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1、第十三讲 电力系统自动低频减载及其他安全控制装置,肖仕武Office:J5B309Tel:80794899,North China Electric Power University,2/37,2023/11/1,主要内容,电力系统典型事故自动低频减载频率的静态/动态特性自动低频减载的工作原理最大功率缺额/动作顺序/频率级差选择每段切功率的限制/延时与防止误动作特殊轮自动低频减载装置其他安全自动控制装置自动解列装置水轮机低频自启动装置自动切机与电气制动,North China Electric Power University,3/37,2023/11/1,电力系统自动装置,North Chi
2、na Electric Power University,4/37,2023/11/1,电力系统典型事故,电力系统自动装置就是针对危及系统安全运行的故障所采用的自动化对策，他们的任务就是当系统发生某些故障时，按照预定的控制准则迅速作出反应，采取必要的措施以避免事故扩大。,事故1：A电厂发生故障而切机，B系统突然减少了功率。如果运行机组备用容量远小于，则会造成电网功率的严重缺额，频率会大幅度下降。此时如果不及时切负荷，则会危及系统安全，甚至整个系统崩溃。,North China Electric Power University,5/37,2023/11/1,电力系统典型事故,事故2：在双回线路
3、上输送的功率 很大，当有一回线三相短路而被切除，超出了一回线路运行的暂态稳定极限。如果不迅速减少输送功率，则可能由于系统稳定破坏而解列。造成受端更为严重的功率缺额。,事故处理：1、对于事故1，B系统迅速切除负荷2、对于事故2，A电厂迅速减少输送功率,North China Electric Power University,6/37,2023/11/1,电力系统典型事故,存在问题：如果由调度人员在很短的时间内正确判断事故并且完成相应的上述操作，显然是不可能的。原因是远动信息传输和操作命令的传达都需要一定的时间，如此长的时间势必会失去及时处理事故的良机。,解决办法：针对引发系统性事故的紧急操作任
4、务必须依靠自动控制系统装置来完成。,North China Electric Power University,7/37,2023/11/1,第二节 自动低频减载,电力系统的频率反映了发电机组所发出的有功功率与负荷所需有功功率之间的平衡状况。,当电力系统发生了较大的事故时，系统出现了严重的功率缺额，其缺额值超出了正常热备用可以调节的能力，这时即使令全系统中运行的所有发电机都发出其设备可能提供的最大功率，仍然不能满足负荷功率的需要，所引发的系统频率下降值远远超出了系统安全运行所允许的范围。,为了保证电网安全和对重要用户的供电，必须采取措施，切除部分负荷，以使系统频率恢复到可以安全运行的水平内。,
5、North China Electric Power University,8/37,2023/11/1,频率降低对电力系统的影响,系统频率降低较大时，对系统运行极为不利，甚至会造成系统崩溃的严重后果。,1、对汽轮机的影响：频率降低会导致汽轮机的叶片产生裂纹，甚至叶片断裂。,2、发生频率崩溃现象,3、发生电压崩溃现象,频率降低,火电厂厂用机械出力降低,锅炉出力降低,发电厂出力降低,频率降低,励磁机、发电机转速下降,电动势下降,加剧无功不足,电压水平下降,North China Electric Power University,9/37,2023/11/1,1、电力系统频率的静态特性,在电力系
6、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,负荷的频率调节特性,系统功率缺额,North China Electric Power University,10/37,2023/11/1,2、电力系统频率的动态特性,在系统稳态运行情况下,全电网统一的角频率,当系统受到微小扰动时，系统频率仍然维持，发生变化，也发生变化。此时，母线电压的瞬时角频率为,由于在扰动过程中，各母线电压的相角不可能具
7、有相同的变化率，因此，系统中各母线电压频率变化并一致。取决于 的变化情况。,North China Electric Power University,11/37,2023/11/1,2、电力系统频率的动态特性,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。,North
8、 China Electric Power University,12/37,2023/11/1,2、电力系统频率的动态特性,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,North China Electric Power University,13/37,2023/11/1,2、电力系统频率的动态特性,（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
9、,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,14/37,2023/11/1,2、电力系统频率的动态特性,当系统出现功率缺额或者功率过剩时，系统频率 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,North China Electric Power University,15/37,2023/11/1,2、电力系统频率的动态特性,系统有功率缺额Ph，当频率下降至f1，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,North China Electric P
10、ower University,16/37,2023/11/1,3、自动低频减载的工作原理,当电力系统发生严重的功率缺额时，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,North China Electric Power University,17/37,2023/11/1,（1）最大功率缺额的
11、确定,考虑即使在系统发生最严重的事故情况下，也就是出现最大可能的功率缺额时，接至自动低频减载装置的用户功率量（待切除的负荷）也能使系统频率恢复至可以运行的水平，以避免事故扩大。,确定系统事故情况下最大的可能功率缺额，以及接入自动低频减载装置的功率值，是系统安全运行的重要保证。,一般应该根据最不利的运行方式下发生事故时，实际可能发生的最大功率缺额来考虑。例如：按系统中断开最大机组，或者某一电厂来考虑。,一般希望系统切除负荷后的恢复频率要小于系统额定频率,自动低频减载装置的最大可能断开的功率 要小于最大功率缺额,North China Electric Power University,18/37
12、,2023/11/1,（1）最大功率缺额的确定,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。,North China Electric Power University,19/37,2023/11/1,（2）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断开负荷功率，采用逐步修正的办法，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
13、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。,North China Electric Power University,20/37,2023/11/1,（2）自动低频减载装置的动作顺序,1、第一级启动频率,在事故初期及早切除负荷功率，对于延缓频率下降过程有利。,第一级启动频率选择高值，在48.5Hz-49Hz之间。,2、最末一级启动频率,在电力系统中允许最低频率受到“频率崩溃”和“电压崩溃”的限制，一般取46Hz-46
14、.5Hz之间。,3、频率级差,n级数越大，每级开断的功率越少，适应性越好。,North China Electric Power University,21/37,2023/11/1,（3）频率级差的选择,对于频率级差的选择有两种原则，原则之一如下：,（1）按照选择性确定频率级差,强调各级元件动作次序，要求在前一级动作后还不能制止频率下降的情况下，后一级才能动作。,频率测量元件的最大误差频率,对应于 时间内频率的变化,频率裕度,频率级差的主要决定因素,North China Electric Power University,22/37,2023/11/1,（3）频率级差的选择,（2）级差不强
15、调选择性,对于频率级差的选择有两种原则，原则之二如下：,自动低频减载遵循逐步试探求解的原则，分级切除少量负荷，以求达到较佳的控制效果。,为达到以上目标，要求减少级差，增加总的频率动作级数n，同时，相应地减少每段的切除功率，这样，即使两轮无选择性启动，系统恢复频率也不会过高。,在电力系统中，自动低频减载装置是分散设置在各个地区变电站内。系统频率在下降动态过程中，各个母线上的频率并不一致。因此，分散在各地的同一级的低频减载装置实际上也不会同时启动。如果增加级数，减少各级切除的功率，级差的选择性问题也就不会很突出。,North China Electric Power University,23/3
16、7,2023/11/1,（4）每段切功率的限制,在同一事故情况下，切除负荷越多，系统恢复频率就越高，因此，每级切除负荷的功率受到恢复频率的限制。,切除功率的限值计算按照“第i-1级动作切除负荷后，系统的稳定频率正好在第i级的启动频率上”来考虑。,（1）系统缺额功率,系统缺额由负荷调节效应来补偿,North China Electric Power University,24/37,2023/11/1,（4）每段切功率的限制,（2）当第i级切除负荷 后，系统，这时系统功率缺额由负荷调节效应来补偿。,（3）,每级切除的负荷功率值,North China Electric Power Univers
17、ity,25/37,2023/11/1,（5）自动减载装置的延时与防止误动作,系统发生事故,电压急剧下降,频率继电器可能会误动作,增加一个时限,自动低频减载装置采用一个的延时,地区变电站短时供电中断,旋转机组反馈输送功率,电压维持、频率急剧下降,在容量不大系统出现冲击负荷,系统频率瞬时下降,低频减载装置误动作,附加其他信号闭锁,North China Electric Power University,26/37,2023/11/1,（6）特殊轮,自动低频减负荷装置分为两组：基本轮和特殊轮。基本轮为快速动作，用以抑制频率下降。特殊轮则为在基本轮动作后，用以恢复系统频率到可以操作的较高数值。,事
18、例：在第i轮动作后，系统频率稳定在低于恢复频率的低限，但是又不足以使i+1轮减负荷装置动作。,带时限的特殊轮动作切除负荷,启动频率不低于前面基本轮的启动频率,动作时限为系统时间常数的2-3倍，最小动作时间为10-20s,North China Electric Power University,27/37,2023/11/1,4、自动低频减载装置,低频继电器,延时元件,跳闸执行回路,North China Electric Power University,28/37,2023/11/1,4、自动低频减载装置,51Hz,49.5Hz,North China Electric Power Uni
19、versity,29/37,2023/11/1,4、自动低频减载装置,North China Electric Power University,30/37,2023/11/1,第三节 其他安全自动控制装置,1、发电厂厂用电系统解列,当系统出现严重的功率缺额时，会引起系统频率大幅度降低。这样会导致发电厂厂用电动机出力下降，威胁电厂电能的生产。,在电力系统运行中，发电厂厂用系统如果具备独立供电的条件。在以上这种情况下，可以考虑厂用系统与电力系统解列运行。,North China Electric Power University,31/37,2023/11/1,1、自动解列装置,2、电力系统解列
20、,在联合电力系统运行中，B系统发生故障引起了整个系统频率的下降。,A系统具有足够的旋转备用容量，但是由于受到输电线路的极限输送功率的限制不能发挥支援作用。此时，如果频率继续下降，也会威胁到A系统的安全运行。,为了控制事故范围，不至于波及到邻近系统，将两个系统解列是比较明智的选择。,North China Electric Power University,32/37,2023/11/1,1、自动解列装置,B系统发生故障,系统频率降低,输电线功率增加,超出极限功率,AB两系统解列,A系统发生故障,输电线被切除,解列操作,North China Electric Power University,
21、33/37,2023/11/1,2、水轮机低频自启动装置,汽轮发电机组从冷状态启动开始，到并入电力系统运行，需要很长时间。,水轮发电机组的启动过程很简单，只需将导水叶放置于一个位置，打开导水叶放水，机组很快就可以并入电网。启动过程只需几分钟。在电力系统运行中具有特殊任务：作为紧急投入运行。它是提高电力系统安全可靠运行的主要措施之一。,在水轮发电机组上，装设了按频率自动启动和快速并列的自动装置，以适应电力系统安全运行的需要。,在水轮发电机组上，低频测量与水轮机组启动控制由PLC统一完成，用准同期并列装置快速并网。,North China Electric Power University,34/
22、37,2023/11/1,3、自动切机与电气制动,系统输电线一回故障,继电保护正确动作,输电线一回被切除,A电厂功率过剩,A电厂存在失稳威胁,调速器存在惯性来不及动作,1、自动切机,2、电气制动,减少输电线路上的输送功率,快速消耗发电机的多余能量,North China Electric Power University,35/37,2023/11/1,小结,1、电力系统频率的静态特性2、电力系统频率的动态特性3、自动低频减载的最大功率缺额的确定4、自动低频减载的动作顺序5、自动低频减载的频率级差6、自动低频减载的每段切功率的限制7、自动低频减载装置8、自动解列装置9、水轮机的低频自启动装置10、自动切机和电气制动,
