БЕСПЕРЕБОЙНАЯ РАБОТА ПРОМЫШЛЕННОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ

ˆ
Ł .qxd
03.03.2006
10:39
Page 34
34
ОБОРУДОВАНИЕ
Ю. Гуревич, к. т. н., ведущий научный сотрудник, доцент ОАО «НИИ Электроэнергетики»
БЕСПЕРЕБОЙНАЯ РАБОТА
ПРОМЫШЛЕННОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ
О «НЕЗАВИСИМОСТИ»
ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Как известно, источник питания счита
ется независимым от других источников,
если его отключение не препятствует
электроснабжению от остальных источ
ников (Правила устройства электроуста
новок, далее ПУЭ п. 1.2.10). В ПУЭ «ис
точник питания» — это шины, с которых
поступает питание. У этих шин тоже есть
источники питания, и применительно к
ним тоже проверяется их независимость.
Понятие о независимых источниках пи
тания было сформировано в те времена,
когда существенными были только дли
тельные перерывы питания. Глава 1.2
ПУЭ (во всех предшествующих изданиях,
кроме седьмого) определяла независи
мый источник питания как источник, на
котором сохраняется напряжение при
исчезновении его на других источниках.
Очевидно, что такая формулировка, если
иметь в виду кратковременные наруше
ния питания, становится некорректной и
допускает разные прочтения.
Исходя из общего смысла ПУЭ, нужно
было признавать, что это определение
просто не распространяется на кратко
временные возмущения. Но в то же вре
мя, такая формулировка давала потреби
телям повод обосновывать свои претен
зии, связанные с кратковременными пе
рерывами питания, несоответствием ре
ального электроснабжения требованию
иметь независимые источники питания.
Говорилось примерно следующее:
«В ПУЭ сказано, что напряжение на неза
висимом источнике питания должно со
храняться при его исчезновении на дру
гом источнике, а в нашей схеме КЗ на од
ном источнике питания вызывает на
столько глубокое снижение напряжения
на другом источнике, что работа наруша
ется у всех электроприемников. Следо
вательно, энергосистема не обеспечила
наличие двух независимых источников».
В седьмом издании ПУЭ параграф 1.2.10
был отредактирован: «Независимый ис
точник питания — источник питания, на
котором сохраняется напряжение в по
слеаварийном режиме в регламентиро
Рис. 1. К взаимозависимости «независимых» источников питания (показаны местные
генераторы)
ванных пределах при исчезновении его на
другом или других источниках питания».
Тем самым, было указано, что на аварий
ные режимы понятие независимых источ
ников питания не распространяется.
Но, поскольку обращение к этому по
нятию остается частым аргументом в
технических спорах, подчеркнем в про
блеме «независимых источников пита
ния» главное.
g Если иметь в виду кратковременные
нарушения электроснабжения, то нужно
признать, что независимых источников
питания не бывает в принципе. Даже в
схеме, показанной на рисунке 1, а, где
сами источники питания никак не связа
ны между собой, кроме как на шинах по
требителя, взаимозависимость источни
ков питания существует и при том силь
ная: КЗ на одном из вводов вызовет та
кое же снижение напряжения на другом
вводе. На рисунке 1, б показана схема, в
которой взаимозависимость источников
питания при отключенном выключателе в
шинном «мостике» меньше, чем в преды
дущем случае, но тоже имеется. Полной
независимости источников питания мож
но было бы достичь в схеме, где между
источниками питания вообще нет элект
рической связи. Такая ситуация может
возникать в системах автономного элект
роснабжения, как упрощенно показано
на рисунке 1, в. Но такие схемы с несин
хронной работой источников питания
иначе, как в особых послеаварийных ус
ловиях, недопустимы.
g Требования ПУЭ о числе независимых
источников питания не подвергаются со
мнению, но к проблеме защиты потреби
телей от воздействия кратковременных
возмущений эти требования отношения
не имеют. Число «независимых» источни
ков питания не определяет возможнос
тей сохранить в работе электроприемни
ки, подключенные к одному источнику
питания, при КЗ на другом источнике
(это относится к схемам, где есть элект
рическая связь между источниками пита
ˆ
Ł .qxd
03.03.2006
10:39
Page 35
35
МАРТ 2006
ния по переменному току. Нетрудно убе
диться в том, что в схемах, где имеются
вставки постоянного тока, взаимное вли
яние источников питания может прояв
ляться иначе). Противоаварийные меры
на случаи кратковременных нарушений
электроснабжения должны разрабаты
ваться помимо требований ПУЭ к числу
независимых источников питания.
g Взаимозависимость источников пита
ния в аварийных режимах является важ
ным показателем, от которого зависит
выбор противоаварийных мероприятий.
Эта взаимозависимость может быть оце
нена количественно, если использовать
значения глубины снижения напряжения
∆U=Uнорм—UКЗ (где Uнорм — напряжение
в нормальном режиме, UКЗ — напряже
ние в начальный момент КЗ) на обоих ис
точниках питания. Определим коэффи
циент взаимозависимости источников
питания Квз как отношение глубины сни
жения напряжения на неповрежденном
(втором) источнике питания к глубине
снижения напряжения на том источнике
питания, где имеется КЗ (первом),
Квз = ∆U2 / ∆U1.
Чем больше Квз, тем сильнее взаимоза
висимость источников. У источников пи
тания, показанных на рисунке 1,а, Квз=1.
В общем случае нужно учесть, что разные
источники питания в одной и той же схе
ме могут иметь разные номинальные на
пряжения. Поэтому:
Квз = U2. норм — U2. КЗ * U1. ном
(1)
U1. норм — U1. КЗ U2. ном
Пример значений коэффициентов взаи
мозависимости источников питания по
казан в таблице 1 для схемы, приведен
ной на рисунке 2.
Из этого примера видно, что взаимо
зависимость источников питания может
быть значительно ослаблена, но путем
ослабления схемы. Какой вариант пред
почтительнее — более слабая сеть с не
большой взаимозависимостью источни
ков питания или более жесткая сеть с
большой их взаимозависимостью —
определяется конкретными параметра
ми сети и нагрузки.
КРИТЕРИИ «N1» И «N2»
Критерий «N1» — это один из широко
Рис. 2. Пример схемы внешнего электроснабжения к расчету коэффициентов
взаимозависимости источников питания. ИП1 и ИП2 — обозначения источников
питания для ГПП (см. табл. 1)
известных критериев надежности энер
госистемы и электроснабжения потреби
телей. Здесь N — это число элементов
энергосистемы. Согласно критерию «N1»,
если число работающих элементов энер
госистемы (линий, трансформаторов, ге
нераторов) уменьшится на единицу, она
должна выполнять все свои функции.
Иначе говоря, отключение одного любого
элемента энергосистемы не должно на
рушать работу самой энергосистемы и
электроснабжения потребителей. Крите
рий «N2» означает такое же требование,
но в отношении потери любых двух эле
ментов энергосистемы (например, при
наложении аварии на ремонтный режим).
На Западе критерий «N1» рассматри
вается как очевидное требование к эле
ктрической сети. В большинстве случа
ев нарушение критерия «N1» рассмат
ривается как обоснование необходимо
сти введения нового силового оборудо
вания. Если критерий «N1» выполняет
ся, но не выполняется критерий «N2»,
то это служит обоснованием примене
ния дополнительных средств релейной
защиты, автоматики и диспетчерского
управления.
Применительно к электроснабжению
требования, вытекающие из критерия
«N1», имеют очевидное исключение:
отключение линии, по которой питание
поступает с шин непосредственно к
электроприемнику, не рассматривает
ся, так как отключение или повреждение
одного электроприемника возможно и
по многим другим причинам и не долж
но приводить к нарушению работы
предприятия. В отношении электроснаб
жения потребителей критерий «N1» рав
нозначен требованию двух независимых
источников питания. Вопросы электро
снабжения электроприемников второй и
третьей категории не относятся к обсуж
даемой теме. Что касается электропри
емников особой группы первой катего
рии, то к ним вместо критерия «N1»
должен применяться, согласно ПУЭ,
критерий «N2». К таким электроприем
никам относятся системы, бесперебой
ная работа которых необходима для бе
заварийного останова производства, и
все остальные системы, необходимые
для предотвращения тяжелых последст
вий нарушений электроснабжения, бе
зотносительно к тому, связаны ли они с
Таблица 1. Коэффициенты взаимозависимости источников питания в схеме рисунка 2
Состояние схемы внешнего электроснабжения
Секционный
Генератор на ТЭЦ
Линии Л1, Л2, Л3
выключатель
на ГПП (СВ)
Включен
Включены
Включен
Включен
Включены
Отключен
Отключен
Включены
Отключен
Включен
Отключены
Включен
Включен
Отключены
Отключен
Коэффициенты взаимозависимости
Снижение
Снижение
напряжения ИП2
напряжения ИП1
при КЗ на ИП1
при КЗ на ИП2
0,89
0,92
0,88
0,89
0,92
0,89
0,69
0,76
0,28
0,30
ˆ
Ł .qxd
03.03.2006
10:39
Page 36
36
ОБОРУДОВАНИЕ
чивающих наибольшее быстродействие
на отключение (при ликвидации КЗ) и на
включение (при быстродействующих
АВР);
g применение специальной автомати
ки, обеспечивающей отделение потреби
теля со своей электростанцией от энер
госистемы при затяжной аварии в по
следней;
g согласование управляющих воздей
ствий противоаварийной автоматики
энергосистемы [10] с задачами обеспе
чения бесперебойной работы потреби
телей.
СНИЖЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ КЗ
основным производством или нет, на
пример, пожарные насосы.
Нужно иметь в виду, что ПУЭ везде ус
танавливает минимальные требования.
При социалистической экономике по
пытки заметного превышения мини
мальных требований при создании сис
тем электроснабжения блокировались
тем, что учитывались только затраты,
связанные с сооружением и эксплуата
цией объекта, но никак не ущербы от не
надежности его электроснабжения.
В настоящее время, наоборот, нужно
блокировать попытки принимать самые
дешевые решения без специального
технического и экономического обосно
вания, только на том основании, что «в
ПУЭ это не требуется».
СНИЖЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ
ВОЗМУЩЕНИЙ
В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ
Эта задача распадается на ряд подза
дач и может решаться поразному, в за
висимости от конкретных условий, эко
номических показателей и прочих фак
торов. Перечисление противоаварий
ных мер дается в произвольном поряд
ке, в основном начиная с внешнего эле
ктроснабжения и кончая работой элект
роприемников.
СОКРАЩЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ
АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ
Такими средствами являются:
g применение быстродействующих ре
лейных защит от КЗ (основных и, при не
обходимости, резервных);
g применение быстродействующих
АВР;
g применение выключателей, обеспе
Здесь имеются в виду обычные эксплу
атационные мероприятия, такие, как
расчистка трасс линий, обмыв изолято
ров на линиях и в ОРУ и т.п. Кроме того,
важным фактором, обеспечивающим
снижение числа КЗ, является отказ от
упрощенных подстанций без выключа
телей (см. п. 43) во всей сети, прилега
ющей к предприятию.
УМЕНЬШЕНИЕ ГЛУБИНЫ
ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ
ПРИ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ
И ПОВЫШЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
ПРИ САМОЗАПУСКЕ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
С этой целью во внешнем и внутреннем
электроснабжении рассматриваются:
g увеличение располагаемой мощности
источников питания в схемах автономно
го электроснабжения;
g увеличение мощности трансформа
торов и пропускной способности линий;
g сооружение собственной электро
станции;
g применение средств генерации реак
тивной мощности с быстродействующи
ми системами регулирования напряже
ния (различные статические компенсато
ры с тиристорной системой управления);
g замена самозапуска двигателей, ко
торый характеризуется большими тока
ми, на их автоматический каскадный по
вторный пуск, что позволяет существен
но снизить токи, но ценой увеличения
времени, необходимого для восстанов
ления нормальной работы электродвига
телей;
g быстродействующее автоматическое
отключение части наименее ответствен
ных электроприемников с целью сниже
ния токовой нагрузки на сеть;
g быстрое гашение поля синхронных
двигателей или их отключение, если они
оказываются в асинхронном режиме и
если их быстрая ресинхронизация не
обеспечивается;
g такое исполнение АПВ воздушной ли
нии в энергосистеме, при котором опро
бование линии выполняется со стороны,
противоположной потребителю.
СНИЖЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
ПОТРЕБИТЕЛЯ
К КРАТКОВРЕМЕННЫМ
НАРУШЕНИЯМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
К таким мерам относятся:
g технологическое резервирование или
снижение нагрузки на технологическое
оборудование с целью увеличить допус
тимый промежуток времени, в течение
которого электродвигатели вращаются
медленнее необходимого;
g обеспечение правильного функцио
нирования всех систем технологической
автоматики, технологических блокиро
вок и т.п. при аварийном режиме и само
запуске двигателей, в том числе недопу
щение отключений ответственных элект
роприемников, если время, допустимое
для восстановления их нормальной ра
боты, еще не истекло;
g обеспечение автоматического по
вторного включения магнитных пускате
лей от автоматики самозапуска или по
вторного пуска двигателей;
g предотвращение выхода из работы
вспомогательных систем (например,
системы принудительной смазки под
шипников) при кратковременных пере
рывах питания;
g применение агрегатов бесперебой
ного питания;
g замена электрического привода на
неэлектрический (паровой, газотурбин
ный и т.п.).
ОСНОВНЫЕ ДИЛЕММЫ
В процессе проектирования системы
электроснабжения приходится делать
выбор между альтернативными, значи
тельно отличающимися вариантами. На
иболее характерные из них перечислены
ниже. Существенно, что по каждой из
приведенных нет однозначного решения:
выбор оптимального варианта определя
ется конкретными условиями. Эти ди
леммы таковы:
g какой вариант электроснабжения оп
тимален для предприятия, имеющего
собственную электростанцию достаточ
ной мощности: работа электростанции
параллельно с энергосистемой или авто
номно;
g какой режим работы сети оптимален
(это относится и к внешнему, и к внутрен
нему электроснабжению: с максимально
возможным секционированием, без сек
ционирования или какойлибо промежу
точный вариант;
g какая схема внутреннего электро
снабжения 6 или 10 кВ предпочтитель
нее: с реакторами на линиях, идущих от
шин к электроприемникам, или без них;
ˆ
Ł .qxd
03.03.2006
10:39
Page 37
37
МАРТ 2006
то же в отношении подключения местной
электростанции: применять реакторы
или разделительные трансформаторы
или нет.
СВЯЗЬ ВЫБОРА
ПРОТИВОАВАРИЙНЫХ МЕР
С ДОПУСТИМОЙ
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬЮ
ПЕРЕРЫВОВ ПИТАНИЯ
И ОСОБЕННОСТЯМИ СИСТЕМЫ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Задача выбора противоаварийных ме
роприятий состоит, очевидно, не только в
том, чтобы автоматически восстановить
работу всех электроприемников, от кото
рых зависит производственный процесс,
но и в том, чтобы сделать это за допусти
мое время, т.е. такое, чтобы процесс сра
зу же и безаварийно возобновился.
Определение допустимого времени, в
течение которого электроприемники
могут быть обесточены, — это задача
для технологов промышленного произ
водства. Для ее решения могут понадо
биться значения времени, расходуемо
го на восстановление нормальной рабо
ты электродвигателей после возобнов
ления питания. Такие расчеты всегда
могут быть выполнены, поскольку это
необходимая часть работы по выбору
противоаварийных мер.
В целом определение допустимого вре
мени перерыва питания по условиям тех
нологии производства, если нет данных о
нарушениях работы на предприятиях с
такой же технологией и аналогичным
оборудованием, обычно представляет
собой весьма сложную задачу. Главным
образом потому, что задача о допусти
мом времени перерыва питания перед
технологами раньше не ставилась. Тем
не менее, решить ее нужно.
Эту задачу может несколько упростить
то, что для выбора противоаварийных
мер требуются не точные значения допу
стимого времени перерыва питания, а
лишь порядок величин — соответственно
группе возможных и эффективных меро
приятий. Если допустимое время:
g меньше (приблизительно) 0,2 с, то
никакие меры, способствующие восста
новлению нормальной работы электро
приемников после возобновления пита
ния, не могут быть эффективными пото
му, что КЗ в сетях с обычными выключа
телями не отключаются быстрее, чем за
это время. Применение выключателей с
меньшим временем отключения мало
изменит длительность КЗ. Здесь нужны
агрегаты бесперебойного питания, а
при больших потребляемых мощностях
нужно менять параметры технологичес
кой схемы;
g от 0,2 с до максимальной длитель
ности КЗ, возможной в данной сети
(с учетом выдержек времени максималь
ных токовых защит, действия резервных
защит в разных ситуациях, действия
УРОВ), то либо нужно менять защиты от
КЗ, если это даст нужный эффект, либо
опятьтаки использовать агрегаты бес
перебойного питания;
g 5—20 с, то за это время, используя
АВР, схемы самозапуска и пр., можно
обеспечить включение электроприемни
ков и восстановить нормальную работу
электродвигателей;
g 30 с и более, то за это время можно
обеспечить возобновление работы всех
необходимых электроприемников с при
менением автоматики каскадного по
вторного пуска электродвигателей,
обеспечивающей восстановление их
нормальной работы так, чтобы не полу
чить во время пусков значительных сни
жений напряжения, а порядок пусков ус
тановить наиболее удобным для техно
логов образом.
При этом предполагается, что в после
аварийном режиме напряжения в пита
ющей сети достаточны для обеспечения
необходимой очередности самозапус
ков и повторных пусков. Если это не так,
то в число противоаварийных мер вой
дут средства, обеспечивающие повы
шение напряжения (различные источни
ки реактивной мощности, как правило, с
быстродействующими системами регу
лирования), и, как крайний случай, от
ключение части нагрузки.
От особенностей системы электроснаб
жения — протяженности сетей, мощнос
ти источников и пр. — зависят основные
«узкие места», на которые приходится
обращать основное внимание.
Если предприятие питается от сетей
энергосистемы (без протяженных сильно
загруженных линий электропередачи
между основной сетью энергосистемы и
сетью самого предприятия, что встреча
ется в периферийных, слабо освоенных
районах Севера и Востока России), то в
таких случаях наиболее важными являют
ся задачи, которые можно объединить в
три группы.
g В центре внимания — задачи, связан
ные с устойчивостью и самозапуском
электродвигателей в условиях, когда ис
точник питания (энергосистема) имеет
стабильную частоту и довольно «жестко»
поддерживаемое напряжение. Потери
напряжения получаются в основном во
внутренних сетях, и, следовательно, по
ˆ
Ł .qxd
03.03.2006
10:39
Page 38
38
ОБОРУДОВАНИЕ
слеаварийные режимы зависят главным
образом от изменений суммарной на
грузки и от режимов работы двигателей
(нормальная работа, торможение, режим
пуска или самозапуска).
g Если предприятие имеет свой собст
венный источник питания достаточной
мощности, то оно может в случае затяж
ного аварийного режима энергосистемы
отделиться от нее и перейти на автоном
ное электроснабжение. Сделать это нуж
но достаточно быстро, чтобы не наруши
лась работа электроприемников пред
приятия. Но не слишком быстро, так как
это привело бы к излишним отключениям
при кратковременных нарушениях нор
мальной работы энергосистемы, не
опасных для потребителя.
g Если в нагрузке есть синхронные дви
гатели, то добавляются задачи, связанные
с большой вероятностью нарушения их ус
тойчивости и возникновением асинхрон
ного режима относительно генераторов. В
таких случаях естественно стремиться к
тому, чтобы и синхронные двигатели вос
становили нормальную работу (т.е. чтобы
асинхронный режим закончился их ресин
хронизацией), и колебания напряжения,
неизбежные во время асинхронного режи
ма, не нарушили работу других электро
приемников, в частности асинхронных
двигателей. Если такой наилучший резуль
тат не достижим, то в стремлении повы
сить напряжения во внутренней распреде
лительной сети приходится отключать на
именее ответственную часть нагрузки.
Если предприятие имеет автономное
электроснабжение, то отпадают пробле
мы КЗ во внешней сети, но в целом коли
чество задач, которые нужно решать, не
уменьшается, а увеличивается:
g осложняются задачи, связанные с
обеспечением самозапуска двигателей
изза ограниченной мощности источника
питания (потери напряжения при пусках
и самозапусках больше, чем при полно
ценном питании от энергосистемы);
g к числу опасных нарушений добавля
ются аварийные отключения генерато
ров (поскольку общее число работающих
генераторов не велико, потеря одного из
них означает возникновение значительно
дефицита мощности);
g должны быть решены задачи равно
мерного распределения активной и ре
активной нагрузки между генераторами
(неравномерное распределение нагруз
ки приводит к недоиспользованию гене
раторов в нормальных режимах и увели
чивает вероятность нарушения их устой
чивости при нарушениях нормального
режима).
Особым является случай, когда пред
приятие питается от собственного ис
точника и имеет связь с энергосистемой
по протяженным линиям электропереда
чи, имеющим настолько малую пропуск
ную способность, что отключение части
генераторов местной электростанции
может привести к перегрузке линии
электропередачи и ее отключению или к
нарушению устойчивости с возникнове
нием асинхронного режима. В таких ус
ловиях велика вероятность нарушения
параллельной работы местной электро
станции с генераторами энергосистемы,
что требует решения специальных задач
повышения устойчивости и противоава
рийных мер на случай внезапного раз
рыва этой связи (в том числе и тогда,
когда разрыву связи предшествует асин
хронный режим). Увеличиваются или
уменьшаются трудности выбора проти
воаварийных мероприятий от наличия
такой связи (по сравнению с автоном
ным электроснабжением при прочих
равных условиях), зависит от парамет
ров и потребителя, и самой связи. Мо
жет, в частности, оказаться, что такая
связь бесполезна, пока не произойдет
аварийного отключения одного или не
скольких генераторов местной электро
станции. В отношении анализа всех воз
можных аварийных ситуаций и выбора
адекватных противоаварийных мер слу
чаи, когда потребитель с собственной
электростанцией имеет «слабую» связь с
энергосистемой, самые сложные. При
ходится рассматривать ситуации, когда
нарушения электроснабжения:
g происходят при включенной этой
связи;
g начинаются в режиме параллельной
работы с энергосистемой, но в процессе
аварии связь с энергосистемой разрыва
ется;
g возникают, когда связь была отключе
на (что для такой связи вполне вероятно).
ˆ
Ł .qxd
03.03.2006
10:39
Page 39