Лекция. Нарушение статической и динамической устойчивости. Задачи и принципы обеспечения статической и динамической устойчивости

 

Содержание лекции: основные виды режимов, возмущения, понятия статической и динамической устойчивости, критерии устойчивости.

Цель лекции: ознакомить с понятиями устойчивости, причинами нарушения устойчивости, методами анализа статической и динамической устойчивости, использование практических методов оценки статической устойчивости.

 

Процесс нарушения статической устойчивости характеризуется постепенным нарастанием тока и реактивной мощности по линии, снижением напряжения на подстанциях с последующим лавинообразным протеканием процесса и периодическими колебаниями таких электрических параметров, как токи, мощность, напряжения.

Нарушения статической устойчивости в энергосистемах структуры I происходят, главным образом, в послеаварийном режиме вследствие отключения одной из сильно загруженных параллельных линий, т. е. увеличения x_∑. Кроме того, имеют место нарушения устойчивости, обусловленные понижением напряжения в приемной или передающей частях энергосистемы. Причиной нарушения статической устойчивости было также возникновение дефицита реактивной мощности в приемной системе конечной мощности.

В качестве средств повышения статической устойчивости могут также применяться отключение или управление реакторами (если такая возможность имеется), принудительная кратковременная форсировка возбуждения генераторов (у современных крупных турбогенераторов по условиям нагрева ротора длительность форсировки ограничивается временем 15—20 с) и форсировка продольной компенсации, снижающей суммарное ре­активное сопротивление (число таких устройств в на­стоящее время незначительно). Эффективным способом повышения статической устойчивости послеаварийного режима являются все виды АПВ.

С ростом мощности энергосистем и энергообъединений растут и единичные мощности генераторов, при этом их параметры с точки зрения устойчивости менее благоприятны. Более подробно эти вопросы рассмо­трены в материалах, изложенных в [5,10].

Поскольку отключение одной из параллельных линий в большинстве случаев происходит в результате к. з., разгрузка электропередачи путем отключения генераторов, аварийного регулирования турбин с последующим ограничением их мощности, деления станции предназначается как для обеспечения статической, так и синхронной динамической устойчивости. Естественно, что в целом, это процесс динамический, но поскольку в подав­ляющем большинстве подобных нарушений определяю­щим является статическая устойчивость в послеаварийном режиме после отключения одной из параллельных линий, оценим эти мероприятия только с точки зрения обеспечения статической устойчивости.

Цель перечисленных мероприятий — снизить переток по оставшимся в работе линиям до значений, допустимых по условиям статической устойчивости. Однако их эффективность существенно зависит от соотношения мощностей передающей и приемной энергосистем.

В случае если передающая и приемная энергосистемы соизмеримы по мощности или приемная энергоси­стема меньше передающей, то снижение генерируемой мощности в передающей системе малоэффективно, поскольку для уменьшения перетока в послеаварийном режиме на определенную величину потребуется в ряде случаев снижение генерируемой мощности передающей энергосистемы на величину, в несколько раз большую. При таких соотношениях более целесообразным может быть разделение передающей станции (энергосистемы) на две части при отключении одной из параллельных линий с выделением на оставшиеся связи такого числа генераторов, чтобы обеспечивались условия устойчивости.

Такой способ наиболее часто применяется в случае, когда в предаварийном режиме передающая станция или энергосистема работает на два направления, т. е. по схеме, которая относится к сложным структурам V (см.рисунок 2.1).

 

 

Энергосистема (электростанция) 1

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема электростанции, рабо­тающей на два направления

 

Однако, поскольку в послеаварийном режиме она фактически сводится к типовой структуре I, это мероприятие рассматривается в настоя­щем разделе.

Его существо сводится к следующему. При возникно­вении аварийной ситуации, например отключении одной из параллельных линий, передающая крупная станция или энергосистема 1 делится с помощью выключателя В на две части, одна из которых передает мощность в энергосистему 2, другая в энергосистему 3, причем число выделенных генераторов на каждую передачу выбирается таким, чтобы обеспечивались условия устойчивости при передаче мощности в каждой из двух раз­делившихся частей. Для выполнения этого условия раз­деление передающей станции обычно одновременно сопровождается отключением одного или нескольких генераторов, причем в этом случае отключение генераторов в отделившейся части оказывается более эффективным, чем аналогичное мероприятие в полной схеме, без разделения. Поскольку мощность каждой части разделившейся передающей энергосистемы меньше ее полной мощности. В качестве примера такой автоматики можно привести автоматику, установленную на Красноярской ГЭС, работающей на два направления — Братск и Кузбасс, которая произво­дит деление станции с одновременным отключением части генераторов при отключении одной из линий 500 кВ.

К недостаткам данного способа следует отнести следующее. Деление станции или энергосистемы обычно приходится осуществлять на нескольких выключателях, что существенно усложняет выполнение этого мероприя­тия, снижает его надежность и при отказе одного из выключателей может привести к развитию тяжелой аварийной ситуации. В случае, когда мощность приемной энергосистемы соизмерима с мощностью передающей или в несколько раз меньше ее, т. е. в условиях, когда применение отключения генераторов или аварийного снижения мощ­ности турбин передающей энергосистемы нецелесообразно, а деление передающей станции (энергосистемы) или неэффективно, или существенно снижает надежность передачи, целесообразно для обеспечения устойчивости ориентироваться на мероприятия в приемной энергоси­стеме, в частности на отключение в ней части нагрузки, или, по крайней мере, сочетать мероприятия в передающей и приемной энергосистемах.

В тех случаях, когда нарушение статической устой­чивости может произойти или в результате отключения одной из параллельных линий без к.з., или при пони­жении напряжения на одном из концов электропереда­чи, или при увеличении передаваемой мощности (напри­мер, из-за отключения части местной нагрузки), пуск разгрузочной автоматики может осуществляться по раз­личным факторам. В качестве выявительных органов возможно применение реле, реагирующих на ток, актив­ную мощность, сопротивление или непосредственно на угол δ. Зависимости изменения электрических параметров при изменении угла δ показаны на рисунке 2.2.

Недостатком автоматики, реагирующей на активную мощность электропередачи, является то, что она может не действовать при нарушениях устойчивости, вызван­ных снижением напряжения на одном из концов элек­тропередачи или отключением одной из параллельных линий, поскольку при этом предел передаваемой мощ­ности снижается, а автоматика, настроенная на определенный переток мощности, который остается неизмен­ным, не реагирует на это.

 

а — активная мощность (1) и ток линии (2);

б — сопротивление на зажимах реле полного сопротивления;

1 — в электрическом центре качаний,

2 — в точке приложения э.д.с.,

3 — в промежуточной точке.

Рисунок 2.2 - Зависимости изменения электрических параметров при из­менении угла δ

 

Наиболее универсальной автоматикой, предотвра­щающей нарушение статической устойчивости незави­симо от причин этого нарушения, является автоматика, реагирующая на угол [14]. Эти устройства автома­тики измеряют угол между векторами напряжения по концам электропередачи и, если этот угол превышает заданное значение, производят разгрузку или отключе­ние генераторов. Вектор э.д.с. или напряжения (точнее их фаза) получается или с помощью телеизмерения, или с помощью, так называемой фантомной схемы.

Автоматику, используемую в энергосистемах для обеспечения устойчивости, по назначению можно разделить на следующие виды: автоматика повышения статической устойчивости, автоматика повышения синхронной динамической устойчивости, автоматика ресинхронизации, автоматика локализации аварий, автоматика восстановления нормальной схемы и режима.

Такая классификация удобна, поскольку в настоящей книге рассматриваются только режимные принципы автоматики. В ряде других работ, посвященных в основном вопросам технической реализации автоматики и опыту ее применения [3], приняты иные системы классификации, в большей степени отвечающие задачам этих работ.

По принципам выполнения автоматика может быть разделена на следующие группы: автоматика программного действия, осуществляющая заранее выбранное воздействие без контроля за протеканием процесса; режимная автоматика, осуществляющая воздействие после анализа аварийной ситуации и режима системы; устройство автоматического регулирования или ограничения; самонастраивающаяся автоматика.

Чем меньше доля человека в управлении режимом и чем больше управление автоматизировано, тем выше уровень устойчивости. Это положение справедливо лишь при условии, что быстрота, надежность и «разумность» действий автоматики не ниже, чем у хорошего опытного диспетчера.

Создание такой автоматики является весьма сложным и дорогим делом, не всегда себя окупающим, в разделах 11-15 представлены современные средства и системы управления энергосистемой, обеспечивающего ее устойчивость.

Автоматика различного назначения и различного выполнения воздействует на одни и те же элементы энергосистемы. Поэтому в ряде случаев (как это будет показано ниже) одна и та же автоматика может выполнять несколько функций.

К автоматике повышения статической устойчивости относятся устройства: автоматического регулирования возбуждения (АРВ); автоматического повторного включения, повышающего предел устойчивости в послеаварийном режиме (трехфазное, быстродействующее, однофазное - ТДПВ, БАПВ, ОАПВ); автоматической частотной разгрузки (ЛЧР), предотвращающей «лавину частоты»; автоматического регулирования или ограничения перетоков мощности (АРПМ), изменяющие мощности турбин и позволяющие работать с меньшим запасом устойчивости; автоматического отключения генераторов в передающей системе при приближении к пределу статической устойчивости; автоматического отключения нагрузки в приемной системе при приближении к пределу статической устойчивости (по мощности или напряжению); автоматического управления конденсаторами продольной компенсации; автоматического разде­ления энергосистемы или станции при приближении к пределу статической устойчивости.

Для повышения синхронной динамической устойчивости применяются: АРВ, БАПВ, ОАПВ, аварийное регулирование паровых турбин и отключение генераторов в передающей части системы, разделение станции, работающей на два направления.

К автоматике ресинхронизации относятся: АПВ линий, устройства воздействия на систему регулирования турбин, устройства отключения синхронных компенсаторов (СК) в приемной части системы, отключения части нагрузки (чаще всего АЧР), устройства частотного пуска гидрогенераторов и перевода агрегатов из режима СК в режим выдачи активной мощности.

Для локализации аварий используются: аварийное регулирование турбин (для разгрузки электропередач), отключение генераторов, делительная автоматика (действующая до появления асинхронного хода или прекращающая асинхронный ход).

Для восстановления нормальной схемы и режима применяются: самозапуск двигателей, самосинхронизация генераторов, АПВ с самосинхронизацией (АПВС), несинхронное АПВ (НАПВ), АПВ с улавливанием синхронизма (АПВУС), АПВ по частоте (ЧАПВ), пуск гидрогенераторов при понижении частоты, перевод агрегатов из режима СК в режим выдачи активной мощности.

Принципы выполнения автоматики определяют такие ее характеристики, как приспособляемость к режиму и схеме, эффективность использования возможностей управления и селективность. В разных случаях важны те или иные из этих характеристик, и это во многом определяет выбор автоматики. Так, при регулировании возбуждения селективность практически не играет роли, а при отключении нагрузки или генераторов это очень важная характеристика; аварийное управление турбиной должно иметь хорошую приспособляемость к режиму и схеме и т. д.

Наиболее простым видом автоматики является автоматика программного действия, т. е. такая автоматика, которая работает по заранее заданной программе при возникновении какого-либо события (например, АПВ линий, отключение генераторов при появлении тока нулевой последовательности, релейная форсировка возбуждения).

Более сложным (зато более селективным) видом автоматики является режимная автоматика, действие которой происходит только в том случае, если этого требует режим системы (например, отключение генераторов при понижении напряжения прямой последовательности с контролем мощности предшествующего режима, разгрузка генераторов по набросу мощности с контролем мощности предшествующего режима и т. п.).