Забелло Е.П. Тополев В.А. Особенности построения релейной защиты и автоматики в условиях внедрения собственных генерирующих источников на предприятии

Подождите немного. Документ загружается.

№ 3, март 2011

ТЕХНОЛОГИИ

Особенности построения релейной защиты

и автоматики в условиях внедрения собственных

генерирующих источников на предприятии

FEATURES OF CONSTRUCTION

OF RELAY PROTECTION

AND AUTOMATION IN THE

IMPLEMENTATION OF ITS OWN

GENERATING SOURCES IN THE

ENTERPRISE

Evgeny ZABELLO, Vladimir TOPOLEV

The presence of distributed genera-

tion means that back-feed of energy to

faulted infrastructure can occur: this

can be dangerous unless suitable pro-

tection is also installed at the interface

of the generator and its distribution sys-

tem, so careful attention has to be given

to the methods of operation of such

plant. The studies presented in this ar-

ticle show the problems concern with

designing of protection system and de-

scribe the possible ways to solve those

problems.

В последнее время в энергетике республики наметились

существенные сдвиги в сторону увеличения суммарной

установленной мощности собственных энергоисточников

на промышленных предприятиях. В общей сложности она

уже превысила 400 тыс. кВт, что составляет более 5 %

суммарной установленной мощности энергоисточников

Белорусской энергосистемы.

Наличие собственного энергоисточника добавляет

предприятию проблем, но в то же время имеет

и положительные

моменты.

В первую очередь, это быстрая окупа-

емость установленного энергоисточ-

ника. Кроме того, себестоимость элект-

роэнергии от собственного энергоис-

точника значительно ниже стоимости

электроэнергии, покупаемой у энерго-

системы, а это, в свою очередь, способ-

ствует снижению себестоимости выпус-

каемой продукции. К числу положитель-

ных моментов можно также отнести

обеспечение надежного и бесперебой

ного энергоснабжения ответственных

производств предприятия в случае

аварийных ситуаций в энергосистеме.

Собственная генерация является также

дополнительным источником доходов

от продажи избытка электроэнергии.

Недостатком такого подхода является

продажа избытка электроэнергии энер-

госистеме по более низкой цене, чем

покупка электроэнергии у энергосисте-

мы в случае дефицита. При подключе-

нии энергоисточника к энергосистеме

необходимо также выполнить все тре-

бования, выдаваемые органами энерго-

надзора и другими контролирующими

органами. Определенные трудности со-

пряжены и с подготовкой специалистов

для эксплуатации энергоисточника, а

также с двунаправленностью перетоков

электроэнергии и, следовательно, с осо-

быми требованиями к релейной защите

и противоаварийной автоматике.

В статье рассматриваются вопросы,

касающиеся одной из важнейших

со-

ставляющих интеллектуальных техни-

ческих комплексов – релейной защиты

и автоматики, так как именно она долж-

на претерпеть наибольшие изменения,

касающиеся как функционального на-

значения, так и аппаратной реализации

и логики. Так, например, в условиях

двунаправленности перетоков энергии

при параллельной работе энергосисте-

мы в новом составе генерирующих мощ-

ностей существующие токовые

защиты

(токовая отсечка и максимальная токо-

вая защита) становятся вообще непри-

годными в существующем виде.

Рассмотрим более подробно работу

различных видов релейных защит и про-

тивоаварийной автоматики при двуна-

правленном перетоке электроэнергии,

возникающем в случае подключения

генерирующих энергоисточников пред-

приятия к энергосистеме.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА

ТРАНСФОРМАТОРОВ

В большинстве случаев связь собствен-

ных

генерирующих источников пред-

приятия с энергосистемой осуществля-

ется через главную понизительную под-

станцию. Для защиты трансформаторов

от внутренних междуфазных коротких

замыканий в обмотках чаще всего ис-

пользуется продольная дифференци-

альная защита с тормозной обмоткой

(на базе электромеханического реле

типа ДЗТ-21), которая позволяет снизить

чувствительность защиты при сквозных

коротких замыканиях на

стороне низ-

кого напряжения вне зоны ее действия.

Однако при наличии генерирующего ис-

точника на стороне низкого напряжения

трансформатора в случае внутреннего

короткого замыкания по тормозной об-

мотке реле будет протекать ток коротко-

го замыкания от генераторов, что может

привести к отказу данной защиты и, как

следствие, к повреждению трансформа-

тора. В связи с этим требуется реконст-

рукция данной защиты.

СИСТЕМНАЯ

ПРОТИВОАВАРИЙНАЯ

АВТОМАТИКА

Несинхронное включение собствен-

ных генерирующих источников в про-

тивофазе с энергосистемой не допуска-

ется из-за возникновения чрезмерных

ударных электромагнитных моментов,

воздействующих на механические части

генератора. Вероятность такого включе-

ния возникает при повторном восстанов-

лении напряжения сети после

отключе-

ния системными защитами участка с ге-

нератором. Одним из способов, который

предотвращает несинхронное включение

собственных генерирующих источников

предприятия с энергосистемой при дейс-

твии системных устройств автоматиче-

ского повторного включения (АПВ) или

автоматического ввода резерва (АВР),

является согласование времени их дей-

ствия с временем действия релейной

защиты и автоматики генераторов пред

приятия, действующих на отключение

этих генерирующих источников. Однако

в некоторых случаях при таком согласо-

вании время срабатывания АПВ или АВР

значительно возрастает, что может быть

недопустимым для технологических про-

цессов производства.

Другим вариантом решения указанной

проблемы является дополнение логики

работы АПВ и АВР контролем встреч-

ного напряжения. Но в этом

случае

необходимо устанавливать на линиях

связи измерительные трансформаторы

напряжения или организовывать связи

релейной аппаратуры по обоим концам.

Данный способ может сопровождаться

значительными финансовыми затратами

на реконструкцию существующей систе-

№ 3, март 2011

ТЕХНОЛОГИИ

мы электроснабжения. Зависеть они бу-

дут от необходимого количества устанав-

ливаемых линейных трансформаторов

напряжения и их номинального напряже-

ния первичной обмотки, а при проклад-

ке связей между релейной аппаратурой

обоих концов линии эти затраты будут

зависеть от протяженности линии, спо-

соба ее прокладки (в траншее, по техно-

логическим эстакадам в кабельном

коро-

бе) и типа связи (волоконно-оптическая

связь, витая пара). Кроме того, контроль

встречного напряжения необходим с точ-

ки зрения техники безопасности при экс-

плуатации, осуществлении оперативных

переключений и ремонтных работ.

ДЕЛИТЕЛЬНАЯ ЗАЩИТА

Особую роль при подключении гене-

ратора малой мощности играет его де-

лительная защита, которая предотвра-

щает тяжелые последствия

при авариях

в энергосистеме как для самого генера-

тора предприятия, так и для оборудова-

ния энергосистемы. Делительная защи-

та позволяет вывести электростанцию

на автономную работу со сбалансиро-

ванной нагрузкой и тем самым сохра-

нить электроснабжение наиболее ответ-

ственных потребителей. Связь с энер-

госистемой восстанавливается после

нормализации режима работы послед-

ней

по напряжению и частоте. При этой

операции выполняется автоматическая

(с помощью АПВ с улавливанием син-

хронизма) или ручная синхронизация

собственных генерирующих источников

с энергосистемой.

Можно выделить следующие основ-

ные функции делительной защиты:

– предотвращение лавинообразного

снижения частоты и напряжения вслед-

ствие большой перегрузки генераторов;

– предотвращение несинхронного

включения генераторов при работе

сис-

темных АПВ и АВР;

– ликвидация подпитки точки корот-

кого замыкания со стороны собственно-

го генерирующего источника.

При установке делительной защиты

необходимо выбрать для конкретного

случая точки деления собственного ге-

нерирующего источника с энергосисте-

мой. Этот выбор должен быть сделан

с учетом следующих факторов:

– воздействия на наименьшее число

выключателей и

удобство передачи ко-

манды на их отключение;

– обеспечения баланса между гене-

рируемой и потребляемой мощностями

в отделившейся части сети;

– удобства обратной синхронизации

отделившейся части сети с энергосис-

темой.

В наиболее ответственных случаях

для повышения надежности устанавли-

вают два комплекта делительной защи-

ты (основной и дублирующий), которые

расположены на разных

элементах свя-

зи генератора с системой.

В некоторых случаях функции дели-

тельной защиты может осуществлять за-

щита генераторов от внешних коротких

замыканий, если чувствительность ее

достаточно велика и если по условиям

сохранения устойчивости и обеспечения

надежного действия защиты при выходе

генераторов из синхронизма допустима

параллельная работа.

Существуют различные виды делитель-

ных

защит малой мощности, используе-

мые в различных сочетаниях и реагирую-

щие на понижение частоты/напряжения,

скорость изменения частоты/напря-

жения, скорость изменения мощности

(коэффициента мощности), изменение

экспорта реактивной энергии, броски

напряжения, токи прямой/обратной/ну-

левой последовательности, напряжение

обратной последовательности.

КОНТРОЛЬ ЧАСТОТЫ

При внезапном отключении участка

сети возможно либо увеличение,

либо

уменьшение частоты в зависимости

от энергетического баланса генератора

и выделенной нагрузки. При дефиците

мощности время срабатывания дели-

тельной защиты по частоте принимают

равным частоте срабатывания первой

очереди автоматической частотной

разгрузки (АЧР), равной 47,5 Гц. Зада-

чей расчета данной защиты является

определение вероятного времени сраба-

тывания для согласования его с устрой-

ствами

АПВ на линии связи с системой.

Время срабатывания защиты зависит

от величины образовавшегося дефици-

та, постоянной времени изменения час-

тоты в отделившейся части системы,

регулирующего эффекта нагрузки.

Методика расчета времени срабаты-

вания защиты предложена в [1]. Однако

все перечисленные параметры в нор-

мативной и справочной документации

даны для укрупненных узлов нагрузки,

что вносит значительные погрешности

при вычислении времени срабатывания

и, как следствие, к неоправданному за-

грублению действия системных АПВ

и АВР при согласовании их уставок.

Ввиду этого при расчете времени сра-

батывания делительной защиты лучше

использовать современное програм-

мное обеспечение для создания модели

конкретного случая, которая будет учи-

тывать особенности переходных про

цессов, происходящих в промышленной

нагрузке. Однако данный вид защиты

не обеспечивает гарантированное об-

наружение автономного режима (отказ

при небольшом дефиците мощности) и,

кроме того, отличается медленной реак-

цией.

КОНТРОЛЬ СНИЖЕНИЯ

НАПРЯЖЕНИЯ

При отделении участка с генератором

малой мощности от общей сети воз-

можно снижение напряжения. Значи-

тельным снижением напряжения сопро-

вождаются

также короткие замыкания

во внешней сети. В связи с этим данный

параметр сети может служить в каче-

стве критерия перехода на автономный

режим работы генераторов с отключе-

нием выключателей в точках деления, а

также для дальнейшей возможности бес-

препятственной работы общесистемной

автоматики.

Выбор уставок срабатывания данной

делительной защиты осуществляется

на

основании расчетов переходных про-

цессов. Целью этих расчетов является

определение наибольшей длительно-

сти возмущения, при котором все еще

возможен самозапуск ответственных

двигателей и восстановление работо-

способности всех других электропри-

емников. Однако снижение напряжения

при внешних и внутренних коротких

замыканий может быть практически

одинаковым. В связи с этим возникают

сложности при селективной

работе дан-

ного типа защиты. Следует отметить,

что отстройку от внутренних коротких

замыканий можно осуществить по ана-

логии с принципом действия логической

защиты шин: отключение выключателя

от делительной защиты по снижению на-

пряжения осуществлять при отсутствии

блокирующих сигналов от пусковых ор-

ганов защит отходящих от шин линий

к собственным электроприемникам

(рис. 1).

КОНТРОЛЬ ПЕРЕТОКОВ

РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Реактивная мощность протекает

к месту короткого замыкания от всех ис-

точников питания, поэтому изменения

этой мощности могут служить хорошим

признаком места возникновения корот-

кого замыкания. При близких внешних

коротких замыканиях поток реактивной

...

I>>

Блокировка

Точка деления

Отходящие линии

ол

ген

I>>

К энергосистеме

Рис. 1. Схема отстройки делительной

защиты по снижению напряжения

от внутренних коротких замыканий:

ол

… B

ол

– выключатели отходящих линий;

ген

– выключатель собственного

генерирующего источника;

– выключатель, установленный в точке

подключения к энергосистеме

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Предел

Класс 1

Класс 2

Класс 3

Мощность генератора перед набросом

от номинальной мощности, P

, %

Максимально возможный

наброс мощности

от номинальной

мощности,

P, %

Рис. 3. Ограничение набросов мощности

в зависимости от класса двигателя

Генератор

Нагрузка Сеть

Точка деления

а) б) в)

I’

Рис. 2. Принцип защиты от броска напряжения

а) схема принципиальная электрическая;

б) векторная диаграмма нормального режима генератора при параллельном режиме

с энергосистемой;

в) векторная диаграмма генератора при выделении на автономную нагрузку:

L – сопротивление нагрузки;

S – эквивалентное сопротивление

энергосистемы;

S – ЭДС энергосистемы;

G – ЭДС генератора

G – ток в ветви генератора;

L – ток в ветви нагрузки;

S – ток в ветви энергосистемы;

d – синхронное индуктивное сопротивление

генератора;