Выбор параметров и принципы выполнения устройств автоматической частотной разгрузки

Требования к устройствам. Частота переменного тока опреде­ляется угловой частотой вращения синхронных генераторов и явля­ется одним из основных показателей качества электроэнергии. От­клонение частоты в нормальных режимах от номинального значе­ния f _ном = 50 Гц не должно превышать Δf = ±0,1 Гц. Допускается кратковременное отклонение частоты не более чем на Δf =±0,2 Гц. Частота в энергосистеме поддерживается персоналом или автома­тически путем изменения впуска пара в турбины турбогенераторов и воды в турбины гидрогенераторов.

При установившейся частоте активная мощность, вырабатыва­емая генераторами Р _г, равна активной мощности, потребляемой нагрузкой Р _н. Успешное регулирование частоты тока возможно при наличии в энергосистеме резерва активной мощности, т.е. до тех пор, пока генераторы будут загружены не полностью. При от­сутствии в системе резерва активной мощности отключение части генераторов или включение новых потребителей сопровождается снижением частоты. Длительная работа с пониженной частотой (f < 48 Гц) недопустима, так как при этом снижается скорость электродвигателей, вследствие чего падает их производительность. На промышленных предприятиях это приводит к нарушению тех­нологии производства и браку, а на электрических станциях — к снижению вырабатываемой генераторами мощности и их ЭДС. Дефицит активной мощности увеличивается и возникает дефицит реактивной мощности, что может привести не только к аварийному снижению частоты (лавина частоты), но и к лавинообразному сни­жению напряжения (лавина напряжения) и нарушению всей си­стемы электроснабжения.

В таких случаях для восстановления заданного режима рабо­ты автоматически отключают часть наименее ответственных потре­бителей с помощью устройств автоматической частотной разгруз­ки (УАЧР). Принципиально УАЧР может выполняться реагирую­щим не только на изменение абсолютного значения частоты, но и на скорость ее изменения. Устройство, реагирующее на скорость изменения частоты, обладает некоторыми преимуществами, однако из-за сложности широкого применения не находит.

Устройства АЧР должны удовлетворять ряду требований. Ос­новные из них следующие [42, 43]:

обеспечивать нормальную работу энергосистемы независимо от дефицита активной мощности, характера причин, вызывающих сни­жение частоты; не допускать даже кратковременного снижения частоты ниже f = 45 Гц; продолжительность работы с частотой f < 47 Гц не должна превышать 20 с, а с частотой f < 48,5 Гц — 60 с;

обеспечивать отключение потребителей в соответствии с воз­никшим дефицитом мощности и не допускать возникновения лави­ны частоты и напряжения; при этом последовательность отключе­ний должна быть такая, чтобы в первую очередь отключались ме­нее ответственные потребители; восстанавливать частоту до уровня, при котором энергосистема может длительно работать; дальней­ший подъем частоты до номинальной возлагается на дежурный персонал энергосистемы;

если восстановление нормального режима после действия АЧР возлагается на устройства автоматики, то АЧР должна обеспе­чить подъем частоты до уровня, необходимого для их срабаты­вания;

действовать согласованно с устройствами АПВ и АВР;

не действовать при кратковременных снижениях частоты.

Отключение потребителей устройствами АЧР должно начинать­ся при снижении частоты до f = 47¸48 Гц. Мощность, отключае­мая устройствами АЧР, должна определяться с учетом того, что в общем случае мощность, потребляемая нагрузкой, зависит от частоты и снижается вместе с ней. Это явление называется регу­лирующим эффектом нагрузки и характеризуется коэффициентом

k _р.э.н = ΔР _н (%) / [Δf (%)],                                          (7.9)

который принимается равным k _р.э.н = 1,5¸2,0. Считается, что снижение частоты на Δf =1% сопровождается уменьшением сум­марной нагрузки энергосистемы на ΔР _н = 1,5÷2,0 %.

При дефиците активной мощности в энергосистеме частота сни­жается до тех пор, пока снова не наступит равенство потребляемой и вырабатываемой генераторами мощностей. Таким образом, снижение активной мощности нагрузки ΔР _н равно дефициту активной мощности Р _д. Поэтому выражение (7.9) можно использовать для определения отключаемой мощности Р _отк, необходимой для восстановления частоты при ее снижении от номинального значения f _ном = 50 Гц до некоторого значения f. При этом

 

Δf (%) = [(50 - f)/50]100; ΔР _н(%) = Р _д(%) = Р _отк(%) =[ Р _отк / Р _н.ном]100,

 

где Р _н.ном – мощность нагрузки системы электроснабжения при f _ном = 50 Гц. Подстановкой Δf (%) и ΔР _н(%) в (7.9) определяется

 

Р _отк = (50 - f) k _р.э.н Р _н.ном / 50.                                   (7.10)

 

Выполнение и выбор параметров. Так как дефицит активной мощности при разных авариях может быть самым различным, то нагрузка, отключаемая УАЧР при снижении частоты, должна раз­биваться на очереди. Это необходимо для того, чтобы избежать отключения лишних потребителей при малых дефицитах активной мощности. В связи с этим схема УАЧР выполняется состоящей из нескольких очередей с разными уставками срабатывания по часто­те. При снижении частоты до уставки срабатывания f _c.p1 первой очереди АЧР она приходит в действие и отключает определенную часть потребителей. Если частота продолжает снижаться до f _c.p2 , то срабатывает вторая очередь АЧР и отключает часть потребите­лей и т. д. Отключаемая нагрузка и количество очередей должны быть такими, чтобы частота в энергосистеме восстанавливалась до номинальной. Применяются две основные категории автомати­ческой частотной разгрузки: АЧРI и АЧРII.

Устройства АЧРI быстродействующие с единой для всех ее очередей выдержкой времени, не превышающей t _АЧРI = 0,5 с, и с разными уставками срабатывания по частоте от f _c.p1=48,5 Гц до f _{c.p n} =46,5 Гц.

Частота срабатывания последующей очереди f _{c.p n} меньше ча­стоты срабатывания предыдущей очереди f _{c.p( n-1)} на ступень селек­тивности по частоте Δf _с:

                                        f _{c.p n} = f _{c.p( n-1)} – Δf _с.                                    (7.11)

Минимально допустимая ступень селективности Δf _с=0,1 Гц. Таким образом, АЧРI может содержать более десяти очередей. Так как уставки срабатывания очередей АЧРI различаются лишь на Δf _с=0,1 Гц, то возможна и допускается неселективная рабо­та соседних очередей.

Мощность потребителей, подключаемых к устройствам АЧРI в соответствии с рекомендациями [43],

 

P _*АЧРI > ΔP _*Г – ΔP _*Р + 0,05,                                      (7.12)

 

где ΔP _*Г — дефицит генерируемой мощности; ΔP _*Р — резерв актив­ной мощности на тепловых электростанциях, находящихся в ра­боте.

Все величины в выражении (7.12) указаны в относительных единицах, причем за базисную мощность принята потребляемая мощность энергосистемы (района) в исходном режиме до возник­новения дефицита мощности.

Устройства АЧРII также состоят из очередей, однако с одина­ковой уставкой по частоте f _АЧРII=48,5 Гц (иногда несколько выше, но не более f _АЧРII=48,8 Гц), они отличаются друг от дру­га выдержками времени. Минимальная уставка по времени прини­мается равной f _c.p1=5÷l0c, а максимальная f _{c.p n} =60÷90с. Ступень селективности принимается Δt =5 с.

Если за указанное время действием АЧРI частоту восстановить не удается и она устанавливается (зависает) на недопустимо низ­ком уровне (48 Гц и ниже), то начинают срабатывать очереди АЧРII и с соответствующими выдержками времени отключают до­полнительную нагрузку. Суммарная нагрузка, подключенная к АЧРII, в относительных единицах [43]

 

P _*АЧРII > 0,4 P _*АЧРI.                                                  (7.13)

 

Определенные по (7.12) и (7.13) мощности нагрузки распре­деляются равномерно по очередям так, чтобы более ответственные потребители были подключены к очередям АЧРI с более низкими уставками по частоте и к очередям АЧРII с более высокими устав­ками по времени. Достичь строго равномерного распределения мощности по очередям на практике не удается. Имеются рекомен­дации по совмещению действия устройств АЧРI и АЧРII, при ко­тором одна и та же нагрузка подключается к очередям того и другого устройства. При этом, в частности, уменьшается суммар­ная мощность нагрузки, подлежащей отключению.

Наряду с указанными категориями АЧР в эксплуатации при­меняют еще дополнительную (местную) автоматическую разгруз­ку. Необходимость в этой категории автоматической разгрузки воз­никает, когда район, получая основное питание от энергосистемы, не имеет достаточного резерва активной мощности. Местная ча­стотная разгрузка позволяет сохранить питание наиболее ответст­венных потребителей района при нарушении связи района с энерго­системой.

 

§ 7.6. Согласование действия автоматических устройств частотной разгрузки, повторного включения и включения резерва

 

Действие устройств АЧР необходимо согласовывать с дейст­вием других устройств автоматики. Разгрузка возможна, если от­ключенные потребители не включаются повторно устройствами АПВ, а устройства АВР не восстанавливают их питание от тех же источников. На рис. 7.6, а показана распределительная сеть: рас­пределительные пункты РП1—РПЗ связаны с источником ИП пи­тающими линиями Л1—ЛЗ; кольцо разомкнуто выключателями Q1 и Q2, оборудованными устройствами АВР—УАВР1, УАВР2 одностороннего действия, обеспечивающими резервное питание распределительных пунктов РП1 и РП2 по линии ЛЗ. На питаю­щих линиях установлены устройства АЧР— УАЧРI, УАЧР2. Для согласованного действия автоматики необходимо, чтобы резервная линия ЛЗ имела УАЧР той же или более ранней очереди, чем ра­бочие линии Л1 и Л2. Согласованное действие обеспечивается, если на линиях Л1 и ЛЗ установить УАЧРI первой очереди, а на линии Л2—УАЧР2 второй очереди. В этом случае при действии автоматической частотной разгрузки УАВР1 и УАВР2 не сраба­тывают, так как резервное питание отключается одновременно с рабочим (линии Л1 и ЛЗ) или раньше рабочего (линии Л2 и Л3). Для исключения ненужных срабатываний устройств АВР при вос­становлении нормальной схемы резервная линия должна включать­ся последней.

Перерывы электроснабжения при автоматической частотной разгрузке всегда приводят к экономическому ущербу. При сниже­нии частоты и действии УАЧР желательно сохранить питание ответственных потребителей. Для этого ответственные нагрузки вы­деляют на отдельные питающие линии так, как это показано, например, на рис. 7.6,б [44]. Согласованное действие автоматики и надежное электроснабжение ответственных потребителей обес­печиваются при установке на линии Л1 устройства АЧР, а на сек­ционном выключателе — устройства АВР одностороннего действия, обеспечивающего резервирование только ответственных нагрузок. Следует иметь в виду, что ответственные потребители предприя­тия обычно рассредоточены по питающим линиям. Для перевода на одну линию, как правило, требуется проведение больших ра­бот, связанных с экономическими затратами. В ряде случаев они могут оказаться совершенно неоправданными. Нежелательным обычно является также перенос устройств АЧР непосредственно на объекты потребителя, так как при этом требуются дополнитель­ные затраты и ухудшается контроль со стороны энергосистемы за работой этих устройств [45].

При срабатывании УАЧР устройства АПВ не должны действо­вать. Однако после восстановления частоты повторное включение потребителей должно производиться, как правило, автоматически. Для этой цели используются имеющиеся на присоединениях устройства АПВ, дополненные реле частоты. Они получили на­звание устройств частотного АПВ (УЧАПВ). Действие УЧАПВ при этом разрешается при восстановлении частоты, что фиксируется замыканием контактов реле частоты. Уставка реле частоты прини­мается f _c.p=49÷50,2 Гц. Минимальная выдержка времени на включение устанавливается f _АПВ=10÷20 с.