Устройства послеаварийной автоматики электрических сетей

К устройствам послеаварийной автоматики электрических сетей относятся устройства автоматического повторного включения (АПВ), автоматического включения резерва (АВР) [17].

Устройства автоматического повторного включения. Известно, что большинство повреждений воздушных линий электропередачи возникает в результате схлестывания проводов при сильном ветре и гололеде, а также нарушения изоляции во время грозы. Эти повреждения неустойчивы и при быстром отключении поврежденной линии самоустраняются. Если после этого кратковременного отключения линию снова включить, то она остается в работе и электроснабжение потребителей не нарушается. Повторное включение осуществляется автоматически устройством автоматического повторного включения (УАПВ). При устойчивых повреждениях защита вновь отключает линию после действия УАПВ. Такое автоматическое повторное включение (АПВ) называют неуспешным. Практика показывает, что неуспешные АПВ составляют не более 25—30% от всех АПВ. Поэтому АПВ является основным эффективным средством повышения надежности электроснабжения.

Схемы УАПВ различаются по способу пуска, по типу элементов, по способу воздействия на привод выключателя, по кратности воздействия (однократного и многократного действия) и другим признакам. Несмотря на указанные различия, все устройства АПВ должны всегда находиться в состоянии постоянной готовности к действию и срабатывать при всех случаях аварийного отключения, но не должны приходить в действие при оперативных отключениях выключателя дежурным персоналом. Это обеспечивается пуском устройств АПВ от несоответствия состояния выключателя и его ключа управления. Такое несоответствие возникает только при любом автоматическом отключении выключателя, в том числе и от релейной защиты. Устройства АП В должны иметь минимально возможное время срабатывания для того, чтобы перерывы питания потребителей были минимальными.

Упрощенная принципиальная схема АП В линий с односторонним питанием приведена на рис. 8.28. Схема выполнена на постоянном токе. Она функционирует следующим образом. При отключении выключателя Q по любой причине, кроме отключения его от ключа управления SA, ключ SA остается в положении «Включено» и его контакты SA1 остаются замкнутыми. При этом блокировочный размыкающийся контакт Q выключателя замыкается. Через последовательно включенные замкнутые контакты ключа управления SA1 и блок-контакт Q срабатывает реле времени КТ. Условием для его срабатывания и для пуска АПВ служит несоответствие положения ключа управления SA выключателем Q и состояния выключателя Q. Через заданную выдержку времени контакты реле времени КТ замыкаются и включают обмотку промежуточного реле KL. Реле KL срабатывает и замыкает свой контакт в цепи электромагнита YAC включения выключателя Q. При включении выключателям Q его блок-контакт в цепи электромагнита YAC включения размыкается и электромагнит YAC выключается. Если включение производится ключом управления SA, то промежуточное реле KL срабатывает без выдержки времени через контакты SA2 ключа управления SA.

Рис. 8.28. Принципиальная схема устройства АПВ.

Выключение выключателя производится при замыкании контактов SA3 ключа управления SA. Допустимое количество циклов АПВ ограничивается с помощью размыкающих контактов реле счета КС, которое срабатывает при заданном количестве циклов АПВ. Это позволяет избежать пережогов проводов при многократном включении на устойчивое короткое замыкание.

При установке АП В на линиях с двухсторонним питанием необходимо учитывать, что для восстановления работоспособности поврежденной линии требуется отключать ее и включать с двух сторон. Поэтому устройства АПВ следует устанавливать на выключателях обоих концов защищаемой линии.

Современные устройства АПВ однократного, двукратного и трехкратного действия выполняются на микросхемах и микроконтроллерах.

Устройства автоматического включения резерва рассмотрим на примере включения резервного трансформатора. Автоматическое включение резерва (АВР) широко применяется для автоматического включения не только резервных линий, но и трансформаторов. Схемы подстанций обычно выполняются так, что при наличии двух трансформаторов шины низшего напряжения секционируются (рис. 8.29). В нормальном режиме работы секционный выключатель Q5 отключен и каждый трансформатор питает свою секцию шин. Трансформаторы не связаны между собой: каждый из них питает собственных потребителей. При этом уменьшаются токи КЗ и потери электроэнергии, а также исключаются перетоки мощности и упрощается релейная защита. При аварийном отключении одного из трансформаторов, например Т1, устройство АВР отключает выключатель Q2 и включает секционный выключатель Q5. Электроснабжение потребителей, подключенных к секции 1, сохраняется. Надежность электроснабжения потребителей повышается.

Рис. 8.29. Схема с устройством автоматического включения резервного трансформатора.

Все устройства АВР должны удовлетворять следующим основным требованиям [20]:

• 1. Схема АВР должна приходить в действие при исчезновении напряжения на шинах потребителя по любой причине, в том числе при аварийном, ошибочном или самопроизвольном отключении выключателей рабочего источника питания.
• 2. Для того чтобы уменьшить длительность перерыва питания потребителей, включение резервного источника питания должно производиться сразу же после отключения рабочего источника.
• 3. Действие АВР должно быть однократным, чтобы не допускать нескольких включений резервного источника на неустранившееся КЗ.
• 4. Схема не должна приходить в действие до отключения выключателя рабочего источника, чтобы избежать включения резервного источника на КЗ в неотключившемся рабочем источнике.
• 5. Для ускоренного отключения резервного источника при его включении на неустранившееся КЗ должно предусматриваться ускорение защиты резервного источника после АВР.

Устройство аварийной разгрузки трансформаторов в случае его перегрузки автоматически поочередно отключает потребителей до тех пор, пока перегрузка трансформатора не устранится. При определении отключаемой нагрузки исходят из того, чтобы трансформатор с оставшейся нагрузкой мог работать в течение 1,5—2 часов, пока обслуживающий персонал не примет меры по требуемой разгрузке трансформатора.

Кроме рассмотренных устройств для трансформаторов применяют автоматическое включение и отключение параллельно работающих трансформаторов для уменьшения потерь электроэнергии, а также устройства автоматического регулирования напряжения.

8.8. Включение синхронных генераторов на параллельную работу На каждой электростанции, как правило, устанавливают несколько генераторов, которые включаются на параллельную работу. При этом сами электростанции также работают на общую сеть, которая образует энергосистему. Таким образом, в современных энергосистемах на общую сеть работает большое число синхронных генераторов. Благодаря этому обеспечивается высокая надежность электроснабжения потребителей и возможность маневрирования энергоресурсами.

В локальных электрических сетях небольшой мощности, питающих ответственные потребители первой категории, требующие бесперебойного питания, также необходимо включение генераторов на параллельную работу. Дело в том, что синхронные генераторы являются вращающимися машинами и требуют периодического вывода их из работы для профилактического осмотра и ремонта. Вместо выведенного из работы генератора включают другой генератор или резервный генератор. Такие переключения приходится производить через каждые 2—3 месяца в плановом порядке.

Для обеспечения бесперебойного питания потребителей, прежде чем вывести из работы один генератор и включить вместо него второй генератор, необходимо на короткое время включить их на параллельную работу, а затем уже отключать работавший ранее генератор.

При включении генераторов на параллельную работу с другими генераторами могут возникнуть опасные короткие замыкания и глубокие провалы напряжения. Чтобы избежать чрезмерно больших толчков тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждения генератора и нарушить работу электрической сети, при включении синхронного генератора на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия синхронизации:

• 1. Напряжение включаемого генератора и напряжение сети или напряжение работающего генератора должны быть равны и совпадать по фазе.
• 2. Частота включаемого генератора не должна отличаться от частоты сети более чем на 0,5 Гц.
• 3. Чередование фаз включаемого генератора и сети должно быть одинаковым.

Рис. 8.30. Включение синхронных генераторов на параллельную работу.

Лампы включены на потухание Несоблюдение первого условия равносильно короткому замыканию, которое может вызвать серьезную аварию. Если напряжения генератора и сети в момент включения на параллельную работу будут сдвинуты по фазе на 180°, то это эквивалентно короткому замыканию при удвоенном напряжении, и ударный ток при включении может превысить ток при обычном коротком замыкании в 2 раза, а ударные электромагнитные моменты и силы при этом возрастут в 4 раза, что вызовет серьезные повреждения обмоток синхронных генераторов. Если указанные выше условия выполняются, то при включении не возникает никакого толчка тока.

Равенство напряжений достигается путем регулирования тока возбуждения генератора и контролируется с помощью вольтметра. Совпадение напряжений по фазе контролируется с помощью приборов, называемых синхроноскопами. Простейший синхроноскоп состоит из трех электрических ламп накаливания, включенных по схеме погасания, приведенной на рис. 8.30. В этой схеме каждая лампа (НЕя, НЕЙ, HLc) включена на разность одноименных фазных напряжений генераторов. Нейтральные точки генераторов соединены друг с другом. Изменение частоты и фазы генератора достигается изменением скорости вращения генератора. Достичь точного равенства частот даже в течение небольшого промежутка времени практически невозможно. Поэтому все три лампы будут одновременно загораться и гаснуть с частотой, равной разности частот f_x и /₂ работающего G1 и включаемого G2 генераторов (рис. 8.31). В момент яркого загорания ламп разность напряжений будет максимальная, а в момент потухания — минимальная. Период Т погасания ламп вычисляют по формуле.

Правильный порядок чередования фаз определяют по соответствию светового эффекта принятой схеме включения ламп. В данной схеме это одновременное погасание ламп. Если порядок следования фаз нарушен, то в схеме на погасание будет наблюдаться вращение света, а не его погасание. Для стационарных установок контроль можно осуществлять не по трем, а лишь, но двум фазам, гак как при совпадении напряжений в двух фазах напряжения в третьей фазе также будут совпадать, поскольку они связаны жесткой зависимостью.

Путем регулирования частоты генератора добиваются того, чтобы частота загорания и погасания ламп была минимальной (период 3—5 с). Включать выключатель следует точно в момент погасания ламп, когда напряжение работающего генератора и ЭДС включаемого генератора будут равны и уравновесят друг друга.

При малой частоте лампы погаснут раньше, чем напряжение на них достигнет нуля, и загораются после того, как напряжение пройдет через нуль и достигнет напряжения загорания ламп. Поэтому при ручной синхронизации невозможно правильно выбрать момент синхронизации.

Синхронизация генераторов является весьма ответственной операцией, требует от эксплуатационного персонала большого внимания и обычно занимает достаточно много времени. Однако, самое главное, она не исключает ошибочных действий персонала, которые могут привести к тяжелым последствиям. Для исключения ошибок персонала и облегчения его работы пользуются автоматическими синхронизаторами.

Рассмотрим принцип действия автоматизированного устройства «Синхрон 1», при использовании которого равенство напряжений, порядок чередования фаз и равенство частот регулируются оператором и контролируются визуально, а определение момента включения и включение на параллельную работу осуществляются автоматически.

Функциональная схема синхронизатора приведена на рис. 8.32. Основной задачей, выполняемой схемой синхронизации, является установление момента совпадения угловых фаз работающего и включаемого генераторов. Эта операция является наиболее ответственной при включении синхронных генераторов на параллельную работу, и ее трудно выполнить вручную. Остальные операции: выравнивание напряжений, частоты и порядка следования фаз — трудностей не представляют. Для фиксации момента совпадения угловых фаз в данном устройстве выбран момент прохождения синусоиды напряжения в фазе А через нуль. В этот момент изменение напряжения максимальное и момент совпадения фаз фиксируется наиболее четко. Для такой фиксации служат два гальванически развязанных канала.

Рис. 8.31. Напряжения на фазах генераторов и их разность.

Рис. 8.32. Функциональная схема синхронизатора.

Один канал подключен к фазному напряжению работающего генератора G1 (вывод А1), второй — к одноименному фазному напряжению резервного генератора G2 (вывод А2), который нужно включить на параллельную работ}'. Сигналы со входов в каждом канале через разделительные трансформаторы Тр1 и Тр2 подаются на сигнатурные элементы VD1, R1, VD3 и VD2, R2, VD4, которые превращают напряжение положительной полуволны в единичный сигнал. С выходов сигнатурных элементов сигнал подается на дифференциаторы Dl, D2. Единичные импульсы с выходов дифференциаторов Dl, D2 имеют продолжительность не более 1°. Таким образом, момент совпадения фаз фиксируется очень точно.

Выходы дифференциаторов и сигнал разрешения «Пуск» подаются на вход схемы совпадения & (схема И). С выхода схемы совпадения сигнал поступает на устанавливающий вход S триггера Т, а с его выхода через усилитель мощности УМ подается на включающую катушку Р силового коммутационного выключателя. Включение резервного генератора происходит в тот момент времени, когда напряжение работающего и резервного генераторов в контролируемых фазах равны нулю, а напряжения остальных фаз равны между собой (рис. 8.33). Благодаря электронной схеме синхронизации момент совпадения фаз фиксируется очень точно. Поэтому при переключении отсутствуют броски тока и провалы напряжения.

Рис. 8.33. Процесс включения генератора на параллельную работу.