Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

Инженерная школа

Кафедра электроэнергетики и электротехники

Курсовая работа

Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения

Выполнил: студент. гр. C0040

Алексахин Е.В.

Проверил: ст. преподаватель

Герасименко А.В.

Владивосток 2018

Введение

Релейная защита осуществляет автоматическую ликвидацию повреждений и ненормальных режимов в электрической части энергосистем и является важнейшей автоматикой, обеспечивающей их надёжную и устойчивую работу.

Расчёт релейной защиты (РЗ) заключается в выборе рабочих параметров срабатывания (установок) как отдельных реле, так и комплексных устройств РЗ при соблюдении требований селективности, чувствительности.

Устройства РЗ должны обеспечивать минимально-возможное время отключения короткого замыкания (КЗ) в целях сохранения бесперебойной работы неповреждённой части системы и ограничения степени повреждения элемента системы.

Цель курсового проектирования - научиться производить расчёты устройств релейной защиты и автоматики, выбор уставок защиты заданных присоединений: линий электропередач, конденсаторных установок, понижающих трансформаторов.

Исходные данные

система
напряжение	220 кВ
мощность короткого замыкания Sк	5915 МВА
длина питающей ЛЭП ВЛ1 (ВЛ2)	27 км
главная понизительная подстанция (ГПП)
напряжение	10 кВ
тип и мощность трансформатора	ТРДН-32000 кВА
нагрузка кабельной линии КЛ1 (КЛ2), Pкл1max= Pкл2max , tg	Pкл1max=1,9 МВт; tg=0,45
длина кабельной линии КЛ1 (КЛ2)	2,4 км
суммарная длина кабельных линий	10 км
распределительный пункт (РП)
тип и мощность электроустановки (отв.неотв)	СД-800 кВт (отв)
длина КЛ от электроустановки до РП	600 м
тип привода выключателя	электромагнитный
максимальное время срабатывания защиты на РП	0,5 с

1. Расчет токов короткого замыкания

трансформатор короткий замыкание релейный

Расчёт токов короткого замыкания необходим для выбора принципов и основных параметров защиты.

Для упрощения расчетов допустимо определять значения всех величин для начального момента КЗ. Расчеты выполняются без учета переходных сопротивлений в месте короткого замыкания. Для расчёта параметров срабатывания защит должны быть рассчитаны максимальные токи КЗ, а для оценки чувствительности - минимальные.

Рисунок 1 - Схема первичных соединений системы электроснабжения



Рисунок 2. Схема замещения системы электроснабжения

1.1 Расчет токов короткого замыкания для точки К1

Сопротивление системы бесконечной мощности принимают равным нулю. Определяют ток короткого замыкания :

где: - междуфазное напряжение на шинах системы, ;

- результирующее сопротивление до точки КЗ, определяется по формуле:

где - сопротивление цепи от системы до точки КЗ,

где - удельное сопротивление линии.

Система задана мощностью короткого замыкания . В этом случае сопротивление системы определяется по выражению:

Осуществляют расчет, согласно приведенным формулам:

1.2 Расчет токов короткого замыкания для точки К2

Паспортные данные для силового трансформатора ТРДН-32000 кВА:

Sном, МВА	Пределы регулирования	Uном, кВ	Ukmin, %	Ukср, %	Ukmax, %	?Рк, кВт	?Рх, кВт	Iх, %
		ВН	НН
32	81,5%	230	11	11,6	12	12,7	150	45	0,65

Определяют сопротивления трансформатора с РПН, приведенные к регулируемой стороне ВН:

где - номинальная мощность трансформатора,

- среднее напряжение на стороне ВН, (см. табл. 3.1) [1],

и определяем по выражениям:



где - половина полного диапазона регулирования на стороне ВН трансформатора, о.е.:

Так как рассчитанное напряжение больше значения, приведенного в таблице 3.1 [1], то .

Для выбора уставок релейной защиты понижающих трансформаторов с РПН определяют по выражению:

Где - максимальный ток трехфазного КЗ при коротком замыкании на шинах НН трансформатора, приведенный к ВН,

- номинальное междуфазное напряжение сети ВН, .

Приведение к нерегулируемой стороне НН осуществляют по минимальному коэффициенту трансформации, соответствующему тому же крайнему положению РПН, при котором вычисляется этот ток:

где - максимальный ток трехфазного КЗ при коротком замыкании на шинах НН трансформатора, приведенный к НН.

Минимальный ток короткого замыкания вычисляют при наибольшем сопротивлении системы в минимальном ее режиме и наибольшем сопротивлении трансформатора:

где - минимальный ток трехфазного КЗ при коротком замыкании на шинах НН трансформатора, приведенный к ВН.

Приведение к нерегулируемой стороне НН осуществляют с помощью коэффициента трансформации, при котором вычисляется этот ток:

где - минимальный ток трехфазного КЗ при коротком замыкании на шинах НН трансформатора, приведенный к НН,

- максимальное напряжение на ВН, рассчитанное выше, но не более чем в табл.3.1 [1].

1.3 Расчет токов короткого замыкания для точки К3

Расчет производят аналогично предыдущему пункту, при этом сопротивления схемы складываются последовательно. Определяют сопротивление КЛ. Рассчитывают ток рабочий максимальный для кабельной линии:



где - нагрузка кабельной линии, кВт (см. исходные данные).

Рассчитывают сечение кабельной линии по экономической плотности тока для кабелей с бумажной изоляцией и алюминиевыми жилами и Т_max = 5500 ч, тогда j _эк = 1,2 А/мм²:

Выбирают кабель с параметрами:

S=120 мм²;

Рассчитывают сопротивление КЛ:

Рассчитывается минимальное сопротивления КЛ приведенное к стороне ВН:

Рассчитывают полное минимальное сопротивление до точки К3:

Рассчитывают максимальный ток трехфазного КЗ при коротком замыкании, приведенный к ВН и к НН:

Рассчитывается максимальное сопротивления КЛ приведенное к стороне НН:

Рассчитывают полное максимальное сопротивление до точки К3:

Рассчитывают минимальный ток трехфазного КЗ при коротком замыкании, приведенный к ВН и к НН:

1.4 Расчет токов короткого замыкания для точки К4

Расчет для этой части производится аналогично предыдущему пункту, при этом сопротивления схемы складываются последовательно.

Нагрузкой для этой части схемы является асинхронный двигатель:

СДН15-64 6У3; кВ; ; .

Определяют данные кабельной линии:

Рассчитывают сопротивление кабельной линии:

Приводят сопротивления КЛ к ВН:

Рассчитывают полное минимальное сопротивление КЛ:

Рассчитывают максимальный ток трехфазного КЗ при коротком замыкании, приведенный к ВН и к НН:

Приводят сопротивления КЛ к НН:

Рассчитывают полное максимальное сопротивление КЛ:

Рассчитывают минимальный ток трехфазного КЗ при коротком замыкании, приведенный к ВН и к НН:

Сводят все расчетные данные в таблицу 2.

Таблица 2. Токи короткого замыкания для точек К1, К2, К3 и К4

Точка к.з.	К1	К2	К3	К4
Значение тока	IВН	IВН	IНН	IВН	IНН	IВН	IНН
min	9,737	0,273	6,257	0,209	4,778	0,175	4,019
max	9,737	0,455	8,365	0,320	5,891	0,263	4,847

1.5 Расчет токов двухфазного короткого замыкания

Результаты расчетов токов двухфазных КЗ сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Токи двухфазных коротких замыканий в точках

Точка к.з.	К1	К2	К3	К4
Значение тока	IВН	IНН	IВН	IНН	IВН	IНН	IВН
min	8,432	0,237	5,419	0,181	4,138	0,152	3,481
max	8,432	0,394	7,245	0,277	5,102	0,228	4,198

2. Релейная защита кабельных линий

Для линий 6-10кВ с изолированной нейтралью (в том числе и с нейтралью, заземленной через реактор) должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от многофазных КЗ и от замыканий на землю.

На одиночных линиях с односторонним питанием от многофазных коротких замыканий должна устанавливаться, как правило, двухступенчатая токовая защита, первая ступень которой выполнена в виде токовой отсечки ТО, а вторая - в виде максимальной токовой защиты МТЗ.

При наличии выключателей с электромагнитными приводами защита обычно выполняется на выпрямленном оперативном токе с использованием реле тока типа РТ-40 и реле времени с независимой характеристикой выдержки времени.

2.1 Расчет токовой отсечки

Ток срабатывания токовой отсечки:

где - коэффициент отстройки для ТО без выдержки времени (для РТ-40 при защите на линиях принимается равным ).

Для токовых отсечек без выдержек времени, устанавливаемых на линиях и выполняющих функции дополнительных защит, коэффициент чувствительности должен быть около 1,2 при КЗ в месте установки отсечки в наиболее благоприятном по условию чувствительности режиме.

Коэффициент чувствительности защиты для ТО:



Правила устройства электроустановок рекомендуют применять отсечку, если ее зона действия охватывает не менее 20% защищаемой ЛЭП.

В данном случае использование ТО не целесообразно.

2.2 Расчет максимальной токовой защиты

Ток срабатывания МТЗ:

где - для РТ-40;

- максимальный рабочий ток линии, кА ;

- коэффициент возврата (для РТ-40 не менее 0,8);

- коэффициент самозапуска, который (для линий, питающих промышленную нагрузку или аналогичную ей) можно определить по выражению:

где - ток трехфазного короткого замыкания в точке сети, к которой подключена нагрузка с большим количеством двигателей.

При раздельной работе двух линий (КЛ1 и КЛ2) с устройством АВР на секционном выключателе и действии АВР (АВР РП) после отключения одной из них (например КЛ2) бездействие МТЗ оставшейся в работе линии (КЛ1) будет обеспечено выбором тока срабатывания защиты:

где - коэффициент, учитывающий увеличение тока по линии Л1 из-за понижения напряжения при подключении к ней затормозившихся двигателей, ранее питавшихся от Л2 (принимается равным ).

За расчетный ток срабатывания защиты принимаем наибольший:

Время срабатывания МТЗ выбирается из условий селективности защиты и термической стойкости защищаемого элемента. Время срабатывания последующей защиты (расположенной ближе к источнику питания):

где - время срабатывания предыдущей защиты (максимальное время срабатывания защиты на РП), с,

- ступень селективности (принимается равной (0,4?0,6) с для защит с независимой характеристикой выдержки времени и (0,6?0,7) с для защит с ограниченно зависимой характеристикой).

Коэффициент чувствительности защиты в основной зоне (должен быть не менее 1,5):

Коэффициент чувствительности защиты в зоне резервирования (должен быть не менее 1,2):

2.3 Защита от замыканий на землю

Ток срабатывания защиты выбирают из условия несрабатывания защиты при внешнем однофазном замыкании на землю.

Где - коэффициент отстройки

- коэффициент, учитывающий бросок собственного емкостного тока в момент зажигания дуги

- установившееся значение собственного емкостного тока защищаемого присоединения, рассчитывается по выражению:

- удельный емкостной ток однофазного замыкания на землю

Проверка чувствительности:

где - суммарный емкостной ток линий, вычисляется по выражению:

Коэффициент чувствительности для ОЗЗ должен быть больше 1,25, в данном случае это условие выполняется, следовательно, защита чувствительна.

3. Релейная защита электродвигателей

На электродвигателях должны предусматриваться защиты от многофазных КЗ, от однофазных замыканий на землю, защита от токов перегрузки и потери напряжения.

3.1 Расчет токовой отсечки

Выполняется на реле РТ-40.

Первичный ток срабатывания отсечки:

где - коэффициент отстройки, для РТ-40 равен 1,4;

- пусковой коэффициент ЭД;

- номинальный ток двигателя, А.

Коэффициент чувствительности:

где - вторичный ток двухфазного КЗ на выводах двигателя при минимальном режиме питающей системы, определяемый по выражению:

3.2 Расчет защиты от замыкания на землю обмотки статора

Ток срабатывания защиты:

где - коэффициент, учитывающий бросок собственного емкостного тока в момент зажигания дуги, равен 2-2,5;

- коэффициент отстройки, равен 1,2-1,3;

- установившееся значение собственного емкостного тока защищаемого присоединения, рассчитывается по выражению:

где - собственный емкостной ток ЭД, А;

- емкостной ток кабельной линии, А.

Собственный емкостной ток линии рассчитывается по выражению:

где - удельный емкостной ток однофазного замыкания на землю, А/м;

- длина линии, км;

- число кабелей в линии.

Собственный емкостной ток ЭД:

где - частота сети;

- емкость фазы статора, вычисляется по выражению:

Полученное значение меньше минимального тока срабатывания защиты от замыканий на землю для трансформатора нулевой последовательности типа ТЗЛ: 0,68-3,96 (для одного трансформаторов). Следовательно, принимаем:

Коэффициент чувствительности:

где - суммарный емкостной ток линий, вычисляется по выражению:

3.3 Расчет защиты от токов перегрузки и асинхронного режима

Ток срабатывания защиты от перегрузки:

где - коэффициент отстройки, принимается равным 1,1-1,2;

- коэффициент возврата реле, для реле РТ 40 равняется 0,8.

Выдержка времени защиты от перегрузки выбирается из условия надежного несрабатывания при пуске или самозапуске двигателя:

где - коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,2-1,3;

- время пуска (самозапуска) электродвигателя.

3.4 Расчет защиты минимального напряжения

Принимаем, что самозапуск двигателя предусмотрен. Исходя из этого напряжение срабатывания защиты:

где U_з - напряжение самозапуска.

Время срабатывания защиты для неответственных двигателей принимается равным: 0,5 с.

4. Релейная защита понижающих трансформаторов

На трансформаторах должны быть предусмотрены следующие защиты:

Защита от многофазных коротких замыканий в обмотках и на выводах;

Защита от однофазных коротких замыканий в обмотке и на выводах, присоединенных к сети с глухозаземленной нейтралью;

Защита от витковых замыканий в обмотках;

Защита от токов в обмотках, обусловленных внешними короткими замыканиями;

Защита от токов в обмотках обусловленных перегрузкой;

Защита от понижений уровня масла;

Защита от замыканий на землю в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью, если трансформатор питает сеть, в которой отключение однофазных замыканий на землю необходимо по требованиям безопасности.

4.1 Защита трансформаторов от многофазных коротких замыканий в обмотках и на выводах

Первичные токи для всех обмоток защищаемого трансформатора:

где - номинальная мощность силового трансформатора, кВА.

Для ВН выбирается трансформатор тока ТГФ-220. Номинальные токи обмоток:

; коэффициент трансформации:

Для НН выбирается трансформатор тока ТОЛ-10. Номинальные токи обмоток:

; коэффициент трансформации:

Вторичные токи в плечах защиты:

Ток срабатывания защиты:

где - коэффициент отстройки, для ДЗТ-11 принимается равным 1,5.

Тормозная обмотка насыщающегося трансформатора тока (НТТ) присоединяется на сумму токов ТА, установленных в цепи каждой из расщепленных обмоток трансформатора.

Ток срабатывания реле, приведенный к основной стороне:

Число витков обмотки НТТ реле для основной стороны:

где - МДС срабатывания реле, А.

Число витков обмоток неосновной стороны защищаемого трансформатора:

Составляющая тока небаланса, обусловленная погрешностью трансформатора тока:

где - коэффициент, учитывающий влияние на быстродействующие защиты переходных процессов при КЗ, которые сопровождаются прохождением апериодических составляющих в токе КЗ;

- коэффициент однотипности трансформатора тока;

- погрешность трансформатора тока,

- периодическая составляющая тока, проходящего через трансформатор при расчетном внешнем КЗ, приведенного к основной стороне, А.

Составляющая тока небаланса, обусловленная регулированием напряжения защищаемого трансформатора:

где - половина регулировочного диапазона устройства РПН.

Составляющая тока небаланса, обусловленная неточностью установки на реле расчетных чисел витков для неосновной стороны:

Ток небаланса:

Необходимое число витков тормозной обмотки НТТ реле:

где - приравнивается к ;

- тангенс угла наклона к оси абсцисс касательной, проведенной из начала координат к характеристике срабатывания реле (тормозной), соответствующей минимальному торможению, для реле ДЗТ-11 принимается равным 0,75-0,8.

Коэффициент чувствительности:

4.2 Защита от токов, обусловленных внешними короткими замыканиями

Применяется максимальная токовая защита.

Ток срабатывания МТЗ:

где - для РТ-40;

- максимальный рабочий ток линии;

- коэффициент возврата (для РТ-40 равняется 0,8);

- коэффициент самозапуска, который (для линий, питающих промышленную нагрузку или аналогичную ей) можно определить по выражению:

где - ток трехфазного короткого замыкания в точке сети, к которой подключена нагрузка с большим количеством двигателей, кА.

Значение коэффициента чувствительности для МТЗ должно быть не менее 1,5 при КЗ в основной зоне и примерно 1,2 при КЗ в зоне резервирования. Время срабатывания МТЗ не должно превышать 3с для трансформаторов с U_ВН 110 кВ и 4с с U_ВН 110 кВ.

Коэффициент чувствительности защиты при КЗ в основной зоне:

Коэффициент чувствительности защиты при КЗ в зоне резервирования:

Условие не выполняется.

Максимальная токовая защита с комбинированным пусковым органом напряжения

Защита применяется в случае недостаточной чувствительности обычной МТЗ.

Защита обычно выполняется с помощью реле тока типа РТ-40, фильтр-реле напряжения обратной последовательности типа РНФ-1М и минимального реле напряжения типа РН-54.

Ток срабатывания защиты определяется по условию отстройки от номинального тока трансформатора:

Где = 1,25 - коэффициент, учитывающий ошибку реле, необходимый запас и возможность увеличения тока от регулирования напряжения;

- коэффициент возврата (для РТ-40 равняется 0,8);

Напряжение срабатывания минимального реле напряжения, включенного на междуфазное напряжение, определяется так:

1) по условию обеспечения возврата реле после отключения внешнего КЗ

2) по условию отстройки от напряжения самозапуска при включении от АПВ или АВР заторможенных электродвигателей

где U_мин - междуфазное напряжение в условиях самозапуска после отключения внешнего короткого замыкания, U_мин определяется при расчете режима самозапуска (в ориентировочных расчетах может быть принято 0,85 U_ном );

U_з - междуфазное напряжение в условиях самозапуска заторможенных электродвигателей при включении их от АПВ и АВР (в ориентировочных расчетах может быть принято 0,7 U_ном );

- для РН-54;

- коэффициент возврата (для РН-54 равняется 1,2);

Напряжение срабатывания фильтр - реле обратной последовательности определяется, исходя из минимальной уставки устройства:

Коэффициент чувствительности по току

Коэффициент чувствительности для минимального реле напряжения:

Коэффициент чувствительности для фильтра-реле обратной последовательности:



4.3 Защита от токов в обмотках, обусловленных перегрузкой

Ток срабатывания защиты от перегрузки:

где - номинальный ток обмотки трансформатора, А;

- коэффициент отстройки, принимается равным 1,05;

- коэффициент возврата реле.

Защита от перегрузки устанавливается в одной фазе и действует на сигнал.

4.4 Газовая защита

Газовая защита предназначена для защиты силовых трансформаторов с масляным заполнением, снабженных расширителями, от всех видов внутренних повреждений (витковое замыкание, понижение уровня масла, междуфазное короткое замыкание внутри трансформатора).

При незначительном газообразовании газовая защита действует на предупредительный сигнал. При бурном газообразовании или при сильном понижении уровня масла (например, при повреждении бака и утечке масла) газовая защита дает команду на отключение трансформатора.

5. Автоматический ввод резерва (АВР)

Для повышения надежности питания ответственных потребителей осуществляется их двухстороннее электроснабжение. В этом случае при повреждении одного из питающих элементов и его отключении работа потребителей будет продолжаться по исправным звеньям энергосистемы. Вместе с этим при двустороннем (а в ряде случаев и многостороннем) питании, выполненном путем кольцевания электрических сетей и параллельной работы силовых трансформаторов, релейная защита становится более сложной, осложняются условия работы аппаратуры из-за увеличения токов КЗ, утяжеляется эксплуатация параллельно работающих звеньев энергосистемы.

Секционированная схема питания значительно упрощает релейную защиту, повышает четкость ее работы, увеличивает остаточные напряжения на шинах питающих подстанций при КЗ в распределительной сети и уменьшает токи КЗ, позволяет во многих случаях создать необходимые режимы по условию напряжения и перетоков мощности. Основной недостаток секционированной схемы заключается в перерыве электропитания при повреждении питающих элементов. Этот недостаток в значительной степени устраняется автоматическим включением резервирующих элементов при отключении основных элементов, по которым происходит питание потребителей в нормальных условиях.

На рисунке П.4 приведены схемы реализации АВР секционного выключателя на шинах силового трансформатора (при потери питания первой линии, для второй линии схема аналогична).

Принцип работы схемы. В случае потери напряжения на шинах первой секции замыкается контакт KV1 (реле минимального напряжения), при условии, что на второй секции есть напряжение (контакт KV2 замкнут), катушка реле времени KT получает питание и через выдержку времени замыкает своим контактом катушку промежуточного реле KL1. Реле KL1 также может получить питание при условии наличия напряжения на второй секции и сигнала от РЗ. Замыкаются контакты KL1.1 и KL1.2, подавая питание на катушки отключения выключателей Q1 и Q2. После отключения Q2, контакт KQ2.3 размыкается, а KQ2.4 замыкается, в результате чего посредством промежуточного реле KLT с выдержкой времени на замыкание, подается кратковременное питание на катушку KL2, которая в свою очередь запитывает катушку включения выключателя Q5. Кратковременность питания KL2 необходимо для реализации однократности действия АВР в случае устойчивого КЗ.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы были получены и отработаны практические навыки проектирования и расчета релейной защиты и автоматики систем электроснабжения. Были разработаны защиты кабельной линии, электродвигателя и силового трансформатора, также была проверена нагрузочная способность трансформаторов тока. Была изучена система АВР секционного выключателя.

Список литературы

1. Релейная защита: Методические указания.

2. Шабад М.А. Максимальная токовая защита. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 96 с.

3. Справочная книга электрика/ В.И. Григорьев, Э.А. Киреева, В.А. Миронов и др. - М.: Колос, 2004 - 746 с.

4. Туркин Д.Г., Щанникова С.А., Лю Г.П. Проектирование системы электроснабжения промышленного предприятия: Учеб. пособие. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2008. - 192 с.

5. Павлов Г.М., Меркурьев Г.В. Автоматика энергосистем. НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», www.cpk-energo.ru.

6. Лю Г.П. Проектирование электрической части подстанции: Методические указания для курсового проектирования. Владивосток.: Изд-во ДВГТУ.

Приложение

Рис.П.1 Принципиальная схема двухфазной двухрелейной защиты линии

Рис. П.2 Схема защиты асинхронного двигателя



Рис П. 3.Принципиальная схема РЗ понижающего трансформатора

Рисунок П.4 Схема питания двух секций, схема АВР трансформатора

Размещено на Allbest.ur