В ряде районов, энергосистем, где возможно возникновение больших местных дефицитов мощности, выполнение дополнительной разгрузки может быть связано с большими трудностями. Такое положение может возникать, если, во- первых, нагрузки рассредоточены по энергосистеме и нет достаточно крупной питающей линии, отключение которой решало бы задачи дополнительной разгрузки, и, во-вторых, если из-за наличия высокоответственных потребителей нельзя отключить целиком крупную подстанцию или питающую линию Иногда не удается простыми техническими средствами выявить помимо частоты фактор действия дополнительной разгрузки или обеспечить необходимое быстродействие автоматики.
В подобных случаях задачи ликвидации больших дефицитов мощности целиком возлагаются на АЧР, однако в этих условиях действие АЧР может оказаться неэффективным из-за недостаточного быстродействия устройств разгрузки или их возможного отказа при глубоком снижении напряжения, как правило, имеющем место одновременно с глубоким снижением частоты. Кроме того, даже при небольших дефицитах мощности никогда не исключено такое протекание аварийных процессов, когда действие АЧР по каким-либо причинам оказалось неэффективным (например, из-за отказов ряда устройств, неправильного их размещения, недостаточного объема разгрузки) и частота снижается до опасных уровней на длительное время.
Для обеспечения живучести энергосистем и сохранения в работе электрических станций при глубоком или длительном снижении частоты согласно директивным материалам [30, 54] на тепловых электростанциях должна выполняться делительная автоматика по частоте, осуществляющая отделение от энергосистемы всей электростанции или ее части с примерно сбалансированной нагрузкой или же отдельных агрегатов на нагрузку собственных нужд. Делительная автоматика по частоте заменяет дополнительную разгрузку, когда последняя не может быть выполнена или по каким-либо причинам отсутствует, и резервирует действие АЧР и дополнительной разгрузки, когда последняя введена в работу. Делительная автоматика по частоте является важнейшим звеном и «последним рубежом» в комплексе средств противоаварийной автоматики, предназначенных для ликвидации аварийных дефицитов мощности. Она позволяет сохранить в работе электрические станции и после ликвидации аварийной ситуации быстро восстановить питание потребителей. Отсутствие или неэффективное действие делительной автоматики по частоте приводит к полному погашению электростанций, существенному увеличению времени ликвидации аварий и народнохозяйственного ущерба.
Делительная автоматика по частоте согласно [30, 54] должна устанавливаться на всех ТЭС, на которых она может быть выполнена исходя из условий их работы (схемы электростанции, ее положения в сети, теплофикационного режима и т. д.). Делительную автоматику следует выполнять с двумя пусковыми органами — одним с частотой срабатывания 45—46 Гц, т. е. примерно на I Гц меньше нижней уставки по частоте АЧР1, и временем 0,5 с (для предотвращения погашения электростанций при глубоком снижении частоты) и другим — с частотой срабатывания около 47 Гц и временем 30-40 с (для предотвращения погашения электростанций при длительном зависании частоты на низком уровне).
Делительную автоматику по частоте следует выполнять таким образом, чтобы отделение электростанции с частью нагрузки происходило или с небольшим избытком генерирующей мощности, ликвидируемым впоследствии действием АРЧВ турбин (что является более предпочтительным), или с небольшим «остаточным» дефицитом мощности, при необходимости ликвидируемым действием еще не сработавших устройств АЧР в выделившемся районе.
В тех случаях, когда не удается выполнить делительную автоматику по частоте, отделяющую всю электростанцию или ее часть с примерно сбалансированной нагрузкой, должно осуществляться действие делительной автоматики на выделение одного или нескольких агрегатов на нагрузку собственных нужд всей электростанции или хотя бы этих агрегатов. При этом должна быть обеспечена и экспериментально проверена надежная работа энергоблока с нагрузкой собственных нужд в течение не менее 15 мин при возможных режимах и технологических схемах электростанции [54].
Особо следует обратить внимание на необходимость выполнения делительной автоматики по частоте в районах, где по каким-либо причинам временно имеет место недостаточный объем разгрузки. Уставка по частоте такой автоматики выбирается по местным условиям и может быть принята более высокой—46,5—47,5 Гц, а выдержка времени не более 1 с. Это означает, что в таких условиях допускается в ряде случаев неселективное по отношению к АЧР действие делительной автоматики, т. е. ее срабатывание до того момента, как полностью сработали все очереди АЧР1.
Действие делительной автоматики становится особо эффективным, если наряду с сохранением в работе электростанции в результате ее действия обеспечивается питание потребителей, имеющих наиболее высокую степень ответственности, а нагрузка, отключаемая действием АЧР до или после отделения электростанции, менее ответственна.
Учитывая, что срабатывание делительной автоматики по частоте происходит, как правило, в условиях одновременного снижения частоты и напряжения, а также ответственность этой автоматики, ее целесообразно выполнять на полупроводниковом реле частоты РЧ-1, работоспособном при глубоких снижениях напряжения, а при ее выполнении на индукционном реле ИВЧ следует в обязательном порядке осуществить мероприятия по стабилизации напряжения на реле частоты.
С целью повышения надежности работы делительной автоматики следует стремиться, чтобы по возможности ее воздействие осуществлялось на минимальное число выключателей и были сведены до минимума сложные переключения и телеотключения. Для обеспечения селективности действия автоматики целесообразно применять дополнительные пусковые или блокирующие сигналы, например по направлению мощности по линиям связи электростанции с системой или по трансформаторам, Повышение эффективности и селективности автоматики может быть достигнуто введением в нее сигналов по уровню воды в барабанах котлов, интегралу отклонения частоты [58, 61 ], снижению активной мощности собственных нужд за заданный интервал времени [18, 19]. Если одновременно с дефицитами активной мощности могут возникать значительные дефициты реактивной мощности и глубокие снижения напряжения на шинах электростанций, приводящие к нарушению устойчивости или отключению электродвигателей собственных нужд, целесообразно дополнить делительную автоматику пусковыми органами по снижению напряжения. Эффективность факторов пуска и уставки делительной автоматики в каждом конкретном случае должна проверяться расчетами или натурными экспериментами.
Наиболее просто задачу отделения электростанции с примерно сбалансированной нагрузкой удается решить на ГРЭС среднего или низкого давления, имеющих, как правило, значительную местную нагрузку. Наибольшие трудности при выполнении делительной автоматики возникают на блочных ГРЭС высокого и сверхвысокого давления, имеющих незначительную местную нагрузку и выдающих основную мощность в энергосистему, а также на ТЭЦ, имеющих значительную тепловую нагрузку [6].
Для осуществления выделения целиком крупной блочной ГРЭС вместе с районом нагрузки, как правило, требуется сложный комплекс автоматики с устройствами телеотключения и воздействием на большое число выключателей. С другой стороны, выделение только одного агрегата ГРЭС со своими собственными нуждами приводит к потере значительной части генерирующей мощности. В ряде случаев наиболее целесообразным является выделение части электростанции (например, агрегатов, работающих на шины среднего напряжения) с нагрузкой собственных нужд и прилегающего района (например, отключением транзитных связей на самой электростанции и примыкающих подстанциях, а также связей между шинами различных напряжений на электростанции). Для формирования отделяемого района делительная автоматика может выполняться несколькими (двумя-тремя) ступенями [69]. Первая ступень, действующая при более высоких значениях частоты (например, 48—48,5 Гц), осуществляет предварительную подготовку схемы выделения отключением соответствующих транзитных связей, разделением шин ряда подстанций и т. д. Последняя ступень, имеющая регламентированные директивными материалами уставки, производит отключение соответствующих последних связей отделяемого района и электростанции с энергосистемой.
Если выделение части ГРЭС или ТЭЦ с районом нагрузки осуществить не удается или оно связано со значительным усложнением автоматики, необходимостью отключения большого числа выключателей, что существенно снижает надежность работы автоматики, то, как указывалось выше, следует производить выделение одного-двух агрегатов электростанции на нагрузку собственных нужд. Следует по возможности стремиться к сохранению собственных нужд большего числа агрегатов. При этом, с одной стороны, нагрузка собственных нужд не должна превосходить Мощность выделяемых генераторов и, с другой стороны, необходимо обеспечить перевод на выделяемые генераторы только такого числа двигателей собственных нужд, самозапуск которых обеспечивается. Для обеспечения последовательного самозапуска этих двигателей на большом числе секций может потребоваться большое время (до 10—15 с), поэтому в ряде случаев целесообразно либо сократить число агрегатов, собственные нужды которых переводятся на выделяемый генератор, либо автоматическую подготовку схемы собственных нужд начинать до срабатывания делительной автоматики, например при более высоких частотах (47,5 —48,5 Гц), что существенно облегчает условия самозапуска, уменьшает отклонения режимных параметров, увеличивает объем нагрузки, для которой обеспечивается успешный самозапуск.
Трудности в выполнении делительной автоматики по частоте на ТЭЦ связаны с необходимостью обеспечения после отделения электростанции или отдельных агрегатов баланса не только по электрической мощности, но и по тепловой нагрузке агрегатов, существенные сбросы или набросы которой могут привести к их остановке. С другой стороны, на ТЭЦ, имеющих поперечные связи и котлы· барабанного типа, практически всегда есть резервы по питательной воде и пару, а значительные объемы пара в коллекторах и паропроводах снижают в переходных процессах при снижении частоты эффект падения уровня в барабанах котлов.
Наиболее сложно, как правило, выполнить делительную автоматику на ТЭЦ, агрегаты которых постоянно или определенные периоды времени работают в чисто теплофикационном режиме, существенно ухудшающем их регулировочные возможности. Например, в Мосэнерго ТЭЦ составляют большую часть электростанций, причем значительное их число в осенне-зимний период работает с противодавлением или на встроенных пучках. В связи с этим на ТЭЦ Мосэнерго принято, что при выполнении делительной автоматики с действием на выделение нескольких агрегатов хотя бы один из них в исходном нормальном режиме должен работать с подачей циркуляционной воды в конденсатор, а при действии автоматики на выделение одного агрегата он не должен в нормальном режиме работать с противодавлением. Повышая надежность действия делительной автоматики, это, однако, приводит к некоторому снижению экономичности работы ТЭЦ. Для обеспечения более надежного питания собственных нужд ТЭЦ при выделении одного или нескольких агрегатов целесообразно, если позволяет схема станции, заблаговременно или автоматически при более высоких, чем уставки автоматики деления, уровнях частоты создавать блочные схемы, управляющие запорной арматурой по пару и питательной воде. При этом необходимо предусматривать питание соответствующей арматуры от выделяемых на автономную работу секций собственных нужд.
Вопрос о том, должна ли делительная автоматика по частоте на ГРЭС и ТЭЦ действовать на выделение всей станции, ее части или отдельных агрегатов, должен решаться исходя из конкретных схемных и режимных условий работы электростанции. При анализе эффективности автоматики и выборе схемы деления должны быть тщательно проанализированы все возможные режимы и схемы работы электростанций в различные периоды суток и года, их состав оборудования, а также состав и значения электрических и тепловых нагрузок потребителей. При оценке возможных небалансов электрической и тепловой нагрузки необходимо учитывать действие АЧР, отключающей часть местной нагрузки на шинах электростанции или в отделяющихся с ней районах, а также возможный сброс тепловой нагрузки потребителей при работе АЧР. Возможно выполнение делительной автоматики в две ступени, первая из которых, имеющая более высокую уставку по частоте, действует на выделение всей станции или ее части с примерно сбалансированной нагрузкой, а вторая—на выделение одного- двух генераторов с нагрузкой собственных нужд, если действие первой ступени автоматики оказалось неэффективным и частота продолжает снижаться или зависает на низком уровне.
Опыт эксплуатации показывает, что задача выполнения делительной автоматики на ТЭС, и в первую очередь на ГРЭС с крупными блочными агрегатами высокого давления, решается медленно. Это обусловлено как рядом объективных технических трудностей, так и в ряде случаев неудовлетворительным состоянием оборудования и систем регулирования агрегатов и механизмов. Учитывая особую важность этой автоматики с точки зрения обеспечения живучести электростанций и энергосистемы в целом, необходимо форсировать работы по осуществлению комплекса необходимых мероприятий, позволяющих ввести эту автоматику в работу
Как показывает анализ ряда тяжелых аварий, отсутствие или неправильный выбор уставок (как правило, большие выдержки времени) делительных автоматик по частоте на ряде электростанций явились причиной их полного погашения при возникновении больших дефицитов мощности в некоторых районах и энергосистемах.
Рис 3 6 Принципиальная схема (а), схема замещения района (б) и зависимость при возникновении дефицита мощности (в)
1— авария, 2— расчет
В качестве примера такой аварии можно привести следующий случай. В одном из районов крупного энергообъединения (рис. 3.6) работали три тепловые электростанции среднего давления, мощность которых составляла 0,455 мощности нагрузки данного района. Недостающая мощность в этот район поступала из энергообъединения по двум линиям 220 и одной линии 110 кВ. Объем АЧР и этом районе составлял 0,34 мощности нагрузки, т. е. был недостаточным, дополнительная разгрузка отсутствовала. На двух электростанциях не была выполнена делительная автоматика по частоте, на третьей электростанции она имела уставки 46 Гц, 11с.
При операциях на подстанции 220 кВ по вводу в работу после ремонта одной из двух систем шин произошла поломка шинного разъединителя, возникло короткое замыкание и действием дифференциальной защиты шин район оказался отделенным от сети 220 кВ На оставшуюся в работе линию 110 кВ, связывающую район с энергообъединением, произошел большой наброс мощности, нарушилась устойчивость электростанций района относительно энергообъединения, и частота в районе стала резко снижаться. Кривая изменения частоты во время этой аварии приведена на рис. 3.6, в. Сработала АЧР, но из-за недостаточного объема разгрузки и увеличения дефицита вследствие больших активных потерь а линии 110 кВ продолжалось быстрое и глубокое (ниже 40 Гц) снижение частоты, в результате этого три станции района остановились полностью, в том числе и та, где имелась делительная автоматика с временем 11 с, поскольку отделение станции произошло уже при частоте 41 Гц и не могло ее спасти.
Вопрос выполнения делительной автоматики является очень актуальным и для АЭС. Обеспечение живучести этих станций при аварийном снижении частоты — важнейшая задача. Она должна решаться в комплексе с другой важнейшей задачей — обеспечения радиационной безопасности АЭС при значительных аварийных возмущениях, связанных с глубоким или длительным снижением частоты. Проблема выполнения делительной автоматики на АЭС в настоящее время еще детально не исследована. В то же время необходимость такой автоматики диктуется опытом эксплуатации. Наиболее универсальным и надежным представляется выделение в аварийных условиях агрегатов АЭС на нагрузку своих собственных нужд. В тех случаях, когда это позволяют схема и режим работы станции и прилегающего района нагрузки, целесообразно выделять на этот район один или несколько агрегатов АЭС. Необходимо провести комплекс работ и исследований, на основании которых могут быть разработаны принципы выполнения такой автоматики и обоснованы ее уставки, и в частности работы по обеспечению надежного функционирования агрегатов АЭС при сбросах их нагрузки до значений, близких к нагрузке холостого хода, исследования по оценке работоспособности оборудования АЭС, включая механизмы собственных нужд и системы управления и защиты агрегатов, при аварийных отклонениях частоты.