История расчетов аварийных режимов

Для обеспечения безопасной работы как правило разрабатывается комплекс из нескольких защит, частично перекрывающих друг друга по зоне действия. Для обеспечения требования селективности (отключение минимального поврежденного участка) все защиты, чье действие распространяется на определенную часть сети отстраиваются друг от друга по временной задержке, по току срабатывания или по другим параметрам. В этих условиях особое значение имеет теория расчета аварийных режимов сети и выбор соответствующих уставок защиты.
История расчетов аварийных режимов в электроустановках трехфазного переменного тока берет начало от первой электропередачи, созданной Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. На гидроэлектростанции около города Лауфена (Германия) был смонтирован трехфазный генератор 300 л.с, повышающий трансформатор, линия электропередачи, понижающий трансформатор и приемник - в виде трехфазного двигателя. Налицо были все основные элементы современных систем электроснабжения. В их числе были смонтированы и устройства зашиты трехфазной линии электропередачи.
Интересна история первого срабатывания первого защитного устройства трехфазной системы. Еще при проектировании линии электропередачи общественность высказала опасение относительно безопасности линии, при каких либо ее повреждениях. Поэтому вместо предложенного М.О. Доливо-Добровольским напряжения 28 - 30 кВ было дано добро только на напряжение 15 кВ. Несмотря на это, после окончания строительства власти городов, вблизи которых проходила эта линия, запретили ее включение, потребовав дополнительных доказательств ее безопасности. И тогда автор пошел на рискованный эксперимент. После подачи напряжения, в месте пересечения этой линии с железной дорогой был искусственно оборван провод. Сразу после касания рельса проводом М.О. Доливо-Добровольский подошел к нему и на глазах многочисленных официальных представителей коснулся его голой рукой [4].
Нельзя не восхищаться его смелостью и уверенностью в том, что защита, сконструированная им, отключит поврежденную линию. Трудно представить более наглядную демонстрацию необходимости защитных устройств и эффективности их действия.
По мере развития трехфазных систем электроснабжения в XX веке стала развиваться и техника релейной защиты, на первом этапе основанная на принципе реагирования на увеличение тока, протекающего через защищаемый элемент. Почти сразу встал вопрос о том, как отличить токи, определяемые нагрузкой, от токов, которые определяются повреждением элементов электроснабжения. Другими словами, возникла необходимость рассчитать ток короткого замыкания. Развитие техники релейной защиты и теории расчета токов короткого замыкания шли параллельно, взаимно стимулируя свое совершенствование. Действительно, оказалось, что все параметры устройств релейной защиты базируются на расчетах токов короткого замыкания. Чем сложнее устройство, тем больше параметров требуется от расчетов. И вот уже стало одних токов недостаточно, потребовались другие электрические величины, такие как напряжения, фазовые соотношения, сопротивления и т.п.
Такие расчеты уже нельзя называть расчетами токов короткого замыкания, это название сохранилось как условное, с пониманием того, что рассчитывается целый комплекс электрических величин, связанных с коротким замыканием.
Первые попытки расчета сразу же показали, что это задача непростая, что требуется глубокое изучение всех электромагнитных процессов, связанных с началом и протеканием процесса короткого замыкания, включая процессы в электрических генераторах, двигателях, трансформаторах, линиях электропередачи. Интересно отметить, что еще в 1900 году, когда во многих странах (в том числе и в России) уже существовали многочисленные трехфазные системы электроснабжения, фактически не существовала теория расчета токов короткого замыкания. Выбор оборудования производился «на глазок», например, выключатели выбирали примерно с трехразовым запасом по отношению к номинальному току, примерно также выбирались и защитные устройства [5]. При этом наблюдалось значительное количество повреждений различного оборудования, что не могло не вызвать озабоченности энергетиков.
Теоретическая база расчетов в тот период была готова только частично. Принципиальные законы расчета электрических цепей были уже известны, Г.Р. Кирхгоф еще в 1845 году сформулировал два основных закона расчета сложных электрических схем, он же положил начало расчета переходных процессов.
Следует заметить, что анализ электрических цепей положил начало интенсивному развитию теории графов - одному из разделов математики - топологии, которая в дальнейшем сама стимулировала развитие теории электрических цепей. Работая над системой трехфазного переменного тока, М.О. Доливо-Добровольский начал использовать векторные диаграммы для изображения трехфазных токов и напряжений. В 1893 году на международном электротехническом конгрессе американский электротехник Ч.П. Штейнмец показал возможность использования комплексных чисел для описания электрических величин переменного тока. Все эти достижения готовили базу для расчета токов короткого замыкания. Однако до 1900 года все переходные процессы рассматривались на основе дифференциальных уравнений, и переменный ток также рассматривался как непрерывный переходный процесс. При этом известный ученый Г. Ми, изучая процессы распространения гармонического колебания вдоль проводов круглого сечения, обнаружил, что понятия емкости и индуктивности не имеют самостоятельного значения, а входят в некоторые функции, в которые входит также частота гармонического колебания. Говоря современным языком, он ввел понятие реактивного индуктивного и реактивного емкостного сопротивлений.
К 1909 году была разработана теория протекания тока в земле, что оказалось важным для анализа несимметричных коротких замыканий. Однако до 1930 года все расчеты переходных процессов велись, выражаясь современным языком, в фазных координатах, так в изданной в Берлине в 1926 году книге Селективная защита [6], все расчеты проводимостей и сопротивлений, а также токов и напряжений производятся для каждой фазы отдельно, что значительно усложняло проведение расчетов. Особенно эти трудности становятся понятными, если учесть возможности вычислительной техники того времени.
Перелом произошел к 1930 году, когда американский ученый Фортескью предложил несимметричную и некомпенсированную систему векторов представлять в виде геометрической суммы двух симметричных и скомпенсированных векторов и одной не скомпенсированной системы одинаково направленных векторов. Впоследствии эта система расчетов получила название метод симметричных составляющих (Рис. 1). Преимущества такого метода расчета несимметрии оказались неоспоримыми, и он вошел в практику расчетов практически мгновенно.
Модели постоянного тока сыграли выдающуюся роль в расчетах токов КЗ, но не столько в качестве инструмента, который позволял в упрощенной форме, но зато оперативно получать необходимые данные. Гораздо большую роль они сыграли как прообразы будущих кибернетических моделей электрических систем. Был осмыслен вопрос моделирования электрических процессов и границ их приемлемости, сформулировано понятие модели как конкретного воплощения абстрактных математических понятий моделей. Наконец, с их помощью были сформулированы требования к новому поколению моделей; моделям переменного тока. Однако, они не получили широкого распространения, поскольку были достаточно сложны, занимали много места, изготовлялись по индивидуальному заказу некоторых крупных энергосистем. Но несомненна их роль в формировании требований к созданию будущих моделей.
Следующий этап - это появление вычислительной техники, которая позволила создать такие программы, которые могли рассчитать токи (а заодно и другие электрические величины), возникающие при коротких замыканиях. Первые опыты далеко не все были удачными, отчасти из-за недостаточной мощности ЭВМ первых поколений, а отчасти и от сложности решения таких задач. Например, пришлось отказаться от метода контурных токов (основанного на втором законе Кирхгофа), позволяющего достаточно просто учитывать взаимоиндукцию и продольные несимметрии и взять за основу метод узловых потенциалов (основанный на первом законе Кирхгофа), который оказался в целом более эффективен. По мере роста возможностей ЭВМ совершенствовались и программы. Следует сказать, что современные ЭВМ позволяют создать уже в настоящее время такие программные модели, которые в значительной степени можно было бы назвать изоморфными, т.е. взаимно-однозначно отображающими изучаемые процессы [7].
Симметричные составляющие получили распространение не только в расчетах токов КЗ, но и в практике релейной защиты в виде соответствующих фильтров симметричных составляющих.
Сейчас физические модели постоянного и переменного тока ушли в историю. Их место прочно заняли цифровые методы расчета на базе программ и соответствующих ЭВМ, мощность которых постоянно растет, что открывает безграничные возможности по совершенствованию программ расчета электрических режимов и в частности расчета токов КЗ. Но что понимать под совершенствованием? Можно говорить об организации программ, о способах общения ЭВМ с человеком. Но не менее необходимо говорить и о содержании программ будущего. При создании программ нового поколения должен реализовываться принцип максимального соответствия расчетных электрических величин реальным, в частности с использованием оперативной и ретро информации.


Рис. 1 - метод симметричных составляющих;

реле рт-85
Рис. 2 - внешний вид индукционного реле РТ-85;


Рис. 3 - панели релейной защиты

 

В настоящее время в разных областях начинает получать широкое применение микропроцессорная техника, в основе которой находятся микропроцессоры. Это перспективное направление начинает применяться и для осуществления релейной защиты, которая реализуется уже не с помощью реле, а в виде программ, закладываемых в память микропроцессорных систем.
Развернуты начатые много раньше перспективные работы по созданию и введению в опытную эксплуатацию программных защит с использованием микропроцессорной техники во многих организациях.
Большие и сложные задачи перед релейщиками были поставлены при проектировании, сооружении и введении в эксплуатацию линий электропередачи сверхвысокого и ультравысокого напряжений. Эти задачи были успешно решены.
Необходимо отметить, что техника релейной защиты за последние десятилетия интенсивно развивалась и за рубежом, особенно в США, Швеции, Финляндии, Японии, Франции, Англии и ФРГ, опубликовано большое число научно-технических трудов, преимущественно в периодических изданиях, в частности фирменных. Принципиально представлялось бы весьма целесообразным такое выполнение защит от повреждений, при котором они могли бы не только фиксировать происшедшее повреждение, но и выявлять намечающееся. Практически в большинстве случаев выполнять такие защиты затруднительно или даже невозможно (например, защиту от КЗ, происшедшего вследствие грозового разряда). К этому, однако, необходимо стремиться.

В этом реферате сведена информация об истории развития релейной защиты и автоматики электроэнергосистем, также представлены перспективы дальнейшего развития.
В выводе, возможно, стоит обратить внимание на все возрастающую значимость системы релейной защиты и автоматики. Действительно, если в начале века в плане ГОЭЛРО говорилось о 1,5 ГВт мощностей на весь Советский Союз, то сейчас речь идет уже о сотнях и тысячах гигаватт. Кроме того, все больше растет интеграция сетей друг в друга, новые магистральные линии связывают независимые энергосистемы, кроме того, в будущем возможно и объединение энергосистем различных государств.
В этих условиях предъявляются новые требования к защите, например магистральные линии больших мощностей и на большие расстояния имеет смысл делать не только сверхвысокого напряжения, но и постоянного тока, а для обеспечения защиты таких линий требуются совершенно особенные системы защиты.
Наступивший новый век и третье тысячелетие ставят новые грандиозные задачи перед энергетиками и, в общем комплексе решения этих задач, роль специалистов по противоаварийному управлению будет возрастать. Для того чтобы не отстать от общего прогресса этой области необходимо сейчас всячески поддерживать работу опытно-конструкторских предприятий и внедрять их наработки.

 

Список литературы
1. Сто лет релейной защите. Сборник материалов. / Сост. М.А. Шабад - СПб: ПЭИпк, 2006. - 60 с.
2. В.Л. Иванов Реле и релейная защита. - Л.: 1932.
3. Гендин Г.С. Все о радиолампах. - М.: Горячая линия-Телеком, 2002. - 296 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1258).
4. Из истории электротехники. М.О. Доливо-Добровольский. / - М.: Электричество, 1962.
5. История развития техники СССР. / - М.: 1985.
6. Кессельринг Ф. Селективная защита. / М-Л.: Энергоиздат 1932.
7. Байли Р. Т., Лонг Р. В., Болдуин С. Я., Кинг С. В. Расчеты коротких замыканий в сетях электрических систем с помощью цифровых вычислительных машин. / Из книги Применение счетно-решающих устройств в электрических системах. / - М.Л.: ГЭИ. 1960.
8. Кирилин В.А. Энергетика. Главные проблемы: (В вопросах и ответах). - М.: Знание, 1990, - 128 с. - (Трибуна академика).


Некоторые источники утверждают что реле было изобретено Дж. Генри в 1831 г., однако его реле было не коммутирующим, позже Бриз Морзе в 1837 г. построил и коммутирующие реле, которое использовал в своем телеграфном аппарате, подобно Шиллингу.
Назад