процессов, хотя они могут иметь более сложный вид и различаться деталями. На ðèñ. 4 показан пример процесса, вызванного отделением от энергосистемы крупного района с нагрузкой 690 МВт (вклю- чая потери). Две электростанции этого района (ТЭЦ-6 и ТЭЦ-9) отдают мощность 300 МВт, переток из энергосистемы 390 МВт. Разрыв связи с энергосистемой создает дефицит d = 390 690 = 56,5%.

Процесс начинается с удаленного КЗ длительностью 0,22 с, после чего связь с энергосистемой

Ò à á ë è ö à 1

B# # , 18 #

1 &

/ C : 3

# / ! 1

$1$ $7$ "%

à – напряжение на шинах 6 кВ; á – суммарная нагрузка шин 6 кВ – активная P и реактивная Q

разрывается. По ðèñ. 4 видно, что эта величина d превышает критическую. Снижение частоты быстро останавливается лавиной напряжения, которая начинается сразу после разрыва связи и закан- чивается при t 2 c опрокидыванием почти всех двигателей района, в том числе синхронных, чей асинхронный режим виден по быстрым колебаниям напряжения. В конце рассчитанного процесса (как и ранее действие всех средств автоматики не

ри, составляет 129 МВт (38% располагаемой мощ-

ности двух ТЭЦ или 19% исходной нагрузки); напряжения в сети 110 кВ уменьшаются до 40 – 50% номинального.

Собственно параметры нагрузки влияют на величины dêð и, следовательно, на возможность повышения частоты при аварийном дефиците мощности в той мере, в какой они определяют крити- ческое напряжение двигателей. Расчеты показывают, в частности, что увеличение среднего коэффициента загрузки АД на 20% номинальной загрузки может уменьшить значение dêð в узле с преобладанием промышленной нагрузки на 8 – 10%. Синхронные двигатели (СД), имеющие систему независимого возбуждения, заметно повышают dêð. Например, для двух одинаковых по мощности нагрузок, различающихся только по своему составу (у одной 90% мощности потребляют АД, у другой 50% мощности потребляют АД и 40% СД), значе- ния dêð существенно различны. Для первой dêð = 36%, для второй dêð = 65%.

Имеет также большое значение способность генераторов быстро обеспечить полную форсировку возбуждения. Современные системы возбуждения обладают высоким быстродействием, но изменение напряжения возбуждения зависит не только от регулирования напряжения, но и от регулирования по частоте и ее производной. В самом начале рассматриваемых процессов, вызванных большим дефицитом мощности, частота начинает понижаться быстро. Если каналы регулирования по частоте и ее производной настроены обычным образом, то их действие противоположно действию регулирования напряжения. В результате форсирование возбуждения замедляется (см. пример на ðèñ. 5), напряжение оказывается ниже, чем могло бы быть, меньше и значение dêð.

В отношении противоаварийных мер на случаи рассматриваемого процесса очевидно, что АЧР здесь не эффективна, и требуется автоматика, обеспечивающая такое быстрое отключение части нагрузки, чтобы лавина напряжения не успела проявиться. В небольших районах (или автономных системах) может быть реализовано отключе- ние нагрузки по факту отключения связи с энергосистемой (или отключения генератора). Однако требования к объемам отключений нагрузки и к быстродействию такой автоматики еще предстоит определить.

E F #' : 6 4 ! G H 0"

#$ $ $,$3$, %

коэффициенты регулирования в делениях регулятора возбуж-

дения АРВ-СДП: 1 – Ê0f = K1f = 0; 2 – Ê0f = 0, K1f = 5; 3 – Ê0f = K1f = 5

Вывод

При больших аварийных дефицитах мощности возможны такие процессы, в которых частота после кратковременного снижения начинает возрастать без каких-либо воздействий автоматики. При- чиной этого является опрокидывание двигателей, вызванное понижением напряжения и создающее лавину напряжения. Такие процессы наиболее вероятны в промышленных узлах нагрузки с собственной электростанцией, не покрывающей всю нагрузку, при их отделении от энергосистемы или в системах автономного электроснабжения при отключении части генерирующей мощности. Если не принять противоаварийных мер в течение нескольких десятых долей секунды, то такие процессы приводят к нарушению работы всех электроприемников. АЧР в таких процессах малоэффективна или совсем не эффективна. Требуется быстродействующая разгрузка по факту таких отклю- чений в схеме, приводящих к большому (сверхкритическому) дефициту мощности.

Список литературы

1.Гуревич Ю. Е., Либова Л. Е., Îêèí À. À. Расчеты устойчи- вости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990.

2.Совалов С. А., Семенов В. А. Противоаварийное управление в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1988.

3.Рабинович Р. С. Автоматическая частотная разгрузка энергосистем. М.: Энергоатомиздат, 1988.