低频减载及其它安全自动装置.ppt
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1、第六章 按频率自动减负荷及其它安全自动装置,6-1概述6-2按频率自动减负荷6-3自动解列装置6-4水轮机组低频自起动装置,第一节 概述,自动装置的任务是:当系统发生某种故障时,相应的自动装置按预定的控制规则迅速动作,并作出安全措施,以避免故障或事故扩大。例如,当系统由于事故或其它原因,会带来严重的无功功率缺额和有功功率缺额。,对于无功功率缺额导致电压下降时,强励迅速投入,使电压恢复。而对有功功率缺额,当其缺额超出了正常热备的可调节能力时,系统频率将按其动态特性规律迅速下降,必须切除一定负荷使频率回升。这是依靠系统中设置的按频率自动减负荷装置(简称ZPJH装置或ZDPJ,英文UFLS)来完成的
2、。,第二节 自动低频减载装置,一、概述当系统长期运行在49.549Hz以下时,会影响电厂和系统运行的经济性,使生产率下降;对某些汽轮机叶片造成损伤当频率低于45Hz时叶片可能共振断裂。如:我国进口某350MW机组,频率为48.5Hz时要求发瞬时信号,频率为47.5Hz时要求30s跳闸,频率为47Hz时要求0s跳闸,我国进口某600MW机组,当频率降到47.5Hz时要求9s跳闸,当频率下降到4748Hz时,火电厂厂用机械锅炉和汽轮机发电机出力下降,4647Hz以下时,频率下降更快,恶性循环将引起频率崩溃。,当频率下降到4647Hz时,异步电动机和变压器的励磁电流、无功损耗,引起系统电压.还会引起
3、励磁机出力发电机电势全系统电压水平.若原来电压就低,速降,电压崩溃,系统瓦解。事故情况下也不能长期在47Hz以下(限制0.5s);瞬时值绝对不允许低于45Hz。,在电力系统出现较大的功率缺额时,如能在较低的频率维持运行,主要是依靠负荷频率特性的调节作用。,当频率降低时,负荷按照自身的频率特性自动地减少了从系统中所吸收的功率,使之与发电机发出的功率尽可能的保持平衡。此时,系统所减少的功率就是系统的功率缺额。,系统功率缺额,负荷的频率调节效应系数,系统功率缺额,二、电力系统频率的静态特性,设系统正常运行于额定频率50Hz,具有的旋转备用功率PXZ。若系统突然发生事故,切除的发电总功率为PF,当旋转
4、备用全部投入时,系统的有功缺额实际为:Ph=PF-PXZ,负荷消耗的总有功率,举例说明ZPJH的必要性,设系统原在额定状态下运行,当发生的功率缺额25%PLn时,如果仅由负荷的调节效应来补偿,并设负荷的调节效应系数KL*=2,则,则系统的稳定频率为:,f=50(1-0.125)=43.75Hz,热备用不会达到25%PLn,需切除负荷。,三、电力系统动态频率特性,ZPJH装置是在电力系统因事故出现较大有功缺额时,在频率下降过程中动作的。此时频率随时间变化的情况,即电力系统频率的动态特性。为一指数下降曲线,频率下降的稳态值(fb,fa)与功率缺额成正比。,1,2,fb,fa,fn,f,b,a,曲线
5、主要由系统中所有转动机械,包括原动机、发电机、补偿机、电动机及其所拖动的机械等的旋转部分的机械转动惯量来决定。将部分动能转换成电能的方式来补偿这一缺额.电动机的数量远比发电机多,但它们的等效转动惯量却远小于发电机组。因此,求取系统频率的动态特性时可以只考虑发电机组的转动惯量。求系统等值发电机组的转子运动方程:,当系统出现功率缺额时,系统中旋转的动能都为支持电网的能耗而做出贡献。,频率随时间变化的过程主要取决于有功功率缺额大小和系统中所有转动部分的机械惯性,包括:汽轮机、同步发电机、同步调相机、电动机及其拖动的机械设备。,电力系统由于有功功率的平衡遭到破坏,引起系统频率发生变化,频率从正常状态过
6、渡到另一个稳定值所经历的时间过程电力系统频率的动态过程。用 来表示电力系统频率动态特性。,研究电力系统频率的动态过程,(1)以单机单负荷为例:,系统出现有功缺额时,转子运动方程,转子动能,考虑到机械角速度变化不太快,(2)全网多台机组并联运行:,考虑忽略各节点频率偏差 的差异,把全系统的所有机组看作一台等值机。,电动机及其拖动机械负荷的转动惯量远小于发电机组的转动惯量,可以忽略,这样并不会影响计算结果。,等值机的惯性时间常数,转换为以负荷在额定频率时的总功率为基准功率,North China Electric Power University,15/37,2023/10/9,当系统出现功率缺额
7、或者功率过剩时,系统频率fx(t)的动态特性可用指数曲线来描述。,在事故初期,频率下降的速度与功率缺额成正比,16/37,2023/10/9,系统有功率缺额Ph,当频率下降至f1 时,切除负荷,结论:如果能够及时切除负荷功率,就可以延缓系统频率下降过程。,c,d,设功率缺额为Ph*a,频率沿曲线a下降到f1时,切除负荷功率PL:切除负荷PL1较大,沿曲线c回升切除负荷PL2PL1,可能使频率不下降也不上升,如曲线d切除负荷PL3PL2,曲线沿下降较缓慢的曲线e变化。,fb,fa,fn,f,b,a,d,c,e,f1,18/37,2023/10/9,四、自动低频减载的工作原理,当电力系统发生严重的
8、功率缺额时,低频减载装置的任务就是迅速断开相应数量的用户负荷,使系统频率在不低于某一允许值的情况下,达到有功功率平衡,以确保电力系统安全运行,防止事故进一步扩大。这是防止电力系统发生频率崩溃的系统性的保护装置。,1、最大功率缺额的确定,2、自动低频减载装置的动作顺序,3、频率级差的选择,4、每段切除功率的限制,5、自动减载装置的延时与防止误动作,6、特殊轮,(一)确定最大功率缺额Phmax发生严重事故时,为保证ZDPJ装置动作切除负荷后能使系统频率恢复到允许值,在计算接入ZDPJ装置的负荷功率之前,必须先确定系统发生故障时功率缺额的最大值。确定最大功率缺额应考虑系统最不利运行方式下出现最严重故
9、障时的情况。,例如,按系统断开最大容量机组或某一发电厂考虑;如果系统有可能解列成几个子系统时,还应考虑各子系统因联络线断开而出现的功率缺额,应按各部分之和考虑。Ph=PF-PXZPF-事故情况下被切除的发电机功率;PXZ-系统中旋转备用的功率。,要求f=fh,fh小于额定值,约为49.550Hz,规定49.5Hz。由运行人员恢复至额定。因此PLmax Phmax所以ZPJH动作后仍存在功率缺额Ph=Phmax PLmax设正常运行时系统负荷为PL,则频率恢复到fh后,认为系统负荷功率为PL PLmax,于是,(二)切除负荷总功率值的确定PLmax,North China Electric Po
10、wer University,22/37,2023/10/9,根据系统负荷、系统恢复频率以及最大功率缺额,可以计算出接到自动低频减载装置的功率总数。,例1设系统的总功率5000MW,最大功率缺额为Phmax=1200MW,自动低频减负荷装置动作后,希望系统频率恢复到fr=48Hz。设负荷调节效应系数为KL*=2,求接入自动低频减负荷装置的负荷总功率PLmax。,例题说明,如果接入ZDPJ装置的负荷总功率为870MW,即使发生了设想的严重事故,仍能保证系统恢复到允许频率不低于48Hz。,(二)自动低频减载装置的动作顺序,系统运行方式有很多种,事故的严重程度也很大差别,而对于自动低频减载装置都必须
11、做出恰当的反应,切除相应数量的负荷。解决的办法只有分批分期断开负荷功率,以求做到切除的负荷功率既不过多,又不过少目前均采用按频率由高到低顺序切除负荷的办法,逐步修正,才能取得较为满意的结果。,尽管频率动态方程表明频率下降速率载有有功缺额的信息,但在实际应用中,按频率降低值来切除负荷,即按频率自动减载。,自动低频减载装置是在电力系统发生事故后系统频率下降时,按照频率的不同数值按顺序依次切除负荷,也就是将最大开断功率分配在不同启动频率值的区段内分批切除负荷。,为了确定自动低频减载装置的级数,应该确定第一级启动频率 和最末一级启动频率 的数值。,根据启动频率的不同,将ZDPJ装置的动作分为若干级,也
12、称为若干轮。且f1 f2 f3 fN,断开功率PLi。当发生事故时,频率迅速下降到时fi,第i级动作,断开PLi 直到频率开始回升采停止下一级动作。为了确定级数,应确定装置的第一级动作频率f1、最末一级动作频率fN和相邻两级之间动作频率的级差f。,(1)确定第一级动作频率f1,从稳定性出发第一级动作频率应取得高一些,但过高有可能在频率暂时下降而备用容量尚未来得及发挥之前就把一部分负荷切掉了。兼顾以上两方面f1不高于49.1Hz。一般第一级动作频率整定在48.549.0Hz。在以水电厂为主的电力系统中,由于水轮发电机组的调速控制系统动作较慢,第一级动作频率应取低些。,(2)确定末级动作频率fN,
13、末级起动频率受系统允许的最低频率的限制,即不得发生频率崩溃或电压崩溃。对于高温高压火电厂,在频率低于46Hz46.5Hz时,厂用电已不能正常工作。当频率低于45Hz时就有“电压雪崩”的危险.因此末级动作频率以不低于46Hz46.5Hz为宜。应限制频率低于47Hz的时间不超0.5s。其它电力系统的频率fN也不得低于45Hz。,(3)确定频率级差f,在确定f 时,目前有两种不同的方法。按选择性确定这种方法要求在前一级动作之后不能制止频率下降时,下一级才动作。才算是有选择性。确定频率选择性级差可用图6-2说明,图中fi和fi+1分别为第i级和第i+1级的动作频率,f为频率继电器动作频率的最大误差。最
14、严重情况是第i 级的频率继电器动作频率有最大负误差f,第i十1级有最大正误差f。此时第i级在fi-f动作,第i+1级在fi1+f动作.,fi,图6-2频率选择性级差的示意图,0,t,f,f,fi+1,i,i+1,f,f,f,1,2,发信号,启动,切负荷,为了动作选择性,相邻两级之间的动作频率级差应由下式确定:f2f ftfmft在延时t内系统频率下降值,一般可取0.15Hz;fm频率裕度,一般可取0.05Hz。对电磁式频率继电器,f可达0.15Hz,此时,f=0.5Hz。对数字式频率继电器,f可达0.05Hz,f可取为0.3Hz。,fi,图6-2 频率选择性级差的示意图,1,2,0,t,f,f
15、i+1,t,ft,f,f,f,f,f,级数越多,每一级接入应切除的负荷功率就较少,这就可以达到较好的控制效果。而要增加级数N,就要减小f;根据选择性级差的确定原则,减小f,会失去选择性.可能会出现两级无选择性动作,但因每一级切除负荷不多,这种无选择性动作并不会使恢复频率过高。因此,不强调级差的选择性,增大级数N,是一个可行方法。,不强级差调选择性,这是将接入的总负荷尽量多地分成若干级切除,而不注重每级之间是否有选择性。因为分级切除负荷的实质是一种逐次逼近的寻优方法,所以分的级数多更容易寻求到最佳切除值。而每级切除的负荷减小了,使选择性问题不突出了。缩小级差(研制高精度的频率继电器)、增加级数、
16、减少每级切除的负荷功率的方法已成为自动低频减负荷的一种趋势。,确定动作级数N,在求得首、末级动作频率f1、fN和频率级差f 之后,动作级数N就可由下式确定:级数N越大,则每一级切除的功率就越小.这就更接近实际功率缺额对应的应切除负荷功率值.但f 一被确定,级数N也就被确定,实例:2004年蒙西电网基本轮为七轮,定值为:49.25,49,48.75,48.5,48.25,48,47.75Hz。延时0.2s。可见级差为0.25Hz。特殊轮为一轮,定值为:49.25Hz。延时20s。低压减载装置动作值110KV为97.9KV,延时1s。,(四)各级最佳切除负荷的计算,以下讨论各级切除负荷的计算方法适
17、用于f为选择性级差时的ZPJH装置。电力系统中,同一事故情况下,若 ZPJH每级切除负荷过少,则降低了它的作用切除过多,则系统恢复频率过高,作为安全措施,并无此必要。因此,每一级负荷的切除值受恢复频率的限制。要求ZPJH某一级动作,若频率恢复,其稳定值不应距希望值过远,若有超过,不应高于额定值。,频率稳定在f1。由于f1大于第i级的动作频率fi,所以第i级不能动作,而频率又没有回到希望恢复频率fh,如曲线1所示.此时,频率恢复到fh的任务将由特殊级完成。,0,f,fh,1,fi,fi-1,t,t,t,f1,f3,f2,第i-1级动作切除负荷之后系统频率继续下降时的频率动态特性曲线。频率继续下降
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