Раздел « Электрические станции »

Тезисы лекций.

 

Раздел «Электрические станции»

Тема 1. Основные способы получения электроэнергии

 

Вопросы лекции:

 

1. Введение. Типы электростанций и особенности технологического процесса производства электроэнергии на них.

2.Особенности функционирования топливно-энергетических комплексов.

3.Преимущества параллельной работы электростанций в энергосистеме.

 

Тезисы лекции:

 

Введение. Демографические аспекты электроэнергетики. Структура электроэнергетики − производство электроэнергии, передача, распределение, потребление. Законодательная база электроэнергетики. Закон Республики Казахстан «Об электроэнергетике Республики Казахстан».

Энергетические ресурсы земли Казахстана − уголь, нефть, газ, ядерное горючее, гидроресурсы, ветровая и солнечная энергия, характеристики первичных энергоресурсов, условное топливо. Карта энергетических ресурсов Казахстана.

В настоящее время для получения электрической энергии используют следующие типы электростанций:

1) тепловые электростанции (ТЭС), которые подразделяются на конденсационные (КЭС), теплофикационные (теплоэлектроцентрали-ТЭЦ) и газотурбинные (ГТУ). Крупные КЭС, обслуживающие потребителей значительного района страны, получили название государственных районных электростанций (ГРЭС);

2) гидроэлектростанции (ГЭС) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС);

3) атомные электростанции (АЭС);

4) гелиоэлектростанции или солнечные электростанции (СЭС)

5) геотермальные электростанции (ГТЭС)

6) дизельные электростанции (ДЭС)

7) приливные электростанции (ВЭС)

8) ветроэлектростанции (ВЭС).

Особенности технологической схемы ТЭЦ. Принципиальные технологические схемы КЭС, ГТУ, АЭС, ГЭС.

Большую часть электроэнергии в мировой энергетике вырабатывают ТЭС, АЭС, ГЭС. Особенности функционирования топливно-энергетических комплексов. Добыча нефти, газа, угля, само функционирование и развитие топливно-энергетического комплекса оказывает большое дестабилизирующее влияние на воспроизводство природных ресурсов, состояние окружающей среды.

На первой стадии развития электроэнергетика представляла собой совокупность отдельных электростанций, не связанных между собой. Каждая из электростанций через собственную сеть передавала электроэнергию потребителям. В дальнейшем стали создаваться электрические системы, в которых электростанции соединялись сетями и включались на параллельную работу. Отдельные территориальные энергосистемы в свою очередь также объединялись, образуя более крупные энергосистемы. Технические и экономические преимущества создания энергосистем. Оперативное руководство работой энергосистем осуществляется Центральным Диспетчерским Управлением. Основные задачи ЦДУ.

Суточный график нагрузки энергосистемы и графики электростанций, участвующих в выработке электроэнергии. Базовая и пиковая части графика нагрузки энергосистемы.

Схемы электрических соединений станций и подстанций. Классификация схем. Структурные схемы и методика их выбора для электростанций различного типа.

 

Вопросы самоподготовки:

1. Состав электростанций различного типа по установленной мощности.

2. Технико-экономические показатели электростанций.

3. Особенности электростанций, учитываемые при их строительстве и эксплуатации.

4. Циклы основных тепловых электрических станций.

5. Определение и принципиальная схема энергосистемы.

Раздел «Электроэнергетические системы и сети»

Раздел «Электроснабжение»

Раздел «Релейная защита и автоматика»

Тема 10 Общие сведения о релейной защите.

 

Вопросы лекции:

 

1. Назначение релейной защиты.

2. Виды современных защит и автоматики электрических сетей и систем. Тенденции их развития.

3. Требования, предъявляемые к релейной защите.

Тезисы лекции:

Назначение релейной защиты

В электрической части энергосистем могут возникать повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования электростанций (ЭС) и подстанций (ПС) линий электропередачи (ЛЭП) и электроустановок потребителей электроэнергии.

Повреждения вызывают появление значительных аварийных токов и сопровождаются глубоким понижением напряжения на шинах ЭС и ПС. Ток повреждения выделяет большое количество теплоты, которое вызывает сильное разрушение в месте повреждения и опасное нагревание проводов неповрежденных ЛЭП и оборудования, по которым этот ток проходит.

Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы ЭС энергосистемы (ЭЭС).

Ненормальные режимы обычно приводят к отклонению напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении частоты и напряжения создается опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости ЭЭС, а повышение напряжения и тока угрожает повреждением оборудования и ЛЭП.

Для уменьшения разрушений в месте повреждения и обеспечения нормальной работы неповрежденной части ЭЭС необходимо возможно быстрее выявлять и отделять место повреждения от неповрежденной части ЭЭС [2].

Опасные последствия ненормальных режимов также можно предотвратить, если своевременно принять меры к их устранению (например, снизить ток или напряжение при их увеличении), а при необходимости отключить оборудование, оказавшееся в недопустимом для него режиме.

Выявление и отключение повреждений следует производить очень быстро - в большинстве случаев в течение сотых и десятых долей секунды, что может быть обеспечено только средствами автоматики. В связи с этим возникла необходимость в создании и применении автоматических устройств, защищающих ЭЭС и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов. Первоначально в качестве подобной автоматики (защиты) применялись плавкие предохранители. Впоследствии были созданы защитные устройства, выполняемые при помощи электрических автоматов-реле. Такой способ защиты получил название релейной защиты.

Релейная защита (РЗ) осуществляет непрерывный контроль за состоянием всех элементов ЭЭС и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗ должна выявить поврежденный участок и отключить его от ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели Q, предназначенные для размыкания токов повреждения [2].

При возникновении ненормальных режимов РЗ также должна выявлять их и в зависимости от характера нарушения либо отключать оборудование, если возникла опасность его повреждения, либо производить автоматические операции, необходимые для восстановления нормального режима, либо осуществлять сигнализацию оперативному персоналу, который должен принимать меры к ликвидации ненормальности.

Требования к релейной защите

Релейная защита элементов распределительных сетей должна отвечать требованиям «Правил устройств электроустановок» [1], которые предъявляются ко всем устройствам релейной защиты: быстродействия, селективности, надежности и чувствительности.

Быстродействие релейной защиты должно обеспечивать наименьшее возможное время отключения коротких замыканий. Быстрое отключение КЗ не только ограничивает область и степень повреждения защищаемого элемента, но и обеспечивает сохранение бесперебойной работы неповрежденной части энергосистемы, или электростанции, или подстанции. Быстрое отключение КЗ, как известно, предотвращает нарушение устойчивости параллельной работы синхронных генераторов и синхронных электродвигателей, облегчает самозапуск электродвигателе, повышает вероятность успешных действий устройств автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического включения резервного питания (АВР).

Селективным (избирательным) действием защиты называется такое действие, при котором автоматически отключается только поврежденный элемент электроустановки (трансформатор, линия, электродвигатель и т.п.). Обеспечение селективной работы устройств защиты-одна из важнейших задач, решаемых при проектировании и обслуживании этих устройств [4].

Надежность функционирования релейной защиты предполагает надежное срабатывание устройства при появлении условий на срабатывание и надежное несрабатывание устройства при их отсутствии. Надежность функционирования релейной защиты должна обеспечиваться устройствами, которые по своим параметрам и исполнению соответствуют назначению и условиям применения, а также надлежащим обслуживанием этих устройств.

Чувствительностью релейной защиты называют ее способность реагировать на все виды повреждений и аварийных режимов, которые могут возникать в пределах основной защищаемой зоны и зоны резервирования. Оценка чувствительности основных типов релейных защит должна производиться при помощи коэффициентов чувствительности, значения которых для разных типов защиты и реле указываются в «Правилах» [1].

Вопросы самоподготовки:

1. Виды современных релейных защит.

2. Дать характеристику требований, предъявляемых к релейной защите.

 

Аналоговые защиты

Каждое устройство РЗ должно обнаружить повреждение и дать команду на отключение силового выключателя. Оно имеет три структурные части (рисунок 2.1): измерительную (реагирующую), логическую (оперативную), управляющую (исполнительную).

Измерительная часть (ИЧ) (рисунок 1) осуществляет непрерывный контроль за состоянием защищаемого объекта и, реагируя на появление в нем повреждения (или не нормального режима), срабатывает и выдает дискретные сигналы на вход логической части (ЛЧ), приводящие её в действие.

В качестве контролируемых величин (входных сигналов) служит в зависимости от вида РЗ ток или (и) напряжение защищаемого объекта. Эти величины в установках с рабочим напряжением выше 1000 В подводятся к измерительной части защиты через измерительные трансформаторы тока ТА и напряжения TV.

Логическая часть (ЛЧ) воспринимает дискретные сигналы ИЧ, производит с помощью логических элементов (реле) по заданной программе логические операции и подает выходной сигнал о срабатывании РЗ на управляющую часть (УЧ).

Рисунок 1 - Структурная схема релейной защиты.

Управляющая (исполнительная) часть (УЧ) служит для усиления сигнала ЛЧ до значения, необходимого для отключения выключателя.

Источник питания (ИП). Для приведения в действие элементов ЛЧ и УЧ, подачи команды на отключение выключателей, а также для питания полупроводниковых элементов ИЧ и ЛЧ предусматривается специальный источник стабильного напряжения.

Основные элементы РЗ. Устройство РЗ состоит из реле, соединенных между собой по определенной схеме.

В технике РЗ длительное время применяются реле с коммутирующими контактами-электромеханические, имеющие подвижные части. В последние годы широкое распространение получают цифровые устройства защит.

Элементы исполнительной части. В контактных схемах функции усиления выходных сигналов и размножения сигналов выполняются промежуточными электромеханическими реле с контактами, способными замыкать цепь тока до 5-10 А, электромагнитов отключения (ЭО) выключателей или других устройств. В бесконтактных схемах эти функции выполняются с помощью промежуточных реле или посредством тиристорных схем управления.

Цифровые устройства зашиты

Цифровые устройства защиты различного назначения имеют много общего, а их структурные схемы очень похожи и подобны представленной на рисунке 2. Центральным узлом цифрового устройства является микро-ЭВМ (Электронная Вычислительная Машина), которая через свои устройства ввода-вывода обменивается информацией с периферийными узлами. С помощью этих дополнительных узлов осуществляется сопряжение микро-ЭВМ (микропроцессора) с внешней средой: датчиками исходной информации объектом управления, оператором и т.д. Следует отметить, что в реальном устройстве защиты может использоваться несколько микропроцессоров, каждый из которых занят решением отдельного фрагмента общей задачи с целью обеспечения высокого быстродействия. Например, в сложных защитах высоковольтных линий используется до 7...10 микропроцессоров, работающих параллельно.

Рисунок 2- Структурная схема цифрового устройства защиты.

 

Непременными узлами любого цифрового устройства РЗА являются: входные (U1...U4) и выходные (KL1...KLj) преобразователи сигналов, тракт аналого-цифрового преобразования (U6,U7), кнопки управления и ввода информации от оператора (SB1,SB2), дисплей (Н) для отображения информации и блок питания (U5). Современные цифровые устройства, как правило, оснащаются и коммуникационным портом (X1) для связи с другими цифровыми устройствами.

Основные функции вышеперечисленных узлов следующие.

Входные преобразователи. Они обеспечивают гальваническую развязку внешних цепей от внутренних цепей устройства. Одновременно, входные преобразователи осуществляют приведение контролируемых сигналов к единому виду (как правило,-к напряжению) и нормированному уровню. Здесь же осуществляется предварительная частотная фильтрация входных сигналов перед их аналого-цифровым преобразованием. Одновременно принимаются меры по защите внутренних элементов устройства от воздействия помех и перенапряжений. Различают преобразователи аналоговых (U3,U4) и логических (U1,U2) входных сигналов.

Выходные релейные преобразователи. Воздействия реле на объект защиты традиционно осуществляются в виде дискретных сигналов управления. При этом выходные цепи устройства защиты выполняют так, чтобы обеспечить гальваническую развязку коммутируемых цепей, как между собой, так и относительно внутренних цепей устройства защиты. Выходные преобразователи должны обладать соответствующей коммутационной способностью и, в общем случае, обеспечивать видимый разрыв коммутируемой цепи.

Тракт аналого-цифрового преобразования включает мультиплексор (U6) и собственно аналого-цифровой преобразователь-АЦП (U7). Мультиплексор-это электронный коммутатор, поочередно подающий контролируемые сигналы па вход АЦП. Применение мультиплексора позволяет использовать один АЦП (как правило, дорогостоящий) для нескольких каналов. В АЦП осуществляется преобразование мгновенного значения входного сигнала в пропорциональную ему цифровую величину.

Блок питания (БП) обеспечивает стабилизированным напряжением все узлы рассматриваемого устройства, независимо от возможных изменений напряжения в питающей сети. БП многих современных реле могут работать и с сетью переменного и с сетью постоянного тока. Как правило, в БП формируются и ряд дополнительных сигналов, исключающих неправильную работу ЭВМ и некоторых других электронных узлов устройства в момент появления и исчезновения напряжения питания.

Дисплей и клавиатура. Они являются непременными атрибутами любого цифрового устройства, позволял оператору получать информацию от устройства, изменять режим его работы, вводить новую информацию.

Порт связи с внешними цифровыми устройствами. Достоинством цифровых устройств является возможность-передачи имеющейся информации в другие цифровые системы: АСУ ТП, персональный компьютер и т.д., что позволяет интегрировать различные системы, экономя на каналах связи, затратах на предварительную обработку сигналов и т.п. Коммуникационный порт-необходимый элемент для дистанционной работы с данным устройством.

Вопросы самоподготовки:

1. Недостатки аналоговых защит.

2. Элементы функциональной схемы цифровой защиты.

 

Тема 12. Токовые защиты

Вопросы лекции:

 

1. Определение тока срабатывания МТЗ.

2. Согласование максимальных токовых защит по времени.

3. Определение тока срабатывания отсечки без выдержки времени.

 

Тезисы лекции:

Одним из признаков возникновения короткого замыкания является увеличение тока в линии. Этот признак используется для выполнения защит, называемых токовыми. Токовые защиты приходят в действие при увеличении тока в фазах линии сверх определенного значения.

Токовые защиты подразделяются на максимальные токовые защиты (МТЗ) и токовые отсечки. Главное различие между этими защитами заключается в способе обеспечения селективности [1].

Селективность действия максимальных токовых защит достигается с помощью выдержки времени, а токовых отсечек ограничением зоны действия.

В сетях с односторонним питанием максимальная защита должна устанавливаться в начале каждой линии со стороны источника питания. Тогда каждая линия имеет самостоятельную защиту, отключающую линию в случае повреждения на ней самой или на шинах питающейся от нее подстанции.

Токовая защита может быть с зависимой, независимой или ограниченно зависимой выдержкой времени [4].

Для согласования защит строят карту селективности, под которой понимают зависимость времени срабатывания защит от тока t_С.З. - f (I), построенных в общих для всех защит координатах. При построении карты селективности токи всех участков необходимо привести к одной ступени напряжения. Токовременные характеристики каждой защиты наносят в пределах от ее тока срабатывания до наибольшего тока короткого замыкания в месте установки этой защиты.

Ток срабатывания максимальной токовой защиты (МТЗ) определяется по выражению:

К_Н. - коэффициент надежности, учитывающий неточность работы реле;

К_В. - коэффициент возврата реле;

К_ЗАП. - коэффициент запуска, учитывающий возможность возрастания тока за счет токов самозапуска электродвигателей.

Чувствительность МТЗ оценивают коэффициентом чувствительности (К_Ч.) при заданном токе к.з. в конце защищаемого участка или в конце зоны резервирования:

I _{К. MIN.} - минимальный ток двухфазного тока короткого замыкания в конце участка; Минимальные допустимые значения К_Ч. при к.з. в основной зоне К_Ч. > 1,5; в зоне резервирования К_Ч. > 1,2.

В настоящее время применяются селективные отсечки, это отсечка без выдержки времени и с выдержкой времени, а также неселективная отсечка. Применение отсечек обуславливается требованиями устойчивости и надежности системы электроснабжения. Ток срабатывания отсечки без выдержки времени выбирают, исходя из условий: а) отстройки от максимального тока к.з. в конце линии:

I_С.О.=К'_Н.· I_К.МАКС.

где: I_К.МАКС.- максимальное значение периодической составляющей тока к.з.;

К'_Н. - коэффициент надежности, учитывающий погрешность реле и наличие апериодической составляющей в начальном токе, к.з.

б) несрабатывания при броске тока намагничивания силовых трансформаторов:

Коэффициент чувствительности отсечки определяется по максимальному току к.з. в месте установки отсечки:

В качестве тока срабатывания отсечки выбирается большее из значений, определенных расчетом.

Недостатком токовой отсечки без выдержки времени является ограниченная зона действия. Отсечка считается эффективной, если ее зона действия составляет не менее 20% длины линии.

 

 

Вопросы самоподготовки:

1. Условия выбора тока срабатывания МТЗ.

2. Условия выбора выдержек МТЗ.

3. При каких токах должна соблюдаться ступень селективности МТЗ.

4. Недостаток токовой отсечки без выдержки времени.

5. Почему увеличивается зона действия отсечки с выдержкой времени?

6. Где применяется неселективная отсечка?

Рекомендуемая литература:

1. Правила устройства электроустановок Астана 2003.

2. Чернобровов В.Н., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. М: Энергоатомиздат, 1998.

3. Шмурьев В.Я. Цифровые реле. Петербургский энергетический институт. Санкт-Петербург, 2001.

4. Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. Л: Энергоатомиздат, 2001.

 

Тезисы лекций.

 

Раздел «Электрические станции»