Автоматическая частотная разгрузка
- Информация о материале
- Релейная защита и автоматика
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
Лавина напряжения - это аварийный процесс в энергосистеме, характеризующийся лавинообразным и неконтролируемым снижением напряжения в узлах нагрузки, вызванный дефицитом реактивной мощности. Данное явление представляет собой нарушение устойчивости узла нагрузки энергосистемы, при котором снижение напряжения в узле нагрузки ниже критического значения 
, приводит к дальнейшему росту потребления реактивной мощности нагрузкой, что, в свою очередь, вызывает ещё большее падение напряжения. Лавина напряжения наблюдается преимущественно в крупных узлах нагрузки, особенно в районах с высокой концентрацией асинхронных двигателей промышленного потребления, а также в приёмных центрах, удалённых от источников генерации и питающихся по протяжённым линиям электропередачи сверхвысокого напряжения.
Типовой узел промышленной нагрузки представляет собой совокупность разнородных потребителей электрической энергии. Структура установленной мощности узла промышленной нагрузки распределяется следующим образом: асинхронные двигатели (АД) составляют доминирующую долю — свыше 60 % установленной мощности, синхронные двигатели (СД) — около 10 %, световая нагрузка — порядка 10 %, прочие потребители (нагревательные установки, электроника и др.) — до 10 %. Учитывая преобладание асинхронных двигателей и их высокую чувствительность к снижению напряжения (резкий рост потребления реактивной мощности при падении напряжения), именно их поведение определяет динамику развития лавины напряжения. Поэтому при анализе устойчивости узлов и разработке защитных мероприятий основное внимание уделяется критическому напряжению АД, степени их загрузки и пусковым характеристикам.
На рисунке приведены кривые, характеризующие изменение активной Р и реактивной Q мощностей в зависимости от величины напряжения U в сетях с преимущественно промышленной нагрузкой.
Рисунок 1. Зависимость активной Р и реактивной Q мощностей нагрузки от напряжения Р/РН для сети 110 кВ; кривая 2 и кривая 3 —Q/Qн соответственно для сетей 110 и 6 кВ
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) представляют собой природные процессы и явления, способные непрерывно восполняться в естественных циклах Земли и использоваться человеком для получения тепловой и электрической энергии без истощения ресурсов. К их числу относятся солнечное излучение, кинетическая энергия ветра, потенциал движущейся воды — от речных потоков до приливов и волн, внутреннее тепло планеты, аккумулированное в недрах, а также органическое вещество растительного и животного происхождения, известное как биомасса. В отличие от ископаемого топлива, запасы которого ограничены и формируются в течение миллионов лет, возобновляемые источники обновляются на масштабах времени, сопоставимых с человеческой жизнью, что делает их фундаментом для долгосрочной энергетической безопасности.
Рисунок 1. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии
Лавина частоты представляет собой одно из наиболее опасных аварийных явлений в энергетике. Она характеризуется лавинообразным, то есть самопроизвольным, снижением частоты переменного тока в энергосистеме, вызванным увеличением дефицита активной мощности.
В крупных объединённых энергосистемах вероятность значительной потери генерации и существенного снижения частоты относительно невелика благодаря их устойчивости и наличию резервирования. Тем не менее такая угроза сохраняется при серьёзных авариях, например при внезапном отключении крупной электростанции, обрыве межсистемных линий электропередачи с выделением изолированного энергорайона, испытывающего дефицит активной мощности, или при резком увеличении потребления.
При начальном снижении частоты до 49,5–49 Гц система демонстрирует определённую способность к саморегулированию. Часть потребителей, в первую очередь асинхронные двигатели, которые составляют около 60% типовой промышленной нагрузки, автоматически уменьшают потребление активной мощности по мере снижения частоты. Данный эффект, известный как регулирующее действие нагрузки, создает определённый стабилизирующий эффект. Однако если первоначальный дефицит генерации слишком велик и превышает возможности естественного регулирования, частота продолжает падать.
При достижении уровня 48,5–48 Гц начинает срабатывать автоматическая частотная разгрузка (АЧР) — система противоаварийной автоматики, которая ступенчато отключает заранее определённые группы потребителей для восстановления баланса между генерацией и потреблением. Эффективность АЧР зависит от правильности её настройки, скорости срабатывания и объёма отключаемой нагрузки. Если объемы АЧР окажутся недостаточными или её настройки некорректны, процесс падения частоты продолжится.
При снижении частоты до критического уровня 46–45 Гц ситуация становится необратимой. На этом этапе большинство генерирующих агрегатов автоматически отключается системами защиты для предотвращения повреждения турбин, поскольку длительная работа на пониженной частоте вызывает опасные вибрации и механические нагрузки на оборудование. Энергосистема распадается на несинхронно работающие части или полностью гаснет. Особенно опасно то, что после полного погашения системы требуется сложная процедура по восстановлению энергоснабжения. Этот процесс включает последовательный запуск электростанций с использованием внешних источников питания или специальных пусковых агрегатов и может занять многие часы, а в случае масштабной аварии — даже дни.
Рисунок 1. График изменения частоты при развитии дефицита генерации
Развитие возобновляемой энергетики направлено на освоение неисчерпаемых природных ресурсов, таких как солнечного излучения, энергии ветра, гидропотенциала и геотермального тепла. В последние годы наибольшими темпами развивается солнечная (СЭС) и ветровая (ВЭС) генерация, всё чаще реализуемая в виде объектов распределённой генерации (DER — Distributed Energy Resources). Поддержка этого сектора осуществляется, в частности, через специальные тарифы на электроэнергию, обеспечивающие окупаемость инвестиций в возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Помимо экономических выгод, развитие возобновляемой энергетики способствует повышению энергетической независимости, снижению рисков, связанных с импортом ископаемого топлива, а также созданию резервных источников электроснабжения.
При интеграции электростанций, использующих возобновляемые источники энергии, на параллельную работу с энергосистемой применяются специализированные устройства силовой электроники — инверторы и преобразователи, а также системы автоматического регулирования. Однако, в отличие от традиционных электростанций, оснащённых синхронными (или асинхронными) генераторами, возобновляемые источники не обладают вращающейся массой и механической инерцией. Это существенно усложняет поддержание устойчивости энергосистемы в переходных и аварийных режимах. Поэтому системы управления ВИЭ при параллельной работе с сетью должны соответствовать строгим техническим требованиям, направленным на обеспечение надёжности функционирования, качества электроэнергии и возможности участия в режимном управлении энергосистемой.
Рисунок 1. Обобщенная схема подключения ВИЭ к энергосистеме
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой сложный инженерный комплекс, предназначенный для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Ветроэнергетическая установка является основным элементом ветровой электростанции (ВЭС) и состоит из взаимосвязанных компонентов, обеспечивающих захват ветрового потока, его преобразование и передачу полученной энергии в сеть или автономному потребителю. По конструкции ВЭУ делятся на два основных типа: с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Установки с горизонтальной осью доминируют на рынке благодаря высокой эффективности и отработанной технологии. Вертикальные же проще в обслуживании, так как не требуют активной системы наведения, но уступают по коэффициенту использования ветровой энергии.
Основные компоненты ветроэлектрической установки включают ротор с лопастями, несущую башню (или опорную конструкцию), систему ориентации (для установок с горизонтальной осью) и систему подключения к электрической сети.
Рисунок 1. Устройство ветроэнергетических установки
Частота электрического тока является одним из ключевых параметров режима работы энергосистемы и важнейшим показателем качества электроэнергии, а значение частоты отражает баланс между вырабатываемой и потребляемой активной мощности в энергосистеме. Отклонение частоты от номинального уровня (50 Гц в Единой энергетической системе России) свидетельствует о нарушении этого баланса: избыток генерации приводит к росту частоты в энергосистеме, а дефицит генерации приводит к снижению частоты в энергосистеме. Частота в энергосистеме поддерживается в допустимых пределах, установленных ГОСТ 32144–2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»: частота в синхронизированных системах электроснабжения должна находиться в диапазоне 50,0 ± 0,2 Гц в течение 95 % времени интервала в одну неделю, но при этом она не должна выходить за предельно допустимые границы 50,0 ± 0,4 Гц. В то же время в Единой энергетической системе России в нормальном режиме работы с учётом требований системного оператора допустимые отклонения частоты могут быть ограничены более узкими пределами: в установившемся режиме при работе автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков мощности (АВРЧМ) отклонение частоты не должно превышать ±0,05 Гц. Эти повышенные требования установлены стандартом АО «СО ЕЭС» 153-34.20.501-2021 «Технические требования к электрическим станциям и сетям Единой энергетической системы», который определяет условия функционирования генерирующего оборудования, систем управления и регулирования в целях обеспечения надёжности и устойчивости ЕЭС России. Данный стандарт устанавливает более строгие, чем в ГОСТ 32144–2013, оперативные нормы качества частоты для участников оптового рынка электроэнергии и мощности, подключённых к ЕЭС.
Поддержание частоты на уровне, близком к номинальному (50 Гц), обеспечивает максимальную экономичность работы энергетического оборудования и наибольший запас надёжности функционирования всей энергосистемы. Частота электрического тока является единым параметром для всей синхронно работающей энергосистемы, и её отклонения существенно влияют на процессы, протекающие в энергетическом оборудовании и сетях. При изменении частоты нарушаются режимы работы энергетического оборудования: турбины и вспомогательные механизмы электростанций начинают испытывать повышенные вибрации и ускоренный износ из-за отклонения частоты вращения от номинальных значений. Кроме того, потребляемая активная мощность сама зависит от частоты — изменяется производительность промышленных механизмов, насосов, вентиляторов и другого оборудования, включая механизмы собственных нужд электростанций. Критические отклонения частоты вниз могут спровоцировать лавинообразный процесс — так называемую «лавину частоты», при которой последовательное отключение генерирующих мощностей приводит к дальнейшему падению частоты и, в конечном счёте, к системному коллапсу. При этом изменение частоты распространяется по энергосистеме не мгновенно, а с определённой скоростью, имея волновой характер, что особенно заметно в крупных и протяжённых энергообъединениях.
Регулирование частоты электрического тока и перетоков активной мощности в Единой энергетической системе России осуществляется в соответствии с действующей нормативно-технической базой, в первую очередь со стандартом СТО 59012820.27.100.003-2012 «Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС России. Нормы и требования». Для поддержания частоты в допустимых пределах в энергосистеме России реализована многоуровневая система регулирования, включающая три взаимосвязанных уровня: первичное, вторичное и третичное регулирование. Каждый уровень выполняет свою функциональную задачу, действует в определённых временных рамках и реализуется с использованием специализированных технических средств и управляющих алгоритмов.
Рисунок 1. Регулирование частоты в Единой энергетической системе России
Атомная энергетика остаётся одним из ключевых направлений в обеспечении устойчивого и низкоуглеродного производства электроэнергии. Атомные электростанции (АЭС) играют ключевую роль в современной энергосистеме, обеспечивая стабильную, базовую генерацию электроэнергии с низкими выбросами парниковых газов. В отличие от тепловых электростанций, получающих тепловую энергию за счёт сжигания органического топлива, атомные электростанции вырабатывают электричество, используя тепло, выделяющееся при управляемой цепной реакции деления ядер.
Принцип действия АЭС основан на физическом процессе, при котором в активной зоне реактора поддерживается управляемая цепная реакция деления ядер тяжёлых изотопов, в первую очередь изотопа урана-235 (²³⁵U) или плутония-239 (²³⁹Pu). При поглощении нейтрона ядро делится на два более лёгких осколка, выделяя при этом дополнительные нейтроны (в среднем 2,42 на одно деление в реакторах на тепловых нейтронах) и значительное количество тепловой энергии. Эта энергия используется для генерации пара, приводящего в движение турбины и вырабатывающего электричество.
Рисунок 1. Ядерное деление изотопа урана-235, вызванное нейтронами.
Интерфейсы передачи данных играют ключевую роль в современных вычислительных системах, обеспечивая обмен информацией между устройствами, компонентами и сетями. Независимо от того, подключаете ли вы флешку к компьютеру, передаете изображение с телефона на принтер или обеспечиваете работу серверного кластера - вы используете тот или иной интерфейс передачи данных. В данной статье рассмотрим основные типы таких интерфейсов, их характеристики и сферы применения.
П.1. Основные сведения
Интерфейс передачи данных - это совокупность аппаратных и программных средств, определяющих правила взаимодействия между двумя или более устройствами при обмене информацией. Каждому интерфейсу соответствуют определённые разъёмы и среды передачи (аппаратные средства), а также протоколы передачи данных (программные средства).
Рис.1. Интерфейсы передачи данных
Современная электроэнергетическая система России представляет собой сложный технический комплекс, состоящий из множества взаимосвязанных элементов: электростанций, линий электропередачи, подстанций, систем управления и защиты. Одной из ключевых задач при эксплуатации таких систем является обеспечение их надёжной и бесперебойной работы даже в условиях возникновения аварийных ситуаций: повреждение оборудования, короткое замыкание или резкое изменение нагрузки. Для этого внедряются специализированные технические и организационные меры, объединённые под общим термином противоаварийное управление (ПАУ).
Противоаварийное управление направлено на предотвращение развития аварий, локализацию их последствий и восстановление нормального режима работы энергосистемы. Системы противоаварийной автоматики должны обеспечивать формирование и реализацию оптимальных управляющих воздействий при аварийных возмущениях и повреждениях оборудования, сохранять живучесть при отказах отдельных элементов, допускать развитие и модернизацию существующего комплекса, а также минимизировать стоимость и эксплуатационные затраты. Противоаварийное управление реализуется с помощью устройств противоаварийной автоматики, которые срабатывают при отклонении параметров режима за допустимые пределы. Устройства противоаварийной автоматики – это совокупность устройств, обеспечивающая измерение и обработку параметров электроэнергетического режима энергосистемы, передачу информации, команд управления и реализацию управляющих воздействий в соответствии с заданными алгоритмами и настройкой с целью выявления, предотвращения развития и ликвидации аварийного режима энергосистемы.
Данная статья рассматривает основные принципы построения реле направления мощности на индукционной основе, поэтому статья интересна с точки зрения используемых подходов и ознакомления с принципами реализации устройств РЗА на электромеханической базе. В современных микропроцессорных устройствах идеология определения направления мощности основана на вычисление векторных величин.
В электромеханических устройствах РЗА для контроля направления мощности (прямой, обратной и нулевой последовательности) использовались (используются) реле направления мощности на индукционной основе. Под индукционной основой – понимается принцип взаимодействия двух магнитных потоков, один из которых возникает в одной катушке (или нескольких катушках) от проходящего тока, а другой — в легком диске (или секторе) в результате индуктирования в нем токов.
Реле направления мощности состоит из магнитопровода на котором расположены две обмотки: обмотка напряжения и обмотка тока. Токовая обмотка подключена к керну трансформатора тока, а обмотка напряжения подключена к трансформатору напряжения.
Рис.1. Принципиальная схема включения реле мощности
По всем возникшим вопросам Вы можете обратиться к администрации сайта по электронной почте (administrator@simenergy.ru) или с помощью формы обратной связи.
