Виды управляющих воздействий ПА
- Автоматическое повторное включение (АПВ).
- Отключение генераторов.
- Отключение нагрузки.
- Автоматическая частотная разгрузка.
- Деление энергосистемы.
- Электрическое торможение генераторов.
- Коммутационные воздействия в индуктивно-емкостных установках.
- Средства противоаварийного управления воздействием на момент турбины.
- Управление мощностью передач и вставок постоянного тока.
Автоматическое повторное включение
Значительная часть коротких замыканий (КЗ) на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи, вызванных перекрытием изоляции, схлестыванием проводов и другими причинами, при достаточно быстром отключении повреждений релейной защитой самоустраняется. При этом электрическая дуга, возникшая в месте КЗ, гаснет, не успевая вызвать существенных разрушений, препятствующих обратному включению линий под напряжение. Такие самоустраняющиеся повреждения называются неустойчивыми. Статистические данные о повреждаемости ВЛ за многолетний период эксплуатации показывают, что доля неустойчивых повреждений высока и составляет 50–90 %.
Поскольку отыскание места повреждения на линии электропередачи путем ее обхода требует длительного времени и многие повреждения носят неустойчивый характер, обычно при ликвидации аварии оперативный персонал производит опробование линии путем обратного включения под напряжение. Эта операция называется повторным включением. Линия, на которой произошло неустойчивое повреждение остается в работе. Поэтому повторные включения при неустойчивых повреждениях принято называть успешными.
Реже на ВЛ возникают такие повреждения, как обрывы проводов, тросов или гирлянд изоляторов, падение или поломка опор и т.д. Такие повреждения не могут самоустраниться, поэтому их называют устойчивыми. При повторном включении линии, на которой произошло устойчивое повреждение, вновь возникает КЗ, и она вновь отключается релейной защитой. Поэтому повторные включения линий при устойчивых повреждениях называют неуспешными.
Повторное включение линий на подстанциях с постоянным оперативным персоналом или на телеуправляемых объектах занимает несколько минут, а на подстанциях нетелемеханизированных и без постоянного оперативного персонала — от получаса до часа и более. Поэтому для ускорения повторного включения линий и уменьшения времени перерыва электроснабжения потребителей широко используются специальные устройства автоматического повторного включения (АПВ). Время действия АПВ обычно не превышает нескольких секунд, поэтому устройства АПВ при успешном включении быстро подают напряжение потребителям. Согласно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ) (утверждены Приказом Минэнерго России от 08.07.2002 № 204), обязательно применение АПВ на всех воздушных и смешанных (кабельно-воздушных) линиях напряжением выше 1 кВ.
Успешность действия АПВ составляет в сетях разного напряжения 50–90 %. АПВ восстанавливает нормальную схему также и в тех случаях, когда отключение выключателя происходит вследствие ошибок персонала или ложного действия релейной защиты. Наиболее эффективно применение АПВ на линиях с односторонним питанием, т.к. в этих случаях каждое успешное действие АПВ восстанавливает питание потребителей и предотвращает аварию. В кольцевых сетях отключение одной из линий не приводит к перерыву питания потребителей. Однако и в этом случае применение АПВ целесообразно, поскольку ускоряет ликвидацию ненормального режима и восстановление нормальной схемы сети, при которой обеспечивается наиболее надежная и экономичная работа.
Отключение генераторов
Отключение генераторов (ОГ) как управляющее воздействие противоаварийной автоматики используется в основном для предотвращения нарушения устойчивости при аварийных возмущениях, связанных с ослаблением связей (отключением сетевых элементов) энергосистемы. Однако, в отличие от автоматического повторного включения (АПВ), отключение генераторов приводит к изменению баланса мощностей в энергосистеме. В зависимости от конкретных условий отключение генераторов осуществляется блочными или генераторными выключателями с минимально возможным запаздыванием относительно момента возникновения аварийного возмущения.
Отключение нагрузки
Отключение нагрузки (ОН) используется с целью предотвращения нарушения устойчивости также как и ОГ, в случае необходимости разгрузки «опасного сечения». ОН следует выполнять в приемной части энергосистемы. При этом механизм воздействия на энергосистему оказывается в значительной степени аналогичным воздействию от отключения генераторов в передающей части.
Важные особенности ОН связаны с практической реализацией этого мероприятия в условиях реальной сложной энергосистемы. При организации ОГ приходится иметь дело с крупными ступенями отключения, определяемыми мощностью каждого отключаемого генератора, то время как отдельные потребители имеют существенно меньшую мощность. Для обеспечения возможности более дифференцированного подхода к отключению потребителей необходимо увеличение количества телесвязей для передачи команд на отключение, что сопряжено с существенными дополнительными затратами. В последнее время ведутся разработки так называемой системы автоматической циркулярной разгрузки, суть которой заключается в организации системы передачи команд от центрального передатчика к местным приемникам, от которых осуществляется воздействие на отключение тех или иных потребителей в соответствии с заданным кодом.
ОН является наименее желательным воздействием, т.к. снижает основной показатель надежности электроснабжения потребителей. Вместе с тем, в современных условиях во многих случаях отказаться от ОН, особенно для решения задач устойчивости межсистемных связей ЕЭС, практически невозможно. Этому есть две основные причины. Первая заключается в том, что при необходимости разгрузки электропередачи в сторону существенно меньшей по мощности части энергосистемы снижение генерации в передающей части оказывается неэффективным. Вторая причина, обуславливающая необходимость применения ОН наряду с ОГ, заключается в том, что в ряде случаев разгрузка той или иной межсистемной связи только за счет ОГ оказывается ограниченной по условиям устойчивости других связей.
Автоматическая частотная разгрузка
Автоматическая частотная разгрузка (АЧР), как и отключение нагрузки, реализуется отключением части потребителей в энергосистеме. Однако за счет АЧР не решаются задачи, связанные с предотвращением нарушения устойчивости энергосистемы. Основная цель АЧР — предотвращение недопустимого снижения частоты в дефицитных частях энергосистемы и развития аварии. АЧР, за редким исключением, действует после нарушения устойчивости и отделения частей энергосистемы со значительным дефицитом мощности, который не может быть ликвидирован автоматическим регулированием скорости вращения турбин. Таким образом, действие АЧР начинается при существенном снижении частоты и по факту такого снижения.
В любой точке отделившейся части системы изменение частоты происходит практически одинаково. Это позволяет осуществлять частотную разгрузку по местному параметру (частоте). Тем самым обеспечивается возможность, во-первых, отключать нагрузку очередями в зависимости от степени снижения частоты, и, во-вторых, формировать эти очереди с учетом значимости (категорийности) потребителей. АЧР играет важнейшую роль в обеспечении живучести энергосистем, т.к. предотвращает одно из наиболее опасных явлений — «лавину частоты», которая возникает при достижении некоторого критического значения частоты.
Деление энергосистемы
Деление энергосистемы (ДС) как средство противоаварийной автоматики осуществляется во время переходного процесса путем отключения линий электропередачи, связывающих отдельные части энергосистемы, либо отключением междушинных выключателей на электрических станциях и подстанциях. (Данное мероприятие не следует путать с разделением энергосистемы в нормальном режиме, которое может использоваться в частности для предотвращения развития аварийного процесса.)
Различаются три вида ДС:
- деление энергосистемы для предотвращения нарушения устойчивости;
- деление для прекращения асинхронного хода;
- деление (выделение энергоблоков) для предотвращения потери собственных нужд при недопустимом снижении частоты в энергосистеме в результате развития аварии.
Для предотвращения нарушения устойчивости деление осуществляется по факту возникновения опасного аварийного возмущения или по вторичным факторам, характеризующим опасность нарушения устойчивости. Наиболее существенно эффективность деления проявляется при аварийных возмущениях, связанных с возникновением аварийных дефицитов мощности в приемной части системы. Деление хотя и не исключает разделение энергосистемы на несинхронно работающие части, предотвращает возникновение асинхронного хода и повышает эффективность использования таких средств сохранения устойчивости, как отключение генераторов и отключение нагрузки. Превентивное деление может использоваться также для предотвращения «опрокидывания» нагрузки в момент возникновения асинхронного хода по сетям более низкого напряжения при аварийном отключении шунтирующих их ЛЭП высшего напряжения.
Для предотвращения распространения асинхронного хода деление энергосистемы используется в качестве одного из основных управляющих воздействий в специальной автоматике ликвидации асинхронного хода. Асинхронный ход представляет большую опасность не только с точки зрения резкого снижения напряжения в отдельных узлах, но и ввиду опасности распространения на другие участки энергосистемы, т.е. возникновения трех и более несинхронно работающих частей. ДС осуществляется в основном отключением тех ЛЭП, которые соединяют несинхронно работающие части энергосистемы. При этом серьезной задачей является выявление границы раздела, усложняющейся при появлении в энергосистеме более, чем двух несинхронно работающих частей. Поэтому в тех случаях, когда имеется реальная опасность быстрого возникновения трехчастотного асинхронного хода, применяются модифицированные устройства селективной автоматики прекращения асинхронного хода.
Для предотвращения потери собственных нужд при недопустимом снижении частоты в энергосистеме в результате развития аварии применяется т.н. «выделение». Это еще одна область использования ДС, также определяемая требованиями живучести энергосистемы, — так называемое частотное деление, т.е. деление, осуществляемое при снижении частоты до критического уровня. По факту срабатывания соответствующих устройств, фиксирующих достижение этого уровня, осуществляется отделение в заранее подготовленном сечении некоторых энергоблоков или электростанций на сбалансированную по мощности нагрузку. Очевидно, что частотное деление используется при тяжелых аварийных ситуациях, вызванных каскадным развитием аварии и характеризующихся глубоким снижением частоты в энергосистеме, до 45–46 Гц, т.е. практически при «развале» энергосистемы. При этом ставится лишь задача сохранить в работе хотя бы единичные энергоблоки для последующего использования их как источников напряжения при запуске остановленных во время аварии электростанций. Выбор схемы деления и потребителей, которые выделяются вместе с блоком, подчинены лишь задаче сохранения блока в работе при аварийном снижении частоты и в последующем автономном режиме.
Электрическое торможение генераторов
Такие средства управления, как ОГ, ОН, ДС, каждое в отдельности и в различных сочетаниях обеспечивают повышение уровня статической устойчивости в послеаварийных режимах и оказывают воздействие и на условия динамической устойчивости. Согласно действующим в ЕЭС нормативам переходный процесс считается устойчивым, если выполняются условия динамической устойчивости и обеспечивается статическая устойчивость с коэффициентом запаса, не ниже нормативного, на всех фазах процесса вплоть до установления нового стационарного режима.
Для выполнения этого условия и преодоления имеющихся сложностей в применении вышеназванных управляющих воздействий были разработаны средства управления, обеспечивающие управляющие воздействия импульсного типа. К числу их относится и электрическое торможение генераторов (ЭТ), осуществляемое включением параллельно или последовательно специальных резисторов.
Известны различные способы торможения генераторов для компенсации кратковременного динамического возмущения при коротком замыкании. Однако в настоящее время известны лишь отдельные случаи практического использования установок электрического торможения генераторов ввиду высокой стоимости этих установок.
Коммутационные воздействия в индуктивно-емкостных установках
Вышеназванные средства управления, за исключением АПВ, направлены главным образом на изменение тем или иным способом баланса активных мощностей (моментов). Положительный эффект может быть достигнут и за счет кратковременного или длительного повышения пропускной способности (предела устойчивости) в «опасном сечении».
Средства противоаварийного управления воздействием на момент турбины
В отличие от коммутационных управляющих воздействий, эффективность которых при известных собственных временах срабатывания коммутационной аппаратуры определяется последствиями изменения схемы, эффективность воздействий через момент турбины существенным образом зависит от физических характеристик самого объекта воздействия — котлотурбинного агрегата.
Каждый энергоблок оснащен автономной системой регулирования скорости вращения, а также может быть включен в систему автоматического регулирования частоты и мощности в энергообъединении (АРЧМ). Автоматическое регулирование скорости вращения турбины не только обеспечивает необходимое качество электроэнергии, но и предотвращает лавину частоты, являясь тем самым важнейшим мероприятием по обеспечению надежности электроснабжения и живучести энергосистемы.
Вместе с тем в зависимости от характеристик энергоблоков и распределения резерва в энергосистеме регулирование скорости турбин может приводить к неблагоприятному с точки зрения устойчивости параллельной работы перераспределению мощности в послеаварийном режиме, ослабляя или сводя на нет в некоторых случаях воздействия от ОГ или ОН. По тем же причинам неблагоприятным с точки зрения устойчивости может оказаться действие системы регулирования частоты. Вместе с тем АРЧМ имеет в своем составе систему ограничения перетоков, которая во многих случаях предотвращает нарушение устойчивости при спонтанных, в том числе и аварийных перегрузках линии.
Неблагоприятным оказывается иногда действие котельной автоматики, в частности осуществление регулирования давления пара по принципу «до себя», т.е. на поддержание неизменным давления перед турбиной. При снижении частоты и реализации резерва мощности энергоблока под действием АРС давление пара перед турбиной начинает падать, что приводит в действие регулятор на закрытие клапанов и, соответственно, снижение мощности турбины. Таким образом, по прошествии некоторого времени (обычно нескольких минут) возникает самопроизвольная разгрузка энергоблоков, которая приводит к повторному снижению частоты и чревата опасностью нарушений устойчивости и развития аварии.
Регулирование энергоблока «при скользящем давлении», т.е. при полностью открытых клапанах с управлением мощностью через изменение параметров пара практически исключает непосредственную реакцию энергоблока на колебания частоты. В результате существенно снижается регулирующий эффект генерации в энергосистеме, а решение задачи поддержания частоты в аварийных условиях в большей мере возлагается на средства противоаварийной автоматики и сопряжено с повышением ущерба от ее действия.
Используются и другие виды регулирования, направленные на повышение экономичности энергоблоков, затрудняющие или в лучшем случае не способствующие решению задач обеспечения надежности и живучести энергосистемы в аварийных режимах. В отечественной практике не принято использовать управляющие воздействия на изменение момента турбин атомных электростанций (АЭС), за исключением случаев воздействия по условиям безопасности собственно АЭС. Вместе с тем эти энергоблоки обладают теми же возможностями для противоаварийного управления, и такое управление используется в энергосистемах некоторых стран, особенно тех, где АЭС составляют значительную часть генерирующих мощностей.
Управление мощностью передач и вставок постоянного тока
В схеме энергосистемы противоаварийное управление мощностью связи постоянного тока (УМПТ) сводится к созданию искусственного дефицита или избытка мощности в подсистеме, что в зависимости от характера воздействия (импульсное или длительное) обеспечивает эффект примерно такой же, как ОГ, ИРТ, ОМ, ЭТ или ОН, ФМТ, УМПН. При этом изменение перетока мощности по связи постоянного тока может быть по необходимости обеспечено практически мгновенным или с заданной скоростью. Очевидно, что это воздействие может быть использовано как для сохранения устойчивости связей в одной из подсистем, так и для предотвращения недопустимых отклонений частоты (наряду с АЧР).