АЧР энергосистем - Введение

Аварии в энергосистемах, сопровождающиеся возникновением дефицита активной мощности и глубоким снижением частоты, имеют, как правило, наиболее тяжелые последствия. Снижение частоты, происходящее в результате отключения источников генерации, аварийного разделения энергосистемы на части, отключения питающих энергорайон линий электропередачи, приводит прежде всего к снижению производительности механизмов собственных нужд тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанций или нарушению их нормальной работы, вследствие чего уменьшается мощность электростанций. При снижении частоты возможно также отключение агрегатов этих электростанций технологическими защитами. Вследствие снижения генерации в энергосистеме увеличивается первоначальный дефицит мощности и происходит еще более глубокое снижение частоты. При определенных условиях, начиная с некоторого момента времени, темп процесса снижения частоты может резко возрасти и возникает так называемая лавина частоты, приводящая к развалу энергосистемы, полной остановке электростанций и отключению значительной части потребителей. Аварии с лавиной частоты являются самыми тяжелыми по своим последствиям и связаны с большим народнохозяйственным ущербом.
Другой опасностью снижения частоты является возможность развития так называемой лавины напряжения, приводящей к массовому Хаотическому отключению потребителей или массовой саморазгрузке потребителей при снижении напряжения в узлах нагрузки в результате снижения частоты. Лавина напряжения может возникать в результате увеличения потребления реактивной мощности в узлах нагрузки из-за снижения частоты и уменьшения генерируемой реактивной мощности (вследствие реакции некоторых систем возбуждения и регуляторов возбуждения генераторов на снижение частоты).
Лавина частоты и лавина напряжения (или массовая саморазгрузка потребителей), как правило, связаны с длительными отключениями потребителей. Ликвидация последствий
таких аварий — ввод в работу агрегатов тепловых электростанций (особенно при потере питания собственных нужд) и атомных электростанций (особенно при попадании реактора в так называемую йодную яму, когда падение его реактивности не может быть скомпенсировано регулирующими органами); восстановление питания отключенных потребителей занимает, как правило, не менее нескольких часов.
Снижение частоты также существенно влияет на работу электроприемников. Производительность ряда вращающихся механизмов (насосы, вентиляторы) в большой степени зависит от частоты. Снижение частоты может привести к срабатыванию технологической автоматики на различных предприятиях.
Длительные глубокие снижения частоты недопустимы также по условиям работы паровых турбин. Резонансные явления, возникающие в лопатках турбин, приводят к накоплению усталостных напряжений, и возникает опасность их разрушения.
Предотвращение снижения частоты до опасных уровней, при которых возможно нарушение работы энергосистемы, может быть возложено только на автоматику, поскольку процессы лавины частоты и напряжения могут развиваться за время от нескольких десятков до нескольких секунд в зависимости от глубины снижения частоты и напряжения.
Для предотвращения и ограничения развития аварий со снижением частоты применяется комплекс средств противоаварийной автоматики. Основным из них является автоматическая частотная разгрузка; предназначенная для отключения части потребителей при возникновении аварийного дефицита мощности. Необходимость ее применения и высокая эффективность подтверждены многолетним опытом эксплуатации.
Основное назначение АЧР — отключением части менее ответственных потребителей сохранить в работе электрические станции, обеспечить безопасность работы АЭС и в той мере, в какой это возможно, обеспечить надежное питание наиболее ответственных потребителей. Сохранение в работе электростанций дает возможность после ликвидации аварийной ситуации достаточно быстро восстановить питание потребителей. Отсутствие или недостаточный объем АЧР могут привести к останову всех или значительной части электростанций, вследствие этого будет нарушено питание существенной доли или всех потребителей. Восстановление их электроснабжения потребует значительного времени.
В настоящее время основная задача АЧР формулируется более широко — не только предотвратить снижение частоты ниже соответствующих уровней, но и обеспечить подъем частоты до уровня, дающего возможность автоматически быстро восстановить нормальную работу энергосистемы.
Задача ликвидации аварийной ситуации с дефицитом мощности и восстановления электроснабжения потребителей наряду с АЧР решается также такими мероприятиями, как пуск резервных гидроагрегатов при снижении частоты (частотный пуск), перевод по этому же фактору гидрогенераторов из режима синхронного компенсатора в режим выдачи активной мощности, автоматическое повторное включение потребителей, отключенных устройствами АЧР, при повышении частоты (ЧАПВ), различные виды АПВ линий.
Развитие энергосистем страны идет по пути их объединения на параллельную работу. В настоящее время в состав Единой энергетической системы страны (ЕЭС СССР) входят девять энергообъединений (ОЭС): Центра, Северо-Запада, Юга, Средней Волги, Урала, Северного Кавказа, Закавказья, Казахстана, Сибири. В ближайшие годы намечается присоединение к ЕЭС СССР ОЭС Средней Азии и ОЭС Востока. Параллельно с ЕЭС СССР работает энергообъединение стран — членов СЭВ. Крупные по мощности ЕЭС СССР и отдельные ОЭС имеют сложную структуру и охватывают большую территорию. В этих условиях, по мнению некоторых специалистов, роль АЧР как средства противоаварийной автоматики уменьшается, поскольку в таких крупных энергообъединениях менее вероятно глубокое снижение частоты. Это ошибочное утверждение. Роль АЧР еще более возрастает в силу следующих причин.
Во-первых, с объединением энергосистем на параллельную работу существенно увеличивается число узлов и районов, получающих мощность по связям с энергообъединением, т. е. возрастает вероятность локальных дефицитов мощности.
Во-вторых, в условиях крупных энергообъединений существенно возрастает число возможных аварийных ситуаций с дефицитом мощности. Такие аварии могут быть вызваны самыми разными причинами: отключением линий, генераторов, выпадением из синхронизма отдельных генераторов или электростанций, нарушениями работы собственных нужд электростанций, неправильными действиями персонала и т. д. Значительное число аварийных ситуаций с дефицитом мощности является следствием наложения ряда таких событий. Возможность возникновения дефицитов мощности в отдельных частях ЕЭС и ОЭС усугубляется наличием длинных линий электропередачи с большим транспортом электроэнергии, возрастающей вероятностью как заранее предусмотренного, так и случайного разделения энергообъединения на части при возникновении аварийной ситуации. На практике имели место случаи, когда нарушение, сопровождавшееся возникновением избытка мощности, в силу тех или иных причин развивалось в конечном итоге в аварийную ситуацию с отключением генераторов и понижением частоты. Опыт эксплуатации показывает, что в условиях современных энергообъединений аварии могут развиваться так сложно, что заранее предусмотреть характер их развития не представляется возможным, они определяются большим числом случайных факторов. Задача определения места возникновения нарушения, характера аварии в условиях современных энергообъединений становится задачей вероятностной.
В-третьих, условия работы энергосистем с точки зрения возможности развития лавины частоты в последние годы стали более тяжелыми из-за того, что основная часть мощности сейчас вырабатывается агрегатами блочных ТЭС высокого и сверхвысокого давления и АЭС, допустимая длительность работы которых при пониженной частоте меньше, чем у агрегатов ТЭС низкого и среднего давления с общим паропроводом.
В-четвертых, как указывалось выше, на АЧР часто возлагается задача создания условий для автоматического восстановления нормального режима энергосистемы, района и, в частности, обеспечения ресинхронизации, работы АПВ с улавливанием синхронизма и т. д.
Таким образом, в условиях современных крупных по мощности и сложных по конфигурации энергообъединений роль АЧР по-прежнему велика, но существенно меняются требования, предъявляемые к ней.
В последние годы резко повысилось внимание к вопросам АЧР в зарубежных странах, где имел место ряд крупных и очень тяжелых по своим последствиям аварий (в США, Франции, Канаде, Швеции и т. д.). Опыт этих аварий показал, что как принципы выполнения автоматики, так и масштабы ее распространения были неудовлетворительными. После тяжелых системных аварий за рубежом был проведен большой комплекс работ по противоаварийной автоматике, в том числе и по АЧР, однако общий уровень выполнения АЧР с точки зрения режимных принципов пока еще отстает от отечественного.
Широкое внедрение в нашей стране АЧР вместе с другими мероприятиями по ликвидации опасных дефицитов мощности и восстановлению нормальных режимов, совершенствование ее принципов применительно к условиям современных крупных энергообъединений позволили обеспечить надежное функционирование энергосистем. Аварии с лавиной частоты и сопутствующей ей лавиной напряжения практически не имеют места. Единичные случаи подобных нарушений, носящих локальный характер, наблюдались там, где разгрузка выполнена неудовлетворительно.