Организация управления системой электроснабжения. Назначение релейной защиты и автоматики

 

Невраев И.В. Организация управления системами электроснабжения. Назначения релейной защиты и автоматики. – Челябинск: ЮУрГУ, ЗФ-413с, 33с., рис. – 1., библиогр. список – 3 наим.

Цель реферата – ознакомится с устройствами релейной защиты и автоматики применяемыми в процессе эксплуатации систем электроснабжения.

Задачи реферата – изучить и оценить вклад устройств автоматизации систем электроснабжения в процесс эксплуатации, определения и локализации аварийных ситуаций и поддержание параметров системы, в оптимальном значении, в нормальном режиме работы.

 

Оглавление

4 5 6 6   7 7 10 13 13 15 17 21 21 24 25 32 33

 

Введение

Обозначение и сокращения

1. Особености работы СЭС

2. Режимы работы СЭС

3. Виды и назначения автоматики СЭС при нормальном режиме работы.

3.1 Автоматическое регулирование напряжение

3.2 Автоматическое регулирование  возбуждения синхронных двигателей  и синхронных компенсаторов.

4. Виды и назначения автоматики  СЭС при аварийном режиме работы.

4.1 Автоматическое повторное включение

4.2 Автоматическое включение резерва

4.3 Автоматическая частотная разгрузка

4.4 Автоматическая разгрузка по току.

4.5 Релейная защита

5. Устройства телемеханики

6. Организационный аспект управления  системы электроснабжения

Заключение

Библиографический список

 

 

 

Введение

 

Устройства автоматизации систем электроснабжения, являются одним из важнейших элементов оборудования, участвующих в эксплуатации. Невозможно недооценить данный вид оборудования. Устройства автоматизации облегчают работы  оперативного и оперативно-ремонтного персонала во много раз. Обеспечивают быстрое определения и локализацию места повреждения, а также поддерживают нормальный режим работы системы. Позволяют минимизировать экономические потери от разрушения оборудования в результате аварийных режимов. Обеспечивают надежное электроснабжение ответственных потребителей, допуская перерыв в электроснабжении не более долей секунд, что не сможет обеспечить не один, самый опытный и профессиональный, оперативный персонал. А к таким потребителям относится в первую очередь больницы в которых почти круглосуточно проводятся операции. Причем устройства автоматизации не являются дорогостоящими, энергоёмкими или трудно монтируемыми устройствами. Наоборот это относительно недорогие и небольшие устройства, которые легко смонтировать, а в процессе эксплуатации модернизировать.

 

Обозначения и сокращения

 

• АПВ – автоматическое повторное включение;
• АВР – автоматическое включение резерва;
• РЗ – релейная защита;
• АЧР – автоматическое частотное регулирование;
• ТО – токовая отсечка;
• МТЗ – максимальная токовая защита;
• КЗ – короткое замыкание;
• СЭС – системы электроснабжения;
• РПН – регулирование напряжения под нагрузгой.

 

 

1. Особенности работы  СЭС.

 

Системой электроснабжения (СЭС) называется совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией. Она осуществляет единый процесс производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

Системы электроснабжения - это сложный производственный комплекс, все элементы которого участвуют в едином производственном процессе, основными специфическими особенностями которого являются:

1. Быстротечность явлений –  имеет место одновременность  генерирования электроэнергии и её потребления.

2. Неизбежность повреждений аварийного  характера - коротких замыканий (КЗ) или иных повреждений в электрических установках.

3. Изменение режима электропотребления, приводящие к дефициту или  избытку активной и реактивной  мощности, и как следствие –  к изменению таких параметров  как напряжение, частота, нагрузка на элементы СЭС.

 

2. Режимы работы СЭС.

 

Различают три режима работы СЭС: нормальный, аварийный и послеаварийный.

Поясним это на конкретных примерах.

Повреждения в СЭС обычно  сопровождаются КЗ. В каком бы месте СЭС ни возникло КЗ, оно в той или иной мере отражается на работе всех ее элементов, находящихся во взаимной связи и взаимозависимости. Процессы КЗ характеризуются прохождением больших токов и глубоким понижением напряжения. Они  возникают и развиваются в очень короткое время. Очень важно для обеспечения нормальной работы СЭС и потребителей электроэнергии по возможности быстро (в течение десятых и даже сотых долей секунды) выявить и отделить место повреждения от неповрежденной части.

Ясно, что эта задача не может быть выполнена персоналом в такое короткое время. Ее выполнение возложено на устройства релейной защиты, являющиеся основными видами электрической автоматики СЭС. Релейная защита непрерывно контролирует состояние и режимы работы оборудования и в случае возникновения КЗ или опасных ненормальных режимов воздействует на отключение соответствующих выключателей. Таким образом, релейной защитой обеспечивается лишь быстрое и надежное отделение места повреждения. Последствия же аварии (восстановление нормального режима работы оборудования и питания потребителей) устраняются оперативным персоналом и действием специальных устройств противоаварийной автоматики.

Время, затрачиваемое персоналом на ликвидацию несложных аварий после автоматического отключения поврежденного оборудования релейной защитой, исчисляется минутами, если персонал находился на щите управления подстанции и был готов к экстренным действиям. На ликвидацию сложных аварий уходят как минимум десятки минут. По скорости действия и точности определения характера повреждения автоматические устройства намного превышают действия, выполняемые оперативным персоналом. Поэтому на современном этапе развития энергетики широкое применение нашли устройства противоаварийной автоматики, позволяющие в течение секунд устранять аварийные режимы и восстанавливать схемы электроснабжения потребителей, исключая в ряде случаев вмешательство персонала.

В нормальном режиме работы СЭС процесс производства, передачи и распределения электроэнергии также динамичен и подвержен случайным возмущающим воздействиям – изменениям соотношения вырабатываемой потребляемой активной и реактивной мощности. При дефиците активной мощности падает частота в сети, а при дефиците реактивной мощности – уменьшается напряжение.

Кроме того, в нормальных режимах СЭС при каких ситуациях могут отключаться один из параллельно работающих трансформаторов или одна из питающих линий. Например, на ГПП с двумя трансформаторами при отключении одного второй перегружается и может проработать ограниченное время – соответственно это отслеживать и при необходимости отключать часть нагрузки.

 Учитывая изложенное, можно  отметить, что надежное и экономичное  функционирование систем электроснабжения в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах возможно только при широкой их автоматизации и телемеханизации. Рассмотрим основные устройства автоматики для каждого из режимов.

 

3. Виды и назначения автоматики СЭС при нормальном режиме работы.

 

1. Автоматическое регулирование напряжение

 

Анализ средств регулирования напряжения удобнее всего провести из рассмотрения общей формулы напряжения у электроприемников U2 в зависимости от напряжения генератора U1, добавочного напряжения Uдоб, создаваемого регулирующими устройствами, и потери напряжения, обусловленной активной нагрузкой PM, реактивной QM, активным сопротивлением сети R и реактивным XL:

 

 

 

 

 

 

 

		3
		4		7
		5		8
		6		9
1		13		10
2		14		11				12			13

  .

Цифрами над формулой показаны возможные варианты регулирования напряжения:

1. Регулирование напряжения генераторов.

2. Изменение коэффициента трансформации трансформаторов.

3. Вольтодобавочные трансформаторы.

4. Линейные регуляторы (трансформаторы).

5. Индукционные регуляторы или  потенциал регуляторы.

6. Бесконтактные автоматические  регуляторы напряжения.

7. Синхронные двигатели.

8. Параллельно включенные  конденсаторные  батареи.

9. Синхронные компенсаторы.

10. Компенсирующие преобразователи.

11. Статические источники реактивной  мощности.

12. Сети с минимальным реактивным  сопротивлением.

13. Продольная компенсация.

14. Сдвоенные реакторы.

 

Наиболее распространенным и повсеместно встречающимся устройством является РПН. На силовых трансформаторах напряжением 35 кВ и выше применяется автоматическое регулирование напряжения. На рис. 1 представлена схема переключающего устройства – регулятора переключения под нагрузкой (РПН). Основными конструктивными элементами его являются избиратели положения И и контакторы К. Контактор К имеет по две пары главных, вспомогательных и дугогасительных контактов (в ряде конструкций вспомогательные контакты отсутствуют). В данном положении переключающего устройства ток протекает по левой части схемы. При переключении на следующее положение, например, в сторону уменьшения числа витков обмотки трансформатора сначала размыкаются главные К1, затем вспомогательные К2 контакты. Далее замыкаются контакты К4, размыкаются дугогасительные контакты КЗ и последовательно замыкаются контакты К5 и К6. Теперь ток будет протекать по правой части схемы. В обесточенном состоянии избиратель И1 передвигает свой подвижный контакт из положения 3 в положение 5. Аналогично производится переключение на ответвления 6 и другие.

Следует отметить, что ответвления трансформатора выполняются у обмотки высшего напряжения и со стороны нейтральной точки. Это сделано для того, чтобы переключающее устройство коммутировало меньшие токи при меньших напряжениях.

Рис. 1. Схема устройства переключения ответвлений трансформатора под нагрузкой

 

Еще как вариант регулирования напряжения, является отключение потребителей, вольт-добавочные трансформаторы и компенсация реактивной мощности. Отключение потребителей как способ регулирования не очень популярен, ведь наличие нормального напряжение у потребителя и есть цель регулирования его. Также отключение приведет к экономическим потерям, т.к. к потребителю не поступает электроэнергия, а как известно в энергетике сейчас все оплачивается по счетчикам. Но как критичная мера такой вариант приемлем, при отключении части наиболее не ответственных потребителей происходит перераспределение высвободившейся электроэнергии и как результат у оставшихся потребителей напряжение возрастет.

Регулированием вольт-добавочными трансформаторами. как правило, осуществляется при строительстве или реконструкции протяженных воздушных линий на напряжение 6 – 10кВ и является по большому счету временной мерой. Для регулирования используются автотрансформаторы. Их устанавливают в так называемых пунктах автоматического регулирования напряжения (ПАРН). Применение ПАРН позволяет решить следующие задачи:

- увеличение пропускной способности существующих линий для подключения новых потребителей;

- передача электроэнергии по  линиям 6 и 10 кВ на большие расстояния;

- обеспечение качества электроэнергии, в том числе устранение несимметрии  напряжений в линиях;

- автоматического поддерживания уровня напряжения в заданных пределах (повышение, понижение) при прямом или обратном направлении потока мощности (реверсивный режим).

 

Компенсация реактивной мощности осуществляется следующими способами:

• статической батареей конденсаторов;
• синхронным компенсатором
• синхронным двигателем

 

2. Автоматическое регулирование возбуждения синхронных двигателей и синхронных компенсаторов.

 

На промышленных предприятиях применяются синхронные электродвигатели мощностью от сотен до 20 тыс. кВт. Оснащение этих машин устройствами АРВ обеспечивает повышение устойчивости работы как самих электродвигателей, так и узлов нагрузки в целом. Для создания запаса устойчивости какого-либо узла нагрузки, необходимого для нормальной работы системы электроснабжения в аварийных (при КЗ) и в других режимах, возбуждение двигателей следует форсировать. Однако длительно режим форсировки неприемлем из-за больших потерь активной мощности в цепях возбуждения, обмотках двигателя и недопустимого их перегрева. Поставленную задачу наилучшим образом и решают устройства АРВ.

При построении устройств АРВ синхронных электродвигателей используются основные законы регулирования:

1. Постоянство напряжения сети (данного узла нагрузки) Uc = const.

2. Постоянство коэффициента реактивной  мощности двигателя tg φд = const.

3. Постоянство отдаваемой двигателем  реактивной мощности Qд = const.

4. Минимум колебаний напряжения  сети (при пульсирующей нагрузке).

5. Минимум потерь активной мощности  в сети.

6. Минимум потерь активной мощности  в двигателе.

Регулирование по закону Uc = const применяется тогда, когда суммарная мощность синхронных двигателей составляет более 30...40 % мощности подстанции, т.е. когда двигатели могут определять уровень напряжения данного узла нагрузки

Регулирование по закону tg φд = const может применяться в случае медленно меняющейся нагрузки двигателя. Поскольку отношение tg φд = Q /P должно быть постоянным, то при быстро меняющейся активной мощности реактивная мощность должна изменяться быстро, что может привести к значительным колебаниям напряжения в питающей сети.

Регулирование по закону Qд = const целесообразно применять при быстро меняющейся нагрузке, что позволит снизить колебания напряжения в сети. Минимум колебаний напряжения в сети может быть обеспечен при постоянстве реактивной нагрузки на питающий трансформатор.

Минимум потерь активной мощности в синхронном двигателе достигается при поддержании его коэффициента мощности cos φд равным 1.

Регулирование по условию минимума потерь активной мощности в сети связано с оптимальным распределением реактивной мощности, генерируемой отдельными ее источниками, является в общем случае достаточно сложной задачей и может быть реализовано на основе применения микропроцессоров или мини-ЭВМ.

Для синхронных электродвигателей средней мощности (10...400 кВт), а в некоторых случаях и большей используются упрощенные схемы АРВ.

Устройство АРВ с трансформатором тока ТТ, силовым трансформатором Т и дросселями Д построено по способу фазового компаундирования (рис. 8.1). При работе двигателя на холостом ходу ток возбуждения определяется трансформатором Т и дросселями Д. При нагрузке двигателя ток возбуждения увеличивается за счет увеличения тока нагрузки, т.е. мощность на возбуждение потребляется и из цепи статора двигателя. Недостаток данного устройства АРВ заключается в том, что трансформаторы тока вносят дополнительные сопротивления в цепь статора синхронной машины и ухудшают ее устойчивость при увеличении нагрузки вследствие понижения напряжения на выводах двигателя.

Рис. 2. Схема АРВ синхронного двигателя с силовым трансформатором,

трансформаторами тока и дросселями

Отмеченного недостатка не имеет схема АРВ с силовым трансформатором Т и дроссель - трансформаторами ДТ (рис. 8.2,а). Эта схема проста, но протекающие в ней электромагнитные процессы относительно сложны. При отсутствии нагрузки возбуждение двигателя определяется трансформатором Т и дроссель - трансформаторами ДТ, которые выполняют в данном случае роль дросселей, ограничивая ток в цепи возбуждения. Токи, протекающие по вторичным цепям дроссель - трансформаторов, обусловливаются ЭДС Е1, E2 и E3 на их первичной стороне. Эти ЭДС геометрически суммируются с соответствующими напряжениями сети, вследствие чего напряжения U'А, U'В, U'С на выводах двигателя повышаются на 3...5 % Uн, увеличивая его запас устойчивости (рис. 6.2,б). При нагрузке двигателя через дроссель - трансформаторы ДТ протекают токи, которые обусловливают ЭДС Е'1, Е'2, Е'3 на их вторичной стороне. ЭДС геометрически суммируются с соответствующими напряжениями трансформатора Т. Полученные напряжения определяют ток возбуждения двигателя. Таким образом, реализуется способ фазового компаундирования.

а)	б)
	Рис. 3. Схема АРВ синхронного двигателя (а) и векторная диаграмма напряжений на выводах двигателя (б)

Режим работы синхронного компенсатора определяется значением его тока возбуждения. При номинальном токе синхронный компенсатор генерирует реактивную мощность Qс.к.н, а при токе, равном нулю, потребляет реактивную мощность, равную 0,5∙Qс.к.н. В связи с этим его можно использовать для регулирования напряжения U2 на шинах, к которым подключен синхронный компенсатор. В зависимости от генерируемой им мощности напряжение можно как повышать, так и снижать. Это следует из выражения потери напряжения в линии, которое при наличии синхронного компенсатора примет вид

Рост генерируемой мощности Qс.к будет сопровождаться снижением потери напряжения в линии, а потому напряжение U2 у места включения синхронного компенсатора будет возрастать. Оно снижается при уменьшении мощности Qс.к. Генерация синхронным компенсатором реактивной мощности способствует также уменьшению потерь активной и реактивной мощности в линии за счет повышения напряжения U2 и уменьшения передаваемой мощности на величину Qс.к.

На синхронных компенсаторах устанавливаются автоматические регуляторы знакопеременного возбуждения. Их основная особенность связана с тем, что синхронный компенсатор может работать как в режиме генерации, так и в режиме потребления реактивной мощности. В связи с этим устройство АРВ должен изменять ток возбуждения в широких пределах, включая изменение его полярности. При этом осуществляется плавное регулирование реактивной мощности синхронного компенсатора. 

Автоматическое регулирование реактивной мощности синхронных электродвигателей. В отличие от синхронных компенсаторов синхронные электродвигатели потребляют значительную активную мощность, но и как компенсаторы могут не только потреблять, но и генерировать реактивную мощность. На синхронных электродвигателях обязательно предусматриваются устройства АРВ. В общем случае в их задачу входит не только поддержание заданного напряжения на шинах подстанции, но и поддержание заданного коэффициента мощности tgφ, плавное регулирование отдаваемой реактивной мощности. Одно из таких устройств АРВ рассмотрен вместе в релейной защитой синхронного электродвигателя.

 

4. Виды и назначения автоматики СЭС при аварийном режиме работы.

 

1. Автоматическое повторное включение

 

Большая часть нарушений питания потребителей электроэнергии связана с авариями, вызванными КЗ в элементах системы электроснабжения, носит неустойчивый характер. К таким относятся КЗ, возникающие при касании токоведущих частей грызунами, птицами, деревьями, схлестывании проводов электрических линий при ветре, пробое проводящих мостиков при загрязнении изоляции, пробое увлажненной изоляции открытых высоковольтных электроустановок при восходе солнца, коммутационных или атмосферных перенапряжениях и т.п. Поэтому существенное повышение надежности электроснабжения может быть обеспечено благодаря локализации, предотвращению развития и ликвидации указанных аварийных ситуаций. К устройствам, решающим одну из отмеченных задач, относятся устройства автоматического повторного включения (УАПВ).

Сущность АПВ состоит в том, что элемент системы электроснабжения, получивший неустойчивое повреждение и отключенный действием средств релейной защиты, вновь включается под напряжение если нет запрета на повторное включение. Если причина, вызвавшая отключение элемента, исчезла, то элемент остается в работе и потребитель продолжает получать питание практически без перерыва.

Это решение на практике оказалось эффективным мероприятием, существенно повышающим надежность электроснабжения. Согласно статистическим данным для воздушных линий успешность АПВ при первом включении составляет примерно 70 %, при втором – до 15 %. Третье включение, как правило, не имеет смысла, так как его успешность не превышает 1-2 %. Успешность действия АПВ шин и трансформаторов также высока и оценивается величиной 60...75 %.

Однако часть КЗ связана с устойчивыми повреждениями, например, металлическими соединениями (обрыв и падение провода на землю, устойчивое повреждение изоляции кабеля при проведении земляных работ, разрушение изолятора и т.д.), которые не могут быть ликвидированы с помощью АПВ.

Наиболее эффективным является применение АПВ для воздушных линий высокого напряжения. Применение АПВ для кабельных линий, секций и систем шин, трансформаторов менее эффективно, так как появление неустойчивых повреждений для этих элементов системы электроснабжения менее вероятно, чем для воздушных линий. Однако и для этих элементов системы электроснабжения устройства АПВ являются практически обязательными, так как выход из строя этих элементов приводит к обесточиванию большого количества потребителей.

Стоимость устройства АПВ ничтожно мала по сравнению с убытками производства, вызываемыми перерывами в электроснабжении. Применение устройства АПВ различных элементов системы электроснабжения значительно повышает надежность электроснабжения даже при одном источнике питания.

Согласно [ПУЭ], устройствами АПВ должны оборудоваться воздушные и смешанные кабельно-воздушные линии всех типов напряжением выше 1 кВ при наличии на них соответствующих коммутационных аппаратов. На кабельных линиях 35 кВ и ниже рекомендуется применять УАПВ с целью исправления неселективного действия защиты. В системах электроснабжения должно предусматриваться также УАПВ шин 110-220 кВ, трансформаторов и ответственных электродвигателей.

АПВ подразделяют по следующим основным признакам:

1. По назначению - АПВ линий, трансформаторов, шин, электродвигателей и т.д.

2. По числу включений - АПВ одно- и многократное.

3. По числу фаз - АПВ одно- и  трехфазное.

4. По времени действия защиты - АПВ с ускорением и без ускорения действия зашиты.

5. В зависимости от проверки  синхронизма линий с двухсторонним  питанием - АПВ с проверкой и  без проверки синхронизма.

Автоматическое повторное включение применяется для воздушных и кабельных линий, секций и систем шин, двигателей и одиночных трансформаторов. Однако при применении АПВ трансформаторов в схеме АПВ предусматривают запрет АПВ при внутренних повреждениях трансформатора, т. е. при отключении трансформаторов под действием газовой или дифференциальной защиты.

В системах электроснабжения промышленных предприятий в основном применяют устройства АПВ однократного действия как наиболее простые и дешевые. С увеличением кратности действия АПВ их эффективность уменьшается.

Пуск в действие устройства АПВ осуществляется различными способами: один из них - релейной защитой при отключении выключателя поврежденной цепи. Этот способ обладает тем недостатком, что повторное включение происходит только при действии релейной защиты. Однако не все аварийные отключения сопровождаются срабатыванием релейной защиты. В связи с этим он используется в особых случаях. От указанного недостатка свободен другой способ пуска, при котором устройство АПВ приходит в действие, когда возникает несоответствие положения выключателя и его ключа управления. В этом случае АПВ обеспечивается при любом отключении выключателя, в том числе и при отключении его с места установки воздействием на привод выключателя (сердечник электромагнита отключения или механическое устройство ручного отключения), кроме дистанционного отключения с помощью ключа управления.

Устройство АПВ должны иметь минимально возможное время срабатывания tАПВ1 для того, чтобы сократить продолжительность перерыва питания потребителей. Практически можно выполнить АПВ действующим без замедления. Однако эта возможность ограничивается рядом условий. Для успешного действия АПВ необходимо, чтобы время срабатывания tАПВ1 было больше:

а) времени tГ.П, необходимого для восстановления готовности привода к работе на включение (для применяемых типов приводов с учетом условий их работы tГ.П = 0,1...0,3 с);

б) времени tД.С, необходимого для деионизации среды в точке повреждения (для установок напряжением до 220 кВ tД,C ~ 0,2 с);

в) времени готовности выключателя tГ.В, необходимого для восстановления отключающей способности выключателя после отключения им тока КЗ.

Для однократного АПВ время tГ.В всегда меньше суммы времени tГ.П и времени включения выключателя tВ.В. Поэтому определяющим обычно является условие tАПВ1 > tГ.П. При этом с учетом времени запаса   tЗАП = 0,4...0,5 с время срабатывания УАПВ для линии с односторонним питанием

tАПВ1 ≥  tГ.П + tЗАП = 0,5…0,8 с.

 

2. Автоматическое включение резерва

 

Автоматического включения резерва состоит в том, что при повреждении какого-либо элемента системы электроснабжения или отключении источника питание обесточенных электроприемников восстанавливается достаточно быстро благодаря автоматической замене поврежденного элемента резервным или автоматическому включению резервного источника.

Автоматическое включение резервного питания или оборудования предусматривают во всех случаях, когда перерыв в электроснабжении вызывает убытки, значительно превышающие стоимость установки устройства АВР. Устройства АВР применяют, когда имеется в наличии или проектируется дополнительный (резервный) источник питания, например, трансформатор, линия, секция шин. Различают холодный и горячий резервы. В случае холодного резерва при отключении рабочего источника устройством АВР включается второй источник питания, нормально находящийся в резерве. Такие системы действуют надежно, но требуют для своего осуществления значительных капитальных затрат. При холодном резерве оборудование находится под напряжением на холостом ходу или отключено совсем.

Для устранения этого недостатка применяют горячий резерв. Например, в нормальном режиме два трансформатора двухтрансформаторной подстанции находятся под нагрузкой, но используется не полностью, что отвечает экономически целесообразному режиму работы. Например, КПД трансформатора наибольший при 60…80 %-ной номинальной нагрузке. В этом случае при отключении одного трансформатора второй под действием устройства АВР принимает на себя всю нагрузку и, перегружаясь в допустимых пределах, обеспечивает бесперебойное электроснабжение потребителя. Такого же эффекта можно добиться при параллельной работе двух или большего числа источников питания и отключении поврежденного элемента средствами релейной защиты без устройства АВР. Однако такое включение источников питания системы электроснабжения вызывает увеличение токов КЗ, значительное усложнение и удорожание работы релейной защиты и часто не обеспечивает необходимой избирательности действия.