История релейной защиты.
Защита по частоте
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Статья была опубликована в мартовском номере журнала в 2011 году >> о журнале
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Длительная работа генератора при пониженной частоте снижает его срок службы. С другой стороны, чтобы избежать «погашения» из-за небаланса генерируемой и потребляемой мощностей, генераторы должны как можно дольше быть подсоединены к энергосистеме.
Если частота блока при работе уменьшается, это указывает на нарушения в той части энергосистемы, где подключена электростанция. Причиной может быть перегрузка, вызванная выпадением из синхронизма генератора или уменьшение количества подаваемого в турбину пара. Если блок больше не подключен к системе, то вспомогательные устройства, например насосы, выпадают из синхронизма и подвергают блок опасности. Уровень (мощность) подачи насосов и вентиляторов зависит от скорости вращения, подшипники могут «осушиться» из-за недостаточного количества подаваемой смазки, что может привести к их повреждению. Это опасно для всего блока и может привести к остановке машин.
Остановка от устройств безопасности машины также требуется при аварийном уменьшении частоты в энергосистеме.
Изобретатель реле частоты
Немецко-американский инженер Чарльз Протеус Штайнметц (Charles Proteus
Steinmetz), первоначально названный Карлом Августом Рудольфом Штайнметцом (Karl August Rudolf Steinmetz) ,(Рисунок 1) считается изобретателем реле частоты. Принцип был запатентован в 1900г. Позднее Штайнметц стал работником компании General Electric и президентом Американского института инженеров- электриков (AIEE, 1901/02).
В то время маленькие отдельные энергосистемы и даже первые объединенные энергосистемы работали с колебавшейся частотой. На Рисунке 3 показана запись, сделанная в 1910г.
Рисунок 1. Чарльз Штайнметц (1865-1923)
Рисунок 2. Индукционное реле на дифференциальном принципе
Рисунок 3. Устройство записи частоты
Рисунок 4. Схема реле частоты, США, 1944
Рисунок 5. Однолинейная схема энергосистемы с расстановкой реле частоты для обеспечения селективности F1-F4 Реле Р.Т.- ТН 1-14- Выключатели
Таблица 1. Уставки реле частоты и отключаемые выключатели
В то время колебания частоты не воспринимались покупателями как вредные. Но, тем не менее, они являлись индикаторами устойчивости энергосистемы и представляли угрозу для генератора. В 1909г в журнале Electrical World была опубликована статья, где указывалось на защиту по частоте, но ей не придавали большой важности.
На Рисунке 2 показано очень простое и надежное реле частоты индукционного типа. В нем применен дифференциальный принцип. Оба якоря имеют одинаковые обмотки, но у одной сопротивление чисто активное, а другая обмотка имеет большую индуктивность. При подключении к одному напряжению, в зависимости от частоты, диск будет двигаться в одном или обратном направлениях.
Проблемы устойчивости энергосистемы, признание ее важности при проектировании энергосистем, постоянное развитие технологий для эффективного решения этих задач - все эти вопросы так же стары, как и генерация на переменном токе и передача электроэнергии. Одной из первых технических статей, посвященных устойчивости энергосистем была статья, опубликованная в 1901г У.Л.Р. Эмметом (W. L. R. Emmet) под названием «Параллельная работа управляемых турбинами генераторов»( “Parallel Operation of Engine-Driven nators”) в журнале «AIEE Transactions». Начиная с этого времени вопросы устойчивости энергосистем тщательно изучались учеными и инженерами. Разработка теоретических основ, проверка теоретических выводов на практике на реальных физических аппаратах и создание эффективных практических решений по обеспечению устойчивости являлись неотъемлемой частью развития технологий энергосистем.
Рисунок 6. Быстродействующее реле понижения частоты индукционного «барабанчикового» типа CFF13A, GE 1948
Рисунок 7. Характеристика погрешности реле CFF13A, 1959
Рисунок 8. Схема реле IJF, GE
Рисунок 9. Реле частоты CF1, Westinghouse, 1963
Рисунок 10. Схема реле CF1, Westinghouse, 1963
Многие из корифеев разработки технологий энергосистем внесли свой вклад в лучшее понимание проблемы устойчивости. Так, еще в 1920г Ч.П. Штайнметц (C. P. Steinmetz) написал работу «Управление мощностью и устойчивостью электрических станций» (“Power Control and Stability of Electric Generating Stations,”), а К.Л. Фортескью (C. L. Fortescue) в 1925г написал «Устойчивость передачи. Обсуждение некоторых , влияющих на это факторов»( “Transmission Stability. Analytical Discussion of Some Factors Entering Into the Problem"). Начиная с середины 1920х появилось особенно много технической литературы, посвященной вопросам устойчивости энергосистем, так как переход на все более высокие уровни напряжений при передаче электроэнергии выявил и новые технические вопросы, требующие изучения, решения и включения их в теорию по основам электроэнергетических систем.
Медленнодействующие реле частоты (с индукционным диском) появились на коммерческом рынке в 1921г, а быстродействующие (с индукционным барабаном («цилиндром»)) начали применяться в 1948г.
Х.Д. Карлин (H. J. Carlin) и Д.Л. Блэкбэрн (J. L. Blackburn) в 1944г предложили для применения в энергосистемах новый тип реле частоты. На рисунках 4 и 5, а также в таблице 1 показаны схемы реле частоты, места их установки в энергосистеме и уставки.
Быстродействующие реле частоты «барабанчикового» типа начали применяться в 1948г. Одним из первых реле этого типа было реле CFF (Рисунок 6a и 6b), компания General Electric.
Диапазон уставок реле CFF13A компании General Electric (1948) был между 44 и 61 Гц, поэтому оно могло применяться как в системах с частотой 50 Гц, так и 60 Гц для защиты как от повышения так и понижения частоты.
К сожалению, величина пуска зависит от измеряемого напряжения. На Рисунке 7 показана зависимость погрешностей реле, применявшихся в 1950х, от величины напряжения.
В 1950-1960х несколько компаний выпускали реле с вращающимся диском. Компания Westinghouse выпускала реле частоты типа CF-1 (Рисунок 9 и Рисунок 10). Реле частоты компании GE с индукционным диском типа IJF показано на Рисунке 8.
Характеристики реле повышения частоты типа IJF51A и реле понижения частоты типа IJF52B показаны на Рисунке 11.
Рисунок 11. Время-частотная характеристика, GE
Рисунок 12. Схема реле RVf2, Siemens, 1958
Рисунок 13. Реле частоты RVf2, (Siemens,1958)
Рисунок 14. Реле скорости изменения частоты компании CON EDISON, (ROC,1959)
Рисунок 15. Электронное реле частоты РЧ-1, СССР, 1971
[page]
Статические реле частоты
Новые реле, появившиеся в 1950х, были «резонансного» типа с использованием RLC-цепей. Типовым реле было реле компании Siemens RVf2, выпускавшееся начиная с 1958, а позднее выпускавшееся под названием 7RP95 (Рисунки 12 и 13). Реле использовались для контроля и напряжения и частоты. Это было однофазное реле напряжения, в которых перед исполнительным элементом включался последовательный контур из индуктивности и емкости. Он настраивался в резонанс с номинальной частотой, при этом нижний контакт разомкнут. Если частота стабильна, то реле работает как реле снижения напряжения. Если частота уменьшается, то контур «выходит» из резонанса, ток уменьшается. Реле «отпадает» (возвращается).
В 1959г Чарльз Д. Дуркин –младший (Charles J. Durkin, Jr.); Эдвин Р. Эберле (Edwin R. Eberle) и Питер Заракас (Peter Zarakas) представили в IEEE работу «Реле скорости изменения частоты компании Con Edison» ("Con Edison rate-of- (ROC)
relay") (Рисунок 14). Предлагаемая характеристика реле скорости изменения определялась четырьмя параметрами:
■ уставка «пологого» участка характеристики – уставка по частоте, при которой реле действовало на отключение, когда скорость уменьшения частоты была незначительной. Уставка регулировалась в диапазоне 58-60Гц.
■ Управление уставкой по скорости изменения: Автоматическая компенсация точки отключения «пологого» участка в зависимости от скорости уменьшения частоты
■ Запрет управления: Максимальная частота, при которой еще разрешено отключение вне зависимости от скорости уменьшения частоты. Эта величина регулировалась в диапазоне отключения 58-60-Гц
■ Выдержка времени: необходима для предотвращения отключения в случае очевидных условий существования низкой частоты из-за фазового сдвига при возмущениях в системе. Эта выдержка регулировалась в диапазоне 5-15 циклов частоты в системе
Рисунок 16. Измерительная схема реле РЧ-1, СССР, 1971
Рисунок 17. Реле частоты F13, ZPA, 1975
Рисунок 18. Реле частоты RXFE, ASEA, 1990
Рисунок 19. Принципы выполнения статических реле частоты
Рисунок 20. Схема реле частоты FCX103b, BBC, 1973
С 1971г в СССР выпускались электронные реле понижения частоты РЧ-1 и повышения частоты РЧ-2 (Рисунок 15). В 1990г компания ASEA представила статическое реле частоты RXFE-4 (Рисунок 18). Чешская компания ZPA Trutnov выпустила в 1975г реле частоты F13, работавшее на том же принципе, что и реле RVf2 (Рисунок 17). Рабочий диапазон в 80% от номинального напряжения был достаточен для осуществления функций АЧР, но недостаточен для применения на электростанциях. Поэтому компания BRA разработала дополнительное устройство стабилизации напряжения SPS751, которое применялось совместно с F13 (Рисунок 25).
Более простым решением являлось использование стабилитрона (диода Зенера), вплоть до напряжений до 0.6 от номинального. Применение электроники позволяет получить более точные результаты измерений. В последующие годы стали применяться два следующих основных принципа (Рисунок 19а и 19b). Оба преобразуют контролируемое напряжение в прямоугольный сигнал.
■ Сравнение длительности времени TN прямоугольного сигнала с длительностью сигнала при номинальном значении (слева)
■ Преобразование длины прямоугольного импульса в количество импульсов, вырабатываемых опорным генератором (справа)
В 1973г компания ВВС начала выпуск реле частоты FCX103 (Рисунок 20 и Рисунок 21). Это реле обнаруживало как повышение, так и понижение частоты, кроме того можно было оценить скорость изменения df/dt . В 1975г компанией Westighouse было выпущено реле понижения частоты KF. В 1980г компания Siemens представила одноступенчатое реле частоты 7RP22 и двухступенчатое 7RP23. Диапазон напряжений был 0.6-1.0 Uном.
В 1984г отдел R&D энергокомпании в ГДР разработал реле частоты SRF4 (Рисунок 26). Опорная частота стабилизировалась кварцем 100-kГц.
Рисунок 21. Статическое реле частоты FCX103, BBC, 1973
Рисунок 22. Блок-схема реле повышения понижения частоты, AMU, Индия 1981г. Решение, предложенное в 1980х университетом AMU, Индия.
Рисунок 23. Четырехступенчатое реле частоты STF40, AEG, 1981. В 1981 компания AEG представила одно- и многоступенчатые реле частоты SFT10,20 и 40
Рисунок 24. Цифровое реле частоты FC95, BBC, 1978
Рисунок 25. Дополнительное устройство стабилизации напряжения SPSR751, BRA, 1975
Микропроцессоры
В 1967г Дональд Н. Эварт (Donald N. Ewart) и Франциско П. Демело (Francisco P. Demello) представили в IEEE работу «Программа для ЭВМ по автоматическому определению пределов статической устойчивости» - “A Digital Computer Program for the Automatic Determination of Dynamic Stability Limits” . В 1975г для АЧР был применен 8-разрядный микропроцессор. Частоту можно было задавать ступенями в 0.01Гц с точностью ± 0,005 Гц. Это позволило получить коэффициент возврата > 0.999.
Уже в 1978 появилось одно из самых первых цифровыхе реле, которым стало реле частоты компании BBC типа FC 95 (Рисунок 24).
В 1981г компания AEG представила одно- и многоступенчатые реле частоты
SFT10, 20 and 40 (Рисунок 23). 8-битный микропроцессор определял длительность цикла (частоту) за минимальное время, равное длительности 4 периодов частоты.
Университет Aligarh Muslim University (AMU) в Индии в 1980х предложил интересное решение (Рисунок 22). В 1986г компания Siemens представила реле 7RP72 (Рисунок 28). Цифровое реле частоты компании GEC/ALSTOM с независимой выдержкой времени (1999г) показано на Рисунках 27a и 27b. Наконец, необходимо упомянуть о реле защиты генераторов компании ABB типа SPAF140C (1998, Рисунок 30) и реле SPAF340C, разработанного для осуществления АЧР (Рисунок 31).
Рисунок 26. Реле частоты SRF4, BRA, 1984
Рисунок 27. Реле частоты, GEC/ALSTOM, 1999
Рисунок 28. Реле частоты 7SR72, Siemens
Рисунок 29. АЧР на реле частоты CF, BBC, примерно 1960
Рисунок 30. Реле частоты SPAF140C, ABB
При определенных условиях блок может «выпасть» из синхронизма из-за перегрузки. В этих условиях может помочь АЧР фидеров (Рисунок 29). При уменьшении частоты можно отключать нагрузку (ступенями по времени). Компанией ВВС в 1978г было предложено специальное решение по выполнению АЧР – в базовой версии программируемое 4-х ступенчатое устройство отключения, в зависимости от частоты, нагрузки (до 80 фидеров). Это реле применялось в сетях среднего напряжения и на промышленных предприятиях (Рисунок 32). Насколько важна роль АЧР можно показать на примере крупной аварии в Европе, произошедшей 4-го ноября 2006г. Европейская энергосистема UCPTE разделилась на 3 независимые части. Это позволило избежать дальнейшего понижения частоты в части 1 (Запад).
Рисунок 31. Реле частоты SPAF340C, ABB
Рисунок 32. Устройство АЧР KF91, BBC, 1978
Автор: Вальтер Шоссиг (W Schossig) >> подробнее об авторе
Перевод с английского: Перевертов Валерий Юрьевич
Статья была опубликована в мартовском номере журнала в 2011 году