Релейная защита

В настоящее время в России всё большее распространение получает малая энергетика. Электростанции малой и средней мощности применяются для электроснабжения жилых поселков и промышленных объектов. В некоторых районах установленная мощность таких электростанций достигает 20–30% от мощности местных энергосистем.
Особые требования к надежности этих электростанций и прилегающих электрических сетей предъявляются в северных районах, где от нормального электроснабжения зависит не только технологический процесс, но и здоровье и жизнь людей. О том, как выполнить автоматическое включение резерва, чтобы не допустить нарушений электроснабжения, рассказывают наши петербургские авторы.

ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Особенности выполнения АВР в узлах нагрузки

Анатолий Беляев,
к.т.н., зам. начальника ИТУ РЗА и АСУ Э
Валерий Широков,
главный специалист отдела РЗА Специализированного управления «Леноргэнергогаз» – филиала ОАО «Оргэнергогаз»,
г. Санкт-Петербург

Обычно с целью обеспечения надежности всю систему электроснабжения объекта делят на две независимые части (подсистемы), каждая из которых питается от своего независимого источника. Подсистемы взаимно резервируются на разных ступенях напряжения с помощью устройств автоматического включения резерва (АВР).

Ответственных потребителей одного назначения также разделяют на две независимые группы, которые подключают к разным подсистемам и снабжают устройствами АВР. Надежность электроснабжения обеспечивается за счет того, что в случае погашения одной из подсистем и отказа или неуспешной работы АВР между подсистемами (КЗ на шинах) напряжение в другой подсистеме сохраняется и технологический процесс не нарушается, так как сработает АВР ответственных электроприемников.

Согласно ПУЭ [1] две секции электростанции можно рассматривать как независимые источники питания двух независимых подсистем электроснабжения объекта, которые могут работать в двух режимах – параллельной или раздельной работы.

РЕЖИМ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПОДСИСТЕМ

Секционный выключатель на электростанции включен. Каждая секция электростанции получает питание от своих генераторов, а при параллельной работе с энергосистемой – также от одного из вводов от энергосистемы.

Преимущества режима: токи КЗ в сети больше, чем при раздельной работе подсистем, соответственно больше и зона действия, и чувствительность быстродействующих защит. Напряжения в обеих подсистемах синхронны, поэтому оперативные переключения в сети можно выполнять без перерыва в питании.

Недостаток режима: КЗ в одной из подсистем вызывают посадки напряжения и в другой подсистеме.

Устройство АВР на секционном выключателе в этих режимах не требуется, за исключением ремонтного режима, когда генераторы электростанции отключены, а подсистемы получают питание от своих вводов от энергосистемы.

Если на электростанции имеется ввод от энергосистемы, то в ряде случаев целесообразно держать его в резерве и выполнить АВР на выключателе этого ввода. Такая необходимость может возникать при низкой надежности внешнего электроснабжения, например из-за неблагоприятных климатических условий. Известны случаи, когда в северных районах линии 110 кВ отключались несколько десятков раз в месяц: в зимнее время при сильных ветрах из-за схлестывания и обрыва проводов и шлейфов проводов, а в летнее – из-за ударов молнии.

РЕЖИМ РАЗДЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПОДСИСТЕМ

Секционный выключатель на электростанции отключен. Каждая секция электростанции получает питание от своих генераторов, а при параллельной работе с энергосистемой – также от одного или двух вводов от энергосистемы. Возможны решения, когда одна из секций получает питание от энергосистемы, а другая – от генераторов электростанции.

Преимущество режима: КЗ в одной из подсистем не вызывают посадок напряжения в другой подсистеме.

Недостатки режима: меньшие по сравнению с режимом параллельной работы токи КЗ в сети, меньшая чувствительность и зона действия быстродействующих защит. При малой мощности генераторов они могут оказаться нечувствительными, из-за чего затягивается время отключения КЗ (вместо основных быстродействующих защит будут работать максимальные токовые) и увеличивается вероятность выхода генераторов из синхронизма. В сетях с маломощными генераторами могут возникать проблемы с обеспечением селективности действия защит. Из-за несинхронных напряжений в обеих подсистемах оперативные переключения в сети приходится выполнять с перерывом в питании.

В этом режиме устройство АВР на секционном выключателе должно быть введено в работу.

Однако исполнение АВР на электростанции, а также на прилегающей подстанции энергосистемы существенно отличается от обычных АВР на распределительных подстанциях.

АВР НА ПРИЛЕГАЮЩЕЙ ПОДСТАНЦИИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

Главное отличие АВР в этих электроустановках от АВР на подстанциях распределительных сетей заключается в необходимости контроля встречного напряжения на потерявших питание шинах. Например, на прилегающей подстанции энергосистемы (рис. 1) отключается выключатель Q5 действием дифзащиты трансформатора. Типовая схема АВР немедленно включает секционный выключатель Q7. Если при этом были включены выключатели Q1 и Q4, то возникает опасность несинхронного включения генераторов из-за возможного расхождения угла между векторами напряжений энергосистемы и электростанции за время перерыва в питании секции.

Рис. 1. Схема электростанции и прилегающей подстанции энергосистемы

Структурная схема АВР для прилегающей подстанции энергосистемы приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема электростанции и прилегающей подстанции энергосистемы

Для предотвращения несинхронного включения, в схему АВР перед включением секционного выключателя вводится контроль встречного напряжения на секции (со стороны подключенных генераторов), осуществляемый после некоторой выдержки времени (0,3–0,5 с). Эта выдержка необходима для того, чтобы напряжение, которое в момент трехфазного КЗ снизилось до нуля, успело вырасти до значения, при котором реле контроля встречного напряжения запретит АВР (учитывается инерционность действия регуляторов возбуждения генераторов).

При наличии контроля встречного напряжения (ожидания снижения напряжения) приходится применять специальный орган однократности действия АВР, поскольку типовая схема однократности может вывести АВР из действия раньше, чем реле контроля встречного напряжения разрешит включение выключателя резервного питания.

АВР НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Ситуация, аналогичная описанной выше, возникает и на самой электростанции, когда выключатель Q1 отключился от защит при КЗ на линии связи с энергосистемой и АВР включает секционный выключатель.

Структурная схема АВР для применения на электростанции приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема АВР на электростанции: а) поясняющая схема, б) блок-схема АВР.

Устройство АВР выполнено универсальным, оно может быть введено в работу при остановленных генераторах (питание только от энергосистемы), при работающих генераторах на обеих секциях, или в случае, когда одна из секций получает питание от энергосистемы, а другая – от генераторов, или когда генераторы одной или двух секций работают параллельно с энергосистемой.

В схеме АВР использованы, кроме вспомогательных контактов выключателей Q1 и Q2, вспомогательные контакты выключателей генераторов G1(3) и G2(4). Контроль отсутствия встречного напряжения в этой схеме позволяет предотвратить несинхронное включение в случае отказов разветвленных вторичных цепей или при ошибочных действиях обслуживающего персонала.

Для предотвращения неполнофазного режима работы при обрыве одной из фаз питающей линии электропередачи введен пуск АВР по напряжению обратной последовательности U₂. Для предотвращения ложного пуска АВР при перегорании предохранителя со стороны ВН одной из фаз ТН, пуск осуществляется от двух органов напряжения обратной последовательности, один из которых контролирует наличие U₂ на шинах секции, а другой – до вводного выключателя секции (рис. 3). При этом контролируется также наличие нормального напряжения и отсутствие напряжения U₂ на смежной секции (резервном источнике питания).

МНОГОСТОРОННЕЕ АВР

В настоящее время получает распространение многосторонний АВР, который обеспечивает резервирование при любых режимах работы подсистем и внешних вводов от энергосистемы. Решение о том, в каких режимах работать, принимает оперативный персонал, исходя из текущих местных условий, которые могут существенно изменяться в зависимости от состояния и надежности оборудования, погодных условий, времени года, при выводе в ремонт оборудования и т.д.

Переключатель АВР имеет 5 положений: «Отключено», АВР СВ; АВР В1; АВР В2; АВР В1, 2.

«Отключено»: АВР отключен. Этот режим используется при параллельной работе подсистем, когда секционный выключатель включен и секции получают питание от генераторов или от энергосистемы и генераторов, работающих параллельно.

АВР СВ: АВР действует на включение секционного выключателя (рис. 4 а–г). Этот режим используется при раздельной работе подсистем, когда секционный выключатель отключен и каждая из секций получает питание от генераторов или от энергосистемы, или от того и другого параллельно.
Положения В1, В2, В1,2 используются при автономной работе электростанции, когда один или два ввода от энергосистемы находятся в резерве.

Рис. 4. Поясняющие схемы к многостороннему АВР

АВР В1: АВР действует на включение ввода 1. Если секционный выключатель был включен, то АВР восстанавливает питание всего распредустройства, а если отключен – то только первой секции (рис. 4д).

АВР В2: АВР действует на включение ввода 2. Если секционный выключатель был включен, то АВР восстанавливает питание всего распредустройства, а если отключен – то только второй секции (рис. 4е).

АВР В1, 2: оба ввода от энергосистемы отключены и находятся в состоянии дежурства. Если шины потеряли питание, а секционный выключатель был включен, то АВР действует на включение того ввода, на котором имеется напряжение (при наличии напряжения на двух вводах они включаются с отключением секционного выключателя). Если секционный выключатель был отключен, то АВР действует на включение вводного выключателя потерявшей питание секции (рис. 4ж, з).

Логика такого АВР отработана на физических моделях защиты и автоматики подстанций и электростанций (фото 1), реализована в терминалах серий SEPAM 80 и БМРЗ ввода, трансформатора напряжения, секционного выключателя, генераторов и внедрена на ряде действующих объектов. Эти терминалы адаптированы для применения на электростанциях малой энергетики. Разумеется, в них учтены и другие особенности, характерные для подобных объектов [2]. Например, предусмотрена автоматика быстрой разгрузки генераторов, дифференциальная защита шин, делительная автоматика, АЛАР, АЧР и др. Намечено проведение аналогичных работ и для терминалов серий ТОР и «Сириус».

Фото 1. Фрагмент испытательного стенда по отработке алгоритмического обеспечения и файлов конфигурации терминалов РЗА

Напряжение срабатывания реле минимального напряжения пускового органа АВР принимают из условия:

где U_Н – номинальное напряжение шин, В;
n_Н – коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Напряжение срабатывания реле контроля напряжения на смежной секции принимают из условия:

Время срабатывания пускового органа АВР по напряжению принимается, во-первых, на ступень селективности больше времени действия тех защит, КЗ в зоне действия которых вызывает срабатывание пусковых реле напряжения АВР, и во-вторых, на ступень больше времени АПВ питающих линий и АВР источников питания.

Заметим, что иногда пусковой орган АВР по напряжению ошибочно называют защитой минимального напряжения. Но, как видно из изложенного выше, эти два устройства существенно отличаются друг от друга по назначению, схеме выполнения и уставкам срабатывания. Поэтому называть пусковой орган АВР по напряжению защитой минимального напряжения нельзя.

Уставка срабатывания пускового органа АВР по напряжению обратной последовательности U₂ и контроля отсутствия U₂ на резервном источнике принимается 8–12 В (фазных вторичных) из условия несрабатывания из-за гармонических составляющих в кривой напряжения, особенно второй и пятой. При применении цифровых терминалов необходимо проверить, в каких единицах вводится эта уставка. В ряде случаев она вводится в линейных первичных величинах, тогда ее следует умножить на коэффициент трансформации ТН и . Время срабатывания пускового органа АВР по U₂ принимается по условию отстройки от аварийных режимов, ликвидируемых устройствами РЗА, особенно в питающей сети 110–220 кВ. Обычно оно находится в диапазоне от 5 до 9 с.

Для разгрузки потерявшей питание секции перед АВР и предотвращения опасного наброса нагрузки на работающие генераторы «здоровой» секции должны применяться устройства защиты минимального напряжения первой ступени и автоматика быстрой разгрузки с действием на отключение неответственных (а иногда и части ответственных) электроприемников как на стороне 10 кВ, так и на стороне 0,4 кВ [3].

ВЫВОДЫ

1. Выполнение устройств АВР на электростанциях малой энергетики и прилегающих подстанциях энергосистем существенно отличается от типовых решений, принятых на подстанциях электрических сетей.
2. Предложены, проверены на физических моделях и реализованы на объектах специализированные алгоритмы АВР, учитывающие особенности режимов, возникающих при применении малых электростанций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и доп., с изм. М.: Главгосэнергонадзор РФ, 1998.
2. Беляев А.В., Юрганов А.А. Защита, автоматика и управление на электростанциях малой энергетики. Части 1, 2, 3. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2010. (Библиотечка электроэнергетика. Приложение к журналу «Энергетик». Вып. 6(138), 7(139), 8(140).
3. Арцишевский Я.Л., Земцов А.А. Принципы противоаварийного управления в системах электроснабжения с собственным источником // Электрические станции. 2010. № 10.