Как работают устройства автоматики повторного включения (АПВ)?

Как работают устройства автоматики повторного включения (АПВ)?

В виду большой протяженности электрических сетей их обслуживание и ремонт, в случае повреждения, усложняются необходимостью доставления бригады к месту выполнения работ. Из-за чего большинство внештатных ситуаций, которые приводят к отсутствию напряжения, решает автоматическое повторное включение (АПВ) без необходимости вмешательства работников.

Назначение АПВ

Автоматическое повторное включение предназначено для включения выключателей после того, как аварийное отключение обесточило линию. При этом АПВ позволяет уменьшить перерывы в электроснабжении на количество кратковременных аварий. Посмотрите на рисунок 1, в случае замыкания в точке К1 с последующим отключением высоковольтного выключателя Q1 происходит срабатывание АПВ1. Допустим, что замыкание самоустранилось и снабжение линии от подстанции ПС1 до ПС2 восстановилось.

В то же время, при замыкании в точках К2 и К3 выключатель Q2 отсекает линию до подстанции ПС3. Допустим, что это устоявшиеся замыкания, при срабатывании АПВ2 напряжение снова будет подано в сеть, но так как в точках К2 и К3 происходит замыкание, Q2 снова отключит линию.

Поэтому все аварийные ситуации по их продолжительности можно условно поделить на:

• Кратковременные – те, которые обуславливаются относительно непродолжительным фактором (перемещением животных, падением веток и прочих элементов), которые создали протекание токов короткого замыкания на доли или несколько секунд, после чего и причина, и замыкание самоустранились.
• Устоявшиеся – обусловленные постоянным фактором, который не может самоустраниться без вмешательства персонала (обрыв провода, разрушение изоляции и прочие). В таких ситуациях возникают устойчивые кз, которые устраняются только отключением выключателей и последующим ремонтом.

На практике автоматическое повторное включение срабатывает во всех ситуациях, но успешное включение происходит только в случае, когда причина устранилась, то есть при кратковременных повреждениях. Если же после первой повторной подачи автоматическое восстановление не произошло, в зависимости от типа, могут применяться следующие ступени повторного включения. В соответствии с местными условиями системы АПВ могут иметь различные особенности работы.

Так как 50% всех отключений удается повторно запитать от однократного АПВ, то первая ступень считается наиболее эффективной. Вторая отстраивается с временным промежутком в несколько секунд или десятков секунд, и, как показывает статистика, позволяет запитать потребителя еще в 15% случаев.

Классификация

В зависимости от количества фаз, задействованных для повторного включения все АПВ подразделяют на:

• Однофазные – предназначены для автоматического ввода только одной фазы, на которой произошло замыкание, как правило, применяются для линий 500кВ и выше;
• Трехфазные – характеризуются воздействием на привод выключателя, который сразу повторно включает все три фазы;
• Комбинированные — осуществляют автоматическое включение электрических аппаратов посредством логического выбора одной или всех трех, в зависимости от типа замыкания.

В свою очередь, трехфазные АПВ подразделяются на такие классы:

• С односторонним питанием – когда линия запитывается только от одного источника, соответственно, оперативный ток запускает цепь повторного включения только для одного высоковольтного выключателя.
• С двухсторонним питанием – когда участок сети получает электроснабжение сразу от двух источников и система АПВ вынуждена повторно включать сразу два коммутационных аппарата.

Также двухстороннее АПВ подразделяется на:

• Несинхронное повторное включение, когда система выполняет одновременный ввод выключателей с двух сторон. При этом синхронность включения и процессов в линии не соблюдается.
• С ожиданием синхронизма – подает питание сначала с одной стороны, а затем с другой.
• С улавливанием синхронизма – подбирает время включения в соответствии с удаленностью точки замыкания для предотвращения возникновения несимметричных режимов, ударов тока и прочих эффектов.
• Быстродействующие АПВ – позволяют осуществить повторное включение в максимально короткий промежуток времени.

Помимо вышеизложенных способов классификации, АПВ могут различаться по способу включения – от механического воздействия или посредством электрического сигнала. Также существует разделение по количеству ступеней включения – одна или несколько, в зависимости от того, сколько раз АПВ пытается повторно включить питание. Принцип действия повторного включения может отстраиваться как от наличия напряжения в линии, так и от его отсутствия.

Принцип работы

Рассмотрите принцип работы автоматического повторного включения на примере такой схемы.

Как видите на рисунке 2, напряжение подается на шину управления ШУ, на схеме показан пример питания от источника постоянного тока + ШУ и – ШУ. В данном примере устройство АПВ управляется механизмами:

• контроля синхронизации;
• положения контактов выключателя;
• запрета АПВ;
• разрешения подготовки.

Релейная защита реализуется посредством реле времени РВ и промежуточного РП. Последнее имеет две обмотки: по току РП I и по напряжению РП U. В нормальном режиме к ШУ приложено напряжение, которое заряжает конденсатор С при наличии соответствующего сигнала от цепей разрешения подготовки. Но повторное включение блокируется сигналом цепи запрета АПВ, который отстраивается на основе резисторов R1 и R2, находящихся в последовательном соединении с управленческими цепями.

В случае отключения трансформатора, линии или других участков, сигнал контроля синхронизации замыкает цепь для РВ. Которое при отсчете установленного промежутка времени выполняет замыкание собственных контактов, они, в свою очередь, шунтируют резистор R. После чего происходит разряд конденсатора на обмотку напряжения РП. При этом возбуждается и токовая катушка, которая притягивает контакты реле и замыкает цепь на включение выключателя.

Если трехфазное кз прекратилось и электроснабжение возобновится, то контроль синхронизации подает сигнал на размыкание обмотки РВ. После чего в цепь снова вводится сопротивление R и происходит возврат реле в обесточенное состояние. После возврата устройства в режим ожидания сразу происходит заряд конденсатора С для готовности к последующему повторному включению.

Узел Н позволяет вывести повторное включение на время проведения каких-либо плановых манипуляций оперативным персоналом.

Предъявляемые требования

Для обеспечения заявленных режимов и безопасных условий работы оборудования, к устройствам автоматического повторного включения предъявляется ряд требований:

• Быстродействие – должна обеспечивать скорость перехода, определяемая типом питаемых устройств и категорией потребителя. Но, при этом, скорость не должна выполнять повторное включение до полного рассеивания электрической дуги. Так как в противном случае, даже при кратковременных повреждениях возможна повторная ионизация изолирующего промежутка.
• Устойчивость к аварийному режиму – устройства ТАПВ и резервных защит не должны снижать качество и скорость реагирования из-за перепадов электрических величин.
• Селективность АПВ – система должна отстраивать свою работу в соответствии с другими устройствами аварийной автоматики, не прерывая действия защит.
• В случае оперативных отключений с целью проведения плановых работ, АПВ должно выводиться из цепи, чтобы ошибочно не подать напряжение на шины подстанции и не подвергнуть угрозе персонал.
• После срабатывания повторного включения коммутационное устройство должно возвращаться во включенное положение. При неуспешном АПВ должен происходить автоматический возврат в отключенное положение.
• Для некоторых видов защит (газовой, дифференциальной и прочих, реагирующих на повреждение трансформатора) должен устанавливаться запрет на повторное включение. Также отключенное положение должно сохранятся при возникновении аварийного режима в силовых электрических машинах.
• При повторных включениях должны блокироваться неконтролируемые многократные АПВ во избежание разрушающих воздействий устойчивых токов кз на устройства.

Особенности эксплуатации АПВ

Следует отметить, что работа повторного включения должна контролироваться исключительно теми работниками, на балансе которых находятся соответствующие распределительные сети. При этом допуск постороннего персонала может производиться только под надзором ответственного работника.

Помимо того, что все случаи срабатывания АПВ для обратного включения тех же шин, линий или трансформаторов фиксируют приборы учета, они должны регистрироваться оперативными работниками в соответствующем журнале. После чего специалисты, обслуживающие устройства защиты шин, линий и силового оборудования подстанции должны провести анализ работы повторного включения с составлением соответствующих документов.

Периодически, для проверки работоспособности устройств АПВ, персонал обязан вывести его из работы. После чего производится комплекс испытательных мер, как совместно с остальными защитами, так и отдельно. По результатам проверки должен выдаваться протокол об исправности или неисправности АПВ. В последнем случае применяются меры для восстановления или отладки нормальной работы повторного включения, и производится внеочередная проверка.

Если для линии предусмотрено включение резерва, то повторное включение может не использоваться. Чтобы работа АПВ не нарушала переход системы на резервное питание.

Виды управляющих воздействий ПА

Значительная часть коротких замыканий (КЗ) на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи, вызванных перекрытием изоляции, схлестыванием проводов и другими причинами, при достаточно быстром отключении повреждений релейной защитой самоустраняется. При этом электрическая дуга, возникшая в месте КЗ, гаснет, не успевая вызвать существенных разрушений, препятствующих обратному включению линий под напряжение. Такие самоустраняющиеся повреждения называются неустойчивыми. Статистические данные о повреждаемости ВЛ за многолетний период эксплуатации показывают, что доля неустойчивых повреждений высока и составляет 50–90 %.

Поскольку отыскание места повреждения на линии электропередачи путем ее обхода требует длительного времени и многие повреждения носят неустойчивый характер, обычно при ликвидации аварии оперативный персонал производит опробование линии путем обратного включения под напряжение. Эта операция называется повторным включением. Линия, на которой произошло неустойчивое повреждение остается в работе. Поэтому повторные включения при неустойчивых повреждениях принято называть успешными.

Реже на ВЛ возникают такие повреждения, как обрывы проводов, тросов или гирлянд изоляторов, падение или поломка опор и т.д. Такие повреждения не могут самоустраниться, поэтому их называют устойчивыми. При повторном включении линии, на которой произошло устойчивое повреждение, вновь возникает КЗ, и она вновь отключается релейной защитой. Поэтому повторные включения линий при устойчивых повреждениях называют неуспешными.

Повторное включение линий на подстанциях с постоянным оперативным персоналом или на телеуправляемых объектах занимает несколько минут, а на подстанциях нетелемеханизированных и без постоянного оперативного персонала — от получаса до часа и более. Поэтому для ускорения повторного включения линий и уменьшения времени перерыва электроснабжения потребителей широко используются специальные устройства автоматического повторного включения (АПВ). Время действия АПВ обычно не превышает нескольких секунд, поэтому устройства АПВ при успешном включении быстро подают напряжение потребителям. Согласно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ) (утверждены Приказом Минэнерго России от 08.07.2002 № 204), обязательно применение АПВ на всех воздушных и смешанных (кабельно-воздушных) линиях напряжением выше 1 кВ.

Успешность действия АПВ составляет в сетях разного напряжения 50–90 %. АПВ восстанавливает нормальную схему также и в тех случаях, когда отключение выключателя происходит вследствие ошибок персонала или ложного действия релейной защиты. Наиболее эффективно применение АПВ на линиях с односторонним питанием, т.к. в этих случаях каждое успешное действие АПВ восстанавливает питание потребителей и предотвращает аварию. В кольцевых сетях отключение одной из линий не приводит к перерыву питания потребителей. Однако и в этом случае применение АПВ целесообразно, поскольку ускоряет ликвидацию ненормального режима и восстановление нормальной схемы сети, при которой обеспечивается наиболее надежная и экономичная работа.

Отключение генераторов

Отключение генераторов (ОГ) как управляющее воздействие противоаварийной автоматики используется в основном для предотвращения нарушения устойчивости при аварийных возмущениях, связанных с ослаблением связей (отключением сетевых элементов) энергосистемы. Однако, в отличие от автоматического повторного включения (АПВ), отключение генераторов приводит к изменению баланса мощностей в энергосистеме. В зависимости от конкретных условий отключение генераторов осуществляется блочными или генераторными выключателями с минимально возможным запаздыванием относительно момента возникновения аварийного возмущения.

Отключение нагрузки

Отключение нагрузки (ОН) используется с целью предотвращения нарушения устойчивости также как и ОГ, в случае необходимости разгрузки «опасного сечения». ОН следует выполнять в приемной части энергосистемы. При этом механизм воздействия на энергосистему оказывается в значительной степени аналогичным воздействию от отключения генераторов в передающей части.

Важные особенности ОН связаны с практической реализацией этого мероприятия в условиях реальной сложной энергосистемы. При организации ОГ приходится иметь дело с крупными ступенями отключения, определяемыми мощностью каждого отключаемого генератора, то время как отдельные потребители имеют существенно меньшую мощность. Для обеспечения возможности более дифференцированного подхода к отключению потребителей необходимо увеличение количества телесвязей для передачи команд на отключение, что сопряжено с существенными дополнительными затратами. В последнее время ведутся разработки так называемой системы автоматической циркулярной разгрузки, суть которой заключается в организации системы передачи команд от центрального передатчика к местным приемникам, от которых осуществляется воздействие на отключение тех или иных потребителей в соответствии с заданным кодом.

ОН является наименее желательным воздействием, т.к. снижает основной показатель надежности электроснабжения потребителей. Вместе с тем, в современных условиях во многих случаях отказаться от ОН, особенно для решения задач устойчивости межсистемных связей ЕЭС, практически невозможно. Этому есть две основные причины. Первая заключается в том, что при необходимости разгрузки электропередачи в сторону существенно меньшей по мощности части энергосистемы снижение генерации в передающей части оказывается неэффективным. Вторая причина, обуславливающая необходимость применения ОН наряду с ОГ, заключается в том, что в ряде случаев разгрузка той или иной межсистемной связи только за счет ОГ оказывается ограниченной по условиям устойчивости других связей.

Автоматическая частотная разгрузка

Автоматическая частотная разгрузка (АЧР), как и отключение нагрузки, реализуется отключением части потребителей в энергосистеме. Однако за счет АЧР не решаются задачи, связанные с предотвращением нарушения устойчивости энергосистемы. Основная цель АЧР — предотвращение недопустимого снижения частоты в дефицитных частях энергосистемы и развития аварии. АЧР, за редким исключением, действует после нарушения устойчивости и отделения частей энергосистемы со значительным дефицитом мощности, который не может быть ликвидирован автоматическим регулированием скорости вращения турбин. Таким образом, действие АЧР начинается при существенном снижении частоты и по факту такого снижения.

В любой точке отделившейся части системы изменение частоты происходит практически одинаково. Это позволяет осуществлять частотную разгрузку по местному параметру (частоте). Тем самым обеспечивается возможность, во-первых, отключать нагрузку очередями в зависимости от степени снижения частоты, и, во-вторых, формировать эти очереди с учетом значимости (категорийности) потребителей. АЧР играет важнейшую роль в обеспечении живучести энергосистем, т.к. предотвращает одно из наиболее опасных явлений — «лавину частоты», которая возникает при достижении некоторого критического значения частоты.

Деление энергосистемы

Деление энергосистемы (ДС) как средство противоаварийной автоматики осуществляется во время переходного процесса путем отключения линий электропередачи, связывающих отдельные части энергосистемы, либо отключением междушинных выключателей на электрических станциях и подстанциях. (Данное мероприятие не следует путать с разделением энергосистемы в нормальном режиме, которое может использоваться в частности для предотвращения развития аварийного процесса.)

Различаются три вида ДС:

• деление энергосистемы для предотвращения нарушения устойчивости;
• деление для прекращения асинхронного хода;
• деление (выделение энергоблоков) для предотвращения потери собственных нужд при недопустимом снижении частоты в энергосистеме в результате развития аварии.

Для предотвращения нарушения устойчивости деление осуществляется по факту возникновения опасного аварийного возмущения или по вторичным факторам, характеризующим опасность нарушения устойчивости. Наиболее существенно эффективность деления проявляется при аварийных возмущениях, связанных с возникновением аварийных дефицитов мощности в приемной части системы. Деление хотя и не исключает разделение энергосистемы на несинхронно работающие части, предотвращает возникновение асинхронного хода и повышает эффективность использования таких средств сохранения устойчивости, как отключение генераторов и отключение нагрузки. Превентивное деление может использоваться также для предотвращения «опрокидывания» нагрузки в момент возникновения асинхронного хода по сетям более низкого напряжения при аварийном отключении шунтирующих их ЛЭП высшего напряжения.

Для предотвращения распространения асинхронного хода деление энергосистемы используется в качестве одного из основных управляющих воздействий в специальной автоматике ликвидации асинхронного хода. Асинхронный ход представляет большую опасность не только с точки зрения резкого снижения напряжения в отдельных узлах, но и ввиду опасности распространения на другие участки энергосистемы, т.е. возникновения трех и более несинхронно работающих частей. ДС осуществляется в основном отключением тех ЛЭП, которые соединяют несинхронно работающие части энергосистемы. При этом серьезной задачей является выявление границы раздела, усложняющейся при появлении в энергосистеме более, чем двух несинхронно работающих частей. Поэтому в тех случаях, когда имеется реальная опасность быстрого возникновения трехчастотного асинхронного хода, применяются модифицированные устройства селективной автоматики прекращения асинхронного хода.

Для предотвращения потери собственных нужд при недопустимом снижении частоты в энергосистеме в результате развития аварии применяется т.н. «выделение». Это еще одна область использования ДС, также определяемая требованиями живучести энергосистемы, — так называемое частотное деление, т.е. деление, осуществляемое при снижении частоты до критического уровня. По факту срабатывания соответствующих устройств, фиксирующих достижение этого уровня, осуществляется отделение в заранее подготовленном сечении некоторых энергоблоков или электростанций на сбалансированную по мощности нагрузку. Очевидно, что частотное деление используется при тяжелых аварийных ситуациях, вызванных каскадным развитием аварии и характеризующихся глубоким снижением частоты в энергосистеме, до 45–46 Гц, т.е. практически при «развале» энергосистемы. При этом ставится лишь задача сохранить в работе хотя бы единичные энергоблоки для последующего использования их как источников напряжения при запуске остановленных во время аварии электростанций. Выбор схемы деления и потребителей, которые выделяются вместе с блоком, подчинены лишь задаче сохранения блока в работе при аварийном снижении частоты и в последующем автономном режиме.

Электрическое торможение генераторов

Такие средства управления, как ОГ, ОН, ДС, каждое в отдельности и в различных сочетаниях обеспечивают повышение уровня статической устойчивости в послеаварийных режимах и оказывают воздействие и на условия динамической устойчивости. Согласно действующим в ЕЭС нормативам переходный процесс считается устойчивым, если выполняются условия динамической устойчивости и обеспечивается статическая устойчивость с коэффициентом запаса, не ниже нормативного, на всех фазах процесса вплоть до установления нового стационарного режима.

Для выполнения этого условия и преодоления имеющихся сложностей в применении вышеназванных управляющих воздействий были разработаны средства управления, обеспечивающие управляющие воздействия импульсного типа. К числу их относится и электрическое торможение генераторов (ЭТ), осуществляемое включением параллельно или последовательно специальных резисторов.

Известны различные способы торможения генераторов для компенсации кратковременного динамического возмущения при коротком замыкании. Однако в настоящее время известны лишь отдельные случаи практического использования установок электрического торможения генераторов ввиду высокой стоимости этих установок.

Коммутационные воздействия в индуктивно-емкостных установках

Вышеназванные средства управления, за исключением АПВ, направлены главным образом на изменение тем или иным способом баланса активных мощностей (моментов). Положительный эффект может быть достигнут и за счет кратковременного или длительного повышения пропускной способности (предела устойчивости) в «опасном сечении».

Средства противоаварийного управления воздействием на момент турбины

В отличие от коммутационных управляющих воздействий, эффективность которых при известных собственных временах срабатывания коммутационной аппаратуры определяется последствиями изменения схемы, эффективность воздействий через момент турбины существенным образом зависит от физических характеристик самого объекта воздействия — котлотурбинного агрегата.

Каждый энергоблок оснащен автономной системой регулирования скорости вращения, а также может быть включен в систему автоматического регулирования частоты и мощности в энергообъединении (АРЧМ). Автоматическое регулирование скорости вращения турбины не только обеспечивает необходимое качество электроэнергии, но и предотвращает лавину частоты, являясь тем самым важнейшим мероприятием по обеспечению надежности электроснабжения и живучести энергосистемы.

Вместе с тем в зависимости от характеристик энергоблоков и распределения резерва в энергосистеме регулирование скорости турбин может приводить к неблагоприятному с точки зрения устойчивости параллельной работы перераспределению мощности в послеаварийном режиме, ослабляя или сводя на нет в некоторых случаях воздействия от ОГ или ОН. По тем же причинам неблагоприятным с точки зрения устойчивости может оказаться действие системы регулирования частоты. Вместе с тем АРЧМ имеет в своем составе систему ограничения перетоков, которая во многих случаях предотвращает нарушение устойчивости при спонтанных, в том числе и аварийных перегрузках линии.

Неблагоприятным оказывается иногда действие котельной автоматики, в частности осуществление регулирования давления пара по принципу «до себя», т.е. на поддержание неизменным давления перед турбиной. При снижении частоты и реализации резерва мощности энергоблока под действием АРС давление пара перед турбиной начинает падать, что приводит в действие регулятор на закрытие клапанов и, соответственно, снижение мощности турбины. Таким образом, по прошествии некоторого времени (обычно нескольких минут) возникает самопроизвольная разгрузка энергоблоков, которая приводит к повторному снижению частоты и чревата опасностью нарушений устойчивости и развития аварии.

Регулирование энергоблока «при скользящем давлении», т.е. при полностью открытых клапанах с управлением мощностью через изменение параметров пара практически исключает непосредственную реакцию энергоблока на колебания частоты. В результате существенно снижается регулирующий эффект генерации в энергосистеме, а решение задачи поддержания частоты в аварийных условиях в большей мере возлагается на средства противоаварийной автоматики и сопряжено с повышением ущерба от ее действия.

Используются и другие виды регулирования, направленные на повышение экономичности энергоблоков, затрудняющие или в лучшем случае не способствующие решению задач обеспечения надежности и живучести энергосистемы в аварийных режимах. В отечественной практике не принято использовать управляющие воздействия на изменение момента турбин атомных электростанций (АЭС), за исключением случаев воздействия по условиям безопасности собственно АЭС. Вместе с тем эти энергоблоки обладают теми же возможностями для противоаварийного управления, и такое управление используется в энергосистемах некоторых стран, особенно тех, где АЭС составляют значительную часть генерирующих мощностей.

Управление мощностью передач и вставок постоянного тока

В схеме энергосистемы противоаварийное управление мощностью связи постоянного тока (УМПТ) сводится к созданию искусственного дефицита или избытка мощности в подсистеме, что в зависимости от характера воздействия (импульсное или длительное) обеспечивает эффект примерно такой же, как ОГ, ИРТ, ОМ, ЭТ или ОН, ФМТ, УМПН. При этом изменение перетока мощности по связи постоянного тока может быть по необходимости обеспечено практически мгновенным или с заданной скоростью. Очевидно, что это воздействие может быть использовано как для сохранения устойчивости связей в одной из подсистем, так и для предотвращения недопустимых отклонений частоты (наряду с АЧР).

• Релейная защита
• Противоаварийная автоматика

Источник https://www.asutpp.ru/avtomaticheskoe-povtornoe-vklyuchenie.html

Источник https://www.so-ups.ru/functioning/tech-base/rza/rza-means/rza-actions/