Поки в енергосистемі є обертовий резерв активної потужності, системи регулювання частоти і потужності повинні підтримувати заданий рівень частоти. Після того як обертається ре-резерв буде вичерпано, дефіцит активної потужності, викликаний відключенням частини генераторів або включенням нових споживачів, спричинить за собою зниження частоти в енергосистемі. Сучасні потужні теплові та атомні енергоблоки, які складають основу енергетики України, мають ма-лий діапазон регулювання активної потужності, що не дозволяє виконати надійне регулирова-ня частоти і активної потужності в необхідному діапазоні. Поетом найчастіше застосовують ручне регулювання частоти, таке регулювання часто полягає в пуску і зупинці блоків і тому потужність змінюється східчасто, утворюючи або дефіцит або надлишок потужності. Невелике зниження частоти, на кілька десятих герца, не представляє небезпеки для нормальної роботи енергосіс-теми, хоча і тягне за собою погіршення економічних показників. Зниження ж частоти більш ніж на 1-2 Гц - є серйозною небезпекою і може привести до повного розладу роботи енер-госістеми.
Це в першу чергу залежить від того, що при зниженні частоти знижується швидкість обертання електродвигунів, а отже, знижується і продуктивність наведених ними механізмів власного витрати ходу теплових електростанцій. Внаслідок зниження продуктивності ме-ханізм власного витрати різко зменшується наявна потужність теплових, електростанцій, особливо електростанцій високого тиску, що тягне за собою подальше зниження частоти в енергосистемі. Це стосується також і атомних електростанцій. Таким чином, відбувається лавінооб-різний процес - «лавина частоти», який може привести до повного розладу роботи енерго-системи.
Слід також зазначити, що сучасні великі парові турбіни не можуть тривалий час працювати при низькій частоті через небезпеку пошкодження їх робочих, лопаток. Справа в тому, що кожен ряд лопаток має власну частоту резонансу, все групи лопаток мають різні розміри і конструкторам турбін доводиться довго займатися тим, щоб вивести всі групи лопаток з резонансу при частоті обертання близькою до номінальної. Якщо та чи інша група лопаток турбіни потрапить в резонанс, вона може бути через деякий час пошкоджена. Зона, вільна від резонансів складає 1-2 Гц і неприпустима тривала робота системи при частотах виходять за цей діапазон.
Процес зниження частоти в енергосистемі супроводжується також зниженням напруги, що від-ходить внаслідок зменшення частоти обертання збудників, розташованих на одному валу з ос-основними генераторами. Якщо регулятори збудження генераторів і синхронних компенсаторів не зможуть утримати напругу, то також може виникнути лавиноподібний процес - «лавина напруги», так як зниження напруги супроводжується збільшенням споживання реактивної потужності, що ще більш ускладнить становище в енергосистемі.
Аварійне зниження частоти в енергосистемі, викликане раптовим виникненням значного дефіциту активної потужності, протікає дуже швидко, протягом декількох секунд. Тому чергуванням-ний персонал не встигає прийняти будь-яких заходів, внаслідок чого ліквідація аварійного режиму повинна покладатися на пристрої автоматики.
Для запобігання розвитку аварії повинні бути негайно мобілізовані всі резерви активної потужності, наявні на електростанціях. Всі обертові агрегати завантажуються до межі з урахуванням допустимих короткочасних перевантажень.
Оскільки обертовий резерв невеликий, він не може покрити великий дефіцит потужності, виник-ший в вузлі.
При відсутності обертового резерву єдино можливим способом відновлення частоти є відключення частини найменш відповідальних споживачів. Це і здійснюється за допомогою спеціальних пристроїв - автоматів частотного розвантаження (АЧР), що спрацьовують при небезпечному зниженні частоти.
Слід зазначити, що дія АЧР завжди пов'язане з певним збитком, оскільки відключення ліній, що живлять електроенергією промислові підприємства, сільськогосподарських та інших по-споживачів, тягне за собою недовиробіток продукції, поява шлюбу і т. П. Не дивлячись на це, АЧР широко використовується в енергосистемі як засіб запобігання значно більших збитків через повного розладу роботи енергосистеми, якщо не буде вжито термінових заходів з ліквідації дефіциту активної потужності.
Глибина зниження частоти залежить не тільки від дефіциту потужності в перший момент аварії, але і від характеру навантаження. Споживання потужності однією групою споживачів, до якої відносяться електро-освітлювальні прилади та інші установки, що мають чисто активне навантаження, не залежить від частоти і при її зниженні залишається постійним. Споживання ж іншої групи споживачів - електродвигуна-телей змінного струму при зменшенні частоти знижується. Чим більше в енергосистемі частка на-Грузьке першої групи, тим більше знизиться частота при виникненні однакового дефіциту актив-ної потужності. Навантаження споживачів другої групи буде в деякій мірі згладжувати ефект зниження частоти, оскільки одночасно зменшуватиметься споживання потужності електродвигуна-ками.
Зменшення потужності, споживаної навантаженням при зниженні частоти, або, як кажуть, регулюю-щий ефект навантаження, характеризується коефіцієнтом рівним відношенню
Коефіцієнт регулюючого ефекту навантаження показує, на скільки відсотків зменшується по-споживання навантаженням активної потужності на кожен відсоток зниження частоти. Значення коеффіці-ента регулює ефекту навантаження має визначатися спеціальними випробуваннями і приймається-ється при розрахунках рівним 2,5-4.
Пристрої АЧР повинні встановлюватися там, де можливе виникнення значного дефіциту активної потужності в усій енергосистемі або в окремих її районах, а потужність споживачів, що відключаються при спрацьовуванні АЧР, повинна бути достатньою для запобігання зниженню часто-ти, що загрожує порушенням роботи механізмів власного витрати електростанцій, що може спричинити за собою лавину частоти. Пристрої АЧР повинні виконуватися з таким розрахунком, щоб була повністю виключена можливість навіть короткочасного зниження частоти нижче 45 Гц, час робо-ти з частотою нижче 47 Гц не перевищувало 20 сек, а з частотою нижче 48,5 Гц - 60 сек. Допустимий час зниження частоти нижче 49 Гц за умовами роботи АЕС дорівнює 2 хвилини.
Мал. 10.22. Зміна частоти при виникненні дефіциту активної потужності I- при відсутності АЧР; // - при наявності АЧР.
При виконанні АЧР необхідно враховувати всі реально можливі випадки аварійних відключень генеруючої потужності і поділу енергосистеми або енергооб'єднання на частини, в яких може виникнути дефіцит активної потужності. Чим більший дефіцит потужності може виникнути, тим на більшу потужність має бути відключено споживачів. Для того, щоб сумарна мощ-ність навантаження споживачів, що відключаються дією АЧР, хоча б приблизно відповідала Дефі-ціту активної потужності, яке з'явилося при даній аварії, АЧР, як правило, виконується мно-гоступенчатой, в кілька черг, що відрізняються уставками до частоті спрацьовування. На рис. 10.22 наведені криві, що характеризують процес зміни частоти в енергосистемі при раптовому виникненні дефіциту активної потужності. Якщо в енергосистемі відсутній АЧР, то зниження частоти, викликане дефіцитом активної потужності, триватиме до такого устано-вившись значення, при якому за рахунок регулюючого ефекту навантаження і дії регуляторів частоти обертання турбін знову відновиться баланс генерується і споживаної потужності при новому зниженому значенні частоти - (крива /). Для відновлення в енергосистемі нормальної частоти в цьому випадку необхідно вручну відключити частину навантаження споживачів, сумарна по-споживання потужності якими при частоті 50 Гц одно дефіциту потужності, який викликав аварійне зниження частоти. З огляду на можливі аварійні режими, частка навантаження, підключеної до АЧР, в енергосистемах України становить близько 60%.
Уставки спрацьовування всіх АЧРІ приймаються близькими по частоті в діапазоні Гц. Витяги часу АЧРІ відрізняються один від одного на 3 сек і приймаються рівними сек. Великі витримки часу АЧРІ приймаються для того, щоб поступово довести частоту до потрібної величини, не допустивши підвищення її до величини істотно вище 49 Гц. Вважається, що енергосистема може стійко і довго працювати при частоті перевищує 49,2 Гц і доведення її до номінальної-нальної, означає, що буде відключена додаткова частина споживачів, яка могла б ос-таться в роботі.
Таким чином, в сучасних умовах є 2 системи АЧР. Одна - спецочередь і захисна чергу утримує частоту на тривалий час допустимому рівні і потрібна для роботи системи при недос-татка генеруючої потужності, коли не представляється можливим утримувати номінальну частоту, так як для цього потрібно відключити додаткову кількість споживачів. Друга система АЧР потрібна для роботи при аварійно виниклих великих дефіцити потужності, відключає значно більший обсяг навантаження і також доводить частоту до тривало допустимого рівня перевищує 49,0 Гц. Може застосовуватися також додаткова розвантаження з інших факторів, наприклад при від-ключении ліній зв'язку або генератора, в результаті якого раптово виникає дефіцит потужності. Така автоматика не чекає зниження частоти і відключає навантаження негайно. Всі ці види автоматики мають назву - протиаварійне режимна автоматика. Неважко помітити зміну пріоритетів в цій протиаварійного автоматиці - вона призначена утримати нормальну роботу системи за рахунок відключення споживачів. В кінцевому рахунку, пожертвувавши частиною споживачів, ми зберігаємо в роботі інших. Неважко зрозуміти, що жоден із споживачів не хоче стати жертвою, за рахунок якої збережуться інші. Тому при виборі підключаються до АЧР споживачів оце-ється їх значення - виникає збиток, зниження випуску продукції, пошкодження обладнання д-ня, небезпека для життя людей і т.д. Важливий також порядок підключення споживачів до черг АЧР: споживачі, підключені до черг АЧР, мають більш високі уставки по частоті і менші витримки часу, відключаються частіше.
Ще однією причиною розподілу АЧР за багатьма об'єкта є те, що в такому разі АЧР ста-новится самоналагоджувальна: внаслідок розкиду уставок реле частоти в різних пристроях АЧР відключення відбувається дрібними дозами, відповідними уставці АЧР на даному об'єкті і тому-му забезпечують баланс між частотою і відключається навантаженням для її відновлення. Дирек-тивні матеріали допускають неселективний роботу суміжних черг АЧР, так як енергосистемі байдуже, на якій саме підстанції відключається необхідне навантаження.
Цілком очевидно, що такий розкид уставок не вигідний споживачеві, так як він не хоче бути відключеним замість іншого з більш високими уставками. Особливо це характерно для черг ре-гулірующіх частоту АЧР - спецочереді і захисної черги АЧР з різницею частот в 0,1 Гц. Робота таких АЧР в умовах дефіциту потужності може відбуватися неодноразово протягом дня, що прак-тично паралізує роботу підприємства. Тому для цих АЧР застосовуються реле високої точності, похибка яких становить менше 0,01 Гц.
10.3.2. Запобігання помилкових відключень споживачів від АЧРпрі короткочасних зниженнях частоти в енергосистемі
При відключенні зв'язку з енергосистемою харчування знеструмлених споживачів може бути восстанов-лено Після невеликого проміжку часу дією АПВ ліній або трансформатора, а також АВР секційного вимикача. Однак за час, поки буде порушений зв'язок з енергосистемою, споживачі підстанцій можуть бути відключені спричинити до помилкових дій АЧР. Це відбувається тому, що, після відключення источ-ника харчування, напруга на шинах підстанції з синхронними компенсаторами або потужними синхронними, а також і асинхронними електродвигунами відразу не зникає, а деякий час під-тримувати. Величина напруги може бути достатньою для спрацьовування АЧР, а частота знижуючи-ється за рахунок зменшення швидкості обертання електродвигуна. Це в першу чергу відноситься до б-стродействующім черг АЧР: A4PI, спецочереді і захисної черги АЧР. АЧРІ спрацювати було ус-певает, так як має значні витримки часу. При розробці апаратури АЧР напруга, при якому реле АЧР ще працює, прагнуть зробити по можливості більш низьким для запобігання-обертання його відмови при великих дефіцити потужності супроводжуються "лавиною напруги". Це ще більше збільшує небезпеку помилкової роботи АЧР.
У практиці експлуатації застосовуються спеціальні блокування, що запобігають помилкове срабати-вання АЧР в розглянутому режимі. На рис. 10.23,6 показана одна з таких схем, в якій плюс на контакт РЧ реле частоти АЧР подається через контакт блокуючого реле напрямку потужності РМ. Реле напрямку потужності, включене в ланцюзі трансформатора зв'язку з енергосистемою (рис. 10.23, а), реагує на напрям активної потужності. При наявності зв'язку з енергосистемою, коли під-станція споживає активну потужність, реле напрямку потужності тримає свій контакт замкнутим, як показано на рис. 10.24, б, дозволяючи діяти АЧР. Після відділення підстанції від мережі живлення активна потужність по трансформатору проходити не буде або буде направлена в сторону шин вищої напруги. При цьому реле напрямку потужності розімкнеться свій контакт і зніме плюс з контакту реле частоти, запобігаючи помилкове спрацьовування АЧР. При наявності на підстанції значи-тельной навантаження, мало що змінюється в залежності від часу доби і дня тижня реле потужності може бути замінено струмовим реле.
Застосовуються й інші способи блокування АЧР від неправильної роботи при зниженні напруги. До них відноситься блокування за швидкістю зниження частоти, широко застосовувана в "Київенерго". Справа в тому, що при найважчих аваріях частота в системі знижується повільніше, ніж це відбувається при знятті напруги з двигунів. На пристроях суміщеної A4PI - АЧРІ для блокування викорис-ся самі вимірювальні органи АЧР: Уставка по частоті АЧРІ більше ніж A4PI. Реле часу пускається при спрацьовуванні вимірювального органу АЧРІ і зупиняється при спрацьовуванні ІВ A4PI.Завісімость між швидкістю зниження частоти і уставками АЧР виглядає наступним обра-зом:
У цій формулі - швидкість зміни частоти, - уставка по частоті АЧРІ, - уставка по частоті A4PI, t- час між спрацьовуванням ИО АЧРІ і A4PI. Витримка часу на реле визначається по формулі:
Мал. 10.23. Запобігання спрацьовування АЧР при відключенні підстанції з синхронним компен-саторі або синхронними електродвигунами: а - схема підстанції; б - блокування АЧР
Уставки АЧРП і A4PI задані виходячи з режимних міркувань, уставка за часом блокування визна-виділяється за формулою 10.14 виходячи з швидкості зниження частоти 4 Гц в сек.
У Донбаської і Дніпровської енергосистемах, мають значну кількість заводів, оснащений-них великими електродвигунами, таке рішення виявилося неприйнятним з огляду на низьку швидкість зниження частоти. Тому там широко застосовується метод взаємного блокування між АЧР різних секцій: АЧР двох секцій спрацює, якщо спрацювали обидва ІС АЧР.
При відсутності блокування для виправлення помилкового дії АЧР можна застосувати АПВ після АЧР (див. П 10.3.3). Такий метод рекомендується директивними матеріалами. Однак він не завжди ефект-вен, так як в умовах тривалої роботи при зниженій частоті частота в мережі може бути нижче уставки ЧАПВ.