Глава вторая
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ АЧР
- Особенности и характер аварий в современных крупных энергообъединениях
По мере объединения энергосистем и увеличения их мощности вероятность общего (охватывающего все объединение) глубокого снижения частоты уменьшается. Внезапное отключение одного крупного агрегата, несмотря на то, что их единичные мощности растут, незначительно скажется на изменении частоты. Например, в энергообъединении мощностью Рн~ = 20000 МВт с регулирующим эффектом нагрузки кн = 2,5 отключение одного блока 200 МВт даже при отсутствии резервов мощности приведет к отклонению частоты не более чем на
=0,2 Гц. Если в крупном энергообъединении выйдет из строя даже целая станция (что бывает крайне редко), это тоже может не привести к существенному снижению частоты. Например, следствием отключения станции мощности 1000 МВт в ЕЭС СССР будет снижение частоты менее чем на 0,1 Гц. Компоновка мощных электростанций по блочному принципу еще более ограничивает возможность такой аварии. Однако объединение энергосистем на параллельную работу обусловливает ряд особенностей с точки зрения возникновения и развития аварий с небалансом мощности.
Рис. 2.1. Различный характер протекания аварии с дефицитом мощности в сложном энергообъединении:
- значительный местный дефицит мощности,
- каскадное развитие аварии (повторяющиеся снижения и подъемы частоты)
Рис. 2.2. Схема сложного энергообъединения
Прямым следствием создания крупных энергообъединений является увеличение числа узлов и районов, получающих значительную часть мощности по электрическим связям с объединением, и повышение вероятности возникновения больших местных дефицитов мощности при аварийном отделении этих узлов и районов (рис. 2.1, кривая 1). Такие аварийные ситуации могут возникать при отключении единственной связи района с энергообъединением или в результате последовательного отключения нескольких связей из-за перегрузки и нарушения устойчивости. К таким же последствиям могут приводить отключения связей в основной сети энергообъединения, приводящие в конечном итоге к его разделению на несинхронно работающие части и выделению одного или нескольких районов с дефицитом мощности. Это положение усугубляется наличием в крупных энергообъединениях длинных, сильно загруженных линий электропередачи.
Анализ случаев работы АЧР за 6 лет (табл. 2.1) [16] показывает, что возмущения, приводящие к срабатыванию АЧР в масштабах энергообъединения, составляют весьма незначительную долю (1,5%). Подавляющее большинство (90%) нарушений с работой АЧР связано с возникновением дефицитов мощности при отделении районов, энергосистемы, группы энергосистем или нарушении их синхронной работы.
Другой особенностью крупных энергообъединений является многообразие возможных аварий, сопровождающихся возникновением дефицита активной мощности. Рассмотрим энергообъединение, состоящее из энергосистем I—IV, в состав которых в свою очередь входят районы 1а—1в, 2а—2в, 3а—3г, IVa—IVв (рис. 2.2). Аварийный дефицит мощности может охватывать район, группу районов, энергосистему, группу энергосистем, энергообъединение в целом. Например, в схеме рис. 2.2 аварийные отключения линий электропередачи или шин соответствующих подстанций могут приводить к отделению с дефицитом мощности каждого в отдельности районов IVa, IVв возможно отделение энергосистем IV (при отключении линии III—IV), I (при отключении линии 3-4), вместе IV, I и III (при отключении линии II—III), IV, I и районов 3а, 3г (при отключении линии 3б, 3а), вместе энергосистемы IV и района 3г (при отключении линии 3а—3г). Возможен общесистемный дефицит мощности, когда частота снижается во всем энергообъединении. Приведенный выше перечень возможных аварийных ситуаций относится к какому-то одному режиму. В условиях эксплуатации при анализе возможных аварий необходимо учитывать разнообразие режимов, определяемое различными сезонами, днями недели (рабочие, выходные, предвыходные, праздничные и воскресные дни), временем суток, ремонтными работами на электростанциях и в сетях, а также маневрированием резервами и возможностями их мобилизации, условиями использования энергоресурсов, причем возможны самые различные сочетания всех этих факторов. Таким образом, определение возможных мест возникновения дефицитов мощности, их относительных величин и зон распространения, а также возможности мобилизации резервов становится все более сложной и многовариантной задачей.
Таблица 2.1. Показатели работы АЧР за 6 лет
* Каждый случай отмечает факт срабатывания АЧР независимо от числа сработавших устройств разгрузки.
** От общего числа случаев работы АЧР.
Третьей особенностью крупных по мощности и сложных по конфигурации энергообъединений является сложный характер протекания аварийных процессов. Если авария сразу не локализована, то она, как правило, сопровождается нерасчетными наложениями аварийных событий (дополнительным отключением линий и агрегатов из-за перегрузки, асинхронных режимов, ложной работы защит, снижением мощности агрегатов и станций из-за потери части собственных нужд, временной перегрузки котлов с последующим сбросом мощности, неправильных действий персонала и т. д.). Это, как правило, еще более усугубляет тяжесть аварии и способствует ее развитию. Аварии часто развиваются так сложно, что предугадать ход их развития заранее оказывается затруднительным. На практике неоднократно имели место случаи, когда нарушение, сопровождавшееся вначале возникновением избытка мощности и повышением частоты, в конечном итоге развивалось в аварию с глубоким снижением частоты.
Характерной особенностью, присущей сложным энергообъединениям, является возможность развития так называемых цепочечных или каскадных аварий, т. е. аварий, которые, начавшись в одном из районов и не будучи сразу локализованы, развиваются, охватывают все большие территории и в конечном итоге могут охватить группу энергосистем или энергообъединение в целом. При каскадных авариях начальный дефицит мощности в процессе развития аварии может нарастать плавно или ступенчато. Протекание каскадной аварии может характеризоваться повторяющимся снижением частоты (см. рис. 2,1, кривая 2). Повторные снижения частоты после ликвидации дефицита мощности (полной или частичной) могут происходить из-за отключения в процессе аварии каких-либо связей, агрегатов, сброса тепловыми электростанциями мощности, первоначально набранной в результате действия АРЧВ (из-за работы РДС или отсутствия систем регулирования, изменяющих паропроизводительность котлов в соответствии с нагрузкой турбин), отделения с примерно сбалансированной нагрузкой станций или районов (что увеличивает относительный дефицит), обратного ручного или автоматического (устройствами ЧАПВ и АВР) включения потребителей после срабатывания устройств разгрузки и т. д.
Из всех случаев работы АЧР, приведенных в табл. 2.1, примерно 65% составляют простые нарушения, являющиеся следствием одного-двух событий (из них 28%—отключение одной линии, 16% — отключение двух линий). Но и доля сложных, каскадных нарушений весьма велика (35%) [16]. На практике имели место каскадные нарушения, сопровождавшиеся цепочкой от 3—5 до 15—20 событий. Например, в энергообъединении, изображенном на рис. 2.2, возможен такой характер протекания аварии. При отключении одной из линий между энергосистемами II и III происходят наброс мощности на вторую связь, нарушение синхронной работы этих энергосистем и отключение второй связи автоматикой ликвидации асинхронного режима. В результате возникшего дефицита мощности в энергосистемах I, III, IV происходит снижение частоты и частично срабатывают устройства разгрузки. Одновременно в энергосистеме I на тепловых электростанциях под действием АРЧВ турбин мобилизуется вращающийся резерв мощности и дефицит мощности уменьшается. Однако через некоторое время из-за отсутствия на этих станциях главных регуляторов (или других аналогичных систем регулирования), приводящих нагрузку котлов в соответствие с новым положением регулирующих клапанов турбин, происходит постепенный сброс этими станциями первоначально набранной мощности, и дефицит нарастает. Это приводит к перегрузке межсистемной связи III—I, нарушению устойчивости между энергосистемами III и I и отделению энергосистемы I с большим дефицитом мощности. В результате отделения в энергосистеме I происходит быстрое и глубокое снижение частоты, приводящее к отделению части тепловых электростанций с примерно сбалансированной нагрузкой. Это еще несколько увеличивает относительный дефицит мощности в этой энергосистеме. Таким образом, в процессе аварии происходило как плавное, так и ступенчатое нарастание дефицита мощности.
В качестве примера аварийной ситуации с повторяющимся снижением частоты может служить нарушение нормальной работы, происшедшее в одном из сложных энергообъединений (рис. 2.3, а). При перекрытии изоляции колонки разъединителя дифференциальной защитой шин была отключена система шин 330 кВ ГРЭС (на которую были включены все присоединения 330 кВ) в энергосистеме 2 Три блока, работавших на эту систему шин, были отключены и остались работать иа собственные нужды. Два блока ГРЭС, как и неблочная часть станции, остались работать на шины 110 кВ В районе энергообъединения, включающем энергосистемы 4, 3 и часть энергосистемы 2, возник дефицит мощности, в результате этого на оставшиеся в работе связи 110 кВ с энергосистемой 1 произошел наброс мощности с последующим нарушением синхронизма. Эти связи были отключены автоматикой ликвидации асинхронного режима (АЛАР). В отделившейся дефицитной группе энергосистем (энергосистемы 5,4,3 и часть энергосистемы 2) произошло снижение частоты (рис. 2—3, 6) до 46,7 Гц, сработала часть очередей АЧР1 и значительная часть очередей ΑЧΡΙΙ. Кроме того, делительной автоматикой по частоте неблочная часть ГРЭС была выделена на местную ответственную нагрузку (химкомбинат) и собственные нужды станции с небольшим избытком мощности.
В результате действия АЧР частота поднялась до 49,2 Гц, но затем в течение 5 мин вновь понизилась до 47,6 Гц из-за частичного снижения мощности станций в отделившихся энергосистемах и обратного ручного включения части потребителей, отключенных АЧР (что запрещено соответствующими инструкциями, см. ниже).
Рис. 2.3. Аварийный процесс с повторяющимся снижением частоты в одном из энергообъединений:
а—принципиальная схема энергообъединения, б—изменение частоты при аварии
Объем АЧРП оказался недостаточным для повторного подъема частоты. Диспетчером ОЭС, в состав которой входили энергосистемы 2, 3, 4, была дана команда на включение и набор мощности на всех резервных агрегатах, отключение потребителей по всем очередям аварийных графиков и перевод питания части потребителей энергосистемы 4 от энергосистемы 5. В результате этих мероприятий частота была постепенно восстановлена до 49,1 Гц (рис. 2.3, б), однако из-за длительною снижения частоты произошло отключение одного из двух оставшихся в работе блоков ГРЭС вследствие срабатывания технологической защиты от упуска воды в барабане котла. Частота вновь снизилась до 47 Гц. Из-за недостаточного объема АЧР восстановление частоты вторично осуществлялось в основном путем аварийного отключения потребителей по команде диспетчера ОЭС. Через 17 мин после нарушения нормальной работы энергосистемы был включен в работу на шины 330 кВ один из блоков ГРЭС (к этому моменту шины 330 кВ были подключены к отделившемуся району, а связи 330 кВ, соединяющие энергосистему 2 с энергосистемой 6, были разомкнуты), восстановление частоты продолжалось, и через несколько минут отделившиеся энергосистемы были синхронизированы с энергосистемами 6 и 1, и началось обратное включение потребителей.
Рис. 2.4. Распределение случаев работы АЧР в энергосистемах во времени: а — по часам суток; б—по дням недели, в—по месяцам года
На рис. 2.4 показано распределение нарушений с работой АЧР по всем энергосистемам страны за 15 лет (1970—1984 гг.) во временном разрезе—по часам суток (время местное), дням недели и месяцам года. Аналогичные распределения, построенные для работы АЧР в различных ОЭС, показали, что характер распределения нарушений по отдельным ОЭС и ЕЭС в целом примерно одинаков, что позволяет сделать некоторые общие выводы.
Распределение нарушений в работе АЧР по часам суток (рис. 2.4, а) носит характер, близкий к равномерному. Хотя нарушений в вечерние и ночные часы несколько меньше, чем в дневные, это различие небольшое. Средняя доля нарушений в
дневное время (8—20 ч) составляет 5,5, в вечерние часы (20—24 ч)—2,25, в ночные (0—8 ч) — 3,1%. Близким к равномерному является и распределение нарушений по дням недели (рис. 2—4, б), при этом хотя процент нарушений в субботние и воскресные дни несколько меньше, чем в рабочие дни недели, это различие также не слишком велико. Среднее значение в будние дни составляет 15,7, а в выходные 10,75%. Несколько больший процент случаев работы АЧР в дневные часы и рабочие дни является в основном следствием того, что в эти периоды нагрузка энергосистем максимальная или близка к ней, а внутрисистемные и межсистемные связи работают, как правило, с большими перетоками мощности. В этих условиях отключение одного или группы элементов энергосистемы (линий, генераторов и т. д.) обусловливает большую вероятность возникновения нарушения и работы АЧР.
С одной стороны, в ночные часы и выходные дни нагрузка энергосистем и перетоки мощности по связям меньше, и с этой точки зрения вероятность возникновения нарушения с работой АЧР ниже. Однако, с другой стороны, в эти периоды часть станционного оборудования и линий выводится в ремонт, отключаются наименее экономичные небольшие по мощности агрегаты на электростанциях, и, как следствие, отключение генераторов создает больший относительный дефицит мощности, в результате повышается вероятность работы разгрузки, и процент срабатывания АЧР в эти периоды остается относительно высоким.
Распределение нарушений с работой АЧР по месяцам (рис. 2.4, в) показывает, что большая часть падает не на зимние месяцы, когда максимальна нагрузка энергосистем, а на летние (май—июль, для ОЭС Средней Азии—также апрель). В летний период нагрузки энергосистем минимальны, однако в этот период производится вывод значительной части станционного оборудования и линий в ремонт, что приводит к повышению вероятности работы АЧР.
Анализ кривых распределения на рис. 2.4 показывает, что вероятность возникновения нарушения, приводящего к работе АЧР, достаточно велика в различные периоды суток, недели, года, поэтому АЧР должна быть ориентирована на успешную ликвидацию большого числа возможных нарушений независимо от времени их возникновения (а не только в периоды максимальных нагрузок).
Таким образом, как показывает анализ характера развития аварий в сложных энергообъединениях, необходимость в аварийной разгрузке в условиях энергообъединений не исчезает. Меняются лишь условия ее работы и требования к ней.