Защита от изменения частоты

Защита от изменения частоты

Содержание

Введение

1.1 Частотная разгрузка АЧР-1

1.2 Частотная разгрузка АЧР-2

1.3 Частотная разгрузка АЧР-С

1.4 Совмещенная частотная разгрузка

1.5 Включение нагрузки по частоте (ЧАПВ)

1.6 Ограничение повышения частоты (АОПЧ)

2.1 Расчет мощности нагрузки, подключаемой к АЧР

3.1 Современные устройства частотной разгрузки

Литература

Введение

Частота переменного электрического тока является одним из главных показателей качества электрической энергии, вырабатываемой генераторами электростанций и поставляемой потребителям. От частоты переменного тока зависит частота вращения электродвигателей, а, следовательно, и производительность вращаемых ими механизмов (станков, насосов, вентиляторов и т.д.). При понижении частоты их производительность понижается. Повышение же частоты приводит к перерасходу электроэнергии. Таким образом, всякое отклонение частоты от номинального значения наносит ущерб народному хозяйству. Поэтому, а также по ряду других важных причин частота переменного тока нормируется.

Номинальное значение частоты переменного тока составляет 50 Гц. Допустимое отклонение от номинального значения составляет ±0,2 Гц. Допускается кратковременная работа с отклонением ±0,4 Гц.

При условии баланса выработки и потребления активной мощности частота остается неизменной. Однако нагрузка энергосистемы, которая в каждый момент времени зависит от количества включенных потребителей и их загрузки, практически не остается постоянной, а непрерывно изменяется, что приводит к нарушению баланса.

Пока в энергосистеме имеется вращающийся резерв активной мощности, системы регулирования частоты и мощности будут поддерживать заданный уровень частоты. После того как вращающийся резерв будет исчерпан, дефицит активной мощности, вызванный отключением части генераторов или подключением новых потребителей, повлечет за собой снижение частоты в энергосистеме.

Небольшое снижение частоты (на несколько десятых герца) не представляет опасности для нормальной работы энергосистемы, хотя, как уже отмечалось выше, и влечет за собой ухудшение экономических показателей. Снижение же частоты более чем на 1—2 Гц представляет серьезную опасность и может привести к полному расстройству работы энергосистемы. Это в первую очередь определяется тем, что при понижении частоты снижается частота вращения электродвигателей, а, следовательно, и производительность приводимых ими механизмов собственного расхода тепловых электростанций. Вследствие снижения производительности механизмов собственного расхода резко уменьшается располагаемая мощность тепловых электростанций, особенно электростанций высокого давления, что влечет за собой дальнейшее снижение частоты в энергосистеме. Таким образом, происходит лавинообразный процесс — "лавина частоты", который может привести к полному расстройству работы энергосистемы. Следует также отметить, что современные крупные паровые турбины не могут длительно работать при низкой частоте из-за опасности повреждения их рабочих лопаток.

Процесс снижения частоты в энергосистеме сопровождается также снижением напряжения, что происходит вследствие уменьшения частоты вращения возбудителей, расположенных на одном валу с основными генераторами. Если регуляторы возбуждения генераторов и синхронных компенсаторов не смогут удержать напряжение, то также может возникнуть лавинообразный процесс — "лавина напряжения", так как снижение напряжения сопровождается увеличением потребления реактивной мощности, что еще более осложнит положение в энергосистеме.

Аварийное снижение частоты в энергосистеме, вызванное внезапным возникновением значительного дефицита активной мощности, протекает очень быстро — в течение нескольких секунд. Поэтому дежурный персонал не успевает принять каких-либо мер, вследствие чего ликвидация аварийного режима должна возлагаться на устройства автоматики. Для предотвращения развития аварии должны быть немедленно мобилизованы все резервы активной мощности, имеющиеся на электростанциях. Все вращающиеся агрегаты загружаются до предела с учетом допустимых кратковременных перегрузок.

При отсутствии вращающегося резерва единственно возможным способом восстановления частоты является отключение части наименее ответственных потребителей. Это и осуществляется с помощью специальных устройств автоматической частотной разгрузки (АЧР), срабатывающих при опасном снижении частоты.

Следует отметить, что действие АЧР всегда связано с определенным народнохозяйственным ущербом, поскольку отключение линий, питающих электроэнергией промышленные предприятия, сельскохозяйственных и других потребителей, влечет за собой недовыработку продукции, появление брака и т.п. Несмотря на это АЧР широко используется в энергосистеме как средство предотвращения значительно больших убытков из-за полного расстройства работы энергосистемы, если не будут приняты срочные меры по ликвидации дефицита активной мощности.

1.1 Частотная разгрузка АЧР-1

Частотной разгрузкой АЧР-1 принято называть такую разгрузку по частоте, когда отключение очередей нагрузки происходит по мере снижения частоты (иногда такую разгрузку называют быстродействующей).

Частотно-временная характеристика такой разгрузки показана на рис. 1.1, где линией 1 изображено изменение частоты f во времени при дефиците активной мощности в энергосистеме.

Срабатывание алгоритма АЧР-1 должно происходить при достижении контролируемой частотой значения Fп АЧР-1 — уставки пуска алгоритма АЧР-1. После достижения этого значения через некоторый промежуток времени ТАЧР-1, называемый временем срабатывания, происходит отключение соответствующей очереди нагрузки. Таким образом, устройство, реализующее функцию АЧР-1, должно содержать элементы, измеряющие текущее значение контролируемой частоты и сравнивающие его с заданной уставкой по частоте.

Рассматривая работу устройства частотной разгрузки в условиях дефицита активной мощности, необходимо обратить внимание еще на один параметр, характеризующий работу энергосистемы в этих условиях, — скорость изменения контролируемой частоты fАЧР. На рис. 1.1 этот параметр показан в виде касательной f'1, проведенной в точке перегиба линии 1, характеризующей изменение частоты во времени. Принципиально возможен и другой вариант снижения частоты, когда при потере питания со стороны системы напряжение в контролируемом узле поддерживается за счет подпитки от работающих в режиме "выбега" асинхронных двигателей. В этом случае изменение частоты происходит по линии 2 со скоростью f'2 > f'1.

Чтобы не допустить излишних отключений нагрузки при потере питания, в алгоритм АЧР-1 необходимо ввести специальные элементы, которые должны учитывать скорость изменения частоты при формировании сигнала на отключение нагрузки и не производить отключений нагрузки в тех случаях, когда скорость изменения частоты превышает некоторое заранее установленное значение f'2 > f'бл.

Эти элементы должны обеспечивать:

• измерение скорости изменения частоты;

• сравнение текущего значения скорости с заранее заданной уставкой f'бл.

Все сказанное позволяет составить обобщенную функциональную схему алгоритма АЧР-1 (рис. 1.2).

Контролируемое напряжение UK поступает через разделительный и масштабирующий трансформатор Т на входы двух измерительных элементов А1 и А2, а текущие значения измеренных величин — на входы соответствующих пороговых элементов A3 и А4.

Рис. 1.1. Графики изменения частоты, характеризующие работу алгоритма АЧР-1

Рис. 1.2. Обобщенная функциональная схема алгоритма АЧР-1

В связи с тем что введение запрета на отключение нагрузки по скорости изменения частоты определяется характеристиками той или иной энергосистемы, в схеме предусмотрен функциональный блок, позволяющий исключить сигнал по скорости из алгоритма АЧР-1. На рис. 1.2 этот блок показан в виде ключа SA1.

Суммирование сигналов от пороговых элементов осуществляется по логической схеме И — НЕ элементом А5. Появление на выходе элемента А5 сигнала позволяет формировать команду на отключение очередей нагрузки, однако для исключения ложных срабатываний и недопущения излишних отключений нагрузки в функциональную схему алгоритма АЧР-1 включен элемент А6, обеспечивающий некоторый промежуток времени между моментом выполнения рассмотренных выше условий АЧР-1 и временем включения исполнительного реле К. Согласно действующим нормативным документам этот промежуток времени может изменяться от 0,15 до 0,3 с.

При настройке устройств частотной разгрузки для алгоритма АЧР-1 должны быть заданы:

Fп АЧР-1 — частота пуска алгоритма (элемент А3);

ТАЧР-1— время срабатывания алгоритма (элемент А6);

f'бл — скорость изменения частоты.

1.2 Частотная разгрузка АЧР-2

Частотной разгрузкой АЧР-2 принято называть отключение нагрузки после достижения заданной уставки по частоте с некоторой, достаточно продолжительной, уставкой по времени срабатывания, или, как сказано в ПУЭ, отключение нагрузки по мере увеличения продолжительности существования пониженной частоты.

Частотная разгрузка АЧР-2 предназначена для восстановления значения частоты и недопущения работы генераторов при частоте ниже 49 Гц.

Разгрузка по алгоритму АЧР-2 происходит при медленном снижении частоты после действия разгрузки по алгоритму АЧР-1 или зависании на уровне ниже 50 Гц.

Для предотвращения излишних отключений описание алгоритма АЧР-2 должно быть дополнено следующим условием: нагрузка не должна отключаться, если до истечения промежутка времени ТАЧР-2 контролируемая частота станет равной частоте возврата алгоритма АЧР-2 fВ АЧР-2.

Графически это показано на рис. 1.3 в виде линии 1, отображающей процесс изменения частоты, соответствующий изложенному выше условию.

Рис. 1.3. Графики изменения частоты, характеризующие работу алгоритма АЧР-2

Линия 2 на этом же рисунке представляет такой процесс изменения контролируемой частоты, при котором ее значение до момента разгрузки t3 не успевает вернуться к fВ АЧР-2.

Функциональная схема рассмотренного алгоритма представлена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Обобщенная функциональная схема алгоритма АЧР-2

В отличие от ранее рассмотренной схемы (см. рис. 1.2) здесь не предусмотрен контроль скорости изменения частоты, а излишние отключения нагрузки предотвращают большой выдержкой времени на срабатывание.

Для возврата алгоритма при восстановлении значения контролируемой частоты до заранее установленного значения FB предусмотрен второй пороговый элемент А4, формирующий сигнал, поступающий на вход R триггера А8.

В алгоритм АЧР-2 введен канал, формирующий сигнал на отключение нагрузки до завершения выдержки времени, задаваемой реле времени А10, если при наличии команды Пуск АЧР-2 напряжение, поступающее на вход порогового элемента А5, станет ниже заранее заданной уставки.

В название алгоритма разгрузки, использующего информацию о значении напряжения, принято добавлять слова "с ускорением по напряжению" и обозначать как АЧР-Н.

Для исключения ложных срабатываний при кратковременных провалах напряжения и частоты в функциональной схеме предусмотрены элементы А6, А7 с фиксированным временем срабатывания.

При настройке устройств частотной разгрузки задают:

Fп ачр-2 < —частоту пуска алгоритма (элемент A3);

FB АЧР-2 > — частоту возврата алгоритма (элемент А4);

ТАЧР-2 — время срабатывания алгоритма (элемент А10);

U< — напряжение, при котором ускорение срабатывания алгоритма при замкнутом положении программного ключа S2 происходит раньше момента времени, задаваемого элементом А10.

1.3 Частотная разгрузка АЧР-С

Использование алгоритма частотной разгрузки по скорости изменения частоты (АЧР-С) позволяет значительно улучшить работу энергосистем при больших дефицитах мощности, так как дает возможность отключать нагрузку с опережением, не допуская глубокого снижения частоты.

На рис. 1.5 графически представлен процесс работы данного алгоритма.

Горизонталь 1 соответствует верхней границе значения частоты fp АЧР-С, начиная с которой разрешается действие алгоритма.

Наклонные линии 2 - 4 представляют собой графики изменений частоты f при скорости большей, равной и меньшей уставки F'yст соответственно.

Рис. 1.5. Графики изменения частоты, характеризующие работу алгоритма АЧР-С

Рис. 1.6. Обобщенная функциональная схема алгоритма АЧР-С

Пуск алгоритма должен происходить при соблюдении двух условий:

•        значение контролируемой частоты достигло заданного уровня fp АЧР-С;

•        скорость изменения частоты равна уставке F'yст.

Для графика 3 эти условия выполняются в момент времени t2. При фактической скорости изменения частоты, превышающей F'yст пуск алгоритма произойдет при том же значении частоты fp АЧР-С, но ранее, в момент t1.

Приведенным условиям соответствует обобщенная функциональная схема алгоритма АЧР-С, приведенная на рис. 1.6. Выходы измерительных элементов А1 и А2 соединены со входами соответствующих пороговых элементов A3 и А4, а выполнение условий для пуска алгоритма контролирует элемент А5.

Для недопущения случайных отключений нагрузки при кратковременных срабатываниях пороговых элементов в функциональную схему введен элемент задержки А6. Значения F< и время задержки являются фиксированными и не изменяются.

Для обеспечения нескольких очередей разгрузки по алгоритму АЧР-С функциональная схема может быть дополнена еще одним (см. реле К2) или несколькими выходными реле и одним (см. элемент А7) или несколькими элементами задержки, выдержка времени у которых превышает выдержку времени элемента А6.

При настройке устройств, реализующих алгоритм АЧР-С, необходимо задать уставку F'>.

1.4 Совмещенная частотная разгрузка

Для более рационального отключения очередей нагрузки предусматривают объединение действия всех рассмотренных ранее алгоритмов на один исполнительный орган (выходное реле) или, как принято говорить, совмещают в любом сочетании действие разных алгоритмов на одну и ту же ступень нагрузки.

Процесс работы такого алгоритма иллюстрирует рис. 1.7, на котором совмещены все три ранее рассмотренных графика изменения частоты, характеризующих работу алгоритмов АЧР-1, АЧР-2 и АЧР-С.

Если изменение контролируемой частоты в системе будет происходить по линии 3, когда f ' > F', то отключение нагрузки произойдет в момент времени t1.

При изменении частоты по линии 2 запуск алгоритма АЧР-С не происходит из-за изменения частоты со скоростью, меньшей уставки срабатывания этого алгоритма. Однако при достижении частотой значения Fп АЧР-1 (момент t3) алгоритм АЧР-1 запускается. Через промежуток времени ТАЧР-1 (момент срабатывания tcp) алгоритм АЧР-1 срабатывает и происходит отключение нагрузки.

Рис. 1.7. Графики изменения частоты, характеризующие работу алгоритма совмещенной частотной разгрузки

Рис. 1.8. Обобщенная функциональная схема алгоритма совмещенной частотной разгрузки

Последний из рассматриваемых алгоритмов — АЧР-2 действует аналогично и, если значение контролируемой частоты не вернулось к FB АЧР-2, срабатывает в момент t5.

Все сказанное позволяет представить обобщенную функциональную схему алгоритма совмещенной частотной разгрузки в виде, показанном на рис. 1.8. Фактически она представляет собой объединение ранее рассмотренных обобщенных функциональных схем отдельных алгоритмов.

При настройке устройств частотной разгрузки для алгоритма совмещенной частотной разгрузки задают:

Fп АЧР-1— частоту пуска алгоритма АЧР-1 (элемент А4);

Fп АЧР-2 — частоту пуска алгоритма АЧР-2 (элемент А6);

FB АЧР-2 — частоту возврата алгоритма АЧР-2 (элемент А 7);

Fбл — скорость изменения частоты, при достижении которой блокируется работа алгоритма АЧР-1 при замкнутом положении программного ключа SA1 (элемент А5);

F'> — скорость изменения частоты, при которой происходит запуск алгоритма АЧР-С (элемент А10);

Tачр-1 — время срабатывания алгоритма АЧР-1 (элементе А15);

Tачр-2 — время срабатывания алгоритма АЧР-2 (элементе А16);

U< — напряжение, при котором происходит ускорение срабатывания алгоритма АЧР-2 (раньше момента времени, задаваемого элементом А16) при замкнутом положении программного ключа SA2.

1.5 Включение нагрузки по частоте (ЧАПВ)

В результате срабатывания алгоритмов частотной разгрузки происходит восстановление частоты (см. графики изменения частоты во времени, показанные рис. 1.7) до значения FЧАПВ (моменты времени t4, t7, t8 на рис. 1.7 для линий 2, 3 и 1 соответственно), что позволяет включить нагрузку, отключенную ранее по сигналам алгоритмов АЧР. Выполнение условий, позволяющих включить нагрузку, контролирует алгоритм включения нагрузки по частоте (ЧАПВ) (рис. 1.9). Этот же алгоритм формирует соответствующие сигналы на включение нагрузки.

Рис. 1.9. Обобщенная функциональная схема алгоритма ЧАПВ

Для исключения срабатывания алгоритма ЧАПВ при пониженном напряжении сети в обобщенную функциональную схему алгоритма должен быть введен элемент, контролирующий напряжение сети и дающий разрешение на включение нагрузки только при определенном значении U>.

В обобщенной функциональной схеме алгоритма ЧАПВ (рис. 1.9) предусмотрен специальный ключ SA1, позволяющий дополнить данный алгоритм узлом контроля напряжения и тем самым учесть особенности работы энергосистемы.

В функциональной схеме предусмотрено использование внешнего, не связанного с работой алгоритма, сигнала "Запрет ЧАПВ", блокирующего работу алгоритма ЧАПВ.

При настройке работы алгоритма в реальных условиях необходимо задать следующие уставки:

Fчапв > — по частоте запуска (возврата) алгоритма ЧАПВ (элемент A3);

U> — по напряжению разрешения срабатывания алгоритма ЧАПВ при нижнем положении контакта программного ключа SA1 (элемент A4);

T — по выдержке времени алгоритма ЧАПВ (элемент А6).

Выдержка времени канала по напряжению (элемент A5) не регулируется и предназначена для устранения срабатываний при кратковременных изменениях напряжения UK.

1.6 Ограничение повышения частоты (АОПЧ)

Отделение избыточной по нагрузке энергосистемы или ее части, а также отключение значительной нагрузки приводит к повышению частоты в энергосистеме. Вместе с генераторами ГЭС увеличивают частоту вращения и работающие параллельно с ними на общую сеть турбогенераторы, что представляет опасность для турбин, приводящих их во вращение. Срабатывание автоматов безопасности турбин часто не предотвращает увеличения частоты их вращения сверх допустимой, так как после прекращения подачи пара генераторы могут перейти в режим синхронного двигателя и начать вращать турбины с частотой, соответствующей частоте сети, задаваемой гидрогенераторами.

Пусть частота изменяется в соответствии с линией 2 (рис. 1.10), достигая значения Fп аопч в момент t3, что приводит к пуску алгоритма ограничения повышения частоты. Если и дальше частота в энергосистеме будет повышаться, то после истечения выдержки времени Таопч в момент времени t7 алгоритм сформирует сигнал на исполнительный элемент для отключения генераторов электростанции.

Рис. 1.10. Графики изменения частоты, характеризующие работу алгоритма АОПЧ

Рис. 1.9. Обобщенная функциональная схема алгоритма АОПЧ

Возможно и другое развитие событий. Частота f, изменяясь в соответствии с линией 4 на рис. 1.10, в момент времени t6 достигает значения Fп аопч, но через промежуток времени t < Таопч уменьшится до значения Fв аопч (момент времени t8), что должно привести к блокированию устройства, так как условие формирования сигнала исполнительного элемента с этого момента отсутствует.

Если учесть сказанное ранее о целесообразности контроля такого параметра энергосистемы, как скорость изменения частоты, то при составлении обобщенной функциональной схемы алгоритма АОПЧ необходимо рассмотреть еще два варианта изменения частоты (см. графики 1 и 3 на рис. 1.10).

Пусть при разгрузке частота в системе изменяется в соответствии с линией 1, тогда в момент времени t1 будет выполнено условие f'>F'п и алгоритм АОПЧ должен подать сигнал на исполнительный орган. Можно представить и иной процесс изменения частоты — монотонное ее возрастание с небольшой скоростью до значения Fп аопч (линия 3 на рис. 1.10, момент t4), когда запускается алгоритм АОПЧ, а затем быстрое снижение со скоростью f ' > F'в. В этом случае работу алгоритма необходимо остановить в момент времени t5.

Обобщенная функциональная схема алгоритма АОПЧ, отвечающая рассмотренным условиям, приведена на рис. 1.11. В ней можно выделить две части — одна из них обеспечивает включение АОПЧ, а вторая — отключение.

Элементы, измеряющие частоту и скорость ее изменения, являются общими для этих частей, поэтому сигналы с их выходов поступают на все пороговые элементы (элементы А3 — А7) выделенных частей.

Для исключения ложных срабатываний алгоритма в обобщенную функциональную схему введены не только традиционные элементы временных задержек (А8, А10—А12), но и пороговый элемент А4. Поэтому алгоритм не реагирует на скорость изменения частоты в тех случаях, когда абсолютное значение частоты, измеряемое этим элементом, меньше 50,3 Гц.

Страницы: 1, 2