Сборник докладов - Электроэнергетика глазами молодежи 2010
Подождите немного. Документ загружается.
6
7
АВТОМАТИКА УПРАВЛЕНИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ
С ВЫБОРОМ МОМЕНТА ОТКЛЮЧЕНИЯ
З.З. Хазбулатов, В.Г. Гарке
КГТУ–КАИ
Высоковольтный выключатель – коммутационный аппарат, предназначенный для
оперативных включений и отключений отдельных цепей или электрооборудования в
энергосистеме в нормальных или аварийных режимах при ручном или автоматическом
управлении.
Высоковольтные выключатели представляют собой сложную конструкцию, управ-
ляемую электромагнитными, пружинными, пневматическими или гидравлическими при-
водами. По большому счету, принцип действия всех видов выключателей похож и заклю-
чается в подаче напряжения на соленоиды включения или отключения от так называемых
шинок питания, и затем, путем высвобождения контактами соленоидов, или приводимы-
ми ими в движение механизмами заранее запасенной энергии коммутируется силовая
часть выключателя. Чем более современным является выключатель, тем больше в его це-
пи становится контролируемых параметров (блокировка от многократных включений,
контроль готовности привода, контроль длительности сигнала на включение/отключе-
ние…). Однако все они контролируют либо состояние самого выключателя, либо исправ-
ность управляющей системы, в роли которой в настоящее время практически всегда вы-
ступают микропроцессорные блоки управления. Более того, используемые микропроцес-
сорные блоки также контролируют состояние управляемого выключателя.
Главной причиной, ограничивающей срок службы выключателя, является комму-
тируемый ток. Проведем анализ переходного процесса при однофазном коротком замыка-
нии (КЗ), считая, что ток нагрузки пренебрежимо мал, либо отсутствует. Рассмотрим два
крайних случая: 1) апериодическая составляющая тока однофазного КЗ максимальна;
2) апериодическая составляющая тока однофазного КЗ равна нулю.
Формула определения полного тока КЗ [1]
кз.
sin
ω φ
кз
⁄
; (1)
Уравнение определения максимального значения апериодической составляющей
нагр
sinω
φ
нагр
кз.
sin
ω
φ
кз
. (2)
В первом случае получим следующие равенства:
кз.
; (3)
кз.
sin
ω φ
кз
кз.
⁄
; (4)
или
кз.
⁄
sin
ω φ
кз
⁄
. (5)
Во втором случае уравнение (1) примет вид
кз.
⁄
sin
ω φ
кз
. (6)
Сравнительные данные уравнений (5) и (6), при соотношении реактивного сопро-
тивления тока КЗ к активному
⁄
4, приведены в таблице. На рисунках 1 и 2 пред-
ставлены графики функций для первого и второго случая соответственно.
Проанализировав данные таблицы можно сделать следующие выводы:
8
1. Существуют два интервала времени длительностью 1мс с периодической повто-
ряемостью в которых значение тока не превышает 32 % от максимального.
2. Из первого вывода следует, что максимальная суммарная аппаратная погреш-
ность (микропроцессор–выключатель (до начала размыкания контактов)) не должна пре-
вышать 0,5 мс.
3. Необходим быстродействующий фильтр, выделяющий синусоиду тока за полпе-
риода.
Таблица
Время, с Ток КЗ для первого случая, о.е. Ток КЗ для второго случая, о.е.
0,010 1,456 1,000
0,011 1,373 0,951
0,012 1,200 0,810
0,013 0,949 0,589
0,014 0,644 0,310
0,015 0,310 0,002
0,016 -0,023 -0,307
0,017 -0,323 -0,586
0,018 -0,564 -0,808
0,019 -0,725 -0,950
0,020 -0,792 -1,000
0,021 -0,760 -0,952
0,022 -0,633 -0,811
0,023 -0,426 -0,590
0,024 -0,160 -0,312
0,025 0,137 -0,003
0,026 0,436 0,306
0,027 0,705 0,585
0,028 0,918 0,807
0,029 1,053 0,950
0,030 1,095 1,000
0,031 1,040 0,952
0,032 0,893 0,812
0,033 0,666 0,591
0,034 0,383 0,313
0,035 0,069 0,005
0,036 -0,245 -0,304
0,037 -0,529 -0,584
0,038 -0,755 -0,806
0,039 -0,903 -0,949
0,040 -0,957 -1,000
0,041 -0,913 -0,953
0,042 -0,775 -0,812
0,043 -0,558 -0,593
0,044 -0,283 -0,315
0,045 0,023 -0,006
0,046 0,330 0,303
Таким образом, можно создать блок, который будет определять момент отключе-
ния выключателя, когда износ будет минимальным. Блочная схема такого блока приведе-
на на рисунке 3.
Блок, анализируя текущие параметры системы , , при заданных характери-
стиках выключателя, будет определять момент подачи сигнала на отключение в цепь вы-
ключателя. Замедление работы будет составлять до одного полупериода. На рисунке 4
представлена функциональная схема работы блока логики выбора момента отключения
(БЛВМО) при однофазных КЗ.
9
Рисунок 1 – Периодическая составляющая (время в мс)
Рисунок 2 – Полный ток (время в мс)
Рисунок 3 – Блочная схема работы БЛВМО
В предлагаемом блоке организованы две параллельно работающие цепочки, анали-
зирующие состояние системы (БОВП), и блок анализа синусоиды тока (БАСТ) (рисунок 3).
Работа БОВП заключается в определении вида повреждения и фазы, где произошло КЗ, и
выдаче соответствующего разрешающего сигнала. В блоке БАСТ происходит выделение
синусоиды тока. При переходе синусоиды тока через 0 на выходе блока выдается им-
-1,500
-1,000
-0,500
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
1 3 5 7 9 1113151719212325272931333537394143454749515355575961636567
Апериодическая составляющая максимальна
-1,500
-1,000
-0,500
0,000
0,500
1,000
1,500
135791113151719212325272931333537394143454749515355575961636567
Апериодическая составляющая равна нулю
10
пульс. Информация с этих блоков обрабатывается блоком логики (БЛ), в котором, при по-
даче разрешающего сигнала от одного из выходов БОВП на логический элемент «И» и
появлении импульса от БАСТ, проходит импульс на «Тактовый счетчик». Данный эле-
мент выдает импульсы на двух выходах. На выходе «1» – при нечетном количестве им-
пульсов на входе, на выходе «2» – при четном. Затем с разными выдержками времени 1
и 2 подается сигнал на отключение. При одновременном наличии сигнала «отключе-
ние» от блока защиты и от БЛВМО окончательно формируется и выдается команда на от-
ключение. Выдержки времени 1 и 2 задаются уставками, в зависимости от вида вы-
ключателя (или, точнее, в зависимости от времени начала размыкания контактов выклю-
чателя при подаче команды на отключение).
Рисунок 4 – Логика работы БЛВМО при однофазных КЗ
Рассмотрим работу идеального блока БЛВМО (собственное время действия равно
нулю). Тогда уставки DT1 и DT2 рассчитываются следующим образом:
в
∆
и
в
∆, где – период,
в
– время, за которое, после подачи на вход выклю-
чателя сигнала на отключение, начнут размыкаться контакты выключателя, ∆ = 0,0005 с –
определяется интервалом времени, когда значение тока гарантированно не превышает 32 %.
Преимущества данного блока: 1) увеличивается ресурс выключателя; 2) умень-
шается вероятность залипания контактов выключателя при протекании больших токов КЗ.
Список использованных источников
1. Винославский В.Н., Пивняк Г.Г., Несен Л.И., Рыбалко А.Я., Прокопенко В.В. Переход-
ные процессы в системах электроснабжения Киев: Выща школа,1989. 422 с.
11
АНАЛИЗ ДОСТАТОЧНОСТИ ОБЪЕМОВ АЧР
В УФИМСКОМ ЭНЕРГОРАЙОНЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ РБ
В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ «ДАКАР»
Н.Г. Размахнин, П.А. Шендрик
Филиал ОАО «СО ЕЭС» Башкирское РДУ
Введение. Для предотвращения и ликвидации системных аварий, которые могут
возникать из-за снижения частоты при больших внезапных дефицитах активной мощно-
сти, в энергосистемах должны использоваться устройства автоматической частотной раз-
грузки (АЧР) [1].
Основные требования, предъявляемые к устройствам АЧР [3]:
1. АЧР должна успешно ликвидировать все многообразие возможных аварий с де-
фицитом активной мощности, начиная от местных, локальных, до общесистемных.
2. АЧР должна обеспечивать аварийное изменение частоты в допустимой частот-
но-временной зоне (ниже 49,0 Гц – не более 40 с; ниже 47,0 Гц – не более 10 с; ниже
46,0 Гц – не допускается).
3. Объем потребителей, отключенных от АЧР в процессе аварии, должен быть по
возможности минимальным.
4. Действие АЧР, обеспечивающее ликвидацию аварии, должно удовлетворять
требованию минимизации ущерба.
5. АЧР должна обеспечивать подъем частоты до значений, при которых энергосис-
тема может длительно работать нормально.
6. АЧР не должна излишне срабатывать при синхронных качаниях и асинхронных
режимах, также сопровождающихся изменениями частоты.
АЧР включает в себя [1]:
1. АЧР-1 – быстродействующую АЧР для прекращения процесса снижения часто-
ты, в том числе:
– спецочередь АЧР – для предотвращения автоматической или оперативной раз-
грузки энергоблоков АЭС при снижении частоты ниже 49,0 Гц и срабатывания основного
объема АЧР;
– основной объем АЧР – (48,8 Гц и ниже).
2. АЧР-2, несовмещенную для подъема частоты после действия устройств АЧР-1, а
также при медленном снижении частоты.
3. АЧР-2, совмещенную для предотвращения зависания частоты на недопустимо
низком уровне.
Согласно [1] филиалы ОАО «СО ЕЭС» РДУ в своей операционной зоне должны
определять возможные схемы аварийного отделения частей энергосистемы и максимально
возможные дефициты мощности в них и с учетом заданий филиалов ОАО «СО ЕЭС» ОДУ
задавать субъектам электроэнергетики объем, структуру и настройку АЧР, ЧАПВ и при
необходимости места установки устройств. В связи с этим в службе электрических режи-
мов Филиала ОАО «СО ЕЭС» Башкирское РДУ был проведен анализ достаточности объ-
емов и правильности настройки устройств АЧР в Уфимском энергорайоне.
Исходные данные. Для выполнения расчетов по определению достаточности объ-
емов АЧР при выделении части Уфимского энергорайона был выбран электрический ре-
жим, соответствующий режиму энергосистемы РБ 16.12.2009 18-00. Настройка устройств
АЧР и нагрузка присоединений, подключенных к АЧР, соответствует графику расстанов-
12
ки АЧР в энергосистеме РБ за 16.12.2009 18-00. Расчёты производились в программном
комплексе «ДАКАР» (далее – ПК «ДАКАР»).
Выделение части Уфимского энергорайона. На основе проведённого анализа
аварийных режимов Уфимского энергорайона было выбрано сечение, наиболее подвер-
женное каскадному развитию аварии с выделением на изолированную работу (ПС Запад-
ная, ПС Глумилино, ПС Краснодонская, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3):
– ВЛ-110 кВ Уфа-Южная – Глумилино-1,2;
– ВЛ-110 кВ Западная – Сосновка;
– ВЛ-110 кВ ТЭЦ-3 – Павловка;
– ВЛ-110 кВ ТЭЦ-3 – Тавтиманово-т;
– ВЛ-110 кВ ТЭЦ-1 – Донская.
Состав генерирующего оборудования электростанций и баланс электрической
мощности по выделенному сечению приведён в таблице 1.
Таблица 1 – Состав генерирующего оборудования электростанций и баланс
электрической мощности части Уфимского энергорайона
Наименование
электростанции
Наименование
генератора
Генерируемая актив-
ная мощность, МВт
Суммарная генерируемая мощность
по электростанциям, МВт
ТЭЦ-2
ТГ-4 65
229 ТГ-5 65
ТГ-6 99
ТЭЦ-3
ТГ-2 25,8
77,2 ТГ-4 19,3
ТГ-5 32,1
Итого:
Генерация: 306 МВт
Потребление: 492 МВт
Дефицит: 186 МВт
Определено критическое напряжение в узлах нагрузки 110 кВ в выделенной части
Уфимского энергорайона. Согласно [2] при отсутствии точных данных критическое на-
пряжение принимается равным большему из двух величин: 0,7
ном
и 0,75
норм
, где
норм
– напряжение в рассматриваемом узле нагрузки при нормальном режиме энергосистемы:
0,7
ном
0,7 110 77 кВ; (1)
0,75
норм
0,75 120 90 кВ. (2)
Критическое напряжение для выделенного энергорайона принято равным
кр
90 кВ.
В послеаварийных режимах во всех узлах нагрузки коэффициент запаса по напря-
жению должен быть не менее 10 %:
п/ав
кр
0,9
⁄
90 0,9
⁄
100 кВ. (3)
На рисунках 1–3 представлены расчеты динамической устойчивости с учётом и без
учёта АЧР в результате выделения части Уфимского энергорайона, взятые из ПК
«ДАКАР».
При выделении части Уфимского энергорайона по сечению Уфа-Южная–Глумили-
но-1,2, Западная–Сосновка, ТЭЦ-3–Павловка, ТЭЦ-3–Тавтиманово-т, ТЭЦ-1–Донская с
дефицитом активной мощности
186 МВт без учета работы АЧР частота в выделенном
энергорайоне устанавливается на уровне 40,9 Гц.
13
При расчёте с учетом действия АЧР через 0,8 с происходит срабатывание спецоче-
реди АЧР на уставке 49,2 Гц, отключающее нагрузку в объеме 16,4 МВт. За интервал вре-
мени 0,9–1,6 с после выделения автоматикой АЧР-1 отключается нагрузка суммарной
мощностью 120,7 МВт. В результате удается предотвратить аварийное снижение частоты,
после чего частота начинает повышаться. В момент времени и про-
исходит отключение нагрузки в объеме 22 МВт автоматикой АЧР-2 (несовмещённая) с
выдержками времени 7 и 10 с соответственно. В результате частота начинает возрастать
быстрее и в момент времени достигает уставок ЧАПВ. В момент времени
(через 20 с после достижения уставок ЧАПВ) происходит включение нагрузки
в объёме 33,4 МВт, после чего происходит снижение частоты до 48,0 Гц.
На интервале времени 50,5–62,5 с происходит отключение нагрузки от АЧР-2 в
объеме 38,4 МВт, в результате чего частота снова повышается и на 66-й секунде достигает
уставок срабатывания ЧАПВ. После включения нагрузки в объёме 9,8 МВт частота уста-
навливается на уровне 49,4 Гц в соответствии с рисунком 1 и таблицей 2.
Рисунок 1 – Изменение частоты в выделенном энергорайоне
с учетом действия АЧР/без учета действия АЧР
Согласно [1], автоматика ограничения снижения частоты должна обеспечивать
подъем частоты до уровня, при котором энергосистема может работать длительное время
(выше 49,0 Гц), а также должны выполняться следующие условия:
– работа энергосистемы с частотой ниже 49,0 Гц – не более 40 с;
– работа энергосистемы с частотой ниже 47,0 Гц – не более 10 с;
– работа энергосистемы с частотой ниже 46,0 Гц – не допускается.
Из рисунка 1 видно, что частота в выделенной части Уфимского энергорайона с
учетом работы АЧР ниже 47 Гц не опускается, а продолжительность работы энергорайона
с частотой ниже 49 Гц составляет 24,8 с, что соответствует требованиям [1].
В таблице 2 представлены балансы электрической мощности до и после выделения, а
также объёмы отключаемой от АЧР нагрузки с указанием частоты и времени срабатывания.
Кроме этого, генераторы ТЭЦ-2, ТЭЦ-3 загружаются по активной мощности под
действием регуляторов скорости (рисунок 2), в итоге дефицит активной мощности состав-
ляет 8,7 МВт и частота устанавливается на уровне 49,4 Гц.
14
Таблица 2 – Баланс части Уфимского энергорайона до и после выделения,
объемы отключаемой нагрузки от АЧР
Выделение части
Уфимского
энергорайона
Уставки по
частоте/времени
уст
сра
б
⁄
,
Гц/с
Время срабаты-
вания от начала
процесса, с
(
0 с)
Отключаемая мощность, МВт
Суммарный
объем отклю-
чаемой на-
грузки, МВт
Баланс: Генерация: 306 МВт
Потребление: 492 МВт
Дефицит: 186 МВт
Отключение на-
грузки от САЧР
49,2/0,5 t
1
=0,8 16,4
154,3
Отключение на-
грузки от АЧР-1
48,6/0,3 t
2
=0,9 7,0
120,7
48,8/0,5 t
3
=1,0 4,4
48,4/0,5 t
4
=1,0 31,4
48/0,5 t
5
=1,3 22,6
47,8/0,5 t
6
=1,5 45,8
47,6/0,5 t
7
=1,6 9,5
Отключение на-
грузки от АЧР-2
(несовмещенная)
49,1/7 t
8
=7,4 3,8
22,0
49,1/10 t
9
=10,4 18,2
Включение на-
грузки от ЧАПВ
49,4/20 t
10
=36,3 33,4
Отключение на-
грузки от АЧР-2
(несовмещенная)
49,1/13 t
11
=50,5 1,4
8,6
49,1/20 t
12
=57,5 7,2
Отключение на-
грузки от АЧР-2
(совмещенная)
49/20 t
13
=58,0 12,4
21,0
48,9/20 t
14
=58,5 6,0
48,9/22 t
15
=60,5 1,5
48,8/22 t
16
=60,9 1,1
Отключение на-
грузки от АЧР-2
(несовмещенная)
49,1/25 t
17
=62,5 8,8
Включение на-
грузки от ЧАПВ
49,5/20 t
18
=86,0 2,6
9,8
49,4/25 t
19
=90,1 7,2
Итого: Генерация после работы регуляторов скорости: 329 МВт
Потребление после работы АЧР и ЧАПВ: 337,7 МВт
Рисунок 2 – Изменение мощности турбин электростанций ТЭЦ-2 (110 кВ), ТЭЦ-3
при выделении части Уфимского энергорайона с учетом АЧР