Автоматическая частотная разгрузка (АЧР) входит в состав противоаварийной автоматики ограничения снижения частоты (АОСЧ), обеспечивающая стабилизацию частоты в энергосистеме при дефиците активной мощности.
Частота является одним из основных параметров, характеризующих качество и надежность работы энергосистемы. Отклонение частоты от номинального значения (50 Гц в России и странах ЕЭС, 60 Гц в Северной Америке, Японии и ряде других регионов) напрямую отражает текущий баланс между выработкой и потреблением активной мощности. Снижение частоты приводит к снижению производительности оборудования электростанций, угрожает устойчивости генерирующих мощностей и энергопринимающих установок потребителей, а в критических случаях может спровоцировать лавинообразные процессы снижения частоты и напряжения с последующим полным погашением энергосистемы.
Снижение частоты, как правило, возникает вследствие отделения энергорайона с возникновением дефицита активной мощности. Снижение частоты приводит к снижению скорости вращения электродвигателей, а следовательно, и производительность приводимых ими механизмов собственных нужд тепловых электростанций. Снижение частоты на 1,5-2 Гц приводит к уменьшению на 20-40% подачи воды в конденсатор циркуляционными насосами, а питательные насосы почти полностью прекращают подачу воды в котел. Вследствие снижения производительности механизмов собственных нужд резко уменьшается располагаемая мощность тепловых электростанций и происходит останов генерирующих блоков электростанции, что приводит к дальнейшему дефициту активной мощности и дальнейшему снижению частоты в энергосистеме. Таким образом, начинается лавинообразный процесс снижения частоты, который получил название – «лавина частоты».
Кроме этого, процесс снижения частоты в энергосистеме сопровождается снижением напряжения. Данное явление обусловлено как уменьшением ЭДС генераторов (вследствие снижения частоты вращения роторов и, в случае электромашинных возбудителей, снижения их производительности), так и изменением баланса реактивной мощности в сети. Если устройства автоматического регулирования возбуждения (АРВ) генераторов и синхронных компенсаторов не смогут удержать напряжение, возникает лавинообразный процесс — «лавина напряжения». Это связано с тем, что снижение напряжения приводит к росту потребления реактивной мощности асинхронными двигателями и увеличению её потерь в сетях, что вызывает дальнейшую просадку напряжения и ускоряет развитие аварии.
При отсутствии вращающегося резерва единственным возможным способом остановки снижения частоты и восстановления значения частоты до допустимых значений является отключение потребителей. Это и осуществляется с помощью специальных устройств – автоматической частотной разгрузки (АЧР). Устройства АЧР ступенчато отключает наименее ответственных потребителей при достижении частотой заранее заданных уставок, предотвращая развитие лавинных процессов и обеспечивая условия для последующего восстановления работы энергосистемы.
П.1. Структура, назначение и задачи АЧР
Автоматическая частотная разгрузка (АЧР) — это устройство противоаварийной автоматики, предназначенное для предотвращения снижения частоты в энергосистеме до уровней, недопустимых по условиям устойчивой работы генерирующего оборудования и энергопринимающих установок потребителей электрической энергии, при возникновении аварийного дефицита активной мощности, а также для обеспечения последующего восстановления частоты до нормативных значений.
Устройства АЧР подключаются по измерительным цепям ко вторичным цепям трансформаторов напряжения, подключённых к системам шин распределительных устройств напряжением 6–110 кВ. Для повышения надёжности предусматривается дублирование измерительных входов: основной и резервный каналы подключаются к разным трансформаторам напряжения (ТН). Это обеспечивает работоспособность устройства при выводе одного из трансформаторов в ремонт или при повреждении его вторичных цепей. Устройства АЧР должны обеспечивать контроль исправности цепей напряжения, чтобы избежать ложного срабатывания при обрыве цепей напряжения. При обнаружении обрыва или короткого замыкания во входных цепях устройство блокирует выдачу команд на отключение, предотвращая ложное срабатывание защит, особенно быстродействующих ступеней АЧР.
Рисунок 1. Схема подключения АЧР
Действие от устройств АЧР направлено на отключения выключателей фидеров потребителей электрической энергии с запретом АПВ. Восстановление питания отключённых потребителей осуществляется после стабилизации частоты автоматически с помощью частотного автоматического повторного включения (ЧАПВ). Устройство ЧАПВ предназначено для автоматического включения потребителей электрической энергии, которые были ранее отключены устройствами АЧР, в процессе восстановления частоты в энергосистеме. Устройства ЧАПВ контролируют частоту в сети и при её повышении до уставок (обычно 49,8-50,0 Гц) автоматически включают ранее отключенные линии электропередачи и потребителей.
Функционально устройства АЧР представляет собой сложную многоуровневую систему противоаварийной автоматики, предназначенную для предотвращения лавинообразного снижения частоты в энергосистеме при возникновении аварийного дефицита активной мощности, которая подразделяется на следующие подсистемы: быстродействующая частотная разгрузка (спецочередь АЧР, АЧР-1) и медленнодействующая частотная разгрузка (АЧР-2 несовмещённая и АЧР-2 совмещенная).
Быстродействующая частотная разгрузка (спецочередь АЧР, АЧР-1) предназначена для быстрого отключения части потребителей с целью остановить лавинообразный процесс падения частоты в системе при аварийном дефиците активной мощности. Мощность отключаемых потребителей равномерно распределяется по ступеням быстродействующей частотной разгрузки для плавного регулирования. При достижении частоты уставки срабатывания отключается соответствующая группа потребителей, подведенной к первой ступени. Если частота продолжает снижаться отрабатывают следующие ступени автоматики.
Рисунок 2. Логика работы быстродействующей частотной разгрузки (спецочередь АЧР, АЧР-1)
Медленнодействующая частотная разгрузка (АЧР-2 несовмещённая и АЧР-2 совмещенная) предназначена для восстановления частоты после действия АЧР-1 с целью предотвращения «зависания» частоты на недопустимо низком уровне (47,5–48,5 Гц), что недопустимо для длительной работы оборудования и может привести к каскадному отключению генераторов по защите от снижения частоты. Мощность отключаемых потребителей равномерно распределяется по ступеням медленнодействующей частотной разгрузки для плавного регулирования. Срабатывание каждой ступени происходит после достижения индивидуальной выдержки времени, запущенной при входе частоты в зону срабатывания. Таким образом, отключение потребителей осуществляется плавно, последовательно, по мере истечения уставок по времени, что позволяет избежать избыточного сброса нагрузки и обеспечить стабильное восстановление частоты.
Рисунок 3. Логика работы медленнодействующей частотной разгрузки (АЧР-2 несовмещённая и АЧР-2 совмещенная)
Для предотвращения ложного срабатывания АЧР при выбеге электродвигателей в случае аварийного отключения питания узлов нагрузки в логике АЧР должна использоваться блокировка по скорости снижения частоты (df/dt). Выбег электродвигателей - снижение скорости вращения электродвигателей, возникающее при аварийном прекращении их электроснабжения и вызывающее изменение частоты электрического тока в обесточенных узлах двигательной нагрузки. Блокировка АЧР должна включается при превышении уставки df/dt и сохраняться до возврата реле частоты (исчезновения условия срабатывания АЧР). Значение уставки по скорости снижения частоты (df/dt) должно устанавливаться производителем равным 10 Гц/с. Допускается задание иного значения с учётом фактических (прогнозируемых) параметров переходного режима при изменении частоты.
В современных микропроцессорных терминалах противоаварийной автоматики функция блокировки по скорости снижения частоты (df/dt) реализуется исключительно для очередей автоматики АЧР-1. Это объясняется тем, что при аварийном отключении системы шин, питающих преимущественно двигательную нагрузку, электродвигатели переходят в режим выбега: генерируя остаточное напряжение с частотой, скорость падения которой в первые 0,15–0,3 с достигает 10–15 Гц/с. Поскольку выдержка времени быстродействующих ступеней АЧР-1 составляет 0,15–0,3 с, без блокировки по скорости снижения частоты (df/dt) измерительные органы могут зафиксировать локальное снижение частоты на обесточенных шинах как общесистемный дефицит активной мощности и неселективно отключить потребителей.
Очереди автоматики АЧР-2 имеют выдержки времени 5с и более, которые исключают влияние кратковременного переходного процесса выбега электродвигателей. К моменту возможного срабатывания очередей автоматики АЧР-2 переходный процесс выбега полностью затухает, а остаточное напряжение на шинах снижается до уровня 0,3-0,6 Uном. Для предотвращения работы на остаточном напряжении все современные терминалы АЧР оснащены блокировкой по минимальному напряжению (U < Umin), которая действует на все очереди автоматики. Уставку по минимальному напряжению (U < Umin) для исключения ложных срабатываний при потере напряжения рекомендуется выбирать в диапазоне 0,6-0,75 Uном. Таким образом, дополнительная блокировка по df/dt для АЧР-2 не требуется: длительные выдержки времени естественным образом отстраивают автоматику от кратковременного выбега, а блокировка по Umin гарантирует блокировку устройства при возникновении остаточного напряжения на шинах подстанции.
Динамика изменения частоты в ЭЭС (энергорайоне) при дефиците мощности и действии АЧР представлена на рисунке.
Рисунок 4. Изменение частоты в энергосистеме при работе АЧР
Таким образом, при возникновении дефицита активной мощности в ЭЭС (энергорайоне) возникает снижение частоты, которое приводит к срабатыванию очередей автоматики АЧР I со все более низкими уставками по частоте, а по мере восстановления частоты происходит срабатывание очередей автоматики АЧР II со все более высокими уставками по времени.
П.2. Параметры настройки автоматики АЧР
С 15 февраля 2025 года введено в действие Изменение № 1 к ГОСТ Р 58335-2018 «Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Автоматическое ограничение снижения частоты при аварийном дефиците активной мощности. Нормы и требования», который содержит требования к структуре и настройке автоматики АЧР. Соответствующим диспетчерским центром Филиала АО «СО ЕЭС» задается суммарный объём потребителей, подключённых к АЧР, который должен составлять не менее 60 % от прогнозного потребления энергосистемы, включая собственные нужды электростанций и подстанций, а также потери в электрических сетях. Прогнозное потребление определяется по условиям прохождения зимнего максимума нагрузки при температуре наружного воздуха, соответствующей наиболее холодной пятидневке с обеспеченностью 0,92, средневзвешенной по районам энергосистемы.
2.1. Спецочередь АЧР (САЧР)
Спецочередь АЧР предназначена для предотвращения автоматической или оперативной разгрузки энергоблоков АЭС при снижении частоты ниже 49,0 Гц. Уставка по частоте спецочереди АЧР составляет 49,2 Гц, уставка по времени – от 0,15 до 0,3 с. Объем спецочереди АЧР составляет от 3% до 4% от прогнозного потребления энергосистемы.
2.2. Основной объем АЧР-1
АЧР-1 предназначена для остановки процесса падения частоты в энергосистеме. Уставки срабатывания по частоте АЧР-1 находятся в диапазоне от 48,8 Гц до 47,0 Гц с интервалом по частоте 0,1 или 0,2 Гц, а выдержка времени на срабатывание составляет от 0,15 до 0,3 с. Быстродействие АЧР-1 позволяет оперативно ликвидировать возникший дефицит мощности и не допустить каскадного развития аварии. Объем АЧР-1 (вместе со спецочередью АЧР) должен быть не менее 50 % от прогнозного потребления энергосистемы.
2.3. АЧР-2 несовмещенная
АЧР-2 несовмещенная действует на выделенный объем энергопринимающих установок потребителей для подъема частоты после действия устройств АЧР-1, а также при медленном снижении частоты. Уставка по частоте составляет 49,1 Гц с возвратом +0,1 Гц (при отсутствии технической возможности — максимальный в диапазоне от 0 до +0,1 Гц), а выдержка времени на срабатывание выбирается в интервале от 5 до 40 с шагом не более 5 с. Объём данной очереди должен составлять не менее 10 % от прогнозного потребления.
2.4. АЧР-2 совмещенная
АЧР-2 совмещенная действует на объем энергопринимающих установок потребителей, подключенных к АЧР-1, для предотвращения зависания частоты на недопустимом низком уровне. Уставка по частоте составляет 49,1 Гц с возвратом +0,1 Гц (при отсутствии технической возможности — максимальный в диапазоне от 0 до +0,1 Гц), а выдержка времени на срабатывание выбирается в интервале от 5 до 70 с шагом не более 5 с. В каждой энергосистеме (территориальной, объединённой) суммарная мощность нагрузки потребителей, подключённой под действие АЧР-2 совмещенной, должна составлять не менее 70 % мощности нагрузки, подключённой под действие основного объёма АЧР-1, с последующим наращиванием совмещения до 100 %.
Так же возможно увеличить выдержку времени АЧР-2 совмещенной до 90 с определяется субъектом оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике с учетом возможности мобилизации мощности ГЭС.
П.3. Частотное автоматическое повторное включение (ЧАПВ)
Частотное автоматическое повторное включение (ЧАПВ) предназначено для восстановления электроснабжения нагрузки потребителей, отключённой действием АЧР, при повышении частоты в энергосистеме. Уставки срабатывания по частоте устройств ЧАПВ должны находиться в диапазоне от 49,4 до 49,8 Гц. Выдержка времени на срабатывание ЧАПВ не менее 10 с, а интервал между выдержками времени на срабатывание очередей ЧАПВ должен быть не менее 5 с. К одной очереди ЧАПВ по частоте и времени допускается подключение не более 2,5% от суммарного объема нагрузки потребителей, подключенной под действие АЧР в энергосистеме (территориальной, объединенной). Очередность включения потребителей устройствами ЧАПВ должна быть обратной очередности отключения их устройствами АЧР. Под действие устройств ЧАПВ с минимальным временем срабатывания должна подключаться нагрузка потребителей, подключенная под действие очередей АЧР с минимальной уставкой по частоте.
П.4. Заключение
Автоматическая частотная разгрузка является важнейшим элементом противоаварийной автоматики энергосистемы, обеспечивающим предотвращение лавины частоты и сохранение устойчивости энергосистемы при возникновении аварийных ситуаций. Современная АЧР представляет собой сложную многоуровневую систему, включающую несколько компонентов: быстродействующая частотная разгрузка (спецочередь АЧР, АЧР-1) и медленнодействующая частотная разгрузка (АЧР-2 несовмещённая и АЧР-2 совмещенная). Правильная настройка, эксплуатация и своевременная проверка устройств АЧР являются залогом надежности и живучести единой энергетической системы России.
