8 сем (станции+реле) / Лекции / Перепечатанные лекции с видосов прошлых лет

Конспект лекция по дисциплине: «Автоматика энергетических систем»

Лекция 1

На слайде фрагмент структурной схемы всех устройств РЗА:

Комментарии к слайду:

Нас интересуют устройства, которые входят в большую группу РЗА (релейная защита и автоматика). 1) В первую очередь здесь указана большая подгруппа самой релейной защиты, здесь перечислены как основные защиты, так и резервные защиты, также устройство УРОВ (устройство резервирования отказа выключателя). 2) Далее Сетевая автоматика, 3) Противоаварийная автоматика, 4) Режимная автоматика, 5) Устройства регистрации и 6) Технологическая автоматика.

В рамках данного курса будем говорить только об устройствах сетевой автоматики. Коснемся только АЧР (автоматическая частотная разгрузка), которые входят в АОСЧ (автоматика ограничения снижения частоты). В первую очередь будем говорить о АПВ (автоматическое повторное включение), затем устройство АОДС (автоматика опережающего деления сети), устройство АВР (автоматическое включение резервного питания и оборудования). И в конце семестра поговорим об устройствах АЧР (автоматическая частотная разгрузка).

Режимная автоматика (в магистратуре) – это устройства САУМ (устройства автоматического управления мощностью), ГРАМ (устройство группового регулирования активной мощности), ГРАРМ (устройство группового регулирования реактивной мощности).

Сейчас распространены устройства регистрации аварийных событий и процессов. Эти устройства похожи на цифровые осциллографы, для которых можно задавать различные условия пуска, потом это упрощает анализ различных аварийных событий, т.к. есть осциллограммы токов, напряжений, и наличие этих записей позволяет потом применять к этим осциллограммам различные преобразования, в том числе для анализа аварийных процессов можно использовать метод симметричных составляющих, и можно попробовать выделить из тока или напряжения составляющие обратной или нулевой последовательности. Можно еще как-нибудь обработать эти осциллограммы и это упрощает анализ аварийных ситуаций.

Технологическая автоматика. Сюда входят устройства, которые нельзя по причинам отнести к другим группам. Здесь разные устройства, и виброконтроль, который устанавливают на блок, на генераторных устройствах виброконтроля. Отдельно автоматика СОПТ (система оперативного постоянного тока). Есть еще электромагнитная блокировка, которая предотвращает неправильные действия персонала при оперативных переключениях. Дополнительно можно перечислить здесь и автоматику компрессорной, это могут быть и устройства автоматики охлаждения электрооборудования.

Устройства автоматического повторного включения.

Большинство случаев кз вызваны нарушением изоляции. Если это воздушная изоляция, то это нарушение изоляционных свойств самих воздушных промежутков. Изоляционные свойства воздушных промежутков хорошо восстанавливаются после снятия напряжения. И был сделан вывод, что для того чтобы восстановить нормальную работу сети достаточно выполнить две основные операции: сначала должны отключить поврежденную линию от источника питания и оставить ее на какое-то время без напряжения, а затем после паузы, в течение которой происходит ликвидация кз, можно снова подать напряжение на отключенную линию. Известно, что отключение любой шины, линии, трансформатора (поврежденные элементы) осуществляется релейной защитой. Устройства автоматики очень тесно связаны с устройствами защиты. Повторное включение чисто теоретически можно выполнить вручную, также можно это выполнить средствами автоматики. Комплекс автоматики, который обеспечивает повторное включение электрооборудования называется устройством автоматического повторного включения (АПВ).

Для простоты остановимся на АПВ ЛЭП. Если после повторного включения линия остается в работе, то говорят, что цикл АПВ был успешен. Если после АПВ линия отключается вновь устройствами защиты, то говорят, что цикл АПВ был не успешен. На линиях АПВ успешен примерно в 70 % случаях. Это говорит о том, что в большинстве случаев после действия АПВ линия остается в работе. Вместе с тем можно выполнить выключение и включение несколько раз. Поэтому есть устройства АПВ однократные, так и многократные. В многократных АПВ цикл повторного включения осуществляется несколько раз, как следует из названия. Обычно из многократных АПВ применяются двукратные и трехкратные циклы АПВ. Но вместе с тем эффективность последующих циклов, т.е. второго и третьего будет значительно ниже, чем эффективность первого цикла,

т.е. ниже чем эффективность однократного АПВ, это можно увидеть из результатов таблицы:

В этой таблице результат статистической обработки действия устройств АПВ. Как видно, успешность второго цикла АПВ составляет около 15%. ТАПВ (трехфазное АПВ), т.е. отключение и включение осуществляется всеми тремя фазами.

Показатели эффективности в процентах в таблице:

«ТАПВ многократные» объединяют двукратные и трехкратные АПВ, потому как трехкратные АПВ применяют крайне редко.

ОАПВ (однофазные АПВ)-действует на отключение одной из трех фаз и последующее включение одной фазы из трех. Это связано с тем, что чаще всего происходят однофазные кз, поэтому удобно действовать сначала н определение этой поврежденной фазы, затем на ее отключение и затем последующее включение. На напряжении 2 -10 кВ (низкое напряжение) ОАПВ не применяется, это связано с тем, что у нас нет возможности отключить одну фазу, т.к. у нас как правило у нас везде до напряжения 35 кВ трехфазное управление приводом выключателя, поэтому невозможно отключить только одну фазу. С другой стороны, на низких классах напряжения это не всегда эффективно. Связано это с тем, как конструктивно выполнены эти линии электропередач.

Эффективность ОАПВ для линий от 110 до 330 кВ выше чем эффективность ТАПВ (см. таблицу выше).

Для линий 500 кВ в таблице есть прочерк, поскольку там многократные ТАПВ как правило не применяются.

Если мы говорим о сетях 110-500 кВ, то чаще всего там устройства АПВ однократного действия.

Взависимости от того, о какой ЛЭП идет речь: транзитная, одноцепная, двухцепная,

содносторонним питанием, с двухсторонним питанием, если есть там какие-то шунтирующие связи в энергосистеме, в зависимости от всего этого будет зависеть применение тех или иных устройств АПВ.

С одной стороны, видно, что процент успешности многократных АПВ для 110 -154 и 220-330 выше чем для однократных (рисунок ниже).

Поэтому можно сделать вывод, что за счет многократного действия успешность АПВ повышается. Но вместе с тем есть ряд недостатков у такого мероприятия. С одной стороны, использование многократных циклов АПВ приведет к усложнению самого устройства автоматики. Кроме этого, это повлияет в большей степени на режим работы выключателей, поскольку и двукратные и трехкратные АПВ могут быть неуспешными. Если многократные АПВ окажутся неуспешными, то диэлектрические свойства воздуха не восстановились, повреждение не исчезло и выключатель необходимо снова отключить. И есть речь идет о неуспешном трехкратном АПВ, то нам необходимо, чтобы выключатель отключил четыре раза подряд, и это утяжеляет режим работы самого выключателя. Потом увидим, что время, через которое мы будем формировать импульсы на включение выключателя будет тесно связано с возможностями этого выключателя. Т.е. к тому моменту, когда мы должны отключить выключатель, его привод должен быть готов к этому выключению.

Понятно, что при однократном цикле АПВ сам выключатель будет работать в более тяжелых условиях, чем в случае обычного отключения. Это связано с тем, что под действием электрической дуги, которая возникает между контактами, когда контакты начинают расходиться, в дугогасительной камере (неважно какого выключателя, где среда элегаз, вакуум и т.д.) среда на какое-то время ухудшает свои изоляционные свойства, т.к. есть процесс горения дуги и есть ее ионизирующий эффект, есть продукты горения дуги, и они все начинают присутствовать в этой среде, где осуществляется гашение дуги. Поэтому на какое-то время теряются изоляционные свойства и это ухудшает отключающую способность выключателя, например, в цикле неуспешного АПВ (когда эти отключения будут идти друг за другом). Поэтому чем больше кратность АПВ, тем эти ухудшения будут больше проявляться.

Вместе с тем готовность к повторному включению, если говорим сначала об отключении потом о последующем включении (цикличная работа), то время между включением и отключением тоже ограничено готовностью самого привода к последующему включению. Т.е. потом, когда будем выбирать время, оно должно согласовываться с временем готовности привода, т.е. со временем через которое выключатель будет готов после отключения выполнить включение.

Вместе с тем, в цикле АПВ линия будет некоторое время находиться без напряжения. Мы говорили, что АПВ выполняется не только для ЛЭП, также это могут шины и трансформаторы. Но мы начинаем с линии, т.к. здесь проще составить представление о специфике устройств. В цикле АПВ линия находится некоторое время находится без напряжения. С одной стороны, это очень нежелательная ситуация для потребителей. Вместе с тем, если речь идет о параллельной работе энергосистемы или энергообъединений, то это тоже будет негативно сказываться на параллельной работе, поэтому отключенное состояние должно наблюдаться меньше времени, т.е. как можно быстрее нужно АПВ. Т.е. мы делаем минимальное время включения из двух факторов: во-первых, это потребители, которые находятся без напряжения, во-вторых, угроза нарушению устойчивости параллельной работы. Исходя из этих факторов, время, в течение которого линия без напряжения, мы стремимся сделать меньше, но в то же время есть факторы, которые не позволяют нам это время очень сильно уменьшить. Поскольку длительность отключенного

состояния линии должна быть достаточной для деионизации среды в месте повреждения (мы говорим о деионизации воздуха в месте повреждения).

На слайде представлено минимальное время (на рис. ниже) различных экспериментов.

И в среднем время деионизации при снятом напряжении для линий 110 кВ составляет от 0,15 до 0,2 с. Меньшим оно (время) быть не может, даже если выключатели позволяют нам выполнить цикл АПВ быстрее. Но мы не получим положительно результата, если время выключателя меньше представленного для ЛЭП в месте повреждения.

Разброс времени, например, от 0,15 до 0,2 с обусловлен в зависимости от погодных условий. На это влияет сезонность, как следствие влажность, температура, также географическое положение (ЛЭП могут находиться в разных регионах). Поэтому время дано усредненное, поэтому повторное включение под напряжение не может производиться раньше приведенного времени.

Для ЛЭП 500 кВ время побольше, это связано с тем, что здесь требуется больше времени для деионизации.

Также, когда будем выбирать параметры срабатывания, минимальное время, представленное для ЛЭП, мы будем сравнивать с временем включения выключателя. Время включения выключателя – время от момента подачи команды на включение до момента замыкания контактов аппарата (это время, в течение которого ток по ЛЭП не течет). Т.о. сначала устройства РЗ подействовали на отключение поврежденного элемента (в нашем случае ЛЭП), выключатель отключился, затем нужно подождать, чтобы восстановились изоляционные свойства воздуха. И если выключатель делает это не быстро, пока отрабатывают все части его механизма, этого времени хватит, на то чтобы восстановились изоляционные свойства воздуха. Поэтому, когда идет о выдержке времени устройства АПВ сравнивают Минимальное время для ЛЭП (на рисунке выше) со временем включения выключателя. Также помнят, что между операциями по отключению и последующему включению еще есть промежуток времени, который называется временем готовности привода – это то время, которое требуется самим узлам силового выключателя, на то чтобы подготовиться к следующей операции, оно не большое, поэтому всегда сравнивают минимальное время с временем включения выключателя. Т.о. если собственного времени включения оказывается достаточным для деионизации среды в месте повреждения, то тогда никакой дополнительной выдержки времени в устройстве АПВ не закладывают.

В то же время есть быстродействующие выключатели, в том числе элегазовые. Для них время включения значительно меньше, чем время необходимое для деионизации (минимальное для ЛЭП на рисунке), поэтому если речь идет об АПВ, которое действует на быстродействующий выключатель, то в устройстве АПВ необходимо учесть дополнительную выдержку времени, которая необходима для того чтобы изоляция точ но восстановилась.

Т.е. одна и та же линия может быть оснащена выключателями двух типов, поэтому разное время включения. И если говорить об одном и том же устройстве АПВ, абсолютно идентичной конструкции, то в одном случае с одним выключателем нам потреб уется дополнительная выдержка времени, с другим выключателем нам эта выдержка времени не потребуется.

Из опыта эксплуатации подача импульса на включение выключателя при однократном АПВ осуществляют спустя от 0,3 до 2 с (на рисунке ниже).

Для двукратного АПВ это подача импульса во втором цикле АПВ осуществляется через 1015 с. Здесь в течение 2 с и соответственно 15 с. линия находится без напряжения и потребитель, если это единственная, по которой осуществлялось его электроснабжение, потребитель в это время находится в обесточенном состоянии.

Если используется трехкратное АПВ (используется редко), то на время третьей паузы выдержка времени может составлять от 60 до 120 с.

Например, летом вы можете наблюдать ситуацию, когда на какое-то небольшое время гаснет свет (мигает свет), это действие устройства АПВ на близлежащей подстанции.

Практически во всех случаях применение АПВ на ЛЭП обязательно. Поэтому в зависимости от конкретных условий мы должны адаптировать устройство АПВ. На линиях происходят в основном однофазные кз, двухфазные, а тем более трехфазные кз встречаются реже. Если сети с глухозаземленной нейтралью или эффективно-заземленной нейтралью, мы говорим о к.з., т.е. трехфазное кз, двухфазное кз, однофазное кз. Если сети с изолированной нейтралью, то там говорят о замыканиях на землю.

ЛЭП 110 кв и выше – это сети с эффективно-заземленной нейтралью и здесь однофазные кз, которые встречаются чаще всего, двухфазные и трехфазные реже. Поэтому есть решение, когда мы отключаем, а затем включаем только поврежденную фазу. Такие устройства называются устройствами однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ). Устройства ОАПВ значительно сложнее, поскольку мы должны дополнить обычное устройство АПВ отдельным узлом, которым будет выполняться выбор поврежденной фазы. Этот элемент называется избирателем поврежденной фазы, он определяет, какая фаза повреждена и дальше действует на отключение именно этой фазы. К тому же, для того чтобы выполнить устройства ОАПВ необходимо чтобы у выключателя было отдельное пофазное управление приводом. Это означает, что на каждой фазе есть электромагнит отключения и электромагнит включения, и для каждой фазы есть свой отдельный привод, которым можно управлять отдельно. Для большинства выключа телей 110 кВ и ниже такого привода нет, они как правило имеют трехфазное управление приводом, поэтому здесь применяются только трехфазное управление приводом независимо от того сколько фаз повреждено. Т.е. отключаются все три фазы и повторно включаются снова три фазы.

Как правило в литературе при описании трехфазного АПВ (ТАПВ) буква Т в ТАПВ опускается, и устройства, описанные там, подразумевают ТАПВ. При однофазном АПВ везде используется аббревиатура ОАПВ, а при трехфазном просто АПВ.

Кроме конструкции самого выключателя значительное влияние на устройство АПВ будет оказывать и сама схема питания линии. Например, линии могут быть с односторонним, двухсторонним питанием. Например, при расчетах тока кз линии с двухсторонним питанием необходимо учитывать подпитку от кз с двух сторон. На линии с двухсторонним питанием схемы будут дополнительно усложняться из-за того, что нам необходимо будет соблюсти условие синхронности работы двух источников по концам линии. Когда мы будем выполнять АПВ таких линий нам будет нужно ввести условие синхронности. Поэтому для линий с двусторонним питанием применяются устройства АПВ либо с ожиданием синхронизма, либо с улавливанием синхронизма.

Успешность АПВ. Есть успешные АПВ, неуспешные АПВ. Успешность АПВ-это основной параметр, который характеризует работу устройства. Как правило эту успешность выражают в процентах, либо в о.е. (т.е. в долях просто). Это дробь, в которой в числителе записывают число обратных включений, после которых не произошло немедленного отключения от устройств защиты (т.е. защита не сработала, не потребовалось ее срабатывания), а в знаменатель записывают общее число случаев повторного включения от устройств АПВ. Т.е. под успешным циклом АПВ подразумевают тот цикл, когда после повторного включения диэлектрические свойства воздуха восстановились, линия сохранилась в работе, и последующего срабатывания РЗ не произошло. Успешность АПВ - это количественная характеристика. Успешность АПВ определяется тем, что причина, которая вызвала отключение, за время обесточивания часто устраняется.

Несколько причин, которые могут самоустраняться: чаще всего это грозовая активность. Также может быть, например, схлестывание проводов (например, в результате ветровой нагрузки). Это может быть перегрузка оборудования, которая привела к срабатыванию РЗ, но за время повторного включения эта перегрузка оборудования может быть устранена. Есть более сложный случай, когда устройства АПВ устраняют неселективную работу устройств РЗ.

Следующий показатель, который рассматривается различный устройств АПВ, это правильная и неправильная работа. Также как и для устройств РЗ выделяем здесь правильную и неправильную работу АПВ. Правильная работа будет определяться безотказной работой всего устройства целиком, здесь подразумевается сама схема АПВ, но и коммутационные аппараты, с помощью которых происходит обратное включение. А под неправильной работой понимаются те случаи, когда наблюдаем не только отказ устройства АПВ, но это может быть также отказ выключателя или отдельного его узла.

Третий термин, который вводится, это эффективность применения устройств АПВ. Это понятие применяют, когда сравнивают устройство АПВ различного типа или, например, различной кратности и принимают решение, какое же из них следует применять в рассматриваемой схеме. Условия применения тех или иных АПВ задают нормативные документы, и там строго сказано в каких случаях применять те или иные устройства. Но бывают такие конфигурации электрической сети, когда может быть применено несколько устройств, например, разной кратности или типа. На практике, если выбирают, какое АПВ выбрать, сравнивают эффективность. Это понятие очень тесно связано с размером ущерба, который предотвращается работой АПВ. Этот ущерб оценивают, как правило, за год эксплуатации АПВ. А в течение этого года по статистическим данным, учитывают количество случаев неправильной работы. Вместе с тем, также учитывают затраты на обслуживание. И сравнивают больше экономические показатели.

Проще всего работа тех устройств АПВ, которые устанавливаются на выключатели воздушных линий, по которым осуществляется одностороннее питание нагрузки. В том случае если эта нагрузка неответственная, то для нее не предусматривается никаких резервных источников, и эта линия с односторонним питанием – это единственный источник, то в этом случае устройство АПВ будет эффективнее всех других устройств.

Можно вспомнить, что все потребители согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) делятся на три категории по надежности электроснабжения.

Поэтому если рассматриваем потребителей, не предусматриваем никаких резервных источников, и к нему подходит только одна линия с односторонним питанием, то здесь устройства АПВ будут иметь наибольшую эффективность.

Вместе с тем необходимо отметить, что опыт эксплуатации хороший показатель эффективности работы АПВ шин. Связано это с тем, что для высоких классов напряжений

хорошая эффективность АПВ для сборных шин (т.к. ЛЭП-это провода, у проводов хорошая эффективность, а сборные шины, например, для ОРУ выполняются проводами). Поэтому устройств АПВ обязательны на линиях и шинах.

Все многообразия устройств АПВ можно классифицировать в зависимости от того, на какое оборудование воздействуют эти устройства.

-Первый пункт из классификации - это устройства АПВ, которые по воздействию могут воздействовать либо на все три фазы выключателя, либо на одну фазу выключателя. Те линии, для которых предусматривается устройства ОАПВ (линии 110-500 кВ), также оснащаются устройствами ТАПВ. Связано это с тем, что при двухфазных или трехфазных кз, то эта линия отключается тремя фазами.

-По виду оборудования. В зависимости от того оборудования, на которое мы будем подавать напряжение, это может быть АПВ линий, трансформаторов, шин, может быть АПВ двигателей. Здесь речь идет не о том, на какой выключатель мы будем воздействовать, на выключатель линии или на выключатель трансформатора. А название будет образовано от того, на какое оборудование мы будем подавать напряжение. Мы можем воздействовать, например, на выключатель линии, а подавать напряжение будем при этом на сборные шины. Тогда схема наша будет называться АПВ шин.

-По типу коммутационной аппаратуры, на которую воздействует устройство АПВ. Это могут быть элегазовые выключатели, вакуумные выключатели. В зависимости от классов напряжения и от того какой тип выключателя рассматривается.

-По характеру электропитания объекта, на выключатели которого воздействуют устройства АПВ. Т.е. на какой объект мы будем воздействовать. Т.е. есть линии одностороннего питания, двустороннего, это могут быть линии, входящие в кольцевую схему, это могут быть транзитные линии, одноцепные, двуцепные.

-По кратности действия. Есть однократные и многократные АПВ.

-По способу выполнения. Устройства АПВ в редких случаях механические, но, как правило это электрические.

-По времени действия. Могут быть быстродействующие АПВ, или, например, схемы АПВ, в которых регулируется время, и мы можем обеспечить большую бестоковую паузу.

-По способу контроля напряжения на повторно включаемом объекте. Это могут быть схемы, контролирующие напряжение на включаемом объекте (это может быть контроль наличия напряжения или контроль отсутствия напряжения).

-По способу проверки синхронизма при АПВ. Это могут быть схемы с улавливанием синхронизма, это могут быть несинхронные схемы АПВ, с контролем синхронизма, с самосинхронизацией.

Исходя из вышеперечисленной классификаций и образуются названия схем АПВ. Например, это может быть трехфазная АПВ воздушной линии на элегазовом выключателе для линии с односторонним питанием однократного действия, например, электрического принципа действия, без контроля синхронизма.

Стоит отметить, что в литературе кроме ТАПВ и ОАПВ можно встретить ЧАПВ – частотные АПВ. ЧАПВ относятся больше к устройствам АЧР (автоматическая частотная разгрузка).

При выборе типов и схем устройств АПВ необходимо учитывать схему энергосистемы, о которой идет речь.

На слайде представлен фрагмент энергообъединения:

Здесь есть линии электропередач, которые входят в кольцо:

Есть линии одноцепные: