第5章电力系统自动低频减载及其他安全自动控制装置

第二节 自动低频减载

一、低频运行造成的后果
对汽机的影响
汽轮机长时期低于 频率 49 ～ 49.5Hz 以 下运行时，叶片容 易产生裂纹，当频 率低到 45Hz 附近时， 个别级的叶片可能 发生共振而引起断 裂事故。
频率崩溃
当 频 率 下 降 到 47 ～ 48Hz 时，火电厂的厂 用机械的出力将显著 降低，使锅炉出力减 少，导致发电厂输出 功率进一步减少，致 使功率缺额更为严重。 从而造成所谓“频率 崩溃”现象 。
第五章 电力系统自动低频减载及 其他安全自动控制装置
低频减载及安全装置任务
电力系统中大容量电源突然断开（包括：断开机 组、相邻系统受电联络线断开）或有大容量负荷 突然投入，导致电源与负荷间有功功率的严重不 平衡，会引起电力系统频率大幅度急剧下降，危 及电力系统的安全运行。 低频减载及安全装置任务： 针对危及系统安全运行的故障采用自动化策略， 按照预定的控制准则迅速做出反应，避免事故扩 大。
Ph max PL max K L* f * PLN PL max PL max Ph max K L*f* PLN 1 K L * f *
例：某系统的负荷总功率为PL=5000MW，系统最大功率缺 额为Phmax=1200MW，设负荷调节效应系数KL*=2，自动低 频减载装置动作后，希望系统恢复频率为fh=48Hz，求接入 低频减载装置的功率总数Plmax 解：希望恢复的频率偏差的标么值为
PL PLe K L f PL 1 K Lf Tx Tx PGe df P T 1 K Lf PLe dt PGe df K Lf P T 1 P h PLe dt PGe Tx PLe K L*
第一节 概 述 电力系统安全控制装置的意义
1
B系统
2
A电厂
A经输电线路向受端电网远距离输电。
当电厂A发生故障
一回线发生三相短路 迅速切除系统B的部分负荷 迅速减少输送功率事故情况 Nhomakorabea措施


调度人员
（1）电厂A发生故障时，受端电网B的发电功率突 然减少了PA，由于系统B运行机组的备用容量远较PA 小，造成电网严重的功率缺额，引起电网频率大幅 度下降，如不及时切除部分负荷，会危及电力系统 的安全运行。 （2）一回线路发生三相短路时，继电保护动作，切 除故障线路，但由于输送的功率PA较大，超出了一 回线路运行的暂态稳定极限功率，如不及时减小输 送功率，可能由于系统稳定遭到破坏而导致系统解 列，造成系统B更严重的功率缺额。
2) 设系统功率缺额为Ph ，当频率下降至f1时切除负荷功 率PL，如果 PL等于 Ph， 则发电机发出的功率刚好与 切除后的系统负荷相平衡。系致频率按指数曲线恢复到 额定频率fe运行（曲线c) 。
3)
事故情况下，如果在f1时切除负荷功率PL1小于功率 缺额Ph，则系统的稳态频率就低于额定值。设切除 负荷PL1 后，正好使系统频率维持在 f1 运行，那么它 的频率特性如图中直线d所示
设系统的频率下降至f1时切除负荷功率PL2，且PL2 小于上述情况的PL1 ，这时系统频率将继续下降，如 果这时系统的功率缺额所对应的频率稳定值为 fb ， 系统频率的变化过程如图中曲线e 所示。比较b、e两 曲线说明，如能及早切除负荷功率， 可延缓系统频 率下降过程。
4)
四、 自动低频减载的工作原理 1 最大功率缺额及接入自动低频减载装置的功率值的确定 最大功率缺额Phmax：应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 大机组或某一电厂来考虑。 最大可能断开功 率PLmax：
系统等值机组惯性时间常数
Txf Txf
df f Ph K L dt
系统频率下降过程时间常数
当系统中出现功率缺额或功率过剩时，系统频率的动态特 性可用指数曲线来描述。
1) 由于f* 的值与功率缺额Ph*成比例，当Ph*不同时， 系统频率特性如图中曲线a, b所示。两曲线表明，在事 故初期，频率的下降速率与功率缺额的标么值成比例， Ph*值越大，频率下降的速率也越大。它们的频率稳定 值分别为fa和fb 。
Ph f P 50 P 50 P % K L* h f h f h* f PLN K L* PLN 2 K L* KL
Ph 功率缺额值，多数情况下，K L* 已知，因此在已知功率缺
额值后，即可方便的求出频率降落。
PLN 额定频率下，系统有功功率。
例1：电力系统在某一运行方式时，运行机组的总额定容量为 450MW，此时系统中负荷功率为430MW，负荷调节效应为 KL*=1.5，设这时发生事故，突然切除额定容量为100MW的发 电机组，如不采取任何措施，求事故情况下的稳态频率值。 解： 系统自身的热备用为450MW- 430MW=20MW， 所以实际功率缺额为80MW. 由
50 48 f* 0.04 50 接入低频减载装置的功率总数为：
PL max
Ph max K L*f* PLN 1200 2 0.04 5000 870MW 1 K L*f* 1 2 0.04
电力系统的频率是电能质量的重要指标，反映了发电机组 所发有功功率与负荷所需有功功率之间的平衡状况。 频率的轻度下降会给电力系统的运行带来不良影响；频率 严重下降将造成严重后果。 电力系统正常运行情况下，计划外负荷的变动将引起频率 的波动，当计划外负荷不超过发电机组的热备用容量，系 统中运行的发电机组容量能满足负荷的需要时，在自动调 频系统的作用下，系统频率可保持在额定值。 当系统发生严重的功率缺额，旋转备用容量又不足时，为 保证系统的安全运行，应在短时间内阻止频率的过度下降， 使频率恢复到安全运行允许的水平内。 有效的措施就是根据频率下降程度自动断开一部分不重要 的负荷，保证重要用户供电。
f 50Ph 50 80 6.2(Hz ) K L* PLN 1.5 430
事故后系统频率将降低至50-6.2=43.8Hz
三、 电力系统频率动态特性 电力系统在受到扰动过程中，各母线电压的相角不可能具有 相同的变化率，导致系统中各母线电压的频率并不一致，与 全电网统一的频率fx相差△fi，决定于相角δi的变化情况。 电力系统的动态频率特性：电力系统由于有功功率平衡遭到 破坏而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。 频率随时间变化的过程，主要决定于有功功率缺额的大小与 系统中所有转动部分的机械惯性。 以发电机向负荷供电为例，当出现有功功率缺额时，动态过 程推导如下：
事故初期及早切除负荷功率，对延 缓频率下降有利。

第一级的起动频率值宜选择得高些； 考虑电力系统动用旋转备用容量所 需的时间延迟 ，避免暂时性频率下 降而不必要的断开负荷。整定在48.5 49 Hz 频率低于45，有电压 崩溃危险。整定在： 46 46.5 Hz
2) 末级起动频率fn的选 择
电力系统频率动态特性
d M 同步发电机运动方程， M 转轴上不平衡转矩。 dt 1 Wke J 2e J 2Wke 2e 转子动能 2 2Wke d M 2 e dt J M B PGe e
转矩基准值
small TG
2Wke d 2Wke d d TG M PGee dt PGe dt dt
自动低频减载装置的任务 当系统发生较大事故时，系统出现严重的功率缺额，其频 率下降，采用迅速切除不重要负荷的办法来制止频率下降， 以保障系统安全，防止事故扩大。 频率降低较大时对系统运行的影响 对汽轮机的影响 发生频率崩溃现象 发生电压崩溃现象
二、 电力系统频率静态特性 电力系统出现较大功率缺额时，如果此时系统能在较低的频 率维持运行，主要依靠负荷频率特性所起的调节作用，当频 率降低时，负荷按照自身的频率特性，自动减少从系统中所 取用的功率，使之与发电机所发出的功率保持平衡。
d 发电机惯性时间常数 P T PL dt 等值机组的运动方程 d P TS PLS dt
PT PL
机组输入功率标么值 机组负荷功率标么值
TS
Because
e f fe f e fe
d d df dt dt dt PGe PLe Tx PGe df P T PL PLe dt
水轮机低 频自启
安全装置
自动解 列装置 自动低 频减载
两种功率缺额的区别： （1）电力系统频率反映了发电机组发出的有功功率与负荷 所需的有功功率间的平衡状况。 系统正常运行情况下，由于计划外负荷引起系统频率波动， 电厂发出的有功功率不能满足用户需求，出现功率缺额时 ，系统频率就会下降。此时，动用发电厂的热备用容量， 即系统运行中的发电机容量，即可满足用户的需要。 （2）系统发生较大事故，系统出现严重的功率缺额，缺额 值超出了系统正常热备用可以调节的能力，所引起的系统 频率下降值将远远超出系统安全运行所允许的范围。此时 不能靠调速器调节，为保证电网安全及重要用户供电，要 切除部分负荷，使系统频率恢复到可以安全运行的水平。
6 自动低频减载装置的动作时延及防止误动作措施
考虑到电压急剧下降期间，可能引起频率继电器误动作，采用0.1— 0.2秒的时限，躲过暂态过程可能出现的误动作。
频率测量元件的 最大误差频率
对应于t时间内的频率 变化，一般可取0.15Hz
f 2f ft f y
频率裕度，一 般可取0.05Hz
频率崩溃 电压崩溃
3 频率级差f 的选择
按选择性确定级差 级差不强调选择性
f1 f N N 1 f
级差数N 越大，每级断开负荷越 小，越近于实际功率缺额。
4 频率级差数N 的选择
5 每级切除负荷PLi 的限值
切除负荷越多，系统恢复频率就越高，即每级切除负荷的功率受恢复 频率的限制。不希望恢复的频率过高，甚至超过额定频率。
安全装置的意义
系统规模扩大 事故严重性扩大
输电线1
B系统
输电线2
A电厂
a故障则系统减少PA。若备用不足必须切负荷。 b若故障切除，则还有暂稳极限问题。
依靠调度人员在极短时间内做出判断、完成操作有困难，失去处理事故 的良机。必须依靠自动装置完成。
电力系统安全装置的种类
自动化安全性保证
自动切机
电气制动
电压崩溃
当频率降低时，励磁机、 发电机等的转速相应降低， 加剧了系统无功不足情况， 使系统电压水平下降，系 统电压水平受到严重影响， 当某些中枢点电压低于某 一临界值时，将出现所谓 “电压崩溃”现象，
造成大面积停电。自动低频减载是防止事故的对策之一。可迅速切除不重要 的负荷，制止频率下降。
自动低频减载
这种根据频率下降程度自动断开一部分不重要的负荷的 装置，叫按频率自动减负荷装置，简称AFL装置。
2 自动低频减载装置的动作顺序 分批断开负荷功率采用逐步修正的办法，根据频率的不同数 值按顺序地切除负荷。 将接至低频减载装置的总功率Plmax分配至不同起动频率值， 分批切除。 1) 第一级起动频率f1的选 择
由于电力系统运行方式和负荷水平是不固定的，针对 电力系统发生事故时功率缺额有很大分散性的特点，低频 减载装置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。这就要求减小级差f，增加总的 频率动作级数N，同时相应地减少每级的切除功率，这样 即使两轮无选择性起动，系统恢复频率也不会过高。 在电力系统中，自动低频减载装置总是分设在各个地 区变电所中，在系统频率下降的动态过程中，各母线电压 的频率并不一致，所以分散在各地的同一级低频减载装置， 事实上也有可能不同时起动。但是如果增加级数N，减 小 各级的切除负荷功率，则两级间的选择性问题并不突出， 所以近来的趋势是采用增加级数N的方法。