Глава третья
АВАРИЙНАЯ РАЗГРУЗКА ПРИ БОЛЬШИХ ДЕФИЦИТАХ МОЩНОСТИ
- Назначение и объем дополнительной разгрузки
В ряде аварий возможно возникновение больших дефицитов мощности и, как следствие, быстрое снижение частоты. Такие аварийные ситуации в основном характерны для отдельных районов или энергосистем и маловероятны в крупных энергообъединениях.
Если бы отключение нагрузки устройствами АЧР происходило при таких авариях мгновенно (т. е. в момент снижения частоты до уставки срабатывания устройства), можно было бы избежать глубоких снижений частоты. Однако в действительности даже при правильно выбранном объеме, правильной настройке и размещении АЧР большие дефициты мощности приводят, как правило, к глубокому (хотя в отдельных случаях и кратковременному) снижению частоты. Это происходит из-за наличия даже небольших выдержек времени очередей АЧР1 и собственного времени выключателей (рис. 3.1). Таким образом, может не выполняться одно из основных требований, предъявляемых к АЧР, и возникает опасность нарушения работы электростанций. Кроме того, глубокое снижение частоты, как правило, одновременно сопровождается глубоким снижением напряжения.
Рис. 3 1. Изменение частоты а переходном процессе при различных временах отключения нагрузок устройствами AЧP1 (расчет на ЭВМ).
усугубит тяжесть аварии.
Рис. 3.2. Зависимость АРС от времени отключения нагрузки (расчет на ЭВМ).
При выполнении устройства АЧР на базе индукционного реле частоты ИВЧ-3 (ИВЧ-011) без специальных мероприятий по стабилизации напряжения в его цепях глубокое снижение напряжения может вызвать значительное увеличение погрешности реле или его отказ (см. гл. 6), в результате этого АЧР окажется неэффективной, что еще более
В соответствии с требованиями к аварийной разгрузке, изложенными в [30, 54], она должна быть выполнена таким образом, чтобы возможность даже кратковременного снижения частоты ниже 45 Гц была полностью исключена. Оценим, как влияет на процесс снижения частоты при больших дефицитах мощности время отключения нагрузки быстродействующими очередями АЧР1. Полное время отключения нагрузки складывается из времени действия реле частоты (0,15—0,2 с), выдержки реле времени и времени действия выключателя (0,15—0,2 с). Таким образом, при исключении выдержки времени (что возможно в устройствах с реле РЧ-1) минимальное время отключения нагрузки составит 0,3 — 0,4 с. В устройствах на базе реле ИВЧ для предотвращения их ложной работы при исчезновении и последующей подаче напряжения необходимо вводить выдержку времени не менее 0,2 —0,3 с, поэтому минимальное время отключения нагрузки составит 0,5-0,7 с.
На рис. 3.2, 3.3 построены зависимости предельно допустимых значений дефицитов мощности (в долях мощности нагрузки энергосистемы до возникновения дефицита Рн) по условиям предотвращения снижения частоты ниже 45 Гц при работе АЧР1. Кривые построены для различных значений, регулирующего эффекта нагрузки кн, постоянных механической инерции генераторов и турбин ттг и нагрузки τΗ.
Рис. 3.3 Зависимость ΔР от постоянной механической инерции турбин и генераторов (а), нагрузки (б) и регулирующего эффекта нагрузки (в) (расчет на ЭВМ). Уставки по частоте АЧР1, начальная 48,5 Гц, конечная 46,5 Гц, ступень по частоте между очередями 0,1Гц, исходная частота 50Гц.
Объем АЧР1 выбирался в соответствии с (2.7) и распределялся между' очередями АЧР1 равномерно. Вращающийся резерв мощности не учитывался.
Как видно из рис. 3.2, при сокращении времени отключения нагрузки величина Рг пред возрастает, т. е. вероятность глубокого снижения частоты намного уменьшается. Таким образом, ускорение действия АЧР1 является эффективным мероприятием по предотвращению глубокого снижения частоты. Такое мероприятие в устройствах с реле РЧ-1 осуществимо, а в устройствах с реле ИВЧ по причинам, указанным выше, ограничено.
Анализируя кривые рис. 3.3,6, следует также обратить внимание на тот факт, что при больших дефицитах мощности на протекание переходного процесса более существенное влияние начинает оказывать постоянная механическая инерции нагрузки τΗ, в то время как при сравнительно небольших дефицитах мощности (менее 40 — 50%) влияние этого параметра незначительно. Этот эффект объясняется тем, что при отключении значительной части генерирующей мощности, как это следует из выражения (1.102), эквивалентная постоянная механической инерции генераторов и турбин становится малой и переходный процесс в значительной степени начинает определяться близкой к ней по значению.
Минимальный объем дополнительной разгрузки в этом случае может быть рассчитан по такому выражению (все величины отнесены к мощности нагрузки района в исходном режиме), отн. ед.:
(3.1)
где кз =1,1— коэффициент запаса.
При определении Pдpmin величина РГ пред может быть взята из рис. 3.2, 3.3. При отсутствии данных о постоянных механической инерции и регулирующем эффекте нагрузки можно принять минимальное значение РГ =0,45-0,5.
Дополнительную разгрузку целесообразно устанавливать и тогда, когда одновременно с дефицитом активной мощности в крупных узлах нагрузки возникают большие дефициты реактивной мощности и возможно развитие лавины напряжения. Такие ситуации характерны для отдельных районов, где, как правило, режимы с большими дефицитами активной мощности сопровождаются и большими дефицитами реактивной мощности, а также для дефицитных узлов, находящихся за значительным реактивным сопротивлением от основного источника питания. При этом во втором случае наиболее опасными с точки зрения лавины напряжения могут быть не обязательно режимы с максимальным дефицитом активной мощности. Расчетными здесь могут быть и режимы с относительно малыми дефицитами активной мощности, например отключение ближайшего к узлу источника питания небольшой мощности, приводящее к глубокому снижению напряжения в этом узле.
Характер протекания переходных процессов изменения частоты в энергосистеме и напряжений в узлах нагрузки при больших дефицитах активной и реактивной мощности существенно зависит от характеристик нагрузки по частоте и напряжению (состава нагрузки), реакции АРВ и устройств релейной форсировки возбуждения генераторов и синхронных двигателей. При существенной доле нагрузки, активная мощность которой в большой степени зависит от напряжения, значительное снижение напряжения при большом дефиците реактивной мощности приводит к уменьшению дефицита активной мощности. При этом частота может снижаться незначительно, но возникает опасность нарушения устойчивости двигателей. Не исключены случаи, когда частота вообще практически не будет снижаться вследствие глубокого снижения напряжения. При преобладании двигателей (у которых потребляемая активная мощность мало зависит от напряжения) даже при значительном снижении напряжения частота будет снижаться быстро и глубоко и может возникнуть опасность развития как лавины частоты, так и напряжения. Чем выше быстродействие АРВ генераторов и двигателей, чем эффективнее и длительней работает их форсировка возбуждения, тем выше уровни напряжения в узлах нагрузки и запасы ее устойчивости. С другой стороны, такой эффект действия АРВ и форсировки возбуждения в меньшей степени позволяет снизить возникший дефицит активной мощности за счет снижения напряжения, а в ряде случаев (при увеличении напряжения в узлах нагрузки в результате действия АРВ и релейной форсировки) даже приводит к его увеличению.
При значительных дефицитах активной и реактивной мощности для оценки необходимости выполнения дополнительной разгрузки, определения факторов ее действия следует в каждом конкретном случае выполнять расчеты переходных процессов изменения частоты и напряжения с учетом реальных характеристик узлов нагрузки по частоте и напряжению и реакции АРВ и устройств релейной форсировки возбуждения генераторов.
Дополнительную разгрузку, как правило, следует выполнять по факторам, характеризующим возникновение местного дефицита независимо от изменения частоты. Такими факторами могут быть отключение агрегата, линии или трансформатора (с контролем значения или направления мощности в предшествующем режиме или без него), наброс или изменение направления мощности по линии, трансформатору, сечению и т. д. Возможно использование для целей дополнительной разгрузки фактора одновременного снижения частоты и напряжения, а также фактора скорости снижения частоты, поскольку, как правило, скорость снижения частоты при большом местном дефиците мощности существенно больше, чем при общесистемных дефицитах (см. гл. 2). Выполнение дополнительной разгрузки по скорости снижения частоты связано с определенными трудностями из-за отсутствия серийно выпускаемого реле скорости снижения частоты, хотя существует ряд предложений по получению скорости снижения частоты на обычных реле понижения частоты (см. гл. 6). Для целей дополнительной разгрузки возможно применение устройств ВЧТО, циркулярного телеотключения т. д.
Дополнительная разгрузка практически является устройством противоаварийной автоматики программного действия, подобным тем, которые применяются для предотвращения нарушения устойчивости параллельной работы энергосистем, в частности САОН [54]; программа действия такого устройства (объем отключаемой нагрузки и время отключения) рассчитывается заранее, и после срабатывания устройства оно не осуществляет контроль за дальнейшим протеканием процесса. К дополнительной разгрузке предъявляются те же требования, что и к аналогичным устройствам противоаварийной автоматики: быстродействие, правильная дозировка воздействия, селективность, надежность.
Быстродействие и дозировка воздействия (объем отключаемой нагрузки)—два взаимосвязанных фактора. При выполнении дополнительной разгрузки, предназначенной для предотвращения глубокого снижения частоты, быстродействие является одним из важнейших факторов, определяющих эффективность этих устройств, поэтому следует стремиться к обеспечению разгрузки в начальные моменты снижения частоты до начала работы АЧР или хотя бы в моменты срабатывания первых очередей АЧР1.
Рис. 3.4. Зависимость времени до момента достижения частотой уставки первой очереди АЧР1 от значения дефицита мощности:
Если срабатывание дополнительной разгрузки происходит с задержкой, т. е. в моменты времени, когда уже срабатывают последние очереди АЧР1, то для обеспечения ее эффективности, возможно, потребуется некоторое увеличение объема разгрузки.
Объем дополнительной разгрузки, определенный по (3.1) или рис, 3.5, рассчитывается исходя из того, что дополнительная разгрузка предотвращает снижение частоты ниже 45 Гц, а дальнейшая ликвидация аварийной ситуации и восстановление частоты возлагаются на АЧР и другие мероприятия. В принципе можно объем дополнительной разгрузки увеличивать вплоть до значения максимально возможного местного дефицита мощности. Однако, поскольку дополнительная разгрузка, реагирующая, как правило, не на частоту, а на другие факторы, не участвует в ликвидации общесистемных дефицитов, она не может полностью заменить АЧР. Объем АЧР при наличии дополнительной разгрузки должен определяться по наиболее тяжелому из условий ликвидации общесистемных дефицитов и дефицита после действия дополнительной разгрузки. Если объем дополнительной разгрузки выбран так, что она практически ликвидирует большую часть местного дефицита мощности, то объем АЧР в этом районе,, как правило, определяется требованиями ликвидации общесистемного дефицита.
Допускается подключать одни и те же нагрузки к устройствам как дополнительной разгрузки, так и АЧР. Тогда при местных дефицитах они будут отключаться устройствами дополнительной разгрузки, а при общесистемных — устройствами АЧР.
Объем дополнительной разгрузки, факторы действия и выдержки времени устройств, действующих при опасных дефицитах реактивной мощности, следует, как правило, определять после анализа устойчивости узлов нагрузки. Для этого целесообразно сначала провести упрощенную оценку уровней напряжения в этих узлах после возникновения дефицита мощности (независимо от того, есть ли необходимость в дополнительной разгрузке по условиям больших дефицитов активной мощности), и если они превышают, то можно считать, что опасности лавины напряжения нет и в дополнительных расчетах нет необходимости. Если упрощенные расчеты показывают, что уровни напряжения в узлах ниже этой величины, то необходим более детальный анализ устойчивости узлов нагрузки в переходных процессах, а в ряде случаев и проведение специальных натурных экспериментов, на основании которых к делаются выводы о необходимости и объемах дополнительной разгрузки.