Автоматика ограничения снижения напряжения в энергосистемах мегаполисов

УДК621.В16.9

И.В. Кравченко, В.Н. Костин

АВТОМАТИКА ОГРАНИЧЕНИЯ СНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ МЕГАПОЛИСОВ

Развитие системных аварий в условиях мегаполисов, для которых характерны перекрестные связи сетей разных классов напряжения, сопровождается глубоким снижением напряжения в сети при неизменной частоте в начальной стадии аварийного процесса. Характерной причиной такой аварии является ослабление связи энергорайона мегаполиса с ЕЭС и возникающий при этом дефицит реактивной мощности. Неизменность частоты в начальной стадии аварии не позволяет задействовать противоаварий-ные автоматики, пуск которых осуществляется по факту снижения частоты (АЧР, ЧДА и др.), и тем самым предотвратить дальнейшее развитие аварии. Глубокое снижение напряжения может привести к возникновению лавины напряжения, связанной с опрокидыванием асинхронных двигателей, нарушением устойчивости параллельной работы и остановом электростанций.

Как указано в отчете по расследованию московской аварии 25 мая 2005 года [ 1], одной из ее причин был «возникший в сложившихся схем-но-режимных условиях и при существующем составе генерирующего оборудования ТЭС недостаток реактивной мощности, приведший к снижению напряжения в южной части Московской энергосистемы». В этом же отчете при обсуждении первоочередных мероприятий, направленных на недопущение аварий, подобных московской, отмечено: «Обеспечить оснащение Московской энергосистемы автоматическими устройствами разгрузки электрической сети при снижении напряжения и перегрузках линий электропередачи на основе специальной автоматики отключения нагрузки по унифицированной модели, в том числе с воздействием на потребителей, присоединенных к устройствам АЧР».

Внедрение автоматики ограничения снижения напряжения (АОСН), не требующее значительных материальных затрат, делает эту автоматику весьма привлекательным способом повышения надежности электроснабжения ме-

гаполисов. В настоящей работе рассмотрены некоторые принципы построения АОСН для энергосистем мегаполисов.

Общие требования к АОСН. Ввиду отсутствия подробных нормативных документов по организации принципов построения АОСН требования к этой автоматике целесообразно построить по аналогии со стандартом [2], регламентирующим автоматическое ограничение снижения частоты (АОСЧ).

Устройства АОСН должны устанавливаться на тех же подстанциях и станциях энергосистемы мегаполиса, где установлены устройства АОСЧ. Как показано в [2], объемы нагрузки, необходимые для подведения под АОСН с целью введения режима напряжения в допустимую область, для крупных энергорайонов мегаполисов составляют 20—40 % общего электропотребления района. Указанные значения ниже объема нагрузки (60 %), подводимой под АЧР в соответствии со стандартом [3], и, следовательно, достаточны для эффективного действия АОСН.

В локальных автоматиках, действующих по факту снижения напряжения, целесообразно реализовать следующие три уровня:

первый уровень — автоматический ввод резерва реактивной мощности (АВРРМ) при снижении напряжения ниже допустимого значения (аналогично АЧВР);

второй уровень — отключение нагрузки очередями (аналогично АЧР) с последующим ее автоматическим включением (НАПВ) при нормализации режима напряжения (аналогично ЧАПВ);

третий уровень — ввод в действие делительной автоматики на станциях при неэффективности действия автоматик первого и второго уровней и глубоком снижении напряжения, угрожающем лавиной напряжения (аналогично ЧДА).

Очевидно, что автоматика первого уровня должна обеспечить АВРРМ за счет увеличения ее генерации синхронными генераторами, компен-

саторами, конденсаторными батареями и иными источниками. Автоматика этого уровня в настоящей статье не рассматривается.

Алгоритм работы АОСН по отключению нагрузки. При разработке алгоритмов работы АОСН следует принимать во внимание следующее:

диапазон работы АОСН, ограниченный значениями минимально допустимого рабочего напряжения Umin;ion = 0,82 o.e. и критического напряжения ¿7 =0,7 o.e. [4];

рекомендации [5] о целесообразности выполнения АОСН очередями с разными выдержками времени;

требования [6] по минимизации объема отключаемой нагрузки;

возможность отключения нагрузки без выдержки времени или выделения станции на изолированный район при угрозе лавины напряжения.

Для оценки количества очередей АОСН следует учитывать погрешности измерительных трансформаторов напряжения (ТУ). В соответствии с классами точности применяемых в энергосистемах 7У(0,5; 1; 3) можно принять величину шага между очередями 0,005—0,03 о. е. Следовательно, в принятом диапазоне работы АОСН можно было бы выделить до 25 (в общем случае п) очередей АОСН. Однако вследствие наличия колебательной составляющей напряжения (рис. 2), обусловливающей дополнительную

погрешность измерения, целесообразно ограничиться количеством очередей 3—5.

Схема размещения АОСН на шинах подстанции приведена на рис. 1, а. При снижении напряжения ¿/блок АОСН формирует управляющие воздействия (УВ), например на пять (/7 = 5) очередей отключаемой нагрузки (выключатели Принципиальная функциональная схема блока АОСН, предлагаемая к выполнению на микропроцессорной базе, показана на рис. 1, б. Уставки [/¡(1= 1,2.....5) реле минимального напряжения (и<) уменьшаются по мере возрастания номера очереди АОСН. На выходе каждого реле формируются два одинаковых сигнала — Х| их2. Сигнал х2 инвертируется, образуя сигнал х3. Сигналы х, и х3 с выдержками времени ^ и // формируют УВ на отключение или включение (НАПВ) выключателей (},.

Наименьшая уставка по времени принимается для /7-й очереди АОСН, имеющей наименьшую уставку по напряжению. Уставка по времени отстраивается от действия устройств релейной защиты и сетевой автоматики. Остальные уставки //увеличиваются по мере уменьшения индекса очереди АОСН, обеспечивая очередность отключения нагрузки.

В частности, если аварийное возмущение вызвало снижение напряжения до величины 0,74 о. е., то придут в действие реле минимального напряжения 3-й, 2-й и 1-й очередей. Через время /3

Линии, питающие потребителей

б)

и<

о-

(7i =0,82

U<

U2=0,79

U<

О"

U3= 0,76

и<

о-

£/4=0,73

и<

а

£/>=0,7

h

Сч

-"УВ/ на вкл. QI -УВ, на откл. Q\

Сч

-УВ2' на вкл. Q2 "УВт на откл. Q2

Сч

Сч

Сч

-УВз' на вкл. Q] УВз на откл. (Зз

УВ4' на вкл. Qu УВ4 на откл. Q4

УВ5' на 4ВКЛ. Q5 -> УВ5 на откл. Q=,

Рис. 1. Принципиальная схема размещения АОСН на подстанции

отключится выключатель через время /2>/~, отключится выключатель 02 наконец, через время /,>/2 отключится выключатель 0,. Однако, если после отключения выключателя 02 напряжение сети ¿7станет больше 0,82 о. е., то отключение выключателя не произойдет.

Проведенные расчеты показали высокую эффективность очередности действия АОСН на отключение нагрузки района, подведенной под АЧР. В качестве иллюстрации на рис. 2 показаны изменения напряжения в сетях 110 и 220 кВ одного из районов энергосистемы Санкт-Петербурга при ослаблении его связи с ЕЭС. Рис. 2, а, выполненный в соответствии с исследованиями [2], иллюстрирует изменения напряжений при отключении нагрузки одной ступенью и восстановлении напряжения практически до номинального значения.

Зависимости, приведенные на рис. 2, б, получены для случая деления отключаемой нагрузки на пять очередей, приблизительно равных по мощности. Видно, что после отработки трех очередей (/ = 4; 3; 2) напряжения сетей 110 и 220 кВ вошли в допустимую область — 1/> 0,82 о. е., а очередность действия АОСН позволила уменьшить объем отключаемой нагрузки на 40 % по сравнению со случаем, приведенным на рис. 2, а.

Уставки по времени обеспечивающие выдержку времени при формировании УВ на включение выключателей (?,-. увеличиваются по мере уменьшения индекса очереди АОСН. Эти уставки должны быть на 2—3 порядка больше соответствующих уставок что обеспечит включение потребителей при стабилизации режима напряжения в энергосистеме.

Для предотвращения процесса неоднократного включения — отключения /-й очереди АОСН следует предусмотреть счетчики (Сч) допустимого числа коммутаций (рис. 1.6).

Алгоритм работы АОСН по предотвращению лавины напряжения. В соответствии с нормативными документами [4—7] для предотвращения лавины напряжения устройства АОСН должны контролировать величину напряжения и изменение величины производной сК2/сШ.

Расчеты процессов при лавине напряжения в сетях 110 кВ, выполненные в [8], показали, что лавина напряжения распространяется на большую часть нагрузки за время 0,1—2 с, что подчеркивает важность требования к быстродействию АОСН при угрозе лавины напряжения.

Характерная особенность режима, предшествующего лавине напряжения, — это снижение напряжения во всех трех фазах ниже минимально допустимого ¿/т;пдоп и изменение знака производной с!()/сШ. Однако при трехфазном коротком замыкании (КЗ) снижение напряжения симметрично во всех фазах, а изменение знака производной й <2/с! и имеет место при любом КЗ, когда напряжение уменьшается, а ток, имеющий реактивный характер, увеличивается. Поэтому в действии АОСН следует предусмотреть контроль симметрии режима и блокировку работы автоматики при трехфазных КЗ, которая может быть выполнена, например, следующими способами:

по факту начальной кратковременной (5— 10 мс) несимметрии токов и напряжений даже при симметричных КЗ (как это используется в дистанционных защитах для предотвращения

о)

и, кВ 220' 200 180 160 140 120 100

12

18

с

б)

и, кВ

Рис. 2. Изменение напряжений в энергорайоне при действии АОСН: а — одной очередью; б — несколькими очередями

неправильных действий защит при качаниях); такая блокировка предлагается в [8];

по факту резкого увеличения тока при КЗ.

Использование первого способа блокировки, видимо, нецелесообразно для сетей с изолированной нейтралью, которые длительно могут работать в несимметричном режиме замыкания фазы на землю. Поскольку резкое увеличение тока имеет место при любых КЗ, при которых действие АОСН должно блокироваться, авторами было отдано предпочтение второму способу.

Функциональная схема блока АОСН, формирующего УВ на отключение нагрузки без выдержки времени, приведена на рис. 3. Блок содержит четыре канала, каждый из которых формирует свой импульс (0 или 1).

В первом канале устройство Y отслеживает симметрию напряжений фаз. В симметричном режиме на выходе формируется сигнал 1, в несимметричных режимах — сигнал 0.

Во втором канале измерительный орган — реле минимального напряжения U< — осуществляет контроль снижения напряжения. При нормальном напряжении на выходе реле формируется сигнал 0. При снижении напряжения ниже уставки f/ming0n на выходе реле формируется сигнал 1.

В третьем канале формируется сигнал, пропорциональный Q (произведение тока 1а на напряжение Ubc). Далее устройство дифференцирования D и определитель знака сигнала Sign формируют сигнал 1 при отрицательном знаке производной dQ/dUwm сигнал 0 при положительном ее знаке.

Четвертый канал фиксирует наличие трехфазного КЗ на шинах или отходящих к нагрузкам линиях. Ток / на вводе к шинам подстанции (рис. 1, а) подается непосредственно на устройство сравнения (компаратор К). Туда же через устройство задержки /(/) подается этот же ток. Время задержки /, устанавливаемое больше времени срабатывания релейной защиты, позволяет сохранить параметры режима, предшествующего этому КЗ. При отсутствии КЗ сигналы, поступающие на компаратор К, будут одинаковыми, и на его выходе будет формироваться сигнал 1. При возникновении КЗ и до момента его отключения релейной защитой сигналы, поступающие на компаратор К, будут разными, и на его выходе будет формироваться сигнал 0, блокирующий действие автоматики. После отключения

Рис. 3. Функциональная схема блока отключения нагрузки (выделения станции) при лавине напряжения

КЗ релейной защитой через время 1 на выходе компаратора вновь будет сигнал 1.

Устройство логического умножения & при четырех единичных сигналах на входе формирует УВ на отключение нагрузки без выдержки времени. Объем отключаемой нагрузки для конкретной подстанции принимается в результате предварительных расчетов возможных аварийных ситуаций.

При восстановлении режима напряжения повторное включение очередей нагрузки на подстанции будет осуществляться первым блоком АОСН (рис. 1,6) с выдержками времени Ц.

Алгоритм работы АОСН по выделению станции. Для мегаполиса характерными электростанциями являются ТЭЦ, с шин генераторного напряжения которых получают питание собственные нужды (СН) и близлежащие потребители. Связь с системой осуществляется через повышающие трансформаторы Т.

Принципиальная схема размещения АОСН на ТЭЦ показана на рис. 4. Поскольку количество линий, отходящих к потребителям 6—10 кВ, может быть достаточно большим, сбор информации по реактивной мощности осуществляется с генераторов С и связей с системой С.

Очевидно, что реактивная мощность, потребляемая суммарной нагрузкой и СН на генераторном напряжении, составит 0Н1= где Осе — суммарная генерируемая реактивная мощность; £>С£ — суммарная реактивная мощность, передаваемая в систему С.

Функциональная схема блока АОСН, формирующего УВ на выделение станции (отключение выключателей 0С) при угрозе лавины напряжения, аналогична схеме, приведенной на

Связи с системой С

Рис. 4. Принципиальная схема размещения АОСН на ТЭЦ

рис. 3. Отличие лишь в том, что по каналу 0 передается сигнал, пропорциональный мощности а контроль отсутствия в сети трехфазного КЗ осуществляется по величине тока на выводах генераторов.

Выводы:

1. Для повышения надежности энергосистем мегаполисов и предотвращения развития аварий, сопровождающихся в начальной стадии глубоким снижением напряжения, целесообразно широкое внедрение локальных автоматик, работающих по факту снижения напряжения (АОСН) и не требующих значительных материальных затрат.

2. Ввиду отсутствия подробных нормативных документов по организации принципов построения АОСН требования к этой автоматике целесообразно строить по аналогии со стандартом, регламентирующим автоматическое ограничение снижения частоты (АОСЧ), и реализовать три уровня АОСН:

первый уровень — автоматический ввод резерва реактивной мощности;

второй уровень — отключение нагрузки очередями (аналогично АЧР) с последующим ее включением при нормализации режима напряжения (аналогично ЧАПВ);

третий уровень — ввод делительной автоматики на станциях при напряжении, обусловливающем лавину напряжения (аналогично ЧДА).

3. Разработаны алгоритмы и принципиальные функциональные схемы микропроцессорного устройства АОСН второго и третьего уровней, рекомендуемого для установки в энергосистеме мегаполиса. В устройствах АОСН второго уровня предусмотрена очередность действия по отключению нагрузки, позволяющая при введении режима напряжения в допустимую область уменьшить объем отключаемой нагрузки по сравнению со случаем ее отключения одной ступенью. При разработке устройства АОСН третьего уровня обоснована и предусмотрена блокировка работы автоматики при КЗ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Отчет по расследованию аварии в ЕЭС России, произошедшей 25.05.2005 [Текст] / РАО «ЕЭС России»»— М„ 2005.

2. Артемьев, М.С. Разработка мероприятий по локализации аварий энергосистем, связанных с глубоким снижением напряжения [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03 / М.С. Артемьев,- СПб., 2011.

3. Технические правила организации в ЕЭС России автоматического ограничения снижения частоты при аварийном дефиците активной мощности (автоматическая частотная разгрузка) |Текст|: Стандарт ОАО «СО ЕЭС» /РАО ЕЭС'Рос-сии,- М„ 2009.

4. Методические указания по устойчивости энергосистем [Текст|,— М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004.

5. РД 34.35.113. Руководящие указания по про-тивоаварийной автоматике энергосистем (основные положения) |Текст| / ВНИИЭ, Энергосеть-проект, ЦДУ ЕЭС СССР, НИИПТ,- М,- СПб., 1986.

6. СТО 59012820.29.240.001-2011. Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Противоаварийная автоматика энергосистем. Условия организации процесса. Условия создания объекта. Нормы и требования [Текст]:

Стандарт ОАО «СО ЕЭС» / ОАО «СО ЕЭС»,- М„ 2011.

7. Инструкция по предотвращению развития и ликвидации нарушений нормального режима электрической части Единой энергетической системы России |Текст| / РАО «ЕЭС РОССИИ», ОАО «СО ЕЭС»,- М„ 2006.

8. Черновец, А.К. Расчет переходных процессов при лавине напряжения в сетях 35—110 кВ [Текст] / А.К. Черновец, C.B. Кузнецов, В.Ф. Атек-сандров // Электрические станции,— 1985. N° 10.

УДК 621.315.17

Ю.В. Соловьев, Г.Н. Самарин

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТОВ В ПОЛИМЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ОБОРУДОВАНИЯ ВЛ 6-35 КВ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ ПРОВОДАМИ ПРИ ГОЛОЛЕДНО-ВЕТРОВЫХ НАГРУЗКАХ

Анализ состояния и опыт эксплуатации воздушных линий (ВЛ) 6—35 кВ показывают нарастающую тенденцию к переходу от традиционных технических решений к инновационным с применением новых технологий и материалов в конструкциях оборудования. Ранние разработки и решения в области оценки технического состояния не всегда могут учесть особенности функционирования современного оборудования в условиях длительной эксплуатации. Широкое внедрение ВЛ 6—35 кВ с оборудованием на полимерной основе, в частности с изолированными проводами, отсутствие полноценного опыта эксплуатации, нормативной базы, неизученность условий и механизмов зарождения и развития дефектов в оборудовании при комплексном воздействии эксплуатационных факторов вносят дополнительные трудности в эксплуатацию распределительных сетей в России, что и стало предпосылкой для проведения широкомасштабных исследований, о некоторых результатах которых уже сообщалось ранее [1]. В продолжение этого в рамках данной статьи предлагаются результаты анализа условий развития дефектов в полимерных конструкциях оборудования ВЛ 6—35 кВ с изолирован-

ными проводами при воздействии различных по природе эксплуатационных факторов.

Анализ раннего зарубежного опыта эксплуатации ВЛ 6—35 кВ с изолированными проводами [2] выявил значительное число повреждений проводов вплоть до их обрыва вследствие превышения предела тяжения при ветровых нагрузках в результате вибрации. Проведенные исследования на моделях позволили установить связь между характером изменения аэродинамического сопротивления изолированных проводов и их тяжениями в условиях ветровых нагрузок [1]. Анализ полученных зависимостей обосновал важность корректного выбора рабочих тяжений изолированных проводов для обеспечения максимальных виброрассеяний за счет снижения изгибной жесткости конструкции провода, которая зависит от свойств материалов токопро-водящейжилы и защитной оболочки [1]. Исследование аэродинамики изолированных проводов показало, что их идеально круглая форма сечения, площадь которого больше по сравнению с традиционными проводами (за счет наличия защитной оболочки), приводит к увеличению коэффициента аэродинамического сопротивления до 1,8. В результате изолированный провод ис-