10.7. ЛАВИНА ЧАСТОТЫ
Разделение частей ЭЭС в точке сети, через которую в доаварийном режиме протекала значительная мощность, приводит к нарушению баланса активной мощности. Если в части ЭЭС, получавшей мощность извне, резервы недостаточны, то возникает дефицит активной мощности.
Баланс активной мощности в установившемся режиме характеризуется равенством генерируемой и потребляемой мощностей при нормальной частоте. Он определяется точкой пересечения статических характеристик нагрузки (2) и генерирующих источников (1) (рис. 10.11). В исходном режиме этому соответствует точка А. Предположив ограничение характеристики генерирующих источников после разделения линией <?, следует, что баланс в установившемся режиме находится в точке Б (частота /аь). Эта частота может оказаться ниже значения, при котором производительность насосов, работающих на противодавление (питательные насосы котлов), оказывается недостаточной (см. § 8.1). В этом случае нарушается работа котлоагрегатов и электростанция должна быть остановлена. Частота в дефицитной части ЭЭС дополнительно снижается, что приводит к нарушению работы других электростанций, и т. д. до полного останова всех генерирующих источников.
Восстановление работы электростанций требует подачи на каждую из них электроэнергии извне для приведения в действие технологического оборудования. Только после пуска котлов и турбин электростанции могут быть включены в работу.
Рис. 10.11. Статические характеристики системы по частоте и активной мощности
Из рассмотренного следует, что лавина частоты может вызвать тяжелую многочасовую энергетическую аварию на большой территории. Чтобы избежать ее, ЭЭС оснащаются частотной автоматикой, расположенной на подстанциях ЭЭС. По мере аварийного снижения частоты эта автоматика отключает линии распределительных сетей для удержания частоты в пределах, безопасных для функционирования собственных нужд электростанций. Затем частота доводится до значения, близкого к нормальному, при котором возможна синхронизация разделившихся частей ЭЭС, и последующее восстановление электроснабжения всех отключенных потребителей.
В связи с тем, что процесс изменения частоты происходит с постоянной времени, обусловленной инерцией вращающихся масс, можно осуществить желательный ход изменения процесса и необходимые меры по его корректировке. В этом смысле управление производится с обратной связью, обеспечивающей повышенную надежность. Кроме того, как было показано в § 8.1, в качестве резервного средства при большом снижении частоты используется устройство, отделяющее генератор с собственными нуждами от системы для обеспечения их питания с нормальной частотой. В связи с некоторой разгрузкой отделяемых генераторов частотное деление сопровождается некоторым увеличением дефицита активной мощности.
На ГЭС предусматривается автоматический пуск в течение 40— 60 с гидрогенераторов, находящихся в резерве, и перевод агрегатов, работающих в режиме СК, в активный режим (10—15 с).
10.8. ЛАВИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Лавины напряжения, также случающиеся в ЭЭС, связаны с балансом реактивной мощности, который определяется соотношением характеристик генерирующих источников (питающей системы) и потребителей. Качественное представление о характере процессов
Рис. 10.12. Характеристики напряжения и реактивной мощности генераторов (а); ЛЭП (б); БК (в)
дает сопоставление характеристик генерирующих источников и нагрузки потребителей. Характеристики источников реактивной мощности приведены на рис. 10.12. Правая нарастающая ветвь характеристики синхронного генератора (рис. 10.12, а) соответствует росту тока возбуждения, обусловленному действием АРВ. При некотором снижении напряжения ток возбуждения достигает предельного (потолочного) значения и в дальнейшем реактивная мощность синхронного генератора уменьшается, что характеризуется левой снижающейся ветвью характеристики. Обычно генераторы работают через повышающий трансформатор и результирующая характеристика уменьшена за счет потери реактивной мощности в трансформаторе.
Характеристики Q2=f(U2) линии электропередачи (см. рис. 10.12,6) зависят от передаваемой активной мощности, но также имеют выпуклость вверх. Характеристика БК определяется выражением Qk= и2/хк.
Характеристика питающей системы представляет собой сложное сочетание приведенных характеристик и БК, имеет выпуклость, направленную вверх. Характеристики БК, если их мощность значительна, приводят к смещению экстремума характеристики питающей системы в область более высоких напряжений.
Рис. 10.13. Характеристика нагрузки
На рис. 10.13 приведена характеристика нагрузки. При уменьшении напряжения потребляемая ею реактивная мощность снижается. Большое уменьшение напряжения вызывает останов не отключившихся от сети асинхронных двигателей, в результате чего потребляемая ими реактивная мощность увеличивается.
Рис. 10.14. Сочетание статических характеристик системы (1 и 3) и нагрузки (2 и 4) у обеспечивающих нормальный режим
Практически это увеличение ограничено тем, что магнитные пускатели, использующиеся в качестве коммутационного аппарата на основных двигателях, отключаются. Это снижает нагрузку, и характеристика смещается вниз; она имеет выпуклость, направленную вниз.
В исходном нормальном режиме баланс реактивной мощности узла системы обусловливается пересечением характеристик нагрузки и генерации в области, соответствующей наличию резерва реактивной мощности. Поддержание требуемых уровней напряжения при различной нагрузке обеспечивается преднамеренным изменением токов возбуждения генераторов и переключением ответвлений трансформаторов, что равносильно смещению характеристики питающей системы (рис. 10.14).
Рис. 10.16. График снижения напряжения в аварийном режиме
В аварийных режимах, связанных с резким смещением характеристик (рис. 10.15), на пересечении правых ветвей характеристик системы и нагрузки установившийся аварийный режим оказывается устойчивым. Напряжение, установившееся в аварийном режиме, может оказаться недостаточным для сохранения статической устойчивости нагрузки или обеспечения технологических процессов производств.
Рис. 10.15. Достижение установившегося режима в аварийных условиях в точке пересечения характеристики системы (1) и нагрузки (2)
Различают несколько причин возникновения лавины напряжения.
Сопутствующая лавина понижения напряжения возникает одновременно с лавиной частоты вследствие разделения ЭЭС на части, которые иногда приводят к потере части генерирующей реактивной мощности и зарядной мощности сети сверхвысокого напряжения, существенной для баланса. Кроме того, большое снижение частоты из-за его влияния на работу АРВ приводит к изменению напряжения на выводах генераторов.
Известно, что измерительные органы АРВ пропорционального действия обладают индуктивностью, в результате чего они реагируют на снижение частоты как на эквивалентное ему повышение напряжения. В результате эти АРВ приводят к некоторому уменьшению напряжения. В среднем при снижении частоты на 1% напряжение уменьшается на 1,4%.
АРВ сильного действия, реагируя на производную частоты, наоборот, воспринимают снижение частоты как уменьшение напряжения, что увеличивает возбуждение генераторов.
Реакции АРВ обоих типов противоположны и в целом влияние изменения частоты на напряжение зависит от их удельного веса в ЭЭС.
Процесс снижения напряжения при сопутствующей лавине протекает в два этапа. На первом этапе напряжение скачком уменьшается до установившегося значения, соответствующего балансу реактивной мощности (рис. 10.16). На втором этапе при снижении частоты, происходящем с постоянной времени Т=2—3 с, напряжение дополнительно уменьшается из-за характеристик АРВ. Изменение напряжения, влияя на мощность, потребляемую нагрузкой, в свою очередь оказывает некоторое воздействие на изменение частоты.
При успешной работе частотной разгрузки ликвидируются дефициты как активной, так и реактивной мощностей.
Главная опасность сопутствующей лавины напряжения заключается в том, что большие снижения напряжения могут вызвать отказы частотной автоматики, предназначенной для поддержания частоты в безопасных пределах. Возможны также отказы отключения выключателей на подстанциях с оперативным переменным током.
Во избежание отказов необходимо, чтобы принцип действия реле частоты исключал влияние напряжения на их уставку, а цепи отключения выключателей на подстанциях с оперативным переменным током питались от стабилизаторов напряжения.
Лавина понижения напряжения нагрузочного узла возникает в результате аварийного уменьшения пропускной способности сети из-за отключения части питающих ЛЭП. На приемной стороне оставшихся в работе питающих ЛЭП напряжение может снизиться до значений, недостаточных для обеспечения технологических процессов производства.
К лавинам понижения напряжения может привести также преждевременный съем форсировки возбуждения генераторов, связанный с неполным использованием их перегрузочного ресурса.
Ситуация может усугубиться несоразмерно большой мощностью конденсаторных установок, смещающих экстремум характеристики генерации в сторону более высоких напряжений. В этом случае баланс реактивной мощности соответствует пересечению характеристики нагрузки с левой ветвью характеристики генерации, при котором нарушается устойчивость режима напряжения узла нагрузки.
При возникновении лавины понижения напряжения узла нагрузки необходимо отключить часть потребителей по признаку уменьшения напряжения для того, чтобы наиболее ответственные потребители могли продолжать работу, даже если напряжение осталось пониженным.
Увеличение напряжения, свидетельствующее о восстановлении пропускной способности сети, должно сопровождаться автоматическим включением в работу всех потребителей.
Лавина повышения напряжения возникает при резком увеличении нерегулируемой составляющей генерируемой реактивной мощности. Обычно это связано с избыточной зарядной мощностью сети сверхвысокого напряжения в условиях пониженного потребления реактивной мощности. Например, в процессе лавины частоты питающая сеть вследствие работы АЧР разгружается, и потери реактивной мощности в ней уменьшаются, а оставшаяся нагрузка потребляет реактивную мощность, меньшую чем ее зарядная мощность.
Для сохранения баланса реактивной мощности при допустимом напряжении генераторы с помощью АРВ переводятся в режим недовозбуждения. При этом может потребоваться столь большое уменьшение возбуждения, что генераторы приходится разгружать по активной мощности. Это, в свою очередь, приводит к лавине частоты. Ситуация, складывающаяся в этих условиях, изображена на рис. 10.17. Линии 1 и 3 представляют собой характеристики системы до аварии и после нее, линии 2 и 4 — соответственно характеристики нагрузки.
Рис. 10.17. Переход из нормального режима (I) в режим повышения напряжения (II)
В связи с тем, что зарядная мощность пропорциональна квадрату напряжения, приложенного к емкостным проводимостям сети,
и учитывая, что в этом случае речь идет о большой емкости сети сверхвысокого напряжения, наклон характеристики системы может измениться на противоположный (линия 5). Аварийный режим устанавливается в точке II при напряжении, которое может оказаться опасным не только для потребительских установок, но и для изоляции трансформаторов и сети.
При исчерпании возможностей перевода генераторов в режим недовозбуждения единственным средством борьбы с лавиной повышения напряжения является временное отключение части линий сверхвысокого напряжения (по возможности без разделения системы). В процессе нормализации режима линии вновь включаются в работу.
