РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА КАК ОСНОВА НАДЕЖНОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ
Единая энергосистема, объединенные и региональные энергосистемы, включающие в себя электростанции и межсистемные электрические сети, имеют сложную производственную технологию.
Выявление и локализация повреждений в электрической части энергосистем и автоматическое управление ее элементами для сохранения устойчивости при аварийных возмущениях имеют первостепенное значение в обеспечении надежности и экономичности энергосистем. В этой связи релейная защита и автоматика (РЗА) занимают одно из ведущих мест в технологии энергетического производства.
Основной задачей построения релейной защиты являются обеспечение эффективного функционирования электрооборудования по возможности при любых видах повреждений, предотвращение развития повреждений и значительных разрушений защищаемого оборудования.
К релейной защите предъявляются следующие требования:
- Автоматическое отключение оборудования энергообъектов в аварийных режимах должно быть селективным (избирательным). Это означает способность релейной защиты выявлять место повреждения и отключать только ближайшими выключателями. Неселективное действие релейной защиты приводит к развитию аварийной ситуации.
- Отключение поврежденного оборудования или участка энергоблока должно быть по возможности быстродействующим, чтобы предотвратить или уменьшить размеры повреждения и не нарушить режим работы электростанций и приемников электрической энергии.
- Релейная защита должна обладать чувствительностью к тем видам повреждений и нарушений нормального режима работы электрооборудования, на которые она рассчитана, чтобы обеспечить ее действие в начале возникновения повреждения.
- Релейная защита должна быть надежной., т.е. правильно и безотказно действовать при всех повреждениях и нарушениях нормального режима работы электрооборудования и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима работы, при которых действие данной защиты не предусмотрено и должна действовать другая защита.
Устройства релейной защиты на энергообъектах дополняются устройствами противоаварийной автоматики, позволяющими быстро устранять опасные послеаварийные режимы и восстанавливать электроснабжение потребителей, исключая вмешательство персонала.
Высокую эффективность функционирования РЗА обеспечивают такие составляющие, как:
философия принципов построения систем РЗА; применение устройств и реле на основе современной техники и технологии;
своевременное техническое перевооружение средств РЗА; высокий уровень эксплуатации при относительно низких затратах на нее.
В развитии релейной защиты и автоматики энергосистем России можно выделить два характерных периода: период формирования единой энергосистемы в границах бывшего СССР (50-е годы); период перехода на рыночные отношения в энергетике (начиная с 90-х годов). Период формирования единой энергосистемы характерен созданием принципиальной основы (философии) систем РЗА для надежной защиты мощных ГЭС, ГРЭС, АЭС, электрооборудования подстанций, системообразующих линий сверхвысокого напряжения.
К числу проблем, которые были решены в этот период, можно отнести:
обеспечение срабатывания основных защит со временем, не превосходящим, примерно, четырех сотых доли секунды, определяемым условиями сохранения устойчивости энергосистемы;
предотвращение неправильного срабатывания защит под воздействием весьма интенсивных переходных процессов, развивающихся в сетях сверхвысокого напряжения за счет больших емкостей продольной компенсации и емкостной проводимости линий при возникновении отключений коротких замыканий;
создание методики расчета переходных процессов; выполнение защит, действующих при токах повреждения, иногда значительно меньших токов нагрузки;
отстройка защит от влияния емкостной проводимости линий, которая может приводить к неправильному действию;
пофазное отключение однофазных коротких замыканий на линиях сверхвысокого напряжения;
защита линий при неполнофазных режимах работы; выполнение надежных высокочастотных каналов для РЗА; обеспечение, по возможности, быстродействия резервных защит электросетей;
защита мощных трансформаторов с большим числом выключателей и продольным регулированием напряжении, выполняемая отдельными добавочными трансформаторами или посредством регулировочной обмотки;
создание противоаварийной автоматики для сохранения устойчивости энергосистемы и некоторые другие задачи (специальное резервирование в устройствах релейной защиты и т.д.).
На первоначальной стадии развития ЕЭС релейная защите электрических сетей сверхвысокого напряжения состояла из основной и резервной. Основная защита обладала абсолютной селективностью и малым временем действия, резервная была ступенчатой, дистанционной от междуфазных КЗ, и токовой, направленной от КЗ на землю. На резервной защите стремились установить выдержку времени, близкую к уставке основной защиты.
Защита резервировалась дальним действием, т.е. защитами смежных элементов со стороны противоположных объектов. По мере развития ЕЭС условия для дальнего резервирования ухудшались из-за ввода мощных электростанций. Сейчас имеются узлы энергосистем, дальнее резервирование которых не обеспечивается. В связи с этим получил развитие новый принцип - ближнее резервирование, предполагающее несколько защит для каждого элемента системы, причем каждая полностью автономна и при неисправности других защит или их цепей остается в действии. Выдержка времени каждой защиты удовлетворяет условиям устойчивости энергосистемы.
Все оборудование распределительных устройств подстанций имеет дублированные релейные защиты, а на высоковольтных линиях, где нет условий для дальнего резервирования, применяются по три системы защит.
Первоочередными проблемами следующего периода являются: определение пути технического перевооружения средств РЗА на основе современных достижений науки и технологии;
развитие существующей структуры оперативно-технического взаимодействия при эксплуатации средств РЗА с учетом новых рыночных взаимоотношений в энергетике;
совершенствование принципов построения систем РЗА; создание нового информационного пространства.
Необходимость технического перевооружения определяется как физическим износом эксплуатируемых средств РЗА, так и несоответствием уровню развития современной техники, технологии и современным требованиям эксплуатации.
Многообразие режимов и схем работы энергосистем в условиях рыночных отношении требует совершенствования принципов построения систем РЗА для достижения высокой надежности и экономичности функционирования в новых условиях.
Противоаварийная автоматика.
До перестроечного периода ЕЭС формировалась в основном за счет сооружения крупнейших ТЭС, АЭС и сильно загруженных линий сверхвысокого напряжения. Требования к резервам генерирующей мощности и пропускной способности в электрической сети ЕЭС были значительно ниже, чем в зарубежных энергосистемах. Поэтому противоаварийная автоматика (ПА) играет значительную роль в обеспечении устойчивости и надежной работы ЕЭС, нежели автоматика в зарубежных энергосистемах.
До 30 % всех отключений высоковольтных линий при повреждениях в системообразующей сети сопровождалось действием ПА. В последнее время из-за резкого снижения нагрузки в ЕЭС число срабатываний ПА значительно уменьшилось, однако не следует отказываться от использования ПА в будущем, так как только с нею (в условиях географии ЕЭС) можно достичь высокоэкономичной работы ЕЭС.
Противоаварийное управление ЕЭС - многоуровневая система, созданная на концепции общей жестко централизованной системы управления режимами ЕЭС, при которой в централизованный комплекс объединены разные энергосистемы, а управляющие воздействия от ПА могут восприниматься при большой удаленности от места возмущения.
Основной принцип построения ПА в современных условиях формулируется следующим образом. В каждом регионе должна быть своя система ПА, обеспечивающая устойчивость при отключении в этом регионе наиболее мощных линий или генерирующих блоков.
При этом результирующий небаланс, обусловленный возмущением и управляющими воздействиями, не должен превышать допустимой величины, определяемом устойчивостью линий в других регионах ЕЭС. Однако выполнять управляющие воздействия в максимальной степени в своем регионе достаточно сложно из-за ограниченного объема управляющих воздействий в каждом регионе.
Система координации помогает решить эту задачу, увеличивая допустимый небаланс управляющих воздействий на основе анализа напряженного режима ЕЭС и адаптивно распределяя управляющие воздействия на основе определения "виновника" создания напряженного режима.