-
ВВЕДЕНИЕ
Назначением устройств автоматики, устанавливаемых в энергосистемах, является:
быстрое отключение поврежденного элемента;
прекращение ненормальных режимов работы (например, перегрузки) элементов энергосистемы;
быстрое восстановление электропитания потребителей, автоматически отключенных от источника питания вследствие возникшего в энергосистеме повреждения;
поддержание на заданном уровне напряжения у потребителей;
пуск и останов синхронных машин;
отключение части потребителей при возникновении дефицита активной мощности в энергосистеме, от которой система электроснабжения получает питание, и их включение после ликвидации дефицита.
Исторически первыми и наиболее многочисленными устройствами автоматики являются устройства релейной защиты, отключающие поврежденный элемент от источника питания.
При отключении устройством релейной защиты одного из элементов энергосистемы, например, линии или силового трансформатора, часть потребителей электроэнергии обесточиваются. Восстановление питания таких потребителей осуществляется, как правило, автоматически устройствами автоматического повторного включения (АПВ) или автоматического включения резервного питания и оборудования (АВР).
Поддержание заданного уровня напряжения обеспечивается воздействием на возбуждение установленных с системе синхронных машин (синхронных генераторов, синхронных двигателей и синхронных компенсаторов), изменением коэффициента трансформации понижающих силовых трансформаторов или включением и отключением секций батарей конденсаторов. Регулирование напряжения в энергосистеме проводится в основном автоматически, для чего синхронные машины оборудуются устройствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ), силовые трансформаторы - устройствами автоматического регулирования коэффициента трансформации (АРКТ), а батареи конденсаторов - устройствами автоматического управления включением и отключением секций этих батарей (АУБК).
Появление дефицита активной мощности в энергосистеме вызывает понижение частоты. Наличие большого дефицита активной мощности может привести к лавинообразному снижению частоты и развалу энергосистемы, в результате чего может прекратиться электропитание всех потребителей. Поэтому баланс генерируемой и потребляемой активных мощностей в энергосистеме при отсутствии необходимых резервов может быть восстановлен лишь путем отключения части менее ответственных потребителей. Эта задача решается с помощью устройств автоматической частотной разгрузки (АЧР), устанавливаемых на подстанциях. Отключенные устройствами АЧР потребители, после ликвидации дефицита активной мощности и восстановления нормального значения частоты в энергосистеме, автоматически включаются в работу устройствами частотного АПВ (ЧАПВ).
Все перечисленные выше устройства относятся к устройствам локальной автоматики, так как они воздействуют на отдельные элементы энергосистемы по заранее заданному алгоритму вне зависимости от режима работы других элементов энергосистемы. Существует также общесистемная автоматика, поддерживающая в нормальном режиме работы энергосистемы требуемые значения частоты, напряжения в узлах энергосистемы, перетоков активной и реактивной мощности, а также автоматика, предотвращающая развитие аварийных процессов в энергосистеме - противоаварийная автоматика (ПА).
Управление энергосистемой осуществляет диспетчер, который на основании данных о текущем состоянии принимает решения, соответствующие сложившейся ситуации. Для управления энергосистемой диспетчер с помощью телемеханики получает информацию о параметрах режима энергосистемы (перетоках мощности, токах, напряжениях) и положении выключателей.
В данном учебном пособии рассмотрены концептуальные основы построения устройств релейной защиты энергосистем как с относительной, так и с абсолютной селективностью.
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
1.1. Назначение релейной защиты
В электрической части энергосистем могут возникать повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования электростанций (ЭС), подстанций (ПС) и линий электропередачи (ЛЭП).
Повреждения вызывают появление значительных аварийных токов и сопровождаются глубоким понижением напряжения на шинах ЭС и ПС. Аварийные токи выделяют большое количество теплоты, которое вызывает сильное разрушение оборудования энергосистем.
Большинство повреждений приводит к коротким замыканиям (КЗ). Различают трехфазные, двухфазные, однофазные и двухфазные КЗ на землю в сети с глухозаземленной нейтралью 110 кВ и выше, а также замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью 6–10–35 кВ. В обмотках электрических машин и трансформаторов могут также возникать КЗ между витками одной фазы. Основными причинами повреждений являются: нарушения изоляции токоведущих частей, вызванные ее старением, перенапряжениями, механическими повреждениями, гололедом, ураганным ветром, а также ошибки персонала при оперативных переключениях и др.
Ненормальные режимы обычно
приводят к отклонению напряжения, тока
и частоты энергосистемы от допустимых
значений. В соответствии с ГОСТ допустимые
отклонения напряжения в среднем
составляют
.
Правилами устройств электроустановок
(ПУЭ) и Правилами технической эксплуатации
(ПТЭ) в энергосистемах отклонение частоты
допускается в пределах
,
т.е.
=
0,2 – 0,4 %. При понижении частоты и
напряжения создается опасность нарушения
нормальной работы потребителей и
устойчивости энергосистемы, а повышение
напряжения и тока угрожает повреждением
оборудования и ЛЭП. Для предупреждения
повреждения оборудования при его
перегрузке необходимо принять меры к
его разгрузке или отключению в пределах
допустимого времени.
Для уменьшения разрушений в месте повреждения и обеспечения нормальной работы неповрежденной части энергосистемы необходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреждения от неповрежденной части энергосистемы.
Выявление и отключение повреждений следует производить очень быстро - в большинстве случаев в течение сотых и десятых долей секунды, что может быть обеспечено только средствами автоматики. Для этих целей были созданы защитные устройства, выполняемые при помощи электрических автоматов-реле. Такой способ защиты получил название релейной защиты.
Устройства релейной защиты (УРЗ) осуществляют непрерывный контроль за состоянием всех элементов энергосистемы и реагируют на возникновение повреждений и ненормальных режимов.
При возникновении повреждений УРЗ должно выявить поврежденный участок и отключить его от энергосистемы, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения.
При возникновении ненормальных режимов УРЗ также должно выявлять их и в зависимости от характера нарушения либо отключать оборудование, если возникла опасность его повреждения, либо осуществлять сигнализацию оперативному персоналу, который должен принимать меры к ликвидации ненормальности.