Издание 4-е переработанное и дополненное
Автор: Барзам А. Б.
Издательство: М.: Энергоатомиздат, 1989
Освещены основные вопросы автоматики энергосистем, включая вопросы регулирования частоты и мощности, возбуждения синхронных машин и напряжения в энергоузлах, автоматической синхронизации, частотной разгрузки и противоаварийной автоматики (ПА). Третье издание вышло в 1973 году как учебное пособие для техникумов. Четвертое издание дополнено описанием централизованных устройств ПА.
Для инженерно-технического персонала, занятого в области режимов работы энергосистем и их автоматизации, может быть использована студентами вузов и учащимися техникумов.
Настоящее, четвертое издание книги А. Б. Барзама, как и три предыдущих, отражают большой опыт педагогической работы автора, накопленный им в процессе преподавательской деятельности в Московском энергетическом техникуме, а также опыт его инженерной работы в Центральном диспетчерском управлении Единой энергосистемы СССР (ЦДУ ЕЭС СССР).
Рукопись книги была сдана автором в, издательство незадолго до смерти. В силу ряда причин издание книги задержалось, в результате чего потребовалось ее существенное обновление.
Эта работа была проделана кандидатом технических наук Я. Н. Лугинским при редактировании рукописи. Кроме того, им было заново написано введение, отражающее современное состояние техники автоматического управления с учетом использования в ней элементов вычислительной техники, § 4.8, посвященный централизованным системам противоаварийной автоматики и расширено заключение. В то же время ряд устаревших материалов был из книги исключен.
Заново переработан список литературы, включивший в себя самые современные издания по рассматривавшимся в книге вопросам. Заменен весь графический материал, построенный теперь на базе новых международных обозначений. Эта работа была проведена П. Ф. Барзам, которая является соавтором книги.
Отличительной особенностью книги является то, что в ней весьма широко представлены применяемые в настоящее время технические средства управления работой электрической части энергосистем. Материал книги превосходит все то, что имеется в большинстве учебников не только для техникумов, но и для вузов. Это обстоятельство наряду с описанием самых современных устройств и подходов, к их применению может оказаться весьма важным для многих читателей.
Развитие энергетики всех стран мира идет по пути объединения на параллельную работу все большего числа электростанций, энергосистем и энергообъединений. В СССР в результате длительного процесса, связанного с сооружением магистральных линий электропередачи и освоением техники параллельной работы мощных энергообъединений, была создана Единая энергосистема страны (ЕЭС СССР), включающая в себя 9 энергообъединений из 11 существующих в стране. В 12-й пятилетке к ней будет подключено одно из оставшихся энергообъединений – объединенная энергосистема (ОЭС) Средней Азии. Распространение ЕЭС СССР в широтном направлении достигает шестичасовых поясов, и так называемый «широтный эффект» объединения – снижение пика нагрузки всей энергосистемы за счет разновременности пиков в отдельных ее частях сейчас достигает примерно 10 миллионов кВт.
Другим существенным преимуществом создания Единой энергосистемы является повышение надежности энергоснабжения потребителей за счет взаиморезервирования ее частей и повышение экономичности за счет максимального использования наиболее экономичных источников электроэнергии. Однако ЕЭС СССР, как и другим крупнейшим энергообъединениям мира, присущ определенный недостаток, заключающийся в возможности быстрого распространения нарушений нормального режима, происшедших в той или иной части системы, и перерастания их в так называемые системные аварии с обесточением потребителей на больших территориях.
Опыт показал, что наилучшим средством предотвращения таких аварий является совершенствование управления энергосистемой, которое подразделяется сейчас обычно на два
класса: оперативно-диспетчерское и автоматическое. К оперативному диспетчерскому управлению относится управление, осуществляемое силами специально выделенного (дежурного) персонала, непрерывно контролирующего режим работы энергосистемы в целях обеспечения его экономичности и необходимого качества электроэнергии по частоте и напряжению, а также предотвращения возможных аварий и ликвидации их последствий.
Система оперативно-диспетчерского управления, как правило, является иерархической и содержит несколько уровней.
Рисунок 1. Обобщенная схема современного типового устройства управления
1 – элемент, инициирующий действие устройства за счет подачи на него входного сигнала; 2 – обрабатывающая часть, в функции которой входит та или иная обработка поступающей информации; 3 – исполнительный орган, непосредственно воздействующий на объект регулирования; 4 и 5 – главная обратная связь системы, присутствующая там, где она используется.
В ЕЭС СССР принята трехуровневая система диспетчерского управления, высшим уровнем которой является Центральное диспетчерское управление Единой энергосистемы (ЦДУ ЕЭС СССР), затем следуют объединенные диспетчерские управления (ОДУ), каждое из которых ответственно за свою часть Единой энергосистемы, называемую объединенной энергосистемой или энергообъединением, и диспетчерские службы районных энергоуправлений (РЭУ), управляющие работой районных энергосистем (РЭС). Помимо этого, в оперативно-диспетчерском управлении участвует соответствующий персонал предприятий электрической сети (ПЭС) и районов электрической сети (РЭС), а также дежурный персонал электростанций, действующий под руководством диспетчеров ЦДУ, ОДУ и РЭУ.
Перед персоналом диспетчерских управлений всех уровней стоят ответственные и сложные задачи. В нормальном режиме работы энергосистем они сводятся к планированию их работы вплоть до составления суточных графиков нагрузки, руководству реализацией этих графиков в условиях непрерывно меняющегося электропотребления, руководству переключениями в электрических сетях для выполнения ремонтных работ, ведению статистического учета и отчетности и т. п. Важнейшей задачей диспетчерского управления является непрерывный контроль за состоянием энергосистемы, особенно необходимый в так называемых напряженных режимах, когда условия работы отдельных ее элементов приближаются к предельным.
Основной частью всех этих задач являются сбор, обработка и отображение информации о состоянии диспетчируемой системы, которые требуют для своего осуществления специального оборудования. Работа по созданию такого оборудования велась с самого момента возникновения органов диспетчерского управления, т. е. с середины 20-х годов, и включала в себя создание специальной сети связи, к которой впоследствии были добавлены средства телемеханики и так называемые диспетчерские щиты различных конструкций. При создании всех этих средств, объединенных под общим названием «средства диспетчерско-технологического управления» (СДТУ), постоянно проявлялось стремление «оживить» диспетчерский щит, отобразив на изображенной на нем схеме энергосистемы ее текущее состояние. Для телесигнализации (ТС) сделать это удалось, и диспетчерские щиты с встроенными в них элементами сигнализации положения коммутационного оборудования уже давно составляют неотъемлемую часть диспетчерских пунктов высших ступеней иерархии. Однако совместить с изображением какого-либо элемента энергосистемы сведения о режиме работы этого элемента в данный текущий момент оказалось очень трудно. Решение этой задачи стало возможным в полной мере только после внедрения в технику диспетчерского управления электронных вычислительных машин (ЭВМ) с присущими им средствами отображения информации в виде дисплеев с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).
В настоящее время большинство диспетчерских пунктов на трех указанных выше уровнях оперативно-диспетчерского управления ЕЭС СССР уже оснащено подобного рода оборудованием, которое вместе со средствами связи и телемеханики входит в так называемые автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ). В состав АСДУ, как правило, входят так называемые оперативно-информационные комплексы (ОИК) с ЭВМ с дисплеями, установленными на рабочих местах диспетчеров и других сотрудников органов диспетчерского управления. Это существенно облегчило работу диспетчеров и повысило ее эффективность, однако коснулось главным образом только нормальных (в том числе напряженных) и послеаварийных режимов работы энергосистем. Аварии же в энергосистемах, как известно, в большинстве своем настолько быстротечны, что оперативно-диспетчерское управление с участием человека-оператора часто оказывается не в состоянии справиться с возникающими при этом задачами и должно дополняться управлением другого вида – автоматическим.
Автоматическое управление в энергосистемах также стало применяться с момента их возникновения, и в настоящее время устройства автоматики энергосистем могут рассматриваться как родоначальники всех устройств электроавтоматики.
Однако первоначально автоматические устройства применялись в энергетике главным образом для выполнения функций защиты тех или иных элементов от действия сверхтоков, возникающих в момент повреждения. Процессы, возникающие при этом, – это электромагнитные переходные процессы, а автоматические устройства, предназначенные для защиты от влияния этих процессов, – это устройства релейной защиты. Релейная защита энергосистем – это самостоятельная сложная отрасль знаний со своей теорией и техникой.
Параллельно с развитием релейной защиты энергосистем в них начала развиваться и другая ветвь автоматики с иными задачами. Первоначально эти задачи не отличались от задач автоматики в других областях техники н состояли в помощи персоналу при выполнении трудоемких и рутинных работ.
Рисунок 2. Структура АПНУ по предложению Энергосетьпроекта
АЗД – автоматика запоминания дозировки; АДВ – автоматика дозировки воздействия
Затем возникли задачи, где, как и в релейной защите, потребовалась более высокая скорость реакции, недоступная человеку.
В число этих задач входили, в частности, задачи автоматического повторного включения (АПВ) линий электропередачи и задачи автоматического ввода резерва (АВР), т. е. то, что теперь иногда называют линейной или сетевой автоматикой. Далее число этих задач продолжало расти, что и привело к появлению другой самостоятельной дисциплины – системной автоматики.
Релейная защита и системная автоматика – это два вида автоматического управления в энергосистемах, взаимосвязанных и взаимодополняющих друг друга. Во многих случаях для них применяется и одинаковая аппаратура. Однако между ними имеются отличия. Первое из них состоит в том, что для системной автоматики, как правило, определяющими являются не столько электромагнитные, сколько электромеханические переходные процессы, т. е. процессы, связанные с относительным движением роторов синхронных машин вовремя и после аварии, к которым в настоящее время добавились процессы так называемой длительной динамики, происходящие со значительным (в несколько герц) изменением абсолютного движения (частоты вращения) синхронных генераторов.
Второе отличие системной автоматики состоит в том, что если действие устройств релейной защиты носит достаточно локальный характер, ограниченный одним или несколькими присоединениями, и лишь затяжка в отключении КЗ или возникновение каскадных возмущений может привести к дальнейшему развитию аварии, то системной автоматике присущ чаще всего глобальный характер действия и влияния на энергосистему с охватом большего числа присоединений и достаточно большого района энергосистемы. Причем действие этой автоматики тесно связано с режимом работы энергосистемы или ее части н оказывает свое влияние на этот режим.
В настоящее время сложилось вполне отчетливое представление о составе устройств, объединяемых понятием системной автоматики. Кроме линейной (сетевой) автоматики, к их числу относят также устройства автоматики нормального режима и противоаварийной автоматики.
Автоматика нормального режима – это обычно (за некоторыми исключениями) достаточно медленная автоматика, предназначенная в основном для помощи оперативному персоналу. Ее влияние на процессы при авариях в энергосистеме ограничено и сказывается главным образом на послеаварийном режиме. Противоаварийная автоматика, напротив, должна обладать большим быстродействием при интенсивном воздействии на процессы при авариях в энергосистемах и послеаварийном режиме, приближаясь в этом смысле к релейной защите.
Характерной для противоаварийной автоматики (ПА) является ее тесная связь с режимом работ энергосистем, благодаря чему ее часто называют противоаварийной режимной автоматикой. Первые устройства ПА были внедрены в энергосистемы еще в 30-х годах; однако наибольший размах работа в этой области получила, начиная с 50-х годов, в период создания и освоения в СССР магистральных линий связи с ГЭС Волжско-Камского каскада и других крупнейших электростанций.
Сейчас сложилось уже традиционное представление о следующих задачах противоаварийной автоматики:
автоматическое предотвращение нарушений устойчивости (АПНУ), называемое также автоматическим управлением мощностью для сохранения устойчивости (АУМСУ);
автоматическая ликвидация (прекращение) асинхронного режима (АЛАР);
автоматическое ограничение снижения частоты (АОСЧ);
автоматическое ограничение снижения напряжения (АОСН);
автоматическое ограничение повышения частоты (АОПЧ);
автоматическое ограничение повышения напряжения (АОПН).
При этом функция АОПН обычно носит характер, близкий к функциям релейной защиты, и соответствующие устройства часто называют устройствами защиты от повышения напряжения. То же самое можно сказать и о функции ограничения (предотвращения) повреждений оборудования.
Наиболее крупные части системной автоматики – автоматика регулирования частоты и мощности в нормальном режиме (АРЧМ) и АПНУ ПА – рассматриваются обычно как самостоятельные подсистемы АСДУ.
Содержание
Предисловие
Введение
B.1. Управление энергосистемами и вопросы автоматизации
В.2. Выполнение устройств автоматики
В.3. Вычислительная техника в управлении
Глава первая. Системы возбуждения и устройства автоматического гашения поля синхронных машин
1.1. Особенности систем возбуждения
1.2. Возбудители с использованием ионных выпрямителей и тиристоров
1.3. Бесщеточная система возбуждения
1.4. Высокочастотная и ионная системы возбуждения
1.5. Гашение ноля автоматами с дугогасительной решеткой и переводом питания обмотки возбуждения в инверторный режим
Глава вторая. Автоматическое регулирование возбуждения синхронных машин
2.1. Назначение устройств АРВ
2.2 Автоматическая форсировка возбуждения
2.3. Компаундирование возбуждения с согласованным включением электромагнитного корректора напряжения
2.4. Регулятор возбуждения генераторов серии ТВВ с высокочастотной системой возбуждения
2.5. Регуляторы возбуждения сильного действия
Глава третья. Автоматическое регулирование напряжения
3.1. Назначение устройств регулирования напряжения
3.2. Использование устройств АРВ
3.3 Групповое управление возбуждением генераторов
3.4. Устройства для автоматического изменения коэффициентов трансформации трансформаторов
3.5. Устройства для автоматического изменения емкостей батарей конденсаторов
3.6. Регулирование напряжения выносными трансформаторами
3.7. Регулирование напряжения изменением возбуждения синхронных двигателей и синхронных компенсаторов на подстанциях
3.8. Регулирование напряжения при использовании управляемых реакторов с дискретным включением и индуктивными сопротивлениями, значения которых можно регулировать
3.9 Специальная автоматика ограничения нагрузки
3.10. Автоматика, устраняющая повышение напряжения на оборудовании при односторонних отключениях длинных линий электропередачи 500 – 1150 кВ
Глава четвертая. Устройства автоматики для предотвращения возникновения и ликвидации асинхронных режимов
4.1. Требования к автоматике управления режимами энергосистем
4.2. Основные соотношения, определяющие работу устройств автоматики
4.3. Изменение электрических величин при увеличении нагрузки, синхронных качаниях, асинхронном режиме и отсутствии КЗ
4.4. Устройства автоматики для повышения статической устойчивости
4.5. Устройства автоматики для повышения динамической устойчивости
4.6. Устройства автоматики для разделения энергосистем с целью предотвращения или прекращения асинхронного режима
4.7. Отделение тепловых электростанций небольшой мощности от мощных гидроэлектростанций при увеличении частоты вращения гидрогенераторов
4.8. Централизованные системы противоаварийного управления
Глава пятая. Автоматическая частотная разгрузка
5.1. Назначение и особенности выполнения устройств АЧР
5.2. Современные принципы выполнения АЧР
5.3. Кратковременные понижения частоты
5.4. Выбор параметров устройств ЧАПВ и работа оперативного персонала
5.5. Схемы устройств АЧВ и ЧАПВ
5.6 Индукционное реле частоты типа ИВЧ-011 (ИВЧ-3)
5.7. Реле частоты РЧ-1 с использованием полупроводниковых элементов
Глава шестая. Автоматическое регулирование частоты, активной мощности и перетоков по транзитам в энергосистемах
6.1. Общие вопросы по регулированию частоты и активной мощности в энергосистемах
6.2. Регуляторы частоты и мощности
6.3. Устройства для регулирования мощности электростанции
6.4. Групповое регулирование мощности на тепловых электростанциях
6.5. Групповое регулирование мощности на гидроэлектростанциях
6.6. Регулирование частоты и мощности в объединенных энергосистемах
6.7. Магнитные датчики мощности
Глава седьмая. Быстрое включение синхронных машин и частей энергосистемы на параллельную работу
7.1. Требования к частоте, напряжению и фазе синхронных машин, подключаемых к сети
7.2. Точная синхронизация с помощью автосинхронизатора типа АСТ-4
7.3. Самосинхронизация генераторов
7.4. Устройства для автоматического включения генераторов методом самосинхронизации
7.5. Способы контроля частоты вращения
7.6 Несинхронное включение генераторов и частей энергосистемы
7.7. Включение синхронных двигателей, предотвращение их выпадения из синхронизма и ресинхронизация
7.8. Принципы выполнения устройств автоматической ликвидации асинхронного режима (АЛАР)
Глава восьмая. Трехфазное автоматическое повторное включение
8.1. Назначение, классификация и основные условия применения устройств АПВ
8.2. Одиночные линии с односторонним питанием
8.3. Одиночные транзитные линии между электростанциями или подстанциями с синхронной нагрузкой
8.4. Транзитные линии при наличии параллельных связей
8.5. Устройства ТАПВ на воздушных выключателях
Глава девятая. Пофазное АПВ линий электропередачи
9.1. Короткие замыкания на землю и отключение одной из фаз
9.2. Типы избирательных органов устройств ОАПВ
9.3. Схема устройства ОАПВ ВИИИЭ
9.4. Замена ОАПВ на линиях с односторонним питанием устройством ТАПВ двукратного действия и пофазными разъединителями
9.5. Возможности выполнения централизованной автоматики для достижения эффекта гашения дуги однофазного КЗ, аналогичного эффекту при работе ОАПВ
Глава десятая. Трехфазное АПВ трансформаторов и шин
10.1. Особенности работы АПВ шин и трансформаторов
10.2. Автоматическое опробование исправности изоляции шин
10.3. Подача напряжения потребителям после отключения шин и автоматическое восстановление схемы подстанции
10.4. Автоматическое восстановление схемы электростанции
10.5. Трехфазное АПВ трансформаторов
Глава одиннадцатая. Автоматическое включение резервного
питания и оборудования (АВР)
11.1. Назначение АВР
11.2. Схемы устройств АВР
11.3. Устройства АВР на подстанциях, питающих синхронную нагрузку
11.4. Устройства АВР со станциями управления нормализованной серии
11.5. Самозапуск асинхронной и синхронной нагрузок при АВР питающих направлений
11.6. Отключение менее ответственной нагрузки для сохранения ответственной нагрузки
Глава двенадцатая. Совместная работа устройств АПВ, АВР, АЧР, устройств релейной защиты, форсировки возбуждения синхронных машин, ограничения нагрузки
12.1. Ускорение действия защиты до АПВ
12.2. Ускорение действия защиты после АПВ, АВР и дистанционного включения
12.3. Быстродействующее избирательное отключение
12.4. Подстанции без выключателей па стороне высшего напряжения
12.5. Упрощение релейной защиты линий сложной сети
12.6. Упрощение схем первичных соединений и релейной защиты
12.7. Понижающие трансформаторы на телемеханизированных подстанциях
12.8. Автоматическое избирательное резервирование
12.9. Противоаварийная автоматика в системах внутреннего электроснабжения потребителей
Приложение 1. Буквенные обозначения, применяемые в электрических схемах
Приложение 2. Сокращения, применяемые в тексте
Заключение
Список литературы