Средствами противоаварийного управления называются элементы системы противоаварийного управления, каждый из которых обеспечивает дозированное управляющее воздействие определенного вида.
Различаются средства управления: с воздействием коммутационного типа (отключением-включением элементов силовой схемы энергосистемы);
изменением момента первичного двигателя через систему подачи энергоносителя (пара, воды); изменением возбуждения синхронных генераторов и компенсаторов реактивной мощности различного вида; изменением режима мощных преобразовательных устройств в системе передачи, распределения и потребления электроэнергии. По характеру действия они подразделяются на регуляторные и программные. Регуляторы представляют собой устройства с обратной связью, оказывающие корректирующие воздействия в соответствии с определенным законом регулирования как в нормальных, так и в аварийных режимах. Программные средства управления действуют в соответствии с заданным алгоритмом лишь после возникновения аварийного возмущения, т. е. во время аварийного процесса или на каком-то его этапе.
По назначению средства управления могут быть разделены в зависимости от использования при решении пяти перечисленных ранее задач. При этом, однако, следует отметить, что большая их часть используется для решения двух, а иногда и более из этих задач. Поэтому во избежание повторений в дальнейшем средства управления классифицируются в соответствии с характером управляющих воздействий, хотя при этом и не соблюдается очередность их по значимости.
Средства противоаварийного управления коммутационного типа
1. Релейная защита и линейная автоматика
Релейная защита представляет собой самостоятельную систему в общей организации энергохозяйства и рассматривается здесь лишь для общности изложения. Основной ее целью является защита элементов оборудования энергосистемы. Эта цель достигается главным образом сокращением времени отключения поврежденных элементов и элементов, подвергающихся недопустимым по величине и длительности воздействиям тока и напряжения. В результате сокращается длительность аварийной фазы переходного процесса, что способствует и сохранению устойчивости. Более того, во многих случаях требование к быстродействию релейных защит определяется именно условиями устойчивости, а не повреждаемости оборудования. Все это говорит о правомерности отнесения релейной защиты и к средствам противоаварийного управления. В полном объеме релейная защита рассматривается в специальном курсе, поэтому в данном пособии ограничимся лишь приведенными выше замечаниями.
В общем курсе релейной защиты выделяется так называемая линейная (сетевая) автоматика. С релейной защитой ее связывает прежде всего общность технических средств. Однако, по целям и задачам линейная автоматика относится к средствам противоаварийного управления. Применение ее должно в конечном счете обосновываться теми же принципами, что и применение других средств противоаварийного управления. Пример оценки эффективности и обоснования одного из основных видов линейной автоматики - автоматического повторного включения (АПВ) линии электропередачи приводится в разделе 2.5.I.
Помимо различных видов автоматического повторного включения элементов энергосистемы к линейной автоматике относятся также устройства автоматического включения резерва (АВР).
АПВ линий, трансформаторов, шин осуществляются в расчете на то, что за время бестоковой паузы дуга в месте короткого замыкания на соответствующем элементе погаснет и таким образом повреждение ликвидируется. В случае устойчивого повреждения (падение провода или опоры линии электропередачи, невосстанавливающийся пробой изоляции, перемыкание проводов стрелой крана и т.п.) имеет место неуспешное АПВ, после чего поврежденный элемент сети отключается окончательно. Иногда до окончательного отключения делается попытка повторного применения АПВ. Различаются однофазные АПВ (ОАПВ), действующие при однофазном коротком замыкании на отключение и повторное включение лишь поврежденной фазы, и трехфазные АПВ, выполняющие эту операции одновременно на всех трех фазах. Трехфазные АПВ могут быть быстродействующими (БАПВ), т.е. осуществляющими повторное включение отключенного элемента после минимально допустимой бестоковой паузы, либо с дополнительными условиями включения - с ожиданием синхронизма (АПВОС), с улавливанием синхронизма (АПВУС), с проверкой наличия напряжения (АПВНН) и др.
Длительность бестоковой паузы ОАПВ и БАПВ принимается минимально необходимой для погасания дуги и деионизации воздушного промежутка с учетом реального быстродействия защиты и выключателя. Большая длительность бестоковой паузы ОАПВ определяется худшими условиями погасания дуги из-за подпитки ее емкостными токами от неповрежденных фаз линии. Очевидно, что при таких длительностях бестоковой паузы повторное включение оказывает влияние на характер протекания переходного процесса и условия устойчивости.
На примере простейшей схемы энергосистемы рассмотрим воздействие БАПВ (ОАПВ) на условия протекания аварийного процесса. Предположим, что в результате приобретенной в течение к.з. избыточной кинетической энергии относительного движения частей энергосистемы и (или) недостаточного уровня статической устойчивости в схеме с отключенной ЛЭП имеет место нарушение устойчивости (кривая I рис.4,а). Если при этом до момента достижения относительным углом δ некоторого критического значения δκρ ЛЭП включается вновь, то с этого момента характер процесса изменяется и нарушения устойчивости параллельной работы не происходит (кривая 2 рис.4,а). Если же в момент АПВ δ > δκρ, то произойдет нарушение устойчивости (кривая 3 рис.4,а).
Для анализа условий устойчивости обратимся к моментно-угловым характеристикам (рис.4,6). Условия устойчивости без использования АПВ по аналогии с рассмотренным ранее случаем аварийного ослабления связи в результате короткого замыкания на ЛЭП (рис.3) определяются соотношением (4). Но устойчивость может быть сохранена и при несоблюдении (4), если в некоторый момент времени, когда система находилась в состоянии, соответствующем точке 7 на характеристике "в", произойдет повторное включение ЛЭП и возврат к характеристике "а", соответствующей полному составу связи между подсистемами. При атом условие устойчивости приобретет вид: 
(11)
При равенстве значений S123451 и S57895 определяется критическое значение угла δκρ , соответствующее в этом случае точке 7.
Заметим, что в зависимости от соотношения максимумов характеристик "а" и "в" переход на характеристику "а" может отвечать условиям устойчивости при осуществлении АПВ и после прохождения точки 6. При этом условия устойчивости принимает вид:
(12)
В случае неуспешного АПВ, т.е. повторного включения ЛЭП с неустранившимся коротким замыканием, картина резко изменяется. В момент повторного включения возникает дополнительное ускорение и еще более интенсивное нарастание угла, чем при отказе от применения АПВ (кривая 4, рис.4,а). При этом даже в тех случаях, когда без АПВ обеспечивается устойчивость, т.е. соблюдается условие (4), при неуспешном АПВ может произойти нарушение устойчивости. Условие устойчивости в случае неуспешного АПВ в соответствии с изменениями моментно-угловых характеристик согласно рис.4, б записывается в виде:
(13)
Приведенные соотношения позволяют судить о влиянии вида АПВ (однофазное или трехфазное) и длительности бестоковой паузы на эффективность АПВ в обеспечении устойчивости. Очевидно, что при ОАПВ характеристика "в" имеет больший максимум, чем при БАПВ. Неоднозначным является и ответ на вопрос о целесообразности применения АПВ, имея в виду, что в случае неуспешного АПВ условия устойчивости существенно ухудшаются по сравнению со случаем отказа от применения АПВ.
В последнее время появились новые предложения и разработки, направленные на предотвращение неуспешное АПВ или в значительной степени облегчающие условия устойчивости при неуспешном АПВ. Это, прежде всего так называемое адаптивное АПВ, принцип действия которого основывается на том, что во время бестоковой паузы осуществляется контроль состояния поврежденной линии (фазы) с помощью специальных средств. Повторное включение разрешается только при устранении короткого замыкания в течение некоторого заданного интервала времени. Если в этом интервале к.з. не устранилось, АПВ не производится.
Второе мероприятие заключается в том, что при неуспешном ОАПВ дается задержка на отключение неповрежденных фаз, что обеспечивает некоторое увеличение "площадки торможения". Приведенные на рис.5.а и 5.б характеристики иллюстрируют эффективность применения задержки на отключение неповрежденных фаз в случае неуспешного ОАПВ обычного типа и адаптивного.
Здесь помимо характеристик при полном составе ЛЭП (а), при коротком замыкании (б) и с отключенной после неуспешного ОАПВ ЛЭП (в) представлена характеристика, соответствующая схеме с отключенной одной фазой во время бестоковой паузы ОАПВ (г). Условия устойчивости в этих случаях соответственно выражаются следующими соотношениями:
(14)
(15)
Рис. 5
Последние члены в правой части каждого из этих соотношений определяют дополнительную "площадку торможения", получаемую за счет задержки отключения неповрежденных фаз.
Все предыдущие рассуждения относились к АПВ с бестоковой паузой, не превышающей 1-2 с (БАПВ, ОАПВ). При значительно большей длительности бестоковой паузы, характерной для других видов АПВ, применение АПВ практически может повлиять на условия устойчивости лишь за счет повышения пропускной способности (запаса статической устойчивости) связи в послеаварийном режиме.
Помимо устройств АПВ к линейной автоматике, как уже отмечалось, относятся различные устройства автоматического ввода резерва (АВР). Необходимость применения АВР возникает прежде всего в случаях невозможности по тем или иным причинам (из-за повышенных токов к.з., перегрузки элементов сети уравнительными токами и др.) одновременного питания потребителей от двух и более источников, несмотря на наличие последних. Тогда (см.рис.6) питание осуществляется от одного из источников, а по факту аварийной потери этого источника переключается с помощью специальной автоматики АВР на другой. Аналогичные схемы могут использоваться при питании по разным ЛЭП, от разных трансформаторов или шин на подстанциях.
Требования к АВР по быстродействию определяются составом нагрузки. Обычно время переключения составляет порядка 0.5 с. В некоторых случаях, например, при наличии в составе узла нагрузки крупных сильно загруженных синхронных двигателей с малой инерционностью требуется большее быстродействие ввиду опасности выпадения этих двигателей из синхронизма.
Рис. 6
Автоматический ввод резервных агрегатов на электростанциях осуществляется в случае возникновения аварийного дефицита в энергосистеме по факту снижения частоты, либо по другим факторам (перегрузка отдельных сетевых элементов или связей, снижение уровня напряжения и др.).
На АВР практически возлагается решение лишь локальных задач устойчивости отдельных узлов нагрузки. Велика роль АВР в предотвращении процесса развития аварии, особенно связанного с потерей генерирующих мощностей в энергосистеме.
