Автоматизация систем электроснабжения

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • принцип селективности релейной защиты и принцип ближнего и дальнего резервирования;
• • исполнение двухступенчатых и трехступенчатых токовых защит;
• • принцип действия направленных и дифференциальных защит;

уметь

• • выбирать уставки и выдержки времени основных и резервных защит с учетом ступени селективности их срабатывания;
• • определять зависимость тока КЗ от места повреждения;
• • определять зоны действия двухступенчатых токовых отсечек;

владеть

• • методами расчета уставок релейной защиты и методами математического моделирования процессов в сложных устройствах релейной защиты с помощью интегрированного математического пакета MathCad;
• • методами включения синхронных генераторов на параллельную работу;
• • методами создания устройств иослеаварийной автоматики электрических сетей.

Общие замечания об управлении системой электроснабжения

Система электроснабжения является сложным электротехническим комплексом и ее надежное и экономичное функционирование возможно только при грамотном управлении, которое не допускало бы создания аварийных ситуаций при любых повреждениях, возникающих в этой системе. К каким тяжелым последствиям могут привести отказы в системе управления и контроля, показывают аварии на Чернобыльской АЭС и СаяноШушенской ГЭС.

Уже с появлением первых промышленных генераторов энергетики столкнулись с тем, что в электрических сетях возможно возникновение различных повреждений и ненормальных режимов. При наиболее опасных повреждениях — коротких замыканиях (КЗ) — выделяется большое количество энергии, которое может привести к аварии: разрушить генератор, питающую сеть и приемники электрической энергии. При этом электромагнитные процессы протекают так быстро, что оперативный персонал не успевает вмешиваться в них и предотвратить их развитие. Поэтому для обеспечения безаварийной работы возникла острая необходимость в аппаратах, защищающих электрооборудование от коротких замыканий без участия человека. В дальнейшем системы защиты усложнялись и создавались устройства для автоматического управления комплексом электротехнических устройств.

Задачей автоматизации устройств электроснабжения является обеспечение бесперебойности и максимальной экономичности питания потребителей. Под автоматизацией устройств электроснабжения понимается оснащение их автоматизированными и автоматическими устройствами, управляющими процессами получения, преобразования параметров, передачи, распределения и потребления электроэнергии в нормальных и аварийных условиях [21]. Требования к объему автоматизации устройств электроснабжения изложены в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) [20]. В системах автоматического управления в электроэнергетике различают технологическую и системную автоматику.

К технологической автоматике относят устройства, работающие в нормальном режиме и имеющие местное значение (например, автоматика дизель-генераторов и т. д.). Эти устройства регулируют местные параметры и не оказывают существенного влияния на режим энергосистемы в целом.

Системная автоматика включает средства автоматизации управления нормальными и аварийными режимами в электрических системах. В связи с этим различают автоматику нормальных режимов, или так называемую режимную автоматику, и автоматику аварийных режимов.

К режимной автоматике систем электроснабжения, работающей в нормальном режиме и поддерживающей заданное качество электроэнергии и высокую экономичность работы системы электроснабжения, относятся: аппаратура автоматического регулирования напряжения трансформаторов и числа параллельно включенных трансформаторов на подстанциях; автоматика регулирования мощности установок поперечной и продольной емкостной компенсации и т. д.

К автоматике аварийных режимов относятся [211:

• • релейная защита;
• • послеаварийная автоматика — автоматика повторного включения (ЛПВ) и автоматика включения резервного питания (ЛВР);
• • противоаварийная автоматика:
  • а) автоматическая частотная разгрузка (АЧР);
  • б) автоматика, предотвращающая нарушение статической и динамической устойчивости энергосистемы;
  • в) автоматика деления энергосистем при асинхронном режиме;
  • г) автоматическое включение генераторов на параллельную работу;
  • д) автоматическое регулирование возбуждения, напряжения и реактивной мощности;
  • е) автоматическое регулирование частоты и активной мощности (ЛРЧМ);
  • ж) автоматическое ограничение перегрузки оборудования и т. д.

Устройства автоматики в энергосистемах непрерывно совершенствуются. Наряду с аппаратными устройствами появляются программные устройства защиты и автоматики. Все чаще говорят о функциях цифровой автоматики и релейной защиты. Ввиду ограниченного объема настоящего учебника здесь мы рассмотрим лишь основные понятия, касающиеся релейной защиты и автоматики.

Релейная защита, действующая при повреждениях электрических установок, и прежде всего при коротких замыканиях (КЗ), была одной из первых систем автоматики в электроснабжении. Релейная защита включает в себя следующие виды защит: защиту от междуфазных КЗ и замыканий на землю, защиту от внутренних повреждений в питающем трансформаторе, защиту от неполнофазных режимов работы, защиту от перегрузок и других ненормальных режимов [16, 17, 22]. В случае возникновения повреждения релейная защита для предотвращения развития аварии должна в минимально короткое время отключить поврежденный участок, подав сигнал на отключение выключателя. В ряде случаев повреждение должно быть ликвидировано в течение долей секунды. Разумеется, человек не в состоянии справиться с такой задачей и ее необходимо переложить на автоматику. Важность этого вида автоматики определяется тем, что без нее вообще невозможна бесперебойная работа электроэнергетических установок.

Устройства автоматического повторного включения предназначены для быстрого восстановления питания потребителей или межсистемных и внутрисетевых связей путем автоматического включения выключателей, отключенных релейной защитой. Опыт эксплуатации воздушных линий показывает, что большинство повреждений (50—90%) неустойчивые. После быстрого отключения линий они самоустраняются, и линии, включенные повторно, остаются в работе, обеспечивая электроснабжение потребителей. Эту операцию называют повторным включением. Повторные включения при неустойчивых повреждениях называют успешными. Для ускорения повторного включения линий и уменьшения времени перерыва электроснабжения потребителей используют устройства автоматического повторного включения (АПВ). Устройства АПВ должны быть выполнены с автоматическим возвратом, но так, чтобы исключить возможность многократного включения на КЗ в случае устойчивых повреждений. После неуспешного АПВ должно предусматриваться ускорение действия релейной защиты. Действие устройств должно фиксироваться указательными реле и счетчиками срабатываний. Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) обязательно применение А11 В на всех воздушных и смешанных (кабельно-воздушных) линиях напряжением выше 1 кВ [20].

Устройства автоматического включения резерва (АВР) должны предусматриваться для восстановления питания потребителей путем автоматического присоединения резервного источника питания при отключении рабочего источника питания, приводящем к обесточению электроустановок потребителя.

Необходимость устройств автоматической частотной разгрузки (ЛЧР) вызвана следующим обстоятельством. Повреждение какого-либо одного элемента системы электроснабжения и его отключение отражаются на работе других элементов системы. Например, при отключении одного из генераторов может возникнуть дефицит электроэнергии, что может привести к глубокому снижению частоты и действующего значения напряжения, расстроив работу всех потребителей. При этом генераторы системы могут выйти из синхронизма, и система потеряет устойчивость. Эти опасные процессы протекают настолько быстро, что оперативный персонал не в состоянии предотвратить их развитие и вернуть систему в нормальный режим. Устройство АЧР автоматически отключает часть наименее ответственных потребителей, за счет чего восстанавливается номинальное значение частоты.

Не затрагивая систем режимной автоматики, рассмотрим далее основные принципы реализации устройств аварийной автоматики: токовой релейной защиты питающих и распределительных линий электропередачи, устройств АГ1 В и АВР, а также устройства для включения синхронных генераторов на параллельную работу.