3.7.1 Задачи противоаварийного управления
Крупные энергообъединения содержат огромное количество элементов, связанных между собой общностью режима. Выход из строя одного из элементов может привести к нарушению режима работы других элементов и прекращению выполнения ими своих функций. Развитие возникших вследствие этого аварийных процессов в некоторых случаях может иметь каскадный характер и привести к системной аварии, сопровождающейся отключением большого числа потребителей. В таких случаях в аварийные процессы вовлекается большое количество элементов и происходит нарушение электроснабжения потребителей на значительной территории, что является одной из неблагоприятных особенностей крупных энергообъединений.
Анализ показывает, что основной причиной серьезных аварий каскадного характера, имевших место в ряде крупных национальных энергосистем, явилось отсутствие надлежащим образом организованной и достаточно эффективной системы противоаварийного управления. Под термином "противоаварийное управление" понимают широкий комплекс мероприятий, направленных на снижение вероятности возникновения аварий и их развития.
Аварийным называется режим, при котором отдельные параметры (токи, перетоки мощности, напряжение, частота и др.) достигают значений, существование которых допустимо лишь кратковременно вследствие опасности дальнейшего развития аварии и повреждения оборудования. Задача противоаварийного управления - ограничить или предотвратить каскадное развитие аварии, прервать его на возможно более раннем этапе, не допустить значительного нарушения работы энергосистемы или ее части, обеспечить в кратчайшее время переход от послеаварийного к нормальному режиму или облегчить действия оперативного персонала по восстановлению нормального режима.
Процессы при авариях в энергосистеме могут быть разделены по скорости их протекания и характеру действия противоаварийного управления на три категории. К первой категории относятся короткие замыкания (КЗ) и вызываемые ими быстрые электромагнитные переходные процессы, при которых действуют устройства релейной защиты (РЗ). При переходе от электромагнитных процессов к электромеханическим начинает проявляться эффект автоматического регулирования возбуждения (регуляторов сильного действия) и форсировки возбуждения (ФВ). При более медленных электромеханических переходных процессах действуют автоматика предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ) и автоматика деления сети (ДС).
При разделении энергосистемы (энергообъединения) на несинхронно работающие части возникают длительные переходные процессы с образованием местных дефицитов или избытков мощности, вследствие чего изменяются и параметры режима энергосистемы - частота, напряжения и перетоки мощности в разделившихся частях. Значительное снижение частоты, вследствие образовавшегося дефицита мощности, вызывает действие АЧР (автоматическая частотная разгрузка). В другой части энергосистемы при избытке в ней активной или реактивной мощности срабатывает автоматика, действующая при повышении частоты или значительных отклонениях напряжения от допустимого уровня. Возникший асинхронный ход устраняется действием автоматики ликвидации асинхронного режима (АЛАР).
Быстрый ввод параметров режима в допустимую область позволяет восстановить электроснабжение потребителей, чему способствуют устройства АПВ (автоматическое повторное включение) всех видов, а также устройства АВР (автоматический ввод резерва).
Характерной чертой системы противоаварийного управления является зависимость необходимого состава ее элементов от схемы и режима работы энергосистемы (энергообъединения). Для мировой энергетики в последнее время характерна тенденция все более полного использования генерирующих мощностей и пропускной способности основных электрических сетей. В этих условиях противоаварийное управление энергосистем, позволяющее реализовать более напряженные режимы без снижения уровня надежности, приобретает особое значение, как эффективное средство, уменьшение резервов и повышение коэффициента использования оборудования.
Устройства, установленные на различных объектах и различные по назначению, в ряде случаев, тесно связаны между собой общностью управляемого процесса и образуют по существу единую автоматическую систему. Важнейшее требование к системе противоаварийного управления заключается в том, что любое нарушение должно ликвидироваться так, чтобы исключить его опасное влияние на соседние участки энергосистемы и предотвратить каскадное развитие аварий. Это требование должно выполняться при любых схемах и режимах работы энергосистемы.
Противоаварийное управление включает в себя три важнейших принципа:
- автоматическое регулирование возбуждения сильного действия;
- релейную защиту электрических сетей;
- противоаварийную автоматику.
Развитие каждого из этих компонентов в энергообъединениях разных стран различно, однако, в целом противоаварийному управлению во всех странах уделяется большое внимание.
Ход развития нарушений нормального режима может быть определен следующими наиболее характерными этапами возникновения развития и ликвидации аварии:
- возникновение КЗ на элементе энергосистемы (линии, трансформаторе, шинах подстанции или электростанции);
- отделение поврежденного элемента от основной сети энергосистемы (отключение неповрежденного элемента, вследствие ошибки оперативного персонала, или неправильного действия релейной защиты и автоматики);
- нарушение баланса активной мощности в отдельных районах энергообъединения, вследствие отключения элементов сети, мощных генераторов или больших узлов нагрузки, перегрузка сетей;
- нарушение синхронизма между районами энергообъединения;
- отделение района с дефицитом (или избытком) активной (или реактивной) мощности.
Ликвидация аварии на разных этапах ее развития осуществляется с помощью комплекса устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики, в состав которой входят:
- релейная защита, выявляющая и отключающая поврежденный участок;
- устройства АПВ, восстанавливающие нормальную схему сети в случае, если повреждение будет неустойчивым;
- автоматика управления активной мощностью, устраняющая перегрузки электрических связей, предотвращая нарушение устойчивости;
- автоматика ликвидации асинхронного режима (АЛАР) осуществляет деление несинхронно работающих частей энергообъединения;
- автоматика, восстанавливающая баланс активной или реактивной мощности в отделившемся районе;
- автоматика, восстанавливающая нормальную схему после ликвидации дефицита мощности.
Применение системы противоаварийной автоматики позволяет улучшить использование электростанций и линий электропередачи, снизить затраты на развитие энергосистем, повысить надежность работы в напряженных режимах, обусловленных ремонтами или задержкой ввода в эксплуатацию отдельных элементов сети, а также при тяжелых аварийных ситуациях.
Автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) сильного действия
Большое значение для противоаварийного управления энергосистемами имеет комплекс средств, получивший название автоматического регулирования возбуждения сильного действия. Обязательными составными частями комплекса являются регулятор возбуждения с большим коэффициентом усиления, а также быстродействующая система возбуждения с большой форсировочной способностью.
Большие коэффициенты усиления, допустимые для подобного рода регуляторов, обеспечивают существенное повышение пределов статической устойчивости электропередачи. В сочетании с быстродействующими системами возбуждения это приводит также к повышению уровня динамической устойчивости.
Релейная защита и автоматика
Повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования, возникающие при эксплуатации действующих электроустановок нарушают режимы работы энергосистем и электроснабжение потребителей. Наиболее распространенными и наиболее опасными видами повреждений являются короткие замыкания(к.з.). Короткие замыкания сопровождаются большими токами и глубокими снижениями напряжения. Ненормальными режимами работы являются перегрузки, вызванные изменением схемы электрической сети, вследствие производства ремонтов и повреждения электрооборудования, качания и нарушение синхронизма параллельно работающих в системе генераторов.
Повреждения и ненормальные режимы работы могут приводить к возникновению вынужденных нарушений (аварий) нормальной работы всей энергетической системы или ее части, сопровождающимися недоотпуском энергии, недопустимым ухудшением ее качества и возможным разрушением основного оборудования. Первопричинами возникновения аварий, в большинстве своем, являются своевременно необнаруженные и неустраненные дефекты оборудования, неудовлетворительные проектирование, монтаж и эксплуатация, стихийные явления и другие причины.
Короткие замыкания в любом месте энергосистемы, ввиду взаимосвязанности всех элементов, немедленно отражаются на работе значительной ее части. Поэтому, для предотвращения возникновения аварий или их развития при повреждениях в электрооборудовании и обеспечения бесперебойной работы неповрежденной части энергосистемы, время отключения поврежденного элемента должно быть по возможности малым (десятые, сотые доли секунды).
Наиболее влияющими на нормальный режим работы энергосистемы являются трехфазные короткие замыкания, затем двухфазные на землю, двухфазные и однофазные замыкания на землю. В сетях с изолированной нейтралью напряжением 3,6,10,35 кВ однофазные замыкания на землю не вызывают нарушение электроснабжения потребителей и относятся к ненормальному режиму работы сети. Сети 110 кВ и выше работают с глухозаземленными нейтралями (сети с большим током замыкания на землю). Отключение коротких замыканий производится с помощью устройств релейной защиты.
Устройства релейной защиты (УРЗ) являются автоматическими устройствами, без которых вообще невозможна бесперебойная работа силовых электроэнергетических установок.
УРЗ выполняются автономными, устанавливаемыми на электроэнергетическом оборудовании. УРЗ делятся на основные и резервные.
Основным устройством называется устройство релейной защиты, предназначенное для отключения всех или части видов к. з. в пределах всего защищаемого элемента с минимальным временем.
Резервным устройством называется устройство релейной защиты, предназначенное для работы вместо основного устройства в случаях отказа или вывода из работы (ближнее резервирование), а также вместо устройств защит смежных элементов при их отказе или отказе выключателей (дальнее резервирование) и действуют с выдержками времени. Резервные устройства релейной защиты в замкнутых сетях выполняются ступенчатыми, выполняемыми реагирующими на направление потока мощности к. з., полные токи и напряжения, напряжения и токи симметричных составляющих. Ступенчатые УРЗ в отдельных случаях могут использоваться в качестве основных резервных на линиях электропередачи.
В общем случае комплекс устройств релейной защиты составляет:
• одну-две основные защиты от всех видов повреждений;
- комплекс резервных защит обеспечивающих ближнее и дальнее резервирование;
- общеподстанционное устройство резервирования при отказе выключателей (ближнее резервирование), если это необходимо для сохранения устойчивости параллельной работы электрических станций.
Оснащение объемом и сложностью УРЗ каждого элемента энергосистемы определяется степенью воздействия на нарушение режима работы сети от возникающих повреждений в рассматриваемом элементе.
В качестве основных быстродействующих применяются защиты дифференциальные, дифференциально-фазные, направленные с высокочастотной блокировкой или комплекс защит с передачей отключающего импульса по высокочастотным каналам линии электропередачи на противоположный конец линии.
В качестве резервных защит используются комплексы ступенчатых защит (дистанционных, защит от замыканий на землю), реагирующих на все виды коротких замыканий.
Весьма эффективным средством предотвращения развития аварий при отказе УРЗ являются устройства резервирования отказа выключателей (УРОВ).
Для увеличения надежности электроснабжения потребителей в дополнение к УРЗ на воздушных линиях электропередачи и в отдельных случаях на трансформаторах используются устройства автоматического повторного включения (АПВ) после отключения элемента электрической сети от УРЗ.
На транзитных линиях напряжением 220 кВ и выше для увеличения надежности сохранения связей между энергорайонами после отключения однофазных коротких замыканий применяется однофазное повторное включение (ОАПВ).
В кабельных сетях преобладающим средством увеличения надежности электроснабжения являются устройства автоматического включения резерва (АВР).
