Сохранение устойчивости (в том числе и результирующей) требуется прежде всего для обеспечения бесперебойного энергоснабжения потребителей, поэтому последствия нарушений устойчивости оцениваются именно с этих позиций. Приведенный ниже анализ выполнен в основном по данным, обобщенным ВНИИЭ. Вопрос об оценке ущербов, вызванных нарушением энергоснабжения потребителей, особенно при кратковременных перерывах питания, в настоящее время практически еще не решен. В связи с этим ниже последствия от нарушений устойчивости не оцениваются по ущербу, что было бы желательным, а лишь сопоставляются по длительности перерывов питания, отключаемой мощности и т. п. В этом анализе отдельно рассматриваются последствия от нарушения синхронной устойчивости и отдельно от нарушения результирующей устойчивости.
Для энергорайонов, отдающих большую часть мощности в энергообъединения (типовая структура I), нарушения синхронной устойчивости, сопровождающиеся быстрой ресинхронизацией, как правило, не опасны для потребителей. Тем не менее, в ряде случаев нарушения устойчивости могут привести к значительному ущербу. Это может иметь место, если:
мощный и ответственный потребитель расположен вблизи центра качаний и понижение напряжения на его шинах в асинхронном режиме может привести к его отключению или нарушению его устойчивости;
в передающей части системы после нарушения устойчивости частота за счет увеличения скорости генераторов ГЭС настолько повышается, что могут сработать автоматы безопасности паровых турбин.
Рис. 1-3. Осциллограмма нарушения статической устойчивости электропередачи 220 кВ с последующей ресинхронизацией.
Обследованные 29 случаев нарушений устойчивости энергосистем типовой структуры I показали*, что существенных нарушений энергоснабжения потребителей практически не было. Примерно половина всех случаев нарушений синхронизма завершилась ресинхронизацией. В остальных случаях происходило разделение системы на части в результате действия или специальной автоматики прекращения асинхронного хода, или персонала, или релейной защиты. Успеху ресинхронизации способствовала автоматика, отключающая часть генераторов после нарушения синхронизма.
* Здесь и далее в этом разделе анализируются только случаи нарушения синхронизма в период 1956—1970 гг. (табл. 1-1).
Следует отметить, что ресинхронизация происходила бы гораздо чаще, если бы линии не отключались вследствие действий релейной защиты, не предназначенной для ликвидации асинхронного режима, или персонала, поскольку практически всегда имеется возможность снижения частоты в передающей энергосистеме для осуществления ресинхронизации. В качестве иллюстрации на рис. 1-3 приведена осциллограмма нарушения статической устойчивости электропередачи 220 кВ в одной из энергосистем и последующей ресинхронизации после кратковременного (18 с) асинхронного хода.
Рис. 1-4. Изменение частоты во времени при возникновении дефицита мощности.
В энергорайонах, потребляющих значительную часть мощности из энергообъединений (типовая структура II), нарушения синхронизма наносят, как правило, значительный ущерб, связанный с необходимостью отключения части менее ответственных потребителей для сохранения в работе электрических станций дефицитного района и обеспечения питания более ответственных потребителей. Было обследовано 15 случаев нарушения устойчивости в энергосистемах этого типа, которые показали, что в лучшем случае, когда за счет автоматики обеспечивается быстрое восстановление синхронной работы (т. е. сохраняется результирующая устойчивость или же обеспечивается автоматическая синхронизация дефицитного района после его отделения), имеет место отключение части потребителей на несколько секунд или десятков секунд. В худшем случае, когда авария ликвидируется действием персонала, происходит обесточение значительной части, а иногда и всех потребителей дефицитного энергорайона на длительное время (десятки минут), среди обследованных случаев такие составляли 60%. На рис. 1-4 в качестве примера показано изменение частоты в одном из дефицитных районов (Рген= =0,47Рнагр) после нарушения устойчивости по связям 110 кВ этого района с энергообъединением вследствие отключения параллельных линий 220 кВ. Это нарушение устойчивости вследствие недостаточного объема разгрузки потребителей и отсутствия делительной автоматики по частоте на электростанциях привело к полному погашению района на несколько десятков минут.
В энергосистемах III типовой структуры последствия нарушений устойчивости могут быть столь же тяжелыми, как и в энергосистемах II структуры, поскольку они связаны с отключением потребителей дефицитной части системы. Однако еще более тяжелые последствия метут иметь место, если в передающей части системы разгрузившиеся электростанции не смогут вновь принять нагрузку. Из 15 случаев нарушений синхронной устойчивости в системах II и III типовой структур в течение секунд и десятков секунд за счет сохранения результирующей устойчивости ликвидировалось 20% нарушений синхронизма.
Рис. 1-5. Осциллограмма нарушения статической устойчивости слабой связи с последующей ресинхронизацией.
Нарушения синхронной устойчивости между двумя энергосистемами, соединенными слабой связью (типовая структура IV), чаще всего не вызывают тяжелых последствий, поскольку возникающий при этом дефицит мощности в одной из систем обычно может быть покрыт без отключения потребителей за счет вращающегося резерва мощности. Однако в ряде случаев такие нарушения устойчивости могут вызвать отключение нагрузки от понижения напряжения при асинхронном ходе, если нагрузка подключена вблизи центра качаний. Для ряда слабых связей, питающих промежуточную тяговую нагрузку, обнаружено, что периодические понижения напряжения при асинхронном ходе длительностью до 0,5 1 мин не приводят к нарушению графика движения, в то время как разрыв слабой связи, сопровождающийся понижением напряжения в конце линии на более длительное время, вызывает нарушение графика движения. Из обследованных 44 нарушений синхронной устойчивости слабых связей в 43% всех случаев обеспечивалась быстрая ресинхронизация и объем отключенных потребителей был незначительным. В остальных случаях происходило деление систем персоналом, автоматикой прекращения асинхронного хода (или действием релейной защиты). На рис. 1-5 показана осциллограмма нарушения статической устойчивости по одной из слабых связей с последующей ресинхронизацией через 20 с за счет быстрого вмешательства персонала, снизившего мощность в передающей системе. Такие случаи неоднократно имели место в ОЭС Сибири в период работы межсистемных электропередач на напряжении 110 кВ.
Нарушение синхронной устойчивости в системах сложной структуры (V—IX) может вызвать весьма тяжелые последствия прежде всего из-за каскадного развития аварии. При таких авариях нарушение устойчивости в одной части системы вызывает нарушения устойчивости в других частях и происходит деление системы на отдельные дефицитные и избыточные районы. В дефицитных районах отключается значительная часть нагрузки, а в избыточных зачастую вследствие чрезмерной разгрузки происходит отключение части агрегатов на тепловых электростанциях. Из обследованных 16 нарушений синхронной работы в энергосистемах сложной структуры 25% случаев закончились ресинхронизацией без существенного отключения потребителей, в 63% случаев за счет действия автоматики прекращения асинхронного хода происходила локализация аварии и 12% случаев привели к развитию аварий с существенным отключением потребителей на длительное время.
Следует отметить, что быстрая ликвидация аварий в энергосистемах сложной структуры может быть обеспечена только с помощью противоаварийной автоматики. Примеры такого действия автоматики неоднократно имели место. Например, при передаче мощности Волжской ГЭС имени В. И. Ленина в энергообъединение Центра по двум блочным цепям при отключении одной из них нарушалась устойчивость другой. Затем автоматика отключала на ГЭС часть генераторов и происходила ресинхронизация.
Как показывает анализ случаев нарушения устойчивости, в настоящее время достигнут достаточно высокий уровень противоаварийной автоматики в энергосистемах, что позволяет в значительной степени локализовать аварии, понизить ущерб от нарушения устойчивости и тем самым повысить надежность энергоснабжения потребителей. Однако этот уровень еще недостаточен, поскольку ежегодно в энергообъединениях происходит несколько каскадных нарушений устойчивости с существенным недоотпуском энергии. Большую часть этих нарушений можно было бы предотвратить с помощью противоаварийной автоматики.
