Назначение и основные принципы выполнения АЧР

Пока в энергосистеме имеется вращающийся резерв активной мощности, системы регулирования час­тоты и мощности должны поддерживать заданный уровень частоты. После того как вращающийся ре­зерв будет исчерпан, дефицит активной мощности, вызванный отключением части генераторов или включением новых потребителей, повлечет за собой снижение частоты в энергосистеме. Современные мощные тепловые и атомные энергоблоки, которые составляют основу энергетики Украины, имеют ма­лый диапазон регулирования активной мощности, что не позволяет выполнить надежное регулирова­ние частоты и активной мощности в необходимом диапазоне. Поэтом зачастую применяют ручное ре­гулирование частоты, такое регулирование часто заключается в пуске и останове блоков и поэтому мощность меняется ступенчато, образуя либо дефицит либо избыток мощности. Небольшое снижение частоты, на несколько десятых герца, не представляет опасности для нормальной работы энергосис­темы, хотя и влечет за собой ухудшение экономических показателей. Снижение же частоты более чем на 1-2 Гц - представляет серьезную опасность и может привести к полному расстройству работы энер­госистемы.

Это в первую очередь определяется тем, что при понижении частоты снижается скорость вращения электродвигателей, а следовательно, снижается и производительность приводимых ими механизмов собственного расхода хода тепловых электростанций. Вследствие снижения производительности ме­ханизмов собственного расхода резко уменьшается располагаемая мощность тепловых, электростан­ций, особенно электростанций высокого давления, что влечет за собой дальнейшее снижение частоты в энергосистеме. Это касается также и атомных электростанций. Таким образом, происходит лавинооб­разный процесс - «лавина частоты», который может привести к полному расстройству работы энерго­системы.

Следует также отметить, что современные крупные паровые турбины не могут длительно работать при низкой частоте из-за опасности повреждения их рабочих, лопаток. Дело в том, что каждый ряд лопаток имеет собственную частоту резонанса, все группы лопаток имеют разные размеры и конструкторам турбин приходится долго заниматься тем, чтобы вывести все группы лопаток из резонанса при частоте вращения близкой к номинальной. Если та или другая группа лопаток турбины попадет в резонанс, она может быть через некоторое время повреждена. Зона, свободная от резонансов составляет 1-2 Гц и недопустима длительная работа системы при частотах выходящих за этот диапазон.

Процесс снижения частоты в энергосистеме сопровождается также снижением напряжения, что проис­ходит вследствие уменьшения частоты вращения возбудителей, расположенных на одном валу с ос­новными генераторами. Если регуляторы возбуждения генераторов и синхронных компенсаторов не смогут удержать напряжение, то также может возникнуть лавинообразный процесс - «лавина напряже­ния», так как снижение напряжения сопровождается увеличением потребления реактивной мощности, что еще более осложнит положение в энергосистеме.

Аварийное снижение частоты в энергосистеме, вызванное внезапным возникновением значительного дефицита активной мощности, протекает очень быстро, в течение нескольких секунд. Поэтому дежур­ный персонал не успевает принять каких-либо мер, вследствие чего ликвидация аварийного режима должна возлагаться на устройства автоматики.

Для предотвращения развития аварии должны быть немедленно мобилизованы все резервы активной мощности, имеющиеся на электростанциях. Все вращающиеся агрегаты загружаются до предела с учетом допустимых кратковременных перегрузок.

Поскольку вращающийся резерв невелик, он не может покрыть большой дефицит мощности, возник­ший в узле.

При отсутствии вращающегося резерва единственно возможным способом восстановления частоты является отключение части наименее ответственных потребителей. Это и осуществляется с помощью специальных устройств - автоматов частотной разгрузки (АЧР), срабатывающих при опасном снижении частоты.

Следует отметить, что действие АЧР всегда связано с определенным ущербом, поскольку отключение линий, питающих электроэнергией промышленные предприятия, сельскохозяйственных и других по­требителей, влечет за собой недовыработку продукции, появление брака и т. п. Несмотря на это, АЧР широко используется в энергосистеме как средство предотвращения значительно больших убытков из-за полного расстройства работы энергосистемы, если не будут приняты срочные меры по ликвидации дефицита активной мощности.

Глубина снижения частоты зависит не только от дефицита мощности в первый момент аварии, но и от характера нагрузки. Потребление мощности одной группой потребителей, к которой относятся электро­осветительные приборы и другие установки, имеющие чисто активную нагрузку, не зависит от частоты и при ее снижении остается постоянным. Потребление же другой группы потребителей - электродвига­телей переменного тока при уменьшении частоты снижается. Чем больше в энергосистеме доля на­грузки первой группы, тем больше понизится частота при возникновении одинакового дефицита актив­ной мощности. Нагрузка потребителей второй группы будет в некоторой степени сглаживать эффект снижения частоты, поскольку одновременно будет уменьшаться потребление мощности электродвига­телями.

Уменьшение мощности, потребляемой нагрузкой при снижении частоты, или, как говорят, регулирую­щий эффект нагрузки, характеризуется коэффициентом равным отношению

(10.14)

Коэффициент регулирующего эффекта нагрузки показывает, на сколько процентов уменьшается по­требление нагрузкой активной мощности на каждый процент снижения частоты. Значение коэффици­ента регулирующего эффекта нагрузки должно определяться специальными испытаниями и принима­ется при расчетах равным 2,5-4.

Устройства АЧР должны устанавливаться там, где возможно возникновение значительного дефицита активной мощности во всей энергосистеме или в отдельных ее районах, а мощность потребителей, отключаемых при срабатывании АЧР, должна быть достаточной для предотвращения снижения часто­ты, угрожающего нарушением работы механизмов собственного расхода электростанций, что может повлечь за собой лавину частоты. Устройства АЧР должны выполняться с таким расчетом, чтобы была полностью исключена возможность даже кратковременного снижения частоты ниже 45 Гц, время рабо­ты с частотой ниже 47 Гц не превышало 20 сек, а с частотой ниже 48,5 Гц - 60 сек. Допустимое время снижения частоты ниже 49 Гц по условиям работы АЭС равно 2 минуты.

Рис. 10.22. Изменение частоты при возникновении дефицита активной мощности I- при отсутствии АЧР; //- при наличии АЧР.

При выполнении АЧР необходимо учитывать все реально возможные случаи аварийных отключений генерирующей мощности и разделения энергосистемы или энергообъединения на части, в которых может возникнуть дефицит активной мощности. Чем больший дефицит мощности может возникнуть, тем на большую мощность должно быть отключено потребителей. Для того, чтобы суммарная мощ­ность нагрузки потребителей, отключаемых действием АЧР, хотя бы примерно соответствовала дефи­циту активной мощности, возникшему при данной аварии, АЧР, как правило, выполняется мно­гоступенчатой, в несколько очередей, отличающихся уставками до частоте срабатывания. На рис. 10.22 приведены кривые, характеризующие процесс изменения частоты в энергосистеме при внезапном возникновении дефицита активной мощности. Если в энергосистеме отсутствует АЧР, то снижение частоты, вызванное дефицитом активной мощности, будет продолжаться до такого устано­вившегося значения, при котором за счет регулирующего эффекта нагрузки и действия регуляторов частоты вращения турбин вновь восстановится баланс генерируемой и потребляемой мощности при новом сниженном значении частоты - (кривая /). Для восстановления в энергосистеме нормальной частоты в этом случае необходимо вручную отключить часть нагрузки потребителей, суммарное по­требление мощности которыми при частоте 50 Гц равно дефициту мощности, вызвавшему аварийное снижение частоты. Учитывая возможные аварийные режимы, доля нагрузки, подключенной к АЧР, в энергосистемах Украины составляет порядка 60%.

Иначе будет протекать процесс изменения частоты при наличии АЧР (кривая //). Пусть, например, авто­матическая частотная разгрузка состоит из трех очередей с уставками срабатывания 48; 47,5 и 47 Гц. Когда частота снизится до 48 Гц (точка 1), сработают АЧР 1-й очереди и отключат часть потребителей, дефицит активной мощности уменьшится, благодаря чему уменьшится и скорость снижения частоты. При частоте 47,5 Гц (точка 2) сработают АЧР 2-й очереди и, отключая дополнительно часть потребите­лей, еще больше уменьшат дефицит активной мощности и скорость снижения частоты. При частоте 47 Гц (точка 3) сработают АЧР 3-й очереди и отключат еще часть потребителей. Снижение частоты оста­новится. Однако, как уже говорилось, для сохранения надежной работы системы частоту необходимо поднять выше 49.0 Гц. Таким образом, работа АЧР должна быть продолжена другими устройствами АЧР. Устройства АЧР, используемые для ликвидации аварийного дефицита активной мощности в энер­госистемах, подразделяются на три основные категории.

Первая категория автоматической частотной разгрузки A4PI быстродействующая ( сек) с уставками срабатывания от 48,5 Гц (в отдельных случаях от 49,2-4-49,3 Гц) до 46,5 Гц. Назначение очере­дей A4PI - не допустить глубокого снижения частоты в первое время развития аварии. Уставки сраба­тывания отдельных очередей A4PI отличаются одна от другой на 0,1 Гц. Мощность, подключаемая к A4PI, примерно равномерно распределяется между очередями. Вторая категория автоматической частотной разгрузки—АЧРИ предназначена для восстановления час­тоты до длительно допустимого значения - выше 49,0 Гц. Вторая категория АЧР II работает после от­ключения части потребителей от A4PI, когда снижение частоты прекращается, и она устанавливается на уровне 47,5-^48,5 Гц.

Уставки срабатывания всех АЧРИ принимаются близкими по частоте в диапазоне Гц. Выдержки времени АЧРИ отличаются друг от друга на 3 сек и принимаются равными сек. Большие выдержки времени АЧРИ принимаются для того, чтобы постепенно довести частоту до нужной величи­ны, не допустив повышения ее до величины существенно выше 49 Гц. Считается, что энергосистема может устойчиво и длительно работать при частоте превышающей 49,2 Гц и доведение ее до номи­нальной, означает, что будет отключена дополнительная часть потребителей, которая могла бы ос­таться в работе.

Совмещенная АЧР состоит из двух устройств A4PI - АЧРИ действующих на ту же нагрузку. Кроме двух категорий автоматической частотной разгрузки - A4PI и АЧРИ в эксплуатации применяются некоторые другие очереди АЧР. Спецочередь АЧР - имеющая уставки 49,2 Гц, 0,3-0,5 сек должна пре­пятствовать понижению частоты ниже 49,2 Гц, а защитная очередь АЧР 49,1 Гц 0,3-0,5 сек. не должна допустить снижения частоты ниже 49 Гц, опасной вследствие возможной разгрузки атомных электро­станций и дальнейшего снижения частоты. АС вырабатывают около 40% энергии на Украине, поэтому и приходится удерживать частоту на необходимом уровне. Мощность нагрузки, подключенная к двум последним очередям АЧР недостаточна для того, чтобы обеспечить подъем частоты при тяжелых ава­риях, связанных с выделением узла со значительным дефицитом мощности. Эта задача возлагается на мощность, подключенную к A4PI и АЧРИ.

Таким образом, в современных условиях имеется 2 системы АЧР. Одна - спецочередь и защитная очередь удерживает частоту на длительно допустимом уровне и нужна для работы системы при недос­татке генерирующей мощности, когда не представляется возможным удерживать номинальную часто­ту, так как для этого требуется отключить добавочное количество потребителей. Вторая система АЧР нужна для работы при аварийно возникших больших дефицитах мощности, отключает значительно больший объем нагрузки и также доводит частоту до длительно допустимого уровня превышающего 49,0 Гц. Может применяться также дополнительная разгрузка по другим факторам, например при от­ключении линий связи или генератора, в результате которого внезапно возникает дефицит мощности. Такая автоматика не дожидается снижения частоты и отключает нагрузку немедленно. Все эти виды автоматики имеют название - противоаварийная режимная автоматика. Нетрудно заметить изменение приоритетов в этой противоаварийной автоматике - она предназначена удержать нормальную работу системы за счет отключения потребителей. В конечном счете, пожертвовав частью потребителей, мы сохраняем в работе остальных. Нетрудно понять, что ни один из потребителей не хочет стать жертвой, за счет которой сохранятся остальные. Поэтому при выборе подключаемых к АЧР потребителей оце­нивается их значение - возникающий ущерб, снижение выпуска продукции, повреждение оборудова­ния, опасность для жизни людей и т.д. Важен также порядок подключения потребителей к очередям АЧР: потребители, подключенные к очередям АЧР, имеющим более высокие уставки по частоте и меньшие выдержки времени, отключаются чаще.

У ответственных потребителей нагрузка разделяются на несколько категорий. Наиболее ответственная нагрузка 1 категории обычно отключению не подлежит. Для того чтобы иметь возможность избежать отключения ответственных потребителей 1 категории при работе АЧР и все таки отключить остальную нагрузку, стремятся приблизить места установки АЧР к потребителю, это означает, что АЧР необходи­мо выполнять на каждой подстанции.

Еще одной причиной распределения АЧР по многим объекта является то, что в таком случае АЧР ста­новится самонастраиваемой: вследствие разброса уставок реле частоты в разных устройствах АЧР отключение происходит мелкими дозами, соответствующими уставке АЧР на данном объекте и поэто­му обеспечивающими баланс между частотой и отключаемой нагрузкой для ее восстановления. Дирек­тивные материалы допускают неселективную работу смежных очередей АЧР, так как энергосистеме безразлично, на какой именно подстанции отключается необходимая нагрузка.

Совершенно очевидно, что такой разброс уставок не выгоден потребителю, так как он не хочет быть отключенным взамен другого с более высокими уставками. Особенно это характерно для очередей ре­гулирующих частоту АЧР - спецочереди и защитной очереди АЧР с разницей частот в 0,1 Гц. Работа таких АЧР в условиях дефицита мощности может происходить неоднократно в течении дня, что прак­тически парализует работу предприятия. Поэтому для этих АЧР применяются реле высокой точности, погрешность которых не превышает 0,01 Гц.

10.3.2. Предотвращение ложных отключений потребителей от АЧР при кратковременных понижениях частоты в энергосистеме