低频减载及低压减载

低频减载及低压减载

一、自动低频减载的基本原理

1.基本原理

低频减载又称自动按频率减负载，或称低周减载（简称为AFL），是保证电力系统安全稳定的重要措施之一。当电力系统出现严重的有功功率缺额时，通过切除一定的非重要负载来减轻有功缺额的程度，使系统的频率保持在事故允许限额之内，保证重要负载的可靠供电。

自动低频减载（负载）的工作原理如图3-16所示。假定变电站馈电母线上有多条供配电线路，按电力用户的重要性分为n个级别和m个特殊级。基本级是不重要的负载，特殊级是较重要的负载，每一级均装有自动按频率减负载装置，它由频率测量元件f、延时元件△t和执行元件CA三部分组成。

基本级的作用是根据系统频率下降的程度，依次切除不重要的负载，以便限制系统频率继续下降。例如，当系统频率降至 f1时，第一级频率测量元件启动，经延时△_t1后执行元件CA₁动作，切除第一级负载△P1；当系统频率降至f。时，第二级频率测量元件启动，经延时△t。后执行元件CA₂动作，切除第二级负载△P₂。如果系统频率继续下降，则基本级的n级负载有可能全部被切除。

当基本级全部或部分动作后，若系统频率长时间停留在较低水平上，则特殊级的频率测量元件f_sp启动，经延时△t_spl后切除第一级负载△P_spl;若系统频率仍不能恢复到接近f_n，则将继续切除较重要的负载，直至特殊级的全部负载切除完。

目前，基本级第一级的整定频率一般为48.5～49Hz，最后一级的整定频率一般为47～47.5Hz，相邻两级的整定频率差取0.2～0.3Hz。当某一地区电网内的全部自动按频率减负载装置均已动作时，系统频率应恢复到49.5～49.8Hz以上。

特殊级的动作频率可取48.5～49Hz，动作时限可取15～25s，时限级差取5s左右。

2.AFL的实现方法及基本要求

采用传统的频率继电器构成的低频减负载装置，由于级差大、级数少，不能适应系统中出现的不同的功率缺额的情况，不能有效地防止系统的频率下降并恢复频率，常造成频率的悬停和超调现象。随着微机继电保护在中低压电网的广泛应用，由微机继电保护同时实现低频减载功能已成为可能，而且非常方便。

一般来说，实现低频减负载的方法大体有以下两种。

（1）采用专用的微机低频减载装置实现。这种低频减载装置将一个变电站全部馈电线路分为1~8级（也可根据用户需要设置低于8级）和特殊级，然后根据系统频率下降的情况去切除负载。

（2）把低频减负载的控制分散在每回馈电线路的微机继电保护装置中实现。现在微机继电保护装置几乎都面向对象设置，每回线路配一套保护装置，在线路保护装置中，增加一个测频环节，便可以实现低频减负载的控制功能，对各 回线路级次安排考虑的原则仍同上所述只要将第n级动作的频率和延时定值事前在某回线路的保护装置中设置好，则该回线路便属于第n级切除的负载。这种控制方法容易实现，结构也简单，今后会越来越多地被采用。

对低频减载的基本要求如下∶

（1）能在各种运行方式和功率缺额的情况下，有效地防止系统频率下降至危险点以下。

（2）切除的负载尽可能少，无超调和悬停现象。

（3）应能保证解列后的各孤立子系统也不发生频率崩溃。

（4）变电站的馈电线路故障或变压器跳闸造成失电压，负载反馈电压的频率衰减时，低频减负载装置应可靠闭锁。

（5）电力系统发生低频振荡时，不应误动。

（6）电力系统受谐波干扰时，不应误动。

以下对这些基本要求做详细说明。

（1）按频率自动减负载装置动作后，系统频率应回升到恢复频率范围内。事故情况下，按频率自动减负载装置动作后使系统频率恢复到一定值是为了防止事故扩大。一般要求系统频率恢复值低于系统额定频率，剩下的恢复由运行人员完成。由于系统事故时功率缺额差异较大，考虑装置本身的误差，只要求系统频率值恢复到规定范围即可，我国电力系统规定恢复频率不低于49.5Hz。

（2）要使按频率自动减负载装置充分发挥作用，应有足够的负载接于按频率自动减负载装置上。当系统出现最严重有功功率缺额时，按频率自动减负载装置配合负载调节效应能使系统频率恢复到恢复频率。

（3）按频率自动减负载装置应根据系统频率的下降程度切除负载。实际电力系统中每次出现的有功功率缺额不同，频率下降的程度也不同，为了提高供电可靠性，同时使按频率自动减负载装置动作后系统频率不超过希望值，按频率自动减负载采用分级切除、逐步逼近的方式。即当系统频率下降到一定值时，按频率自动减负载的相应级动作切除一定数量的负载，如果仍然不能阻止频率下降，则按频率自动减负载下一级动作再切除一定数量的负载以此类推，直到频率不再下降为止。构成原理如图3-16 所示。应当注意，在分级实现切负载时，首先切除不重要负载，必要时再切除部分较为重要的负载，当按频率自动减负载装置动作完毕后，系统频率必然恢复到希望值。

（4）按频率自动减负载装置各级动作频率确定应符合系统要求。按频率自动减负载装置的动作频率确定包括首级、末级动作频率、动作频率级差及动作级数的确定。

1）首级动作频率。从提高系统稳定性出发，按频率自动减负载装置首级动作频率f₁应确定高一些，但过高不能充分发挥旋转备用的作用，对用户供电可靠性不利。兼顾两方面因素，按频率自动减负载装置的首级动作频率一般不超过49Hz。

2）末级动作频率。按频率自动减负载装置的末级动作频率由系统允许的最低频率下限来确定，大于核电厂冷却介质泵低频保护的整定值，并留有不小于0.3～0.5Hz的裕度，保证这些机组继续联网运行;同时为保证火电厂的继续安全运行，应限制频率低于47.0Hz的时间不超过0.5s，以避免事故进一步恶化。

3）动作频率级差。设f_i和f_i+1分别是i级和i＋1级动作频率，则动作频率级差△f=f_i一f_i+1。

4）动作级数。由首级动作频率f1 和末级动作频率f_n以及动作频率级差△f可以计算出按频率自动减负载装置的动作级数N，N=（f_i一f_n）/△f＋1，N取整数。

（5）按频率自动减负载装置各级的动作时间应符合要求。从按频率自动减负载装置的动作效果看，装置应尽量不带延时。但不带延时使按频率自动减负载装置在系统频率短时波动时可能误动作，一般要求按频率自动减负载装置动作可带0.15～0.5s延时。对于某些负载，按频率自动减负载装置的动作时间可稍长，前提是保证电力系统安全运行。

（6）按频率自动减负载装置应设置附加级。规程规定，按频率自动减负载装置动作后，应使系统稳定运行频率恢复到不低于恢复频率（49.5Hz）水平。但在按频率自动减负载装置分级动作过程中可能会出现以下情况∶第i级动作切除负载后，系统频率稳定在恢复频率（49.5Hz）以下，但又不足以使得第i+1级动作，这样会使系统频率长时间低于恢复频率以下运行，这是不允许的。为了消除这一现象，按频率自动减负载装置应设置较长延时的附加级，动作频率取恢复频率下限，当附加级动作后，应足以使系统频率回升到恢复频率范围内。由于附加级动作时，系统频率已比较稳定，其动作时限一般为10～20s（约为系统频率变化时间常数的2~3倍），必要时，附加级也可以分成若干级，各级的动作频率相同，用延时区分各级的动作顺序。

3.对自动低频减载闭锁方式的分析

目前实现低频减载常用的闭锁方式有时限闭锁、低电压带时限闭锁、低电流闭锁及滑差闭锁等。

（1）时限闭锁方式。该闭锁方式是通过带0.5s 延时出口的方式实现，曾主要用于由电磁式频率继电器或晶体管频率继电器构成的低频减载装置中。但当电源短时消失或重合闸过程中，如果负载中电动机比例较大，则由于电动机的反馈作用，母线电压衰减较慢，而电动机转速却降低较快，此时即使带有0.5s延时，也可能引起低频减载的误动;同时当基本级带0.5s延时后，对抑制频率下降很不利。目前这种闭锁方式一般不用于基本级，而用于整定时间较长的特殊级。

（2）低电压带时限闭锁。该闭锁方式是利用电源断开后电压迅速下降来闭锁低频减载。由于电动机电压衰减较慢，因此必须带有一定的时限才能防止误动。特别是在受端接有小电厂或同步调相机以及容性负载比较大的降压变电站内时，很易产生误动。另外，采用低电压闭锁也不能有效地防止系统振荡过程中频率变化而引起的误动。

（3）低电流闭锁方式。该闭锁方式是利用电源断开后电流减小的规律来闭锁低频减载。该方式的主要缺点是电流定值不易整定，某些情况下易出现拒动的情况，同时，当系统发生振荡时，也容易发生误动。目前这种方式一般只限于电源进线单一、负载变动不大的变电站。

（4）滑差闭锁方式。滑差闭锁方式也称频率变化率闭锁方式。该方式利用从闭锁级频率下降至动作级频率的变化速度（△f/△t）是否超过某一数值来判断是系统功率缺额引起的频率下降还是电动机反馈作用引起的频率下降，从而决定是否进行闭锁。为躲过短路的影响，也需带有一定延时。目前这种闭锁方式在实际中被广泛应用。

二、低频减载逻辑

低频减载的逻辑框图如图3-17所示。由图可见，满足下列任一情况低频减载均要闭锁。

（1）电压互感器二次回路断线（断线时可能测不到真实系统频率）。

（2）保护安装处的正序电压U₁低于闭锁值。

（3）保护安装处的负序电压U₂>5V（说明是短路故障）。

（4）该线路三相电流均小于0.1倍额定电流（说明该线路负载较小，即使全部切除对系统频率回升也无多大作用）。

（5）系统频率低于45Hz。

（6）频率滑差|df/dt|大于闭锁值。频率滑差元件动作后进行自保持，直到频率恢复到低频减载整定频率以上后复归。

对低频减载的有关闭锁条件说明如下。

1）低频减载的滑差闭锁。频率滑差闭锁是检测系统频率下降速度大小而构成的一种闭锁方式，可提高低频减载工作的可靠性。当系统发生故障时，频率快速下降，滑差较大（频率变化率），此时闭锁低频减载。当系统有功不足，频率缓慢下降，滑差较小，此时开放低频减载。一般取|df/dt|值大于3Hz/s。

2）低频减载设置低电流闭锁。当负载电流小于欠流定值时，可以认为该线路处于"休眠状态"，此时闭锁低频减载。欠流定值按躲过最小负载电流整定。

3）低电压闭锁。在线路重合闸期间，负载与电源短时解列，负载中的感应电动机、同步电动机、调相机会产生较低频率的电压。因此，电源中断后，各母线电压（正序电压）逐渐衰减、频率逐渐衰减。由于频率降低，容易导致低频减载动作，将负载切去，而当自动重合闸动作或备用电源自动投入恢复供电时，这部分负载已被切去。低电压闭锁可防止这种低频减载的误动作。当供电中断时，频率下降到fs时，时间元件 T启动;在时间元件T 动作前，各母线电压已降低到低电压闭锁值，时间元件立即返回，防止了误动。一般情况下，低电压元件（正序电压元件）的动作电压取0.65U～0.7UN，时间元件 T的延时取0.5s。

应当指出，低电流闭锁（I_φ<0.1I_n）也能起到防止上述误动的作用。但是，当母线上有多条供电线路时，可能会因反馈电流而使闭锁失效。

三、低压减载逻辑

有时电力系统会同时出现有功功率和无功功率缺额情况。无功功率缺额会带来电压的降低，从而导致总有功功率负载降低，这样系统频率可能降低很少或不降低。在这种情况下，借助低频减载来保证系统稳定运行是不够的，这时还需装设低压减负载装置，即低压减载。

低压减载逻辑框图如图3-18所示。满足下列任一情况时低压减载需闭锁∶

（1）电压互感器二次回路断线。

（2）保护安装处负序电压U₂>5V。

（3）该线路三相电流均小于0.1IN。

（4）任意一相的相电压小于12V（20%）。

（5）电压变化率|df/dt|大于闭锁电压变化率。

电压变化率元件动作后进行自保持，直到电压恢复到低压减载整定电压以上后复归。低压减载设有滑压闭锁，用以区分系统电压下降的原因。当系统发生故障时，电压快速下降，滑压dUJ/dt较大，此时闭锁低压减载;当系统无功不足时，电压缓慢下降，dU/dt较小，此时开放低压减载。

一般情况下，闭锁电压变化率（相电压）可取20%～30%V/s。