Co je AFR a k čemu se používá?

Dodávka elektřiny spotřebitelům vyžaduje přísné dodržování hlavních parametrů sítě. Protože jejich odchylka od standardní hodnoty způsobuje poruchy při provozu vysoce přesných zařízení, snižuje životnost zařízení nebo může vést k nouzovému režimu. Nejnápadnější poruchy a následky nastávají při poklesu frekvence, k boji proti kterému se používá automatické snižování frekvence (AFD).

Koncept automatického snižování frekvence

Automatické snižování frekvence je systém pro automatickou regulaci zátěže připojené k energetické soustavě v případě prudkého poklesu frekvence. Regulace se provádí odpojováním spotřebitelů v závislosti na kategorii jejich významu. To znamená, že se nejprve přeruší zásobování nejméně významné části spotřebitelů.

Rozdělení spotřebitelů podle kategorií

Celkem se v elektrické síti při zřizování automatického frekvenčního vykládání rozlišují tři kategorie spotřebitelů. To určuje požadavky na jejich napájení a případná přerušení v případě jakýchkoli havarijních procesů.

• Kategorie 1 – jedná se o organizace nebo podniky, jejichž přerušení dodávky elektřiny by mohlo vést k úmrtí osob, potenciálnímu ohrožení státních zájmů nebo způsobit značné finanční škody.
• Kategorie 2 – jedná se o takové přijímače, jejichž přerušení dodávky vede k prostojům v různých technologických operacích, může snížit produktivitu atp.
• Kategorie 3 – jedná se o spotřebitele, jejichž odpojení nepředstavuje žádnou potenciální hrozbu. Právě tato kategorie má nejvyšší prioritu pro vypínání automatickým snižováním frekvence.

Pravidla umožňují přerušení napájení všech výše uvedených objektů při poklesu frekvence, ale v souladu s jejich kategorií. Napájení spotřebičů 1. kategorie tak může být přerušeno pouze na dobu přepnutí na druhý zdroj, což je několik zlomků sekund. Druhá a třetí umožňují delší přestávku – ne více než den v řadě.

Koncept deficitního energetického systému

Když elektrický systém není schopen poskytnout dostatek elektrické energie, dochází k výpadku napájení. Tato situace může nastat při vypnutí jedné z elektráren, připojení nového výkonného spotřebiče nebo vzdáleného zkratu. Kvůli nedostatku energie pro všechny připojené spotřebitele je výsledný energetický systém deficitní. A při absenci automatického vykládání frekvence nebo když nefunguje správně, vznikají v systému extrémně katastrofální důsledky.

Důsledky snížení frekvence

Pokud se frekvence sníží o 0,2 – 0,4 Hz, změny nebudou patrné. Ale když úroveň klesne na 48Hz a níže, dochází k nevratným procesům, a to jak v samotné elektrické síti, tak v zařízeních. I zdánlivě nevýznamný pokles o 2 Hz vede k poruchám provozu spotřebičů elektřiny: motory ztrácejí rychlost, ztrácí se ovládání strojního zařízení, klesá produktivita a může docházet k nehodám a katastrofám.

Pokud nejsou přijata opatření k obnovení normálního provozu, pak nedostatek vede k lavinovému procesu poklesu frekvence. Pak dochází k poklesu napětí, zvýšení hladiny elektrického proudu v elektrických strojích, přehřívání a destrukci izolace. Elektrárenské generátory, stejně jako spotřebitelé, zažívají stejná přetížení, která mohou vést k jejich poruše nebo zranění personálu. Automatické snižování frekvence může poskytnout skutečnou překážku těmto důsledkům.

Účel AChR

V každém energetickém systému je stanovena výkonová rezerva, která zajišťuje nastavenou úroveň činného výkonu při kolísání počtu příjemců energie a jejich apetitu. Pokud je tato rezerva vyčerpána, spustí se automatické frekvenční odlehčení, aby se obnovila rovnováha. AFR je určeno k odstranění spotřebičů třetí kategorie z napájecího obvodu, což může zabránit odstavení generátorů a úplnému odstavení elektráren. V závislosti na velikosti změny frekvence nebo době trvání deficitu lze použít různé typy automatického odlehčení frekvence.

Klasifikace

V elektrárnách a rozvodnách lze pro automatické frekvenční odlehčení systému v případě nouze použít jeden ze čtyř nebo více typů ochrany [1].

• AChR-1 provede rychlé vypnutí během 0,3 – 0,5 s, aby se zabránilo poklesu frekvence. Spouštění je nastavitelné od 48,5 do 46,5 Hz. Rozsah nastavení lze volit v krocích po 0,1 Hz. V tomto případě jsou spotřebiče vypínány postupně v závislosti na jejich výkonu.
• AChR-2 vyznačující se stejnými limity odezvy, ale upravenými na delší dobu expozice od 5 do 90 s. Na rozdíl od AChR-1 se zátěže AChR-2 vypínají s delším zpožděním, protože obnovují frekvenci po zastavení lavinového procesu.
• ZACHR umožňuje předcházet incidentům v důsledku havarijních nedostatků v jaderných elektrárnách. Doba deaktivace bloků JE s touto ochranou je 0,5 s.
• CHAPV – představuje frekvenční automatický restart. Spuštění nouzového napájení umožňuje obnovit dodávku elektrické energie spotřebitelům, kteří byli bez napětí, aby se vyrovnala frekvence.

Princip

Obrázek 2 Princip činnosti AFR

Podívejte se na obrázek, jak vidíte, zde je obvod AFR s frekvenčním opětovným uzavřením. Pokud frekvence klesne na nastavenou úroveň nebo pod ni, je aktivováno frekvenční relé KF. Z něj je signál odeslán do časového relé KT1, které sepne skupiny kontaktů mezilehlých relé KL 1 a 2. Jsou to oni, kdo řídí odpojení spotřebitelů v souladu se stanovenou prioritou.

Poté měřící prvek zkontroluje úroveň frekvence v síti. Když frekvence dosáhne 50 Hz, spustí signál z obvodu měřicího bloku do dočasného KT2. Poté se prostřednictvím mezilehlého KL4 sepnou kontakty, aby se spotřebitelé připojili zpět k síti, což je způsob, jakým se provádí FAČR.

schémata AFR

Podle požadavků mohou všechny typy automatického snižování frekvence realizovat různé ochranné funkce. Proto se pro konstrukci určitých charakteristik zařízení AFR a fází jejich provozu používají určitá schémata. Zařízení lze sestavit také pomocí relé a polovodičových prvků.

S jedním frekvenčním relé

Obrázek 3 Schéma AFC s jedním relé

Podívejte se na obrázek, zde vidíte schéma automatického frekvenčního odlehčení, které využívá jedno frekvenční relé. Přes kontakty mezilehlého relé RP je signál z měřicího prvku přiváděn do frekvenčního relé RF1. Který při poklesu úrovně frekvence okamžitě sepne kontakty RP1 a RP2. Z kontaktů relé RP2 je přijat signál k odpojení zátěže.

Pokud se úroveň frekvence zvýší nad nastavení odezvy, obvod se vrátí do původní polohy. V tomto případě je z relé RP5 odeslán signál na kontakty RP5.1, které odpojí vinutí PB1 a RP4. V případě, že práce podle takového schématu nedává požadovaný výsledek, je zde zajištěno posunování PB1.

S CHAPV

Obrázek 4 Schéma s FAPV

Vezměte prosím na vědomí, že v tomto schématu automatického vypínání frekvence jsou objekty vypínány reléovou ochranou ve stejném pořadí jako v předchozím příkladu. Z P4 je přiváděn signál do dočasného relé PB1, přes jehož kontakty jsou buzena vinutí mezilehlého RP1. Mezikontakty RP1.1 a RP2.1 vysílají signál k vypnutí. To je signalizováno RU1.

Po normalizaci frekvence prochází signál kontakty RP1.3 a RP3.2 a vinutí dočasného PB2 je vybuzeno. Prostřednictvím jeho kontaktů budí signály vinutí mezilehlého RP4. A to zase prostřednictvím kontaktů RP4.2 a RP4.3 vysílá signál do frekvenčního startu spotřebitelů. Poté signalizační relé RU 2 signalizuje aktivaci nouzové reakce.

Požadavky na AChR

• Úspěšná eliminace různých havárií – automatické frekvenční vykládání poskytuje adekvátní reakci na lokální i systémové nedostatky. To znamená, že nouzová automatika se spouští bez ohledu na charakter zástavby – jednorázový nebo kaskádový, rychlost nárůstu nebo výstupní výkon z elektrárny.
• Zajištění kmitočtově-časového pásma – pro zajištění souladu s pásmem uvedeným na obrázku je vyžadováno automatické odlehčení kmitočtu.

Jak vidíte, obrázek ukazuje stínovanou oblast označující hranici, pod kterou frekvence nemůže v určitém okamžiku klesnout. V opačném případě takové automatické frekvenční odlehčení neposkytne dostatečnou ochranu a lopatky turbíny budou vystaveny obrovskému zatížení, které může poškodit celistvost kovu.

• Minimální počet beznapěťových zátěží – výstupní relé automatického tlumení frekvence musí zajistit během provozu co nejmenší počet spotřebičů bez napětí. K tomuto účelu slouží automatický přepojovač, který se u elektráren spouští po snížení frekvenční charakteristiky za účelem poskytnutí dodatečného výkonu.
• Dostatečný počet stupňů – AFR musí vyvolat takovou odstávku kategorií vykládky, aby byly odpojeny nejméně důležité objekty v pořadí jejich důležitosti z hlediska možného poškození.
• Dosažení přijatelné hodnoty – samo automatické frekvenční prošívání by nemělo řešit problém regulace frekvence do 50 Hz. Jeho úkolem je zajistit frekvenci, při které budou skupiny energetických systémů schopny dlouhodobě poskytovat normální provozní podmínky. Zatímco personál problém vyřeší.
• Žádné falešné poplachy – automatické odlehčení frekvence by nemělo reagovat na procesy podobné poklesu frekvence (asynchronní režimy, synchronní výkyvy atd.).

Automatické odlehčení frekvence tedy musí přizpůsobit svůj provoz konstantním parametrům systému. V tomto případě by náhodné faktory ovlivňující různé koeficienty neměly ovlivnit činnost reléového nebo polovodičového zařízení, které spouští automatické frekvenční odlehčení.

Automatické frekvenční odlehčení AFC se týká reléových ochranných a automatizačních zařízení (RPiA), které chrání systém elektrické energie před lavinovitým poklesem a snížením frekvence v systému poté, co se objeví nedostatek aktivní zátěže, což má za následek odstavení spotřebovávaných elektrických přijímačů.

Podle požadavků GOST musí být průmyslová frekvence 50 Hz s odchylkou ne větší nebo menší než 0,05 Hz.

jmenování AChR

Zařízení AFC pracují, když frekvence klesne pod 49 Hz, doba provozu elektrického systému není delší než 40 s. Při méně než 47 Hz – 10 s. nelze připustit méně než 46 Hz, protože při této hodnotě dochází k jevu „napěťové laviny“, při kterém elektrárna odhazuje zátěž.

„Napěťová lavina“ přispívá ke zvýšené spotřebě jalového výkonu, což vede k ještě větším komplikacím v systému napájení.

Snížená frekvence může způsobit mechanickou rezonanci dráhy proudění turbíny, což má za následek mechanické poškození lopatek turbíny.

Snížení frekvence má za následek snížení rychlosti otáčení asynchronního motoru a snížení zátěžového výkonu souvisejícího s vlastní spotřebou elektrárny a elektrických napájecích čerpadel, což je spojeno se snížením výkonu parních turbín a vedení. k úplnému vypnutí systému. Tato akce se nazývá „frekvenční lavina“ a obvykle po ní následuje výskyt „napěťové laviny“.

Při poklesu úrovně frekvence se snižuje přívod tlaku oleje olejovým čerpadlem do turbíny elektrárny, což vede k přistání uzavíracích ventilů v nouzovém režimu a odstavení bloku.

Změny frekvenčních parametrů o pouhých 0,2 Hz mohou přispívat k nerovnoměrnému a nehospodárnému rozložení zátěže jednotek se statickou regulační charakteristikou.

Změna frekvence může vést k nestejnoměrné rychlosti provozu elektrických pohonů mechanismů, což může způsobit vady vyráběných dílů.

Nouzové frekvenční odlehčení je jediným prostředkem k udržení frekvence elektrizační soustavy v povolených mezích při regulaci odpojování spotřebičů, k tomuto procesu dochází v nepřítomnosti obnovy frekvence pomocí prostředků řízení normální frekvence.

Je velmi důležité zabránit nerovnoměrnosti frekvenční odezvy, rizikům vyplývajícím ze snížení frekvence, protože to vede k dlouhému procesu obnovy normalizované hodnoty frekvence a obnovení pracovního stavu spotřebitelů, jakož i vzniku zbytečných operace pro zapínání a vypínání spínacích zařízení elektrických přijímačů, což snižuje spolehlivý provoz napájecího systému.

AFR zařízení

V současné době existuje několik kategorií zařízení AFR:

1. AFCI je typ zařízení, které má jedno nastavení času a několik nastavení frekvence. Slouží k zabránění vzniku poklesu frekvence po vzniku mimořádné situace. Nastavení času je 0,5 sec. Rozsah nastavení frekvence je od 48,5 do 46,6 Hz. Front ACPI je několik, celkem jich je asi 20, rozdíl mezi frontami je Δf = 0,1 Hz Zátěž pracující z ACPI je mezi fronty rozložena rovnoměrně. Když je zpracován určitý počet front, pokles frekvence se zastaví nebo „zamrzne“ na 47 nebo 47,5 Hz.
2. AChRII je kategorie, která zahrnuje několik nastavení času a jedno nastavení frekvence. Slouží k navrácení frekvence na požadovanou hodnotu, zajišťující provoz elektrizační soustavy v normálním režimu, po jejím „zamrznutí“ je v této kategorii nastavení frekvence 48,6 Hz, nastavení času je nastaveno v rozsahu 5 – 69 sekund. AChRII fronty se liší v nastavení času o 3 sekundy. Při spuštění AChRII je hodnota frekvence nastavena na 49 Hz.
3. FFA – frekvenční automatický restart slouží k obnovení napájení spotřebitelů elektřiny, kteří byli během provozu AFR odpojeni v souladu s určitou posloupností, řízenou hodnotami frekvence a podle polohy nastavení času a frekvence, jako i podle odpovědnosti spotřebitelů energie.

CHAPV označuje speciální automatizační zařízení, která poskytují impuls k zapnutí spotřebičů zastavených během nouzového režimu.

FACR se spouští na frekvenci 49,5 nebo 50 Hz, s počátečním nastavením času 10 – 20 sekund s intervalem mezi jednotlivými dávkami minimálně 5 sekund. Posloupnost aktivace havarijní odezvy je obrácená k činnosti havarijní odezvy v tom, že akce posledního stupně havarijní odezvy odpovídá působení prvního stupně.

Spolu s AFR se k obnovení činného výkonu používá ALAR a dělicí ochrana.

obr. č. 1. Schéma zařízení AFD na základě četnosti absolutní hodnoty, používané pro průmyslové podniky. Spouštění se skládá z činnosti frekvenčního relé a aktivace mezilehlého relé, které odpojí spotřebiče

Požadavky na automatické snižování frekvence

Množství energie aplikované na AFR musí být dostatečné k odstranění nedostatku energie.

Zařízení AFR by mělo pomoci zabránit vzniku „frekvenční laviny“.

Je nutné plně dodržet odpojenou zátěž do hodnoty výkonového deficitu.

Po spuštění AFC se hodnota frekvence musí vrátit na předchozí standardní hodnotu frekvence nebo na hodnotu alespoň 49 Hz.

Kromě automatické frekvenční vykládky kategorií I a II existuje a používá se doplňková vykládka, která slouží k provedení lokální vykládky, když se nedostatek aktivních kapacit jeví příliš vysoký, kdy obě kapacity AFC kategorie I a II jsou zjevně nedostatečné k zabránění vznikající nedostatek.

Princip činnosti AChR

obr. č. 2. Obvod AFR s částečným usměrněním jednoho stupně, pomocí jednoho frekvenčního relé s automatickým provozem a spínáním žádané hodnoty

Princip činnosti spočívá v zapnutí zařízení při snížení frekvenčních parametrů na nastavenou hodnotu nastavené provozní hodnoty, KF, což je frekvenční relé, po činnosti spustí časové relé KT1, při sepnutí skupiny kontaktů, KL1, KL2, což jsou mezilehlá relé, jsou aktivovány a určitá část je vypnuta spotřebiče, současně je spuštěn měřicí prvek VF frekvenčního relé pro sepnutí automatického relé. Po zvýšení úrovně frekvence na požadovanou hodnotu 50 Hz se kontakty všech relé vrátí zpět a obvod se obnoví.