Глава 4. Релейная защита и автоматика в электроэнергетических установках
4.1 Назначение и основные функции релейной защиты и автоматики в электроэнергетической системе
Процесс производства и передачи электроэнергии является столь динамичным и постоянно подверженным случайным возмущающим воздействиям, что без автоматического управления его функционирование невозможно. Такие его особенности, как равенство в каждый момент времени генерируемой и случайно изменяющейся (требуемой) нагрузкой, время от времени возникающие короткие замыкания, высокая быстротечность электромагнитных и электромеханических переходных процессов обусловили развитие технических средств автоматического управления еще в начальный период становления электроэнергетики.
На современном этапе автоматическое управление производится отдельными электроэнергетическими объектами и их взаимодействующими элементами на основе переработки информации о свойствах управляемых электроэнергетических объектов, их состояниях и режимах работы, характеризующихся режимными параметрами и складывающейся ситуацией в электроэнергетической системе в результате возмущающих воздействий. Под автоматическим понимается управление процессом производства, передачи и потребления электроэнергии в целом без непосредственного участия человека.
Поставляемая электроэнергетической системой потребителю энергия характеризуется рядом параметров, в том числе напряжением и частотой . По условию работы потребителей допускается определенное отклонение параметров от их номинальных значений. Выход параметров за пределы заданных отклонений означает выход режима из области нормальных значений в область аварийных значений.
Частота в энергосистеме является показателем соответствия (баланса) между суммарной мощностью первичных двигателей (турбин) и суммарной активной мощностью нагрузок, включая потери мощности в элементах энергосистемы. Нарушение этого баланса может происходить вследствие изменения нагрузки энергосистемы или суммарной мощности турбин. Оно вызывает изменение частоты в энергосистеме, которое продолжается до тех пор, пока не установится новый баланс мощностей, соответствующий новому значению частоты. Причиной восстановления баланса (саморегулирования) является регулирующий эффект нагрузки (зависимость активной мощности нагрузки от частоты) и работа системной автоматики нормального режима. Изменение частоты при увеличении активной нагрузки регулирует системная автоматика энергосистем и автоматические регуляторы подачи пара или воды на турбины электростанций.
Напряжения в узлах
системы в основном определяются
значениями ЭДС синхронных машин,
реактивными мощностями нагрузок и,
следовательно, перетоками реактивных
мощностей при данной конфигурации сети.
Во всех точках сети обеспечивается
баланс вырабатываемой и потребляемой
реактивных мощностей. Внезапное нарушение
этого баланса при увеличении вырабатываемой
реактивной мощности приводит к мгновенному
повышению напряжения в рассматриваемой
точке, а при увеличении потребляемой
реактивной мощности – к снижению
напряжения и балансу на новом уровне.
Когда напряжение станет ниже определенного
значения (около
нормального), нарушается устойчивая
работа потребителей (в основном
асинхронных двигателей). Для восстановления
требуемого уровня напряжений в основных
узлах электрической сети обычно в
нормальных режимах воздействуют вручную
или автоматически на изменение тока
возбуждения синхронных генераторов,
компенсаторов и синхронных двигателей,
на изменение мощности специальных
реактивных нагрузок (батарей статических
конденсаторов, управляемых реакторов
и др.), коэффициентов трансформации
силовых трансформаторов.
Баланс активных мощностей в энергосистеме при заданной частоте может существовать при различных вариантах распределения нагрузок между генераторами, но только один из них является экономически наивыгоднейшим. С изменением суммарной активной нагрузки меняется и наивыгоднейшее распределение мощностей между генераторами.
Суммарные затраты энергосистемы на выработку электроэнергии зависят не только от распределения активных мощностей, но также и от уровней напряжений и перетоков реактивных мощностей, так как потери активной мощности в каждом последовательном элементе сети пропорциональны квадрату полного тока, а в параллельном – возрастают с увеличением напряжения.
В аварийных режимах при возникновении короткого замыкания, при аварийных отключениях элементов сети резко нарушается баланс активных и реактивных мощностей в энергосистеме, что может привести к нарушению устойчивости параллельной работы электростанций и лавине напряжения в узлах энергосистемы.
Устойчивое функционирование современных электроэнергетических систем невозможно без оснащения их релейной защитой и автоматикой, обеспечивающих отключение поврежденных элементов систем при коротких замыканиях, неполнофазных режимах и недопустимых перегрузках. Как правило, релейная защита выполняется в виде автономных устройств, объединенных в систему защиты.
Технические средства релейной защиты и автоматики (РЗиА) делятся на автоматику управления нормальными режимами работы электроэнергетической системы и автоматику противоаварийного управления. К числу автоматических устройств относятся устройства и системы автоматического регулирования, например: автоматического повторного включения (АПВ), автоматического ввода резерва (АВР), автоматической частотной разгрузки (АРЧ), автоматического регулирования напряжения (АРН).
К первой группе относятся автоматические устройства:
пуска и останова агрегатов электростанций (технологическая автоматика);
включения на параллельную работу (синхронизации) генераторов;
регулирования частоты и активной мощности (АРЧМ), обеспечивающие поддержание на заданном уровне частоты в ЭЭС, оптимальное распределение активных нагрузок между электростанциями и генераторами, регулирование и ограничение перетоков активной мощности по линиям электропередачи;
регулирования напряжений и перетоков реактивной мощности: автоматические регуляторы возбуждения и форсировки возбуждения синхронных машин (генераторов, синхронных компенсаторов и электродвигателей);
автоматические регуляторы коэффициентов трансформации трансформаторов; автоматические регуляторы статических источников реактивной мощности;
управления трансформаторами на подстанциях для включения и отключения одного из параллельно работающих трансформаторов с целью минимизации потерь электроэнергии в них;
разгрузки перегруженного трансформатора путем снижения напряжения и отключения нагрузки.
Таким образом, основными назначениями автоматических устройств управления нормальными режимами являются:
автоматизация сложного технологического процесса пуска и включения в работу синхронных генераторов;
обеспечение требуемого качества электроэнергии; повышение экономичности работы ЭЭС;
предотвращение и устранение опасной перегрузки генераторов, трансформаторов и линий электропередачи, чреватой возможностью возникновения и развития аварийного нарушения режима.
Автоматические устройства второй группы ‑ устройства управления аварийными режимами ‑ осуществляют следующие функции:
фиксируют факт и место возникновения аварийного нарушения нормального режима и обеспечивают отделение поврежденного участка от неповрежденной части электроэнергетической системы;
предотвращают распространение аварийного нарушения нормального режима на соседние неповрежденные участки энергосистемы;
восстанавливают нормальный режим работы.
Первую функцию выполняют устройства противоаварийного автоматического управления, фиксирующие возникновение в электроэнергетической системе КЗ и отключение поврежденного участка. К ним относятся устройства релейной защиты (УРЗ) и устройства резервирования при отказе выключателей (УРОВ).
Вторую функцию выполняют автоматические устройства противоаварийного управления - устройства противоаварийной автоматики (ПА), к которым относятся устройства:
автоматики, предотвращающей нарушение устойчивости параллельной работы (АПНУ) путем разгрузки перегруженных линий электропередачи, что достигается воздействием на снижение генерирующей мощности электростанций в избыточной по мощности передающей части электроэнергетической системы (вплоть до деления электроэнергетической системы) и на отключение нагрузки в дефицитной по мощности приемной ее части;
автоматики, предотвращающей или ликвидирующей асинхронный режим (АЛАР), который может возникнуть вследствие отказа АПНУ или недостаточности осуществляемой ею разгрузки линий электропередачи;
автоматической частотной разгрузки (АЧР), отключающей при значительном снижении частоты в отделившемся от ЭЭС дефицитном по мощности районе часть менее ответственной нагрузки;
автоматики, осуществляющей при аварийном снижении частоты выделение генераторов на питание собственных нужд ТЭС или АЭС и выделение электростанций или генераторов со сбалансированной нагрузкой, благодаря чему предотвращается опасность нарушения работы собственных нужд и снижения мощности, вырабатываемой соответствующими электростанциями;
автоматики, ограничивающей снижение напряжения в электрической сети (АОСН) отключением части менее ответственных потребителей;
автоматики, предотвращающей (ограничивающей) опасное для турбоагрегатов ТЭС и электродвигателей потребителей повышение скорости вращения (АОПЧ) в выделившемся с большим избытком мощности ГЭС районе, - автоматики, реагирующей на повышенный уровень частоты и отключающей часть гидрогенераторов;
автоматики, ограничивающей опасное для электрооборудования повышение напряжения (АОПН) в сети сверхвысокого напряжения, обусловленное избытком реактивной мощности, путем включения реакторов, отключения линии сверхвысокого напряжения или в случае отказа ее ‑ отключения выключателя шин подстанции, к которым она подключена.
Третью функцию по восстановлению нормального режима работы выполняют устройства:
автоматического повторного включения (АПВ) линий, трансформаторов, шин подстанций и электростанций, отключенных действием соответствующих УРЗ;
автоматического включения резерва (АВР), восстанавливающие электроснабжение потребителей, потерявших питание в результате отключения рабочего источника питания;
автоматического пуска резервных гидроагрегатов и ГТУ при аварийном снижении частоты, осуществляющие включение их в сеть и загрузку;
автоматической загрузки работающих генераторов ТЭС, действующие при снижении частоты или при срабатывании устройств АПНУ и уменьшающие дефицит активной мощности.
Основными функциями устройств автоматического регулирования режима энергосистемы являются следующие:
поддержание на заданном уровне как в нормальном, так и в послеаварийном режиме частоты в ЭЭС и напряжений в её узловых точках, что способствует повышению качества электроэнергии;
экономически наивыгоднейшее распределение активных и реактивных нагрузок между включенными агрегатами и поддержание оптимального состава работающих агрегатов;
повышение надежности работы энергосистемы и электроснабжения потребителей путем предотвращения нарушений нормального режима и ускорения ликвидации возникающих аварийных ситуаций.
Значительная часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС). Автоматическое регулирование режима энергосистемы по частоте и активной мощности невозможно без автоматизации регулирования тепловых процессов на ТЭС. Основные функции устройств автоматического регулирования тепловых процессов:
поддержание на заданном уровне основных показателей качества тепловой энергии (давление и температура энергоносителя);
экономически наивыгоднейшее распределение тепловой нагрузки между параллельно работающими парогенераторами (на ТЭЦ с общим паропроводом);
повышение надежности работы оборудования в аварийных ситуациях.
Предотвратить развитие аварии тем легче, чем быстрее будут приняты меры по ликвидации нарушения нормального режима и восстановлению баланса активных и реактивных мощностей.
Назначением противоаварийной автоматики является решение важной проблемы единой электроэнергетической системы страны – обеспечение совместного функционирования (синхронной устойчивости) множества мощных электростанций, связанных длинными и сильно нагруженными линиями электропередачи.
Деление системы на элементы – процедура условная и производится обычно на том уровне, на котором удобнее ее рассматривать для решения поставленной задачи. Условность подразделения системы на элементы состоит еще и в том, что любой элемент, в свою очередь, может рассматриваться как система. В связи с этим, рассматривая многие свойства и характеристики элементов и систем, можно их обозначать как объекты ЭЭС.
Основные функции релейной защиты заключаются в срабатывании при внутренних повреждениях, в несрабатывании в случаях внешних повреждений, а также в несрабатывании в нормальных и ненормальных режимах работы электрической системы при отсутствии в ней повреждений.
Внутренним повреждением является КЗ в защищаемом объекте системы, применительно к резервным защитам к внутренним повреждениям может относиться более широкий круг КЗ, охватывающий повреждения и на смежных элементах сети. Под повреждениями в более широком смысле могут пониматься кроме КЗ, и разрывы фазных проводов, и замыкания на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, не сопровождающиеся значительным повышением тока в защищаемом объекте.
Объединение отдельных защит в систему не исключает их автономного действия. Принцип действия РЗ выбирается с учетом исключения «мертвых» зон, а идеология построения релейной защиты предполагает многократное резервирование, что практически исключает невозможность ликвидации аварийной ситуации.
По выполняемым функциям защиты можно разделить на основные и резервные. Основной является защита, предназначенная для работы при всех или части видов КЗ в пределах всего защищаемого объекта со временем, меньшим, чем у других защит данного элемента.
Резервной является такая защита, которая предусмотрена для работы вместо основной защиты рассматриваемого элемента в случаях ее отказа или вывода из работы (ближнее резервирование) или вместо защит смежных элементов при их отказе или в случае отказов коммутационных аппаратов смежных элементов (дальнее резервирование).
О полноценности функционирования РЗ можно судить по способности выполнять определенные свойства. Наиболее широкое распространение в настоящее время имеют понятия, характеризующие свойства, определяемые следующими четырьмя требованиями, предъявляемыми к релейной защите от КЗ, селективность, быстродействие, чувствительность и надежность.
Вопросы для самоконтроля:
Классификация задач релейной защиты электроустановок.
Классификация задач противоаварийной автоматики электроэнергетической системы.
Назначение автоматизации регулирования тепловых процессов ТЭС.
Понятие “лавины частоты”, причины её возникновения.
Понятие “лавины напряжения”, условия её появления.