Исходные данные: параллельная работа одного или нескольких генераторов с промышленной сетью условно неограниченной мощности. Режим параллельной работы значения не имеет.
Ситуация: несанкционированное исчезновение сети, вызванное удалённым отключением или обрывом, например, ЛЭП.
Последствия: потенциально плохие для генератора, вплоть до физического разрушения генератора и окружающих конструкций (есть случаи, когда генератор отсоединялся от двигателя и его ротор выходил на свободу сквозь стены энергокомплекса). А также возможны поражения персонала электротоком во время ремонтных работ.
- [+] Физика процесса
- Физика процесса: Неприятных факторов тут сразу несколько, вкратце постараюсь описать основные.
1. В результате удалённого отключения вся нагрузка, которая подключена на участках от генератора до точки обрыва/отключения, ложится на генератор. Величина этой нагрузки может превышать мощность генератора в десятки, сотни, тысячи раз. Наброс её происходит мгновенно скачком. В худших случаях генератор не проседает - он встаёт разом как будто вал ротора застопорили ломом. Из реального опыта: за счёт инерции обрывает муфту генератор/двигатель, генератор сходит с фундамента, токи таковы что во вторичных цепях трансформаторов тока оборудование мгновенно выгорает до углей, двигатель при этом - в капитальный ремонт, если оборванная муфта окажется слишком прочной. Это один из реальных случаев.
2. п.1, это тяжелейший случай. Чаще происходит перегрузка генераторов и их веерное отключение, иногда выпадение из синхронизма. После этого, если генераторы физически уцелели, начинается процедура повторного запуска электростанции в автономном режиме. Не все электростанции к этому готовы, поэтому иногда запитать объект автономно бывает просто невозможно в силу характера нагрузок, структуре сети объекта и возможностей генераторов.
3. Самый мягкий случай, когда не происходит вообще ничего - это возможно когда режим работы до аварии был "экспорт = 0" и нагрузки на стороне сети нет. В этом случае ничего не отключается, но развиваются сразу два сценария:
- поскольку в режиме параллели с сетью поддержание частоты не выполняется совсем (это не нужно), генераторы начинают постепенно "расползаться" по частоте и нагрузке, что в перспективе приведёт к перекосам мощности вплоть до перегрузок, обратных мощностей и в итоге к обесточиванию;
- если сетевой фидер не отключён, то он остаётся запитан от нашей электростанции. предположим, сеть отключили на вышестоящей ПС или ТП и персонал ожидает что со стороны нашей станции напряжение нет, а на самом деле оно есть. Персонал может думать что повторно включает обесточенный фидер, на самом деле это будет несинхронное включение с последствиями вплоть до описанных в п.1. Либо при производстве каких-то работ персонал может получить поражение электротоком, начав работы на участке, считающемся обесточенным, а по факту под напряжением. В таких случаях - ответственность за возможные травмы персонала вплоть до уголовной
4. Вытекает из п.3. Из-за отключения если электростанция "проседает" но удерживается в работе, то синхронизм с сетью теряется. Если при этом на удалённой ТП или ПС сработает автоматика АВР или АПВ, то включение будет несинхронным с понятными последствиями.
5. Если электростанция на момент аварии работала с большим экспортом мощности - возможен разнос генераторов.
Необходимые действия зависят от общей стратегией управления электростанции и величины получившегося скачка нагрузки. Стратегия определяет цель управления: первостепенной задачей является сохранить питание на сборных шинах или максимально защитить генераторы от повреждений.
Электрические защиты.
Существует комплекс защит, которые могут эффективно защитить генераторы, в случае, конечно, если скачок нагрузки не оказался катастрофическим. Это:
- низкая/высокая частота;
- АЧР;
- df/dt (ROCOF);
- Vector Jump (скачок вектора напряжения).
Защита от низкого/высокого напряжения, как правило, неэффективна. Также малоэффективны и защиты от перегрузки и МТЗ, поскольку они реагируют уже на последствия стремительно развивающейся аварии, а не на сам факт её возникновения.
Подробные описания физических принципов работы этих защит можно найти в сети, в том числе у некоторых производителей различной автоматики. Например
здесь.
- [+] Подробнее о частоте
- Частота промышленной сети условно неограниченной мощности всегда стабильна и составляет 50,0 (60,0) Гц, поскольку задаётся огромной энергосистемой, и даже мероприятия ОПРЧ в малой энергетике фактически неспособны на неё повлиять (как бы этого ни хотелось). Поэтому в режиме параллели с сетью нормально канал регулирования частоты в генераторах просто отключён. В этом легко убедиться, проведя несложный относительно безопасный опыт. Поэтому изменение частоты является признаком начала аварии, на это следует реагировать. На практике был получен опыт эффективности защиты f>(f<) с уставкой 49,9 Гц (устройство защиты не имело лучшего разрешения) с выдержкой времени = 0 с действием на отключение. Эффективность защиты существенно повышается с применением быстродействующих выключателей. Например, в реальном опыте не самое быстрое устройство защиты позволило выдать команду на отключение через 20 мсек (то есть за один период) после начала аварии, но быстродействие выключателя 100 мсек плюс быстродействие элементов схемы (каждое реле в схеме имеет быстродействие порядка 15 мсек, это время суммируется) сводило на нет эффективность защиты. А действовать надо быстро.
Если мы защищаем генератор - отключать будем генератор. Если мы стремимся оставить станцию в работе - отключать надо внешнюю сеть. Это ответ на вопрос: где предусматривать такую защиту? - Что защищаем - там и предусматриваем.
при хорошем быстродействии генератору всё равно может быть "нехорошо", но одно дело когда произошёл его экстренный останов со скачком нагрузки 100%, и другое дело когда этот скачок превысит мощность генератора в десятки или сотни раз (см.п.1).
Защиты df/dt и vector jump также реагируют на изменение частоты. Какая из них окажется эффективной - зависит от конкретной сети, её свойств и характера аварии (удалённое глухое КЗ и обрыв ЛЭП имеют разное поведение). Поэтому их необходимо также обе задействовать с настройками по месту. Возможные ложные срабатывания устраняются подстройкой уставки по месту. Время должно быть минимально возможным.
Если стратегией управления является сохранение напряжения на шинах и непрерывное питание потребителей, то комплекс защит действует на отключение сети, а дальше - простая лотерея: устоит ли электростанция. Но исходим из того что она устояла и продолжает работать.
По факту отключения сети следует мгновенно изменить режим работы всей электростанции (всех генераторов) на автономный (островной). Не вся автоматика позволяет это делать оперативно, некоторая не позволяет этого делать совсем. Следует оценить и выполнить мероприятия, которые позволят это делать при любом отключении сетевого ввода
независимо от причины такого отключения. После отключения сети генераторы просто начнут распределять между собой нагрузку, одновременно в них включится канал поддержания частоты.
АЧР поможет (но не гарантирует успеха) электростанции выдержать отключение и смену режима. В отдельных случаях применяется быстродействующие системы, которые за 1-2 мсек способны выдать команды на отключение необходимого для удержания станции количества потребителей - исходя из загрузки электростанции до момента аварии и состава подключенных потребителей. В простейшем случае АЧР просто отключает всё лишнее. Ключевое - опять быстродействие, в том числе и сами выключатели и их цепи управления.
В случае если задача сохранения на шинах напряжения не является актуальной, АЧР может и не применяться вовсе.
Организационные меры следует выполнять как на своём объекте, так и на вышестоящих ТП/ПС, которые являются для электростанции той самой внешней сетью условно неограниченной мощности.
1. При работе электростанции работа АВР и АПВ должна быть заблокирована на любых участках сети. Если в ТУ на присоединение генерация отсутствует - Ваша электростанция является для ФСК обычным конечным потребителем, который можно включать/отключать без ограничений. Отсюда становится понятно, почему в ТУ на присоединение так неохотно включается генерация и какие сложности это за собой влечёт для ФСК: ФСК придется перестраивать свои сети и пересчитывать защиты. На практике часто это возможно без особых проблем сделать только на своей ближайшей ТП. Поэтому вопрос хороших своих защит актуален.
2. Должны быть применены устройства контроля синхронизма, средства синхронизации и средства контроля напряжения на всех участках сети, поскольку подача напряжения возможна и со стороны Вашей электростанции. Вплоть до внесения изменений в регламенты оперативных переключений.
Заключение:
Важное замечание: эти защиты эффективны, если на момент аварии переток мощности в сеть/из сети был не менее 20% от общей мощности генерации. Защиты могут что-то успеть почувствовать, начиная с 15% перетока от генерации. Поэтому помимо применения защит необходимо изменение стратегии управления с целью запрета работы в режиме "экспорт = 0".
то есть если работают 2 генератора по 1000кВт, то минимальный импорт/экспорт должен составить 2х1000 * 0,2 = 400 кВт.
Второе важное замечание: если ожидаемый наброс нагрузки будет сопоставим с мощностью одного генератора, то имеет смысл не нагружать генератор до 100% мощности, а оставить резерв мощности для этого наброса. Например, если работают три генератора по 1000 кВт и ожидаемый наброс равен 800 кВт, то общая мощность генерирования должна быть такой, чтобы резерв мощности составил не менее 800 кВт. А именно, нагрузка каждого генератора не должна превышать (3*1000 - 800) / 3 = 733 кВт, или 73%. За базу для расчёта можно принять номинал генератора с учётом перегрузочной способности, учитывая что после наброса произойдёт отключение по перегрузке.
Однако работа с учётом этих двух замечаний не является экономически эффективной, поскольку КПД агрегатов снижается, поэтому этими рекомендациями пренебрегают. Применение этих рекомендаций является личным решением каждого владельца электростанции на основе сопоставления рисков от повреждения генераторов в результате таких аварий с потерей экономической эффективности при обычной эксплуатации. Проще говоря, каждый сам решает что ему менее убыточно: спокойно работать при пониженных КПД или после возможной аварии уйти в длительный простой и заняться дорогостоящим ремонтом.
Важный момент ответственности. Если в Ваших ТУ на присоединение генерация не упомянута, и при этом происходит какой-либо инцидент из-за подачи напряжения с Вашей стороны (которого никто не ждал) - формально ответственность лежит на Вас. Вплоть до уголовной, если будут травмированы люди или нанесён значительный ущерб. И случаи такие были. Так что в таком случае есть риск не только понести собственный ущерб, но и взвалить на себя ответственность за ущерб сторонний, что может превысить и собственный ущерб в разы или десятки-сотни раз. Этим чревата несанкционированная параллельная работа с сетью, пусть даже и без экспорта мощности.