Автоматизация электроэнергетических систем: АПВ, АВР, АЧП, АРЧ и другие виды автоматики

Основные параметры, регулируемые с помощью автоматических систем управления режимами энергосистем — частота электрического тока, напряжения узловых точек электрических сетей, активные и реактивные мощности и токи возбуждения генераторов электростанций и синхронных компенсаторов, потоки активных и реактивных мощностей в электрических сетях энергосистем и межсистемных связях, давление и температура пара, нагрузки котельных агрегатов, количество подаваемого воздуха, разрежение в топках котлов и т. д. Кроме того, автоматически могут срабатывать выключатели в электрических сетях и т. п. аппараты.

Автоматическое управление режимами электрических систем состоит из:

автоматики качества энергии ;

автоматики экономического распределения.

Автоматика надежности (АН) — совокупность автоматических устройств, действующих при возникновении аварийного повреждения оборудования и способствующих быстроте ликвидации аварии, ограничению ее последствий, предотвращению развития аварий в энергосистеме и тем самым максимальному снижению перерывов в электроснабжении.

Наиболее распространенные устройства АН — релейная защита электрического оборудования, автоматическая аварийная разгрузка энергосистемы, автоматическое повторное включение, автоматическое включение резерва, автоматическая самосинхронизация, автоматический частотный пуск остановленных агрегатов гидростанций, автоматические регуляторы возбуждения генераторов.

Автоматическая аварийная разгрузка энергосистем (ААР) обеспечивает сохранение баланса мощности в энергосистемах при тяжелой аварии, сопровождающейся потерей большой генераторной мощности и снижением частоты переменного тока.

При срабатывании ААР автоматически отключается ряд потребителей энергосистемы, что позволяет сохранить баланс мощностей и предотвращает сильное снижение частоты и напряжений, угрожающее нарушением статической устойчивости всей энергосистемы, т. е. полным развалом ее работы.

ААР состоит из ряда очередей, каждая из которых действует при снижении частоты до определенной заданной величины и отключает определительную группу потребителей.

Различные очереди ААР отличаются уставкой частоты срабатывания, а в ряде энергосистем и временем их действия (уставкой реле времени).

Разбивка ААР на очереди предотвращает излишнее отключение потребителей, т. к. при отключении достаточного их числа частота повышается, не допуская срабатывания следующих очередей ААР.

Применяется автоматическое обратное включение потребителей, ранее отключенных ААР.

Автоматическое повторное включение (АПВ) автоматически повторно включает линию передачи после ее автоматического отключения. Часто имеет место успешное АПВ (кратковременное обесточивание приводит к самоликвидации аварии), и поврежденная линия остается в работе.

АПВ имеет особо важное значение для одиночных линий, т. к. успешное АПВ предотвращает обесточивание потребителей. Для многоцепных линий АПВ автоматически восстанавливает нормальную схему питания. Наконец, АПВ на линиях, соединяющих электростанцию с нагрузкой, повышает надежность использования данной электростанции.

АПВ делится на трехфазное (отключение всех трех фаз при повреждении хотя бы на одной из них) и однофазное (отключение только поврежденной фазы).

АПВ линий, идущих от электростанций, выполняется как с проверкой синхронизма, так и без нее. Длительность цикла АПВ определяется по условиям гашения дуги (минимальная длительность) и по условиям устойчивости (максимальная длительность).

Автоматическое включение резерва (АВР) включает резервное оборудование при аварийном отключении основного. Например, при питании группы потребительских линий от одного трансформатора при его отключении (из-за повреждения или по иной причине) АВР приключает линии к другому трансформатору, чем восстанавливается нормальное электроснабжение потребителей.

АВР широко применяется во всех случаях, когда по условиям электрической схемы он может быть осуществлен.

Автоматическая самосинхронизация обеспечивает включение (обычно в аварийных случаях) генераторов методом самосинхронизации.

Сущность метода в том, что невозбужденный генератор включается в сеть и затем на него подается возбуждение. Самосинхронизация обеспечивает быстрое включение генераторов и ускоряет ликвидацию аварии, позволяя в короткий срок использовать мощность генераторов, потерявших связь с энергосистемой.

Автоматический частотный пуск (АЧП) остановленных агрегатов гидроэлектростанций действует от снижения частоты в электросистеме, возникающего при потере большой генераторной мощности. АЧП приводит гидротурбины в действие, доводит их скорость до нормальной и производит самосинхронизацию с сетью.

АЧП должен работать при более высоком значении частоты, чем аварийная разгрузка энергосистемы, чтобы по возможности предотвратить действие последней. Автоматические регуляторы возбуждения синхронных машин обеспечивают повышение статической и динамической устойчивости энергосистемы.

Автоматика качества энергии

Автоматика качества энергии (АКЭ) поддерживает надлежащее значение таких параметров, как напряжение, частота, давление и температуpa пара и т. п.

АКЭ заменяет действия оперативного персонала и позволяет повысить качество энергии за счет более быстрой и чувствительной реакции на ухудшение качественных показателей.

Наиболее распространенные устройства АКЭ — автоматические регуляторы возбуждения синхронных генераторов, автоматические устройства изменения коэффициента трансформации трансформаторов, автоматические регулировочные трансформаторы, автоматы изменения мощности статических конденсаторов, автоматические регуляторы частоты (АРЧ), автоматические регуляторы частоты и межсистемных перетоков мощности (АРЧМ).

Первая группа устройств АКЭ (кроме АРЧ и АРЧМ) позволяет автоматически поддерживать напряжения в ряде узловых точек электрических сетей в заданных пределах.

АРЧ — устройства, регулирующие частоту в энергосистемах, могут быть установлены на одной или на ряде электростанций. Чем больше число электростанций с АРЧ, тем точнее регулируется частота в энергосистеме и тем меньше доля участия каждой электростанции в автоматическом регулировании частоты, что повышает экономичность регулирования.

Для объединенных энергосистем широко применяется комбинированное автоматическое регулирование частоты и межсистемного перетока мощности с помощью АРЧМ.

Автоматика экономического распределения

Автоматика экономического распределения (АЭР) обеспечивает оптимальное распределение активных и реактивных мощностей в энергосистеме.

Расчет оптимального распределения мощностей может производиться как непрерывно, так и по запросу диспетчера, при этом, могут учитываться не только расходные характеристики затрат на отдельных электростанциях, но и влияние потерь энергии в электрических сетях, а также различных ограничений распределения мощностей (предельные мощности агрегатов, предельные нагрузки передач и т. п.).

Автоматика экономического распределения и автоматические регуляторы частоты могут работать независимо друг от друга, но могут быть и взаимосвязаны.

В последнем случае АРЧ предотвращает отклонение частоты, используя для этой цели изменения мощностей отдельных агрегатов станции, независимо от условий экономического распределения только в пределах сравнительно небольшого изменения суммарной нагрузки.

При достаточно значительном изменении суммарной нагрузки приходит в действие АЭР и изменяет тем или иным способом уставки мощности на АРЧ отдельных электростанций. При независимости АЭР от АРЧ уставки АРЧ изменяются диспетчером после получения ответа на запрос АЭР.

Источник

Релейная защита и автоматика

Релейная защита — комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов этой электроэнергетической системы в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы всей системы. Действия средств релейной защиты организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетических систем. Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль состояния всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить повреждённый участок и отключить его от ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения (короткого замыкания).

Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энергосистем.

Содержание

Требования к релейной защите

Быстродействие

Быстродействие — это свойство релейной защиты, характеризующее скорость выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых элементов. Показателем быстродействия является время срабатывания защиты — это интервал времени от момента возникновения повреждения до момента отделения от сети повреждённого элемента.

Селективность (избирательность)

Селективность — свойство релейной защиты, характеризующее способность выявлять поврежденный элемент электроэнергетической системы и отключать этот элемент только ближайшими к нему выключателями. Это позволяет локализовать повреждённый участок и не прерывать нормальную работу других участков сети.

Чувствительность

Чувствительность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты выявлять повреждения в конце установленной для неё зоны действия в минимальном режиме работы энергосистемы. Другими словами — это способность чувствовать те виды повреждений и ненормальных режимов, на которые она рассчитана, в любых состояниях работы защищаемой электрической системы. Показателем чувствительности выступает коэффициент чувствительности, который для максимальных защит (реагирующих на возрастание контролируемой величины) определяется как отношение минимально возможного значения сигнала, соответствующего отслеживаемому повреждению, к установленному на защите параметру срабатывания (уставке).

Надёжность

Надежность — это свойство, характеризующее способность релейной защиты действовать правильно и безотказно во всех режимах контролируемого объекта при всех видах повреждений и ненормальных режимов для действия при которых данная защита предназначена, и не действовать в нормальных условиях, а также при таких повреждениях и нарушениях нормального режима, при которых действие данной защиты не предусмотрено. Иными словами, надежность — это свойство релейной защиты, характеризующее ее способность выполнять свои функции в условиях эксплуатации, ремонта, хранения и транспортировки. Основные показатели надёжности — время безотказной работы и интенсивность отказов (количество отказов за единицу времени).

Резервирование следующего участка

Резервирование следующего участка — важное требование. Если защита по принципу своего действия не работает за пределами основной зоны, ставят специальную резервную защиту.

Основные органы релейной защиты

Пусковые органы

Пусковые органы непрерывно контролируют состояние и режим работы защищаемого участка цепи и реагируют на возникновение коротких замыканий и нарушения нормального режима работы. Выполняются обычно с помощью реле тока, напряжения, мощности и др.

Измерительные органы

Измерительные органы определяют место и характер повреждения и принимают решения о необходимости действия защиты. Измерительные органы также выполняются с помощью реле тока, напряжения, мощности и др. Функции пускового и измерительного органа могут быть объединены в одном органе.

Логическая часть

Логическая часть — это схема, которая запускается пусковыми органами и, анализируя действия измерительных органов, производит предусмотренные действия (отключение выключателей, запуск других устройств, подача сигналов и пр.). Логическая часть состоит, в основном, из элементов времени (таймеров), логических элементов, промежуточных и указательных реле, дискретных входов и аналоговых выходов микропроцессорных устройств защиты.

Пример логической части релейной защиты

Катушка реле тока K1 (контакты А1 и А2) включена последовательно со вторичной обмоткой трансформатора тока ТА. При коротком замыкании, на участке цепи, в котором установлен трансформатор тока, возрастает сила тока, и пропорционально ей возрастает сила тока во вторичной цепи трансформатора тока. При достижении силой тока значения установки реле K1, оно сработает и замкнёт рабочие контакты (11 и 12). Цепь между шинами +EC и -EC замкнётся, и запитает сигнальную лампу HLW.

Данная схема приведена как простой пример. В эксплуатации используются более сложные логические схемы.

Основные механизмы релейной защиты

Токовая защита

Источник

Какие виды релейной защиты существуют

С помощью защитного реле реализуется предписанная нормативами и правилами безопасность электроустановок. Минимизируются, исключаются последствия замыканий, ненормальных режимов функционирования, перегрузок, что также обезопасит связанные конструкции и сеть в целом. В систему часто интегрируется сигнализация. Рассмотрим назначение, какие виды РЗиА применяются, для каких электроустановок, их составляющие и алгоритм функционирования.

Понятие релейной защиты и автоматики (РЗиА)

Правила техэксплуатации и устройства электроустановок (ПУЭ, ПТЭ) регламентируют применение релейных типов защиты. Данные приборы, а скорее, комплексы специальных элементов, часто совмещаются с автоматикой, поэтому сокращено называются РЗиА (а также это сокращение без «и» или РЗ).

По нормам ПТЭ силовые узлы и линии электроустановок — электростанций, подстанций, электросетей — защищаются от коротких замыканий (КЗ), ненормальных состояний, сверхнагрузок узлами РЗ и автоматики. Такие устройства интегрируются в конструкции, являются их частью (закладываются еще на стадии проекта), реже — монтируются к ним отдельно. Должны по правилам быть в постоянном состоянии готовности (ожидания), за исключением выводящихся из задействования согласно особенностям их задач, принципа конструкции, режимов энергообъектов, требованиям избирательности (селективности). Узлы сигнализации (предупреждение и сообщение о развитии поломок) должны также всегда быть готовыми к активации.

Где применяется

РЗиА ставят на электростанциях, генераторах, на любых электроустановках, на подобных габаритных мощных устройствах, то есть сфера использования не ограниченная, если релейная защита необходима по проекту. Область применения конкретизируется ПУЭ:

Содержание главы 3.2 ПУЭ:

Для чего применяется РЗиА

Что такое релейная защита объясним более конкретно, описывая ее назначение. При задействовании электрооборудования, сетей, всегда сохраняются риски их повреждений, некорректные режимы, часто их невозможно избежать или такие условия характерные для работы ЭУ. Наиболее критические — перегрузки и КЗ. Причины: пробои, повреждения изоляционных частей, разрывы, ошибки работников, например, отсоединение узлов под нагрузкой, неправильная подача на заземленные конструкции напряжения.

КЗ на участке, где оно возникло, провоцирует появление электродуги, термическое влияние которой ведет к, как правило, бесповоротному разрушению токоведущих элементов, изолирующих частей, электроустройств в целом (реже, но такие случаи весьма распространенные). При этом на поврежденный сегмент подводятся высокие токи короткого замыкания в тысячи ампер. Возникает почти моментальный нагрев, за секунды элементы накаляются. Термические процессы также повреждают исправные участки, происходит развитие неполадки, пожар. На связанных магистралях, объектах параметры электричества глубоко понижаются, что причиняет остановку электромоторов, функционирование параллельно задействованных конструкций, генерирующих приборов, критически нарушается.

В описанных ситуациях важно моментально остановить развитие последствий, обычно этого достаточно для полного предотвращения аварий. Указанное достигается оперативным отключением опасного участка ЭУ, сети — автоустройствами, функционирующими на расцепление контактов, обесточивание. Это и есть релейного типа защита, она же РЗ или РЗиА.

Задачи РЗ

РЗ деактивирует выключатели конструкции с неполадкой, при этом электродуга гаснет или даже не успевает возникнуть. Моментально останавливается течение ампер КЗ, параллельно на исправной части ЭУ или в сети восстанавливаются нормальные величины электричества. Минимизируются, исключаются повреждения оснащения с КЗ, нормализуется режим рабочего оборудования.

Особенности

Возможны и другие нарушения на ЭУ: перегрузка, замыкание различного рода, образование газовых масс в трансформаторах, понижения там объема масла и пр. Если такие неполадки не опасные, самоустраняются, может не требоваться моментальное обесточивание. Обычно при наличии на ЭУ постоянного обслуживания специалистами хватит выдачи им уведомления. В иных случаях достаточно отключения, но с паузой.

Реле РЗ — это приборы, узлы с автоматическим принципом, осуществляющие изменение характерного периодического типа («релейное действие», скачками) при установленной трансформации (модификации) наблюдающихся характеристик.

Проще говоря, РЗ при фиксации нарушений параметров ЭУ производит обесточивание, разводит контакты. Пример: реле при критическом возрастании Ампер на контролируемой цепи (туда заведена его токовая намотка) до прописанной отметки расцепляет соединения.

Прибор РЗ — это взаимодействующая система реле и узлов вспомогательных, автоматических, устройств, отключающих оборудование, когда оно повреждается, при ненормальных состояниях.

Сначала опишем отдельно логическую защиту для шин, сокращенно — ЛЗШ. Принцип: сравнивает состояние защит питающих частей и отходящих фидеров (отводов кабеля). Образец алгоритма: защита на одном из последних отключилась, значит, на нем КЗ; не стартовала на них вообще — КЗ на шинных элементах. При КЗ на отводе активируются защиты (токовые расцепители) на нем и на узлах питания участка (вводы ТТ, выключатели сегмента).

Далее, по факту сработки происходит блокировка отключения питающих частей без паузы. При КЗ на шинных частях распределительной схемы запуск РЗ на отводах не происходит, и при активации таковой на питающих узлах она допускается без выдержки.

Остальные виды релейной защиты:

Автоматика

Электроавтоматика, в отличие от РЗ, не только отключает оснащение, но и включает. В первую очередь, это автовключения: повторное (АПВ) и резерва питания (АВР).

Есть также разновидности с контролем персоналом оснащения релейной защиты, это автоматика:

Устройство

Рассмотрим устройство в процессе описания действия РЗиА:

Требования к РЗиА

Требования к релейной защите исчерпывающе прописаны в ПУЭ (Р. 3 Гл. 3.2), а также в многочисленных пособиях — смысла дублировать их в статье нет. Обобщим их так, чтобы читатель смог сориентироваться, на что обратить внимание, быстро найти и уточнить их в указанных источниках.

Выполнением каких принципов обеспечивается работоспособность

Нарушения в работе РЗиА при некорректном подборе, монтаже, несоблюдении норм:

ПУЭ и связанные нормативные акты предъявляют требования, с помощью которых исключается перечисленное выше (касаются проекта, монтажа, настройки и запуска, техобслуживания):

Надежность

Определяется такими характеристиками:

Каждая позиция имеет свою оценку, указанную в техдокументации, в утвержденном согласно нормативным документам проекте.

Есть 3 позиции по надежности при ТО и эксплуатации РЗ по активации: при КЗ внутренних на рабочих локациях, за их границами, при функционировании без неисправностей. Надежность бывает 2 типов: эксплуатационная и аппаратная.

Чувствительность

Требования, предъявляемые к РЗА, релейной защите в первую очередь касаются функциональных настроек, так как фиксация пороговых значений, нарушения уставок подразумевают наличие у РЗ определенной чувствительности.

Надо правильно определить, какая предполагаемая степень нарушения режима, перегрузки является опасной, и подобрать под нее соответственно настроенный вариант РЗ.

Есть уравнение для чувствительности (ее числового значения) при возникновении КЗ. Применяется специальная характеристика — Кч, коэффициент.

Расчет: отношение наименьшего тока КЗ рабочего участка к величине тока активации. РЗ нормально функционирует при Iсз Быстродействие

Быстрота обесточивания имеет 2 составляющие:

Реагирование по времени регулируемое в диапазоне мин.-макс. значения в зависимости от возможностей устройства релейной защиты, применяемых элементов. Задержка сработки создается внедрением специальных реле с возможностью настройки, такая опция используется для наиболее отдаленных защит. РЗ размещенные ближе к месту неполадки, к защищаемому участку настраиваются на более короткий временной интервал активации или применяются без него.

Селективность

Второе название данной характеристики — избирательность. Опция позволяет определить место повреждения в схемах любой сложности.

Генератором вырабатывается и подается электричество потребителям на сегментах 1–3 (каждый со своей защитой). При КЗ на приборе потребителя на 3 промежутке, ток течет по всем узлам РЗ, начиная от источника энергии. В таких условиях целесообразно отключать цепь сегмента с неисправностью, например, электромотора, оставляя задействованными остальных исправных потребителей. С этой целью есть возможность делать уставки РЗ для каждой цепи. Обычно такие особенности закладываются еще на стадии проектирования.

Защита 5 3-го сегмента должна фиксировать токи неполадок раньше, и оперативнее активироваться, отключая поврежденные сегменты от цепей. Поэтому величины токово-временных уставок на каждом промежутке снижаются от генератора к потребителю. Прицип: чем дальше от локации поломки, тем меньшая чувствительность. Так одновременно реализуется резервирование, учитывающее возможность эффективной защиты при неполадках любых приборов, включая и системы РЗ более низкой ступени. Описанная схема означает, что при поломке самой защиты 5 сегмента 3 при аварии должны активироваться приборы защиты 3 или 4 промежутка 2. А эти секции, в свою очередь, подстраховываются защитными узлами сегмента 1.

Нюансы управления

РЗ выполняется отдельным блоком, является самостоятельной схемой, несмотря на то, что зачастую интегрируется в саму конструкцию ЭУ. Такие узлы входят в общие комплексы, составляющие систему антиаварийного контроля энергосистемы, где все узлы взаимосвязаны, реализуют поставленные задачи вместе.

Ниже схема (упрощенно) функций и действий автоматики:

Схема

Разновидностей, комбинаций, мест релейной защиты на сетях и в ЭУ чрезвычайно много. Есть также стандартизированные варианты, своеобразные шаблоны — принципиальные схемы. Но независимо от сложности любой чертеж можно понять, только научившись его читать. Этот навык необходим для работы с РЗиА.

По важности и сложности «принципиалки» комплектов РЗиА вторые в проекте всей системы электрооборудования. Во всех случаях — при разработке или для проверки готовых схем потребуются хотя бы минимальные навыки в электротехнике. Даже специалистам порой сложно разобраться в схеме РЗ на элементарном вводе трансформаторов 10 кВ, не говоря уже в целом для подстанции 110/10 кВ.

Рассмотрим прием, упрощающий понимание чертежей. Нижеописанный метод стандартный и распространенный, он не наносит ущерб качеству анализа.

Разбивка схемы на части

Целая схема чрезвычайно сложная для восприятия, поэтому ее условно разделяют на обособленные участки и анализируют каждый отдельно.

Рассмотрим РЗиА с терминалами на микропроцессорах, разделим чертеж на 10 позиций:

Не каждый комплект РЗ содержит все 10 позиций, но отсутствие какой-либо должно быть обосновано, если же это невозможно сделать, то в наличии ошибка в схеме.

Указанный метод — это своеобразный чек лист, система анализа. Полученные результаты можно зафиксировать списком с галочками напротив пунктов и передать исполнителю перед конструированием.

Пример проверки: обосновывается отсутствие цепи привода в ТН 10 кВ (позиция 2 в разделе «цепи» списка) тем, что ячейка последнего без выключателя, и это логично. Если же ответа на поставленный вопрос, например, почему по вводу 10 кВ в РЗ отсутствуют данные параметрирования, нет, то в наличие ошибка, особенно для терминалов с гибкой логикой.

Типовые ошибки схем:

Пример разбивки схемы и прочтения

Для объяснения мы взяли популярный пример из интернета, к нему также в сети есть видеоматериалы. Схему покажем по частям (соединяются в горизонтальной плоскости), так как она достаточно большая.

Чертеж для РЗ с электромеханическими реле, выключателем ВВТЕЛ Тавридаэлектрик (без терминала, это не цифровая конструкция на микропроцессорах) линии 10 кВ на подстанции 110/10 кВ:

Вторая часть схемы:

Третья часть схемы:

Схема доступная в сети, для ее открытия потребуются специальные программы для чертежей. Далее, выделим и покажем части.

Измерительные цепи (электромеханика, МТЗ, МТО, цепи питания от переменного опертока привода выключателя, счетчики преобразователи):

Цепи привода (блок питания и управления, цепи электромагнитов):

Цепи оперативного тока (автомат, исполнительные реле, блок питания):

Дуговая защита относится к цепям опертока:

Цепи аварийной и предупредительной сигнализации световой, центральной (ниже):

Выходные цепи (в данном случае это то, что входит в телесигнализацию):

В данном примере нет таблиц логики, данных параметрирования, цепей АСУ, параллельной защиты автоматики, так как эта релейная защита без терминала, не на микропроцессорах.

Видео по теме

Источник