CC BY
114
General solutions of the issues protection and automation generating units in grid with distributed generation
Section 9. Electrical engineering
Klimov Pavel Leonidovich, Irkutsk National Research Technical University, Master of engineering, engineer of relay protection of Ltd «Engineering Center "Irkutskenergo”» E-mail: klimov.pavel.l@gmail.com
Tushkov Denis Borisovich, Irkutsk National Research Technical University, Master of engineering, deputy chief of production and economic department of JSC «Irkutskenergo» E-mail: Tushkovdenis@mail.ru
General solutions of the issues protection and automation generating units in grid with distributed generation
Abstract: In this paper the generalization of experience in the design and operation of electric power plants in distribution networks. The basic wiring diagram and analyze the composition of the data protection settings.
Keywords: small power engineering, distributed generation, generating installation, inverter instantaneous overcurrent, overcurrent protection.
Климов Павел Леонидович, Иркутский Национальный Исследовательский Технический Университет, магистр технических наук, инженер отдела релейной защиты и электроавтоматики ООО «Инженерный центр "Иркутскэнерго”»
E-mail: klimov.pavel.l@gmail.com
Тушков Денис Борисович, Иркутский Национальный Исследовательский Технический Университет, магистр технических наук, заместитель начальника производственно-экономического отдела ОАО «Иркутскэнерго»
E-mail: Tushkovdenis@mail.ru
Общие решения вопросов состава защит и автоматики генерирующих установок в сетях с распределенной генерацией
Аннотация: В статье проведено обобщение опыта проектирования и эксплуатации электроэнергетических установок в распределительных сетях. Рассмотрены основные схемы подключения и проанализирован состав защит данных установок.
Ключевые слова: малая энергетика, распределенная генерация, генерирующая установка, инвертор, токовая отсечка, максимальная токовая защита.
Малая энергетика — направление энергетики, связанное с получением независимых от централизованных сетей тепла и электричества. Характерной чертой установок в малой энергетике являются компактные размеры генераторных блоков и, как правило, мобильность конструкций.
В электроэнергетике к малым электростанциям принято относить электростанции мощностью до 50 МВт. с установками единичной мощностью до 25 МВт. В этой связи можно выделить следующие подклассы [1]:
• микро электростанции мощностью до 100 кВт;
79
Section 9. Electrical engineering
• мини электростанции мощностью от 100 кВт. до 1 МВт.;
• малые электростанции мощностью > 1 МВт.
Наряду с термином «малая энергетика» применяются понятия «локальная энергетика», «распределенная энергетика», «автономная энергетика» и «распределенная генерация энергии». Последнее понятие определяет, как производство энергии на уровне распределительной сети или на стороне потребителя, включенного в эту сеть.
Суммируя мнения экспертов малую энергетику можно определить так [1]:
1) «Малая энергетика» обычно включает в себя локальные, т. е. расположенные в непосредственной близости от потребителя, генерирующие установки. Главный признак принадлежности установок малой (автономной, распределенной) энергетике — независимость от районных энергокомпаний, являющихся монополистами на рынке.
2) Единичная мощность установки на объекте малой энергетики не превышает 25 МВт., для котельных — 20 Гкал/час. При этом на одном объекте может быть установлено несколько установок и суммарная мощность может быть значительной.
3) Заказчиками строительства объектов малой энергетики выступают, как правило, предприятия разных отраслей экономики, бюджетные организации, различные административные образования (области, города).
4) Генерирующие компании (РАО ЕЭС, ТГК, ОГК, независимые генерирующие компании) также строят объекты малой энергетики, но их число не велико.
Главной особенностью, отличающей генераторов с микротурбинами от обычных тепловых электростанций и определяющей устойчивость генератора, является то, что газовая турбина имеет значительно меньший момент инерции, чем паровая, поэтому механическая постоянная инерции генератора и турбины оказывается меньше, чем у аналогичных турбогенераторов с паровой турбиной, примерно в 1,5-2 раза. Следовательно, нарушение устойчивости происходит при меньшем возмущении. Особенностью микротурбинных установок является скорость вращения турбины 45000-96000 об/мин. При этом, между турбиной и генератором отсутствует редуктор, снижающий обороты до 3000 об/мин. Генератор непосредственно соединен с турбиной и выдает напряжение переменного тока частотой в сотни герц. Это напряжение выпрямляется и затем с помощью инвертора преобразуется в напряжение промышленной частоты 50 Гц., 400 В.
Для решения вопроса о составе защит рассмотрим основные схемы подключения генерирующих установок в распределительной сети: схема подключения генерирующей установки со вставкой постоянного тока (рис. 1) и «классическая» схема подключения (рис. 2).
Рис. 1. Генерирующая установка со вставкой постоянного тока: принципиальная и функциональная схемы
Рис. 2. «Классическая» генерирующая установка: принципиальная и функциональная схемы
80
General solutions of the issues protection and automation generating units in grid with distributed generation
В качестве генерирующей установки, подключенной по схеме рис. 1 может выступать как газотурбинная, газопоршневая, газодизельная, дизель-генераторная установка, так и установки солнечной и ветряной энергетики и др.
Следующая модель, так называемая «классическая» схема подключения генерирующей установки, представлена на рис. 2.
В качестве генерирующей установки, подключенной по схеме рис. 2 может выступать газотурбинная, газопоршневая, газодизельная, дизель-генераторная установка.
Рассмотрим защиту генерирующей установки, показанной на рис. 1.
Инвертор имеет защиты от перегрева, перегрузки и аварии по выходному напряжению, а также автоматическое повторное включение (АПВ).
Защита от перегрева. При нагреве радиатора охлаждения свыше 70 °C защита срабатывает на сигнал. При нагреве свыше 80 °C защита срабатывает на отключение. Автоматическое включение инвертора происходит при снижении температуры.
Защита от перегрузки. При превышении выходным током номинального значения и до 1,2 I защита срабатывает на световой сигнал. При значении выходного тока от 1,2 Хном до 1,4 I защита срабатывает на световой сигнал и звуковой сигнал и инвертор отключается с выдержкой времени 20 сек. При значении выходного тока от 1,4 I до 1,6 I защита срабатывает на звуковой сигнал и инвертор отключается с выдержкой времени 5 сек. При значении выходного тока свыше 1,6 I защита срабатывает на световой и звуковой сигнал, и инвертор отключается с выдержкой времени 2 сек.
Защита от аварии по выходному напряжению. При отсутствии выходного напряжения в течение времени более 7 мсек. инвертор отключается от нагрузки, при этом также срабатывает световой сигнал. При восстановлении выходного напряжения инвертор автоматически подключается к нагрузке через 10 сек.
Автоматическое повторное включение (АПВ). После отключения защитой от перегрузки запускается автоматическое повторное включение (АПВ) и спустя выдержку времени 10 сек. инвертор автоматически включается. Если перегрузка не устранилась, то после третьего повторного включения инвертор отключается на 1 час, затем АПВ вновь его включает. При наличии перегрузки процесс работы защиты и АПВ будет многократно повторяться с периодичностью 1час.
Для модификации инвертора со встроенным автоматическим байпасом при любом отключении инвертора нагрузка переключается на сеть переменного тока 220 В. При этом время переключения составляет не более 20 мсек.
Защита генератора (рис. 1) содержит следующий состав [2]: токовая отсечка (ТО), максимальная токовая защита (МТЗ), защита от минимального напряжения.
Токовая отсечка. Защиту необходимо ставить направленную, реагирующую на токи, протекающие в том или ином направлении.
Максимальная токовая защита. Защиту необходимо отстраивать от допустимого рабочего тока кабеля. Так как это теоретический рабочий ток, с учетом всех возможных перспектив, перегрузок и пр., который может протекать по линии. При таком подходе защиту не придется пересчитывать и пересматривать. Исходя из этого, при достаточной чувствительности защита будет надежна, однако, если чувствительность не удовлетворяет требованиям, то допустимо принять максимальный расчетный ток.
Защита минимального напряжения. При работе параллельно с системой установка должна отключаться защитой минимального напряжения при КЗ или исчезновении напряжения со стороны энергосистемы. Напряжение срабатывания принимается порядка 70 % U^. Выдержка времени защиты на отключение устанавливается 0,5-1,5 сек.
Кроме того, необходима установка логической защиты шин (ЛЗШ). При коротком замыкании на отходящем фидере пускаются зашиты (срабатывают токовые реле) на этом фидере и на питающих элементах секции (ввод трансформатора или секционный выключатель). При КЗ на отходящем фидере по факту пуска его защиты блокируется отключение питающих элементов без выдержки времени. При КЗ на шинах распредустрой-ства защиты отходящих фидеров не пускаются, и при пуске защиты питающего элемента разрешается ее работа без выдержки времени на отключение.
Важно помнить, что генерирующие установки с преобразовательными устройствами не являются источниками ЭДС, а являются источниками тока [3], поэтому не зависимо от внешнего сопротивления выдают в сеть только свой номинальный ток (или 1,1 ^ 1,2 I ).
Защиты и электроавтоматика для «классического» генератора [2] (рис. 2):
• дифференциальная защита с действием на отключение выключателя генератора, гашение поля статора и останов турбины;
81
Section 9. Electrical engineering
• защита от однофазных замыканий на землю в обмотке статора на отключение выключателя генератора, гашение поля статора и останов турбины;
• защита от двойных замыканий на землю, одно из которых возникло в обмотке статора, а второе — во внешней сети на отключение выключателя генератора, гашение поля статора и останов турбины;
• МТЗ с комбинированным пуском напряжения с независимой характеристикой и двумя выдержками времени, с действием с первой выдержкой времени на отключение секционного выключателя, со второй — на отключение генератора;
• сигнализация симметричной перегрузки обмотки статора (с выдержкой времени);
• сигнализация замыканий на землю, выполненная на принципе измерения напряжения нулевой последовательности в обмотке разомкнутого треугольника трансформатора напряжения генератора;
• защита от обратной мощности (при переходе генератора в режим электродвигателя в случае одно-вальной ГТУ) с действием на отключение выключателя генератора;
• защита от потери возбуждения с действием на отключение выключателя генератора;
• газовая защита (при наличии трансформаторов между генератором и сборными шинами) с действием на отключение генератора, гашение поля статора и останов турбины;
• на случай отсутствия напряжения в энергосистеме для пуска генератора (электростанции) должен предусматриваться дополнительный ввод на шины собственных нужд от стороннего источника (дизель генератора) с устройством автоматического ввода резерва (АВР) между основным и дополнительным вводом;
• устройство резервирования отказов выключателя УРОВ с действием на отключение выключателя генератора (или выключателя трансформатора со стороны ВН);
• система автоматического управления турбины;
• система возбуждения (АРВ), как правило, пропорционального типа, стремящаяся поддерживать постоянное напряжение на выводах генератора. Система АРВ генератора при подключении номинальной нагрузки не должна допускать снижение напряжения более чем на 20 % от номинального в течение 2 сек. Допускается снижение напряжения в пределах 40 % от номинального напряжения турбогенератора в течение 0,1 сек.;
• устройства синхронизации на выключателе генератора;
• защита по снижению частоты (f <) отключает генератор от энергосистемы с выдержкой времени 0,1 сек. с уставкой по частоте равной 49,5 Гц.;
• защита по повышению частоты (f >) отключает генератор от энергосистемы с выдержкой времени 0,1 сек. с уставкой по частоте равной 50,5 Гц.
При проектировании малых электростанций необходимо предусмотреть установку делительной автоматики, как дополнительного средства защиты потребителя от аварийных процессов в энергосистеме. Эта автоматика при тяжелых авариях в энергосистеме отключает линии или трансформаторы, которыми потребитель и питающая его станция связаны с энергосистемой, сохраняя тем самым питание потребителя от этой электростанции. Если электростанция не рассчитана на покрытие всей нагрузки потребителя, то одновременно с делением отключается соответствующая часть нагрузки, содержащая наименее ответственные электроприемники. Требуемая структура и параметры делительной автоматики определяются при расчетах электромеханических и электромагнитных переходных процессов с учетом газотурбинных генераторов, электрических сетей, электроприемников и др.
В заключении выделим следующие рекомендации:
• Проект защиты инвертора должен учитывать последствия, к которым может привести та или иная неисправность. Чтобы не прерывать технологический процесс, иногда необходимо снизить уровень защиты для вспомогательных устройств, например при перегрузках можно предусмотреть не отключение, а лишь подачу предупредительного сигнала. Важные вспомогательные устройства нужно резервировать.
• Величины уставок имеют рекомендательный характер, и на стадии проектирования и в условиях эксплуатации должны быть скорректированы, с учетом функциональных особенностей устройств заво-дов-изготовителей и технологического процесса.
• На электростанциях малой энергетики предусмотреть установку делительной автоматика, как дополнительное средство защиты потребителя от аварийных процессов в энергосистеме.
• Основная концепция при построении защиты и автоматики генерирующих установок распределённой генерации — собственное спасение при аварии. Рассматривать малую энергетику, в целом, как средство поддержки частоты и возлагать на нее участие в противоаварийных мероприятиях в энергосистеме нельзя. Однако в настоящее время существуют установки
82
General solutions of the issues protection and automation generating units in grid with distributed generation
способные участвовать в регулировании активной и современные модели ветроустановок (например, ве-
реактивной мощности, частоты и напряжения — это троустановки компании Enercon).
Список литературы:
1. Михайлов А. Малая энергетика России. Классификация, задачи, применение./А. Михайлов, А. Агафонов, В. Сайданов//Новости электротехники. - 2005. - № 5.
2. Руководящие указания по релейной защите. - Вып. 7. Дистанционная защита линий 35-330 кВ. - М.: Энергия, 1966. - 172 с. черт.
3. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. - М.: Гардарики, 2002. - 638 с.
4. Акулик Л. Порядок присоединения генерирующих мощностей к электрическим сетям ОАО «Ленэнерго». - Газинформ. - 2003. - № 3. - С. 5-8.
5. Правила технической эксплуатации электростанций собственных нужд объектов ОАО «Газпром». -ВРД 39-1.10-071 - 2003 (утв. ОАО «Газпром» 11.12.2002).
6. Федосеев А. М. Релейная защита электроэнергетических систем: Учебное пособие для ВУЗов. Репр. воспр. Изд. 1984 г. - M.: Издательство МЭИ, 2004. - 520 с.
7. Jenkins N., Allan R., Crossley P., Kirschen D., Strbac G. Embedded Generation. The Institution of Engineering and Technology, - 2008.
8. Кройзел Й. Запрягая ветер./Й. Кройзел//АББ Ревю 2 - 2007. - С. 33-38.
83
