Цель и задачи курса. Назначение релейной защиты и автоматики систем электроснабжения

Дисциплина «Автоматизация управления системами электроснабжения» является специальным курсом в системе подготовки инженера по специальности «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий организаций и учреждений». Его основная цель состоит в том, чтобы подготовить будущего специалиста к самостоятельной проектно-конструкторской, наладочной и эксплуатационной деятельности на основе изучения аварийных и ненормальных режимов работы электрооборудования систем электроснабжения промышленных предприятий; принципов построения и элементов устройств релейной защиты и автоматики; методик расчета параметров и схемотехники этих устройств.

Система электроснабжения промышленного предпри­ятия или города, предназначенная для получения элек­троэнергии от энергосистемы и распределения ее между потребителями, может быть условно разделена на две части: внешнюю и внутреннюю. К внешней части систе­мы электроснабжения относятся линии электропередачи напряжением 35—500 кВ, связывающие внутреннюю часть системы электроснабжения с электроэнергетиче­ской системой (ЭС). Внутренняя часть системы электро­снабжения состоит из подстанций различного назначения (питающих, распределительных, трансформаторных и преобразовательных) и. распределительной сети напря­жением до 1000 В (36; 220/127; 380/220; 660/380 В) и вы­ше 1000 В (3; 6; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 330; 500 кВ). Наивыгоднейшее для данного предприятия напряжение зависит от многих факторов, основными из которых яв­ляются потребляемая мощность, удаленность предприя­тия от источника питания и напряжение его основных по­требителей. Распределение электроэнергии на первой ступени системы электроснабжения крупных предприя­тий и городов производится на напряжении внешней пи­тающей сети с применением глубоких вводов питающих линий 35—220 кВ.

В учебнике рассматривается автоматическое управление процессом распределения электрической энергии во внут­ренней части системы электроснабжения.

Высокий уровень автоматизации управления, прису­щий электроэнергетическим системам вообще, характе­рен и для систем электроснабжения. Необходимость автоматического управления элементами системы электро­снабжения обусловлена высокими требованиями, предъ­являемыми к надежности электроснабжения потребителей, и большой скоростью протекания процессов в элек­трической системе при возникновении нарушений. Ручное, т. е. неавтоматическое, управление элементами системы электроснабжения неэффективно.

Назначением устройств автоматики, устанавливаемых в системах электроснабжения, является:

- быстрое отключение повредившегося элемента;

- прекращение ненормальных режимов работы (напри­мер, перегрузки) элементов системы;

- быстрое восстановление электропитания потребителей, автоматически отключенных от источника питания вследствие возникшего в системе повреждения;

- поддержание на заданном уровне напряжения у по­требителей;

- пуск и остановка синхронных машин;

- отключение части потребителей при возникновении дефицита активной мощности в энергосистеме, от кото­рой система электроснабжения получает питание, и их включение после ликвидации дефицита и т. д.

Исторически первыми и наиболее многочисленными устройствами автоматики являются устройства релейной защиты, отключающие поврежденный элемент от источника питания. В сети с напряжением ниже 1000 В, в ка­честве устройств защиты широко используются выключа­тели с встроенными в них электромагнитными или тепло­выми расцепителями (автоматические выключатели) Ав или предохранители с плавкими вставками П (рис.1.1), которые широко используются также для защиты транс­форматоров трансформаторных пунктов ТП. Однако пре­имущественное распространение в сети с напряжением выше 1000 В получили устройства релейной защиты РЗ, выполненные с использованием специальных автомати­чески действующих приборов — реле, подключаемых к защищаемому элементу системы через измерительные трансформаторы тока или напряжения. Устройствами за­щиты (П, Ав или РЗ) оборудуются все элементы системы электроснабжения. Назначением устройств РЗ, кроме отключения повредившихся элементов системы, является также сигнализация появления ненормальных режимов работы защищаемых элементов.

При отключении устройством защиты одного из эле­ментов системы электроснабжения, например линии или трансформатора, часть потребителей электроэнергии оказывается отключенной от источников питания, что нежелательно. Восстановление питания таких потребителей осуществляется, как правило, автоматически устройства­ми автоматического повторного включения (АПВ) или автоматического включения резервного источника пита­ния (АВР). Устройство АПВ производит включение элемента системы, отключившегося в результате действия устройства защиты. Если за время бестоковой паузы по­вреждение (к. з.) устранилось, то включаемый

Рис. 1.1. Устройства автоматики в системе электроснабжения.

устройст­вом АПВ элемент системы остается в работе и питание потребителей восстанавливается. В противном случае устройство защиты вновь срабатывает и отключает пов­режденный элемент. Устройство АПВ действует, как пра­вило, однократно; им оборудуются в обязательном по­рядке воздушные линии электропередачи (ВЛ) с напряжением выше 1000 В, так как возникающие на них к. з. в большинстве своем неустойчивы и самоустраняются при отключении ВЛ от источника питания. На остальных эле­ментах системы, включая кабельные линии (КЛ), уст­ройства АПВ, как правило, не устанавливаются, так как к. з. на них в большинстве случаев устойчивы.

Устройство АВР подключает секцию шин главной по­низительной подстанции (ГПП), распределительного (РП) или трансформаторного (ТП) пункта, потерявшую питание в результате отключения питающей линии или трансформатора, к резервному источнику питания, т. е. к соседней секции шин, не потерявшей питание. Устройство АВР однократно действует на включение секционного выключателя СВ на ГПП или РП или секционного авто­матического выключателя САв на ТП, которые в нор­мальном режиме работы системы находятся в отключен­ном состоянии. Питание потребителей при этом восста­навливается.

Устройство АВР может подключать резервируемые шины не только к соседней секции шин, но и к другому резервному источнику, например к шинам ТЭЦ предприя­тия. В этом случае устройство АВР действует на включе­ние выключателя резервной линии (РКЛ на рис.1.1).

Поддержание заданного уровня напряжения обеспе­чивается воздействием на возбуждение установленных в системе синхронных машин (синхронных двигателей СД, синхронных генераторов СГ ТЭЦ или синхронных ком­пенсаторов СК), изменением коэффициента трансформа­ции понижающих трансформаторов с РПН или включе­нием и отключением секций конденсаторных батарей БК. Регулирование напряжения в системе электроснабжения проводится в основном автоматически, для чего синхрон­ные машины оборудуются устройствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ), трансформаторы с РПН — устройствами автоматического регулирования ко­эффициента трансформации (АРКТ), а батареи конден­саторов— устройствами автоматического управления включением и отключением секций этих батарей (АУБК).

Появление дефицита активной мощности в энергосис­теме вызывает понижение частоты. Наличие большого дефицита мощности чревато опасностью лавинообразно­го снижения частоты, результатом которого является «развал» системы, т. е. авария, вызывающая прекраще­ние электропитания всех потребителей. Поэтому баланс генерируемой и потребляемой активных мощностей в энергосистеме при отсутствии необходимых резервов мо­жет быть восстановлен лишь путем отключения части менее ответственных потребителей. Эта задача решается с помощью устройств автоматической частотной разгрузки (АЧР), устанавливаемых на подстанциях. Отключенные устройствами АЧР потребители после ликвидации дефи­цита мощности и восстановления нормального значения частоты в энергосистеме автоматически включаются в работу устройствами частотного АПВ (ЧАПВ).

В энергосистемах автоматизируется также процесс подключения к сети синхронных генераторов СГ, син­хронных двигателей СД, синхронных компенсаторов СК и других электроустановок, например преобразователь­ных устройств, электропечей и т. п.

Все перечисленные выше устройства относятся к уст­ройствам локальной автоматики, так как они воздейству­ют на отдельные элементы системы электроснабжения по заранее заданному жесткому алгоритму вне зависимости от режима работы других элементов системы. Управление энергосистемой осуществляет диспетчер, который на основании данных о текущем состоянии принимает ре­шения, соответствующие сложившейся ситуации. Для управления системой диспетчер с помощью телемеханики ТМ получает информацию о параметрах режима энерго­системы (перетоках мощности, токах, напряжениях) и положении выключателей на ГПП и РП.

С помощью устройств телемеханики осуществляется также передача управляющих команд с ДП на объекты. Обработка информации, поступающей на ДП, автомати­зируется с помощью ЭВМ, которая принимает, сортирует, хранит информацию и выдает ее диспетчеру в удобном для восприятия виде на средства отображения СОИ.