4.2 Устройства релейной защиты и автоматики в электроэнергетических системах

Применение устройств релейной защиты и автоматики является эффективным средством повышения надёжности. Релейной защитой называется система устройств, которые производят отключение поврежденных элементов или частей систем и локализацию аварий.

Автоматические устройства предназначены для:

– включения синхронных генераторов на параллельную работу (автоматическая синхронизация);

– повторного включения шин, линий, трансформаторов после их автоматического отключения (АПВ);

– включения резервного питания (АВР);

– предотвращения длительного (АЧР1) и недопустимого (АЧР2) аварийного снижения частоты (АЧР);

– повышения устойчивости параллельной работы и восстановления синхронизма после его нарушения (противоаварийная режимная автоматика – ПРА).

Замкнутая система, состоящая из объекта регулирования и автоматического регулятора, осуществляющая без непосредственного участия человека поддержание постоянства некоторого параметра или изменение величины по заданному закону, называется АСР. На рис. 4.1 приведена упрощённая система автоматического регулирования, где – задающая величина; ЗУ – задающее устройство, преобразующее величину в первичный параметр регулировании ; Э_ – элемент суммирования, вырабатывающий величину отклонения фактического значения регулируемого параметра от требуемого ; отклонение после усилителя У преобразуется в величину воздействия на исполнительный орган регулятора ИО; – параметр воздействия на объект регулирования ОР.

Рис. 4.1. Функциональная схема автоматической системы регулирования

На рис. 4.2 приведён пример применения статической системы поддержания постоянства частоты вращения турбины (частоты сети – ) и заданного уровня напряжения генератора .

Рис. 4.2. Структурная схема регулирования частоты и напряжения вырабатываемой генератором электроэнергии

Исполнительный орган регулирования частоты, получив информацию с датчика частоты, воздействует на задвижку-регулятор подачи пара. При увеличении активной нагрузки количество поступающего в турбину пара увеличивается, и одновременно выдаётся регулирующий сигнал в теплотехническую часть оборудования.

Для регулирования заданного уровня напряжения на выводах генератора на рабочем диапазоне возможных изменений тока генератора, исполнительный орган регулятора величины напряжения управляет величиной напряжения , подаваемого на обмотку возбуждения ОВ.

На рис. 4.3 показана структурная схема регулятора напряжения пропорционального типа. Эта система поддерживает напряжение на выводах генератора посредством регулирования тока возбуждения только по отклонению от предписанного напряжения (уставка ). Принятые обозначения соответствуют описанию к рис. 4.1.

Рис. 4.3. Функциональная схема регулирования напряжения на выводах генератора (АРВ – автоматическое регулирование возбуждения)

К автоматическим системам предъявляются следующие требования: 1 – система должна быть устойчивой при возможных внешних возмущениях; 2 – регулирование должно быть качественное (временные показатели скорости регулирования, точности поддержания заданного режима и быстрое затухание колебательных процессов в контурах регулирования); 3 – система должна быть надёжной и иметь минимальное множество входных параметров.

Устройства АПВ предназначены для ликвидации «переходящих» повреждений, например коротких замыканий. При появлении дугового короткого замыкания (рис. 4.4) устройством АПВ создается бестоковая пауза, в течение которой дуга гаснет и восстанавливаются диэлектрические свойства воздушного промежутка.

Затем вновь автоматически включается напряжение на ЛЭП, которая может продолжать успешную работу. Согласно эксплуатационной статистике до 70% повреждений на воздушных линиях электропередач (ЛЭП) самоликвидируются успешным АПВ.

Рис. 4.4. Схема повышения надежности энергоснабжения с помощью устройства АПВ линии

Принцип работы автоматики ввода резерва (АВР) поясняется на рис. 4.5. При повреждении одного из трансформаторов, например , автоматически производится его отключение выключателем , в результате чего без электроэнергии остаются потребители . Факт отсутствия напряжения на шинах (по ) запускает АВР, которое, выждав паузу возможного АПВ, подаёт (дублирует) команду на отключение выключателя , и включает выключатель (нормально отключенный), подключая потребителей к исправному трансформатору .

Рис. 4.5. Схема повышения надежности энергоснабжения потребителей с помощью устройства АВР

Наиболее простым по принципу действия из устройств релейной защиты является максимальная токовая защита. При превышении величины тока заранее рассчитанного определённого значения токовое реле срабатывает и через ряд промежуточных контактов подаёт команду на выключатель для отключения повреждённого участка. На рис. 4.6 приведена расчётная кривая величины тока трёхфазного КЗ в зависимости от места замыкания на линии и показана зона, защищаемая устройством, реализующим принцип максимальной токовой защиты.

Защитить всю линию технически не представляется возможным, так как в зависимости от режима электрической сети эквивалентное сопротивление объединенного источника электроэнергии и уровень напряжения на шинах питающей станции меняются в значительных пределах. Для исключения ложного срабатывания вводят специальный коэффициент, в результате реально гарантированно защищается часть линии. Для отстройки от срабатывания (отключение ) при КЗ за защищаемой зоной (за ) величину уставки загрубляют с коэффициентом :

.

(4.1)

Рис. 4.6. Длина ЛЭП, защищаемая релейной защитой типа максимальной токовой отсечки

Реле настраивается на срабатывание при превышении током значения и выполняет очень быстрое (без выдержки времени) отключение линии при КЗ в пределах длины.

В качестве защиты конкретного объекта в электроэнергетике широкое применение находит дифференциальный принцип построения защиты. На рис. 4.7 приведено пояснение работы дифференциальной защиты силового трансформатора .

Рис. 4.7. Пояснение к работе дифференциальной защиты трансформатора: а – КЗ вне зоны действия защиты; б – КЗ в защищаемой зоне (повреждение объекта)

Схематически показано (рис. 4.7,б), что при повреждении внутри трансформатора ( ) количество входящего тока не равно выходящему (с учётом коэффициента трансформации), что свидетельствует о повреждении в зоне защиты, и необходимости отключать повреждённый объект. При повреждении вне зоны ( ) через трансформатор протекает значительный ток КЗ, но величины тока на входе и выходе из объекта соответствуют друг другу с учётом коэффициента трансформации, что свидетельствует о внешнем, по отношению к данному объекту, КЗ.

Вопросы для самоконтроля:

1. Характеристика и параметры, характеризующие нормальный режим работы ЭЭС.

2. Классификация устройств релейных защит электроэнергетических установок.

3. Классификация задач противоаварийной автоматики ЭЭС.

4. Назначение систем регулирования технологического параметра.

5. Принципы построения противоаварийной автоматики.

6. Принципы функционирования устройств релейной защиты электроустановок.

Тестирование по материалу главы

1. Автоматическое управление предназначено для быстрой реакции на возмущающие воздействия в электрической сети.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

2. Лавина частоты вызывается отсутствием баланса активной мощности при дефиците генерации, а лавина напряжения вызывается отсутствием баланса активной мощности при избытке генерации.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

3. Вся автоматика подразделяется на два больших класса: автоматику оптимизации работы нормального режима и противоаварийную автоматику.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

4. Автоматика АРВ необходима для поддержания необходимого уровня напряжения на выводах синхронных генераторов электрических станций.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

5. Устройства АПВ устанавливаются только на тупиковых линиях электропередачи.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

6. Дифференциальный принцип применяется для защиты отдельного электроэнергетического объекта.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

7. Резервные защиты устанавливаются только на наиболее ответственных участках электрической сети.

а ) согласен; б) не согласен; в) частично верно.

Экзаменационные вопросы курса

1. Основные виды энергоресурсов и их источники.

2. Солнечная энергия, ее природа и структура потребления.

3. Геотермальная энергия, ее природа и характеристика ожидаемой мощности.

4. Мировые запасы органического топлива.

5. Энергоемкость органического топлива и понятие условного топлива.

6. Связи уровня развития общества с уровнем потребления энергии.

7. Основные виды энергии в структуре энергопотребления.

8. Роль электроэнергии в структуре современного энергопотребления.

9. Основные стадии производства и потребления энергии различного вида.

10. Изменение структуры и прогноз энергопотребления в мире.

11. Уголь, торф как вид энергоресурсов, их объем и распространение. Энергетические характеристики и перспективы использования.

12. Нефть, газ как вид энергоресурсов, их объем и распространение. Энергетические характеристики и перспективы использования.

13. Характеристики гидроресурсов мира. Современное состояние и перспектива освоения.

14. Характеристика атомной энергии. Современное состояние и перспективы освоения.

15. Характеристика нетрадиционных энергоресурсов и перспективы их использования.

16. Основные качества электрической энергии, определения и единицы измерения параметров электрической энергии.

17. Получение ЭДС при изменении потока ..

18. Материалы, применяемые для обмоток и магнитопроводов в генераторах переменного тока.

19. Связь частоты переменного электрического тока и скорости вращения ротора синхронной машины.

20. Трехфазная система переменного тока и ее преимущества для электроэнергетики.

21. Структурная схема и назначение основных элементов в паротурбинном цикле производства электрической энергии с использованием органического топлива.

22. Тепловые балансы электростанции конденсаторного (КЭС) типа и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).

23. Структурные схемы и назначение основных элементов паротурбинного цикла с использованием ядерного топлива.

24. Структурные схемы и назначение основных элементов газотурбинного и парогазового циклов для производства электрической энергии.

25. Оценка мощности гидроэлектростанции (ГЭС) и реализация гидротурбинного цикла.

26. Структурные схемы и назначение основных элементов геотермальной электростанции (ГеоТЭС).

27. Структурные схемы и назначение основных элементов гелио электростанций (ГелиоЭС).

28. Структурные схемы и назначение основных элементов для производства электрической энергии с использованием паротурбинного, газотурбинного и электрохимического циклов.

29. Принципы действия и структурная схема магнитогидродинамического цикла для производства электрической энергии.

30. Назначение электроэнергетической системы и ее основные элементы.

31. Назначение основных элементов электроэнергетической системы.

32. Условные графические и буквенные обозначение основных элементов электроэнергетической системы.

33. Основные параметры, характеризующие качество электроэнергии и режимы работы электроэнергетической системы.

34. Электроэнергетические системы, их классификация.

35. Необходимость многократного преобразования напряжения в электроэнергетической системе (на 1 МВт G = 67 МВА Тр).

36. Технические преимущества создания электроэнергетической систем.

37. Характеристики графиков нагрузки потребителей электрической энергии.

38. Формирование графика выработки электроэнергии электрическими станциями различного типа.

39. Особенности формирования графика выработки электроэнергии при наличии ГАЭС в электроэнергетической системе.

40. Конструкция синхронного трехфазного генератора переменного тока, его основные элементы и принцип работы.

41. Конструкция синхронного трехфазного двигателя переменного тока, его основные элементы и принцип работы.

42. Конструкция асинхронного трехфазного двигателя переменного тока, его основные элементы и принцип работы.

43. Назначение трансформатора переменного тока, коэффициент трансформации, принцип работы и область применения.

44. Назначение коммутационных аппаратов: выключателя и разъединителя высокого напряжения. Основные элементы аппаратов и принцип работы.

45. Основные требования, предъявляемые к системам регулирования в электроэнергетических установках.

46. Значение баланса активной и реактивной мощности и их влияния на основные параметры электрической энергии – частоту, напряжение, ток.

47. Режимы работы электроэнергетических систем и их характеристика.

48. Основные устройства управления нормальными режимами электроэнергетической системы.

49. Функциональная схема автоматической системы регулирования технологического параметра в электроэнергетической установки, элементы схемы и их назначение.

50. Устройства противоаварийной автоматики, фиксирующие и обеспечивающие отключение поврежденного участка или элемента электроэнергетической системы.

51. Устройства противоаварийной автоматики, ограничивающие развитие аварийного нарушения нормального режима электроэнергетической системы.

52. Устройства противоаварийной автоматики, обеспечивающие восстановление нормального режима электроэнергетической системы.

53. Классификация и основные функции устройств противоаварийной автоматики электроэнергетической системы и ее элементов.

54. Противоаварийная автоматика, предназначенная для ограничения скорости вращения турбо -, гидроагрегатов, электродвигателей, пуск резервных и загрузка работающих генераторов.