Релейная защита систем электроснабжения

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА По курсу «Релейная защита систем электроснабжения».

Перечень решаемых вопросов

• 1. Расчет токов короткого замыкания
• 2. Обоснованный выбор типа и схемы устройств релейной защиты
• 3. Выбор коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов тока и напряжения, необходимых для релейной защиты
• 4. Расчет уставок защит: тока срабатывания первичного Iсз, вторичного Iср, напряжения срабатывания Uсз, Uср, времени срабатывания t cp разных ступеней и других возможных уставок
• 5. Выбор типов реле, применяемых в качестве пуско-измерительных органов защиты, если их характеристики (например, коэффициент возврата) влияют на расчет защиты
• 6. Проверка чувствительности выбранных защит. Расчетные коэффициенты чувствительности должны удовлетворять нормативным требованиям ПУЭ
• 7. Изображение полной схемы защиты одной ЛЭП в развернутом виде на листе формата А4. Составление спецификации на примененную аппаратуру

Рис. 1 — Расчетная схема электросети

Параметры схемы:

Напряжение:U_ЛЭП=6,3 кВ.

Токи КЗ на шинах питающей ПС: І³_КЗ(макс.)=35 кА, І³_КЗ(мин.)=20 кА.

Длина ЛЭП: Л1=3 км, Л2=5 км.

Мощность трансформатора: S=2,5МВА.

Параметры нагрузки Н1:

Мощность: S_нагр=3 МВА;

Коэффициент самозапуска, К_сз=2,8;

Время срабатывания защиты: 2,5 с.

Параметры нагрузки Н2:

Загрузка трансформатора: 50%;

Коэффициент самозапуска, К_сз=2,7;

Время срабатывания защиты: 1,5 с.

1. Расчет токов короткого замыкания

Составляем схему замещения электросети для расчета токов КЗ на шинах ПС, к которым подключена нагрузка Н1, на шинах ВН и НН силового трансформатора. При составлении схемы замещения в приближенных расчетах учитываются только индуктивные сопротивления элементов схемы электросети. измерительный трансформатор релейная защита.

Расчет токов КЗ в точках К1, К2, К3 проводим методом относительных единиц, для чего определяем базисные условия:

Определим сопротивления элементов схемы замещения.

Сопротивление линий определяется по формуле:

где l — длина линии, км;

— удельное сопротивление линии прямой последовательности, 0,4 Ом/км.

Сопротивление двухобмоточного трансформатора определяется по формуле:

(3).

где — напряжение КЗ, берем со справочника для трансформатора мощностью = 2,5 МВА .

Сопротивление питающей энергосистемы определяем по формуле:

(4).

где — максимальный ток трехфазного КЗ на шинах питающей ПС.

При максимальном уровне тока КЗ на шинах питающей ПС (35 кА):

При минимальном уровне тока КЗ на шинах питающей ПС (20 кА):

При расчете КЗ методом относительных единиц ЕДС источника питания принимаем равной Е_ЭС=1.

Значение периодической составляющей тока трехфазного КЗ в расчетных точках определяется по формуле:

(5).

где х_рез — результирующее сопротивление прямой последовательности контура КЗ.

Значение периодической составляющей тока двухфазного КЗ в расчетных точках можно определить по упрощенной формуле, учитывая, что сопротивление контура КЗ прямой и обратной последовательности равны:

(6).

Значение тока двухфазного КЗ определяем для минимального режима питающей энергосистемы для проверки уставок устройств РЗ по условию чувствительности их пусковых органов.

Определяем ток трехфазного и двухфазного КЗ в точке К1:

кА.

кА.

Определяем ток трехфазного и двухфазного КЗ в точке К2:

кА.

кА.

Определяем ток трехфазного и двухфазного КЗ в точке К3, приведенный к стороне ВН силового трансформатора:

кА.

кА.

Для защиты радиальных электрических сетей напряжением до 35 кВ включительно, работающих в режиме с изолированной или с компенсированной нейтралью, согласно требованиям ПУЭ, от междуфазных КЗ (трехфазных и двухфазных, в том числе двухфазных на землю и двойных КЗ) должна быть предусмотрена максимальная токовая ступенчатая защита (МТЗ) и токовая отсечка (ТО) без выдержки времени. Обе эти защиты имеют токовый принцип действия, при этом условия для выбора уставок тока срабатывания этих защит разные.

В качестве защиты от замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью должна быть использована токовая защита нулевой последовательности (ТЗПН), выполненная на токовом принципе с действием на сигнал дежурному персоналу, либо же должен быть выполнен простой контроль изоляции сети 6−35 кВ посредством измерения фазных напряжений или напряжения нулевой последовательности.

Для защиты ЛЭП Л1 и Л2 на каждой из ПС должен быть установлен комплект МТЗ и ТО, а также комплект ТЗПН (либо сигнализации, выполненной на принципе измерения напряжений).

Для защиты трансформаторов мощностью до 6,3 МВА также, в соответствии с требованиями ПУЭ, достаточно применение МТЗ в сочетании с ТО, при номинальной мощности свыше 6,3 МВА следует использовать дифференциальную токовую защиту.

МТЗ и ТО выполняем согласно двухфазной двухрелейной схеме, так как трансформаторы тока в ячейках выключателей при напряжении ЛЭП 6,3 кВ в большинстве случаев установлены в двух крайних фазах (А и С). В качестве токовых реле будем использовать электромагнитные реле типа РТ-40. Выдержка времени отдельных ступеней МТЗ осуществляется при помощи реле времени. В том случае, если по условию отстройки пусковых органов МТЗ от пускового тока самозапуска нагрузки после восстановления номинального напряжения питания, не будет обеспечиваться требуемая чувствительность МТЗ при минимальных уровнях КЗ в конце защищаемого участка, следует дополнительно применить пусковые органы напряжения (блокировку минимального напряжения) посредством использования включенных на междуфазные напряжения реле напряжения.

Защиту (сигнализацию) от замыканий на землю выполним по принципу измерения напряжения небаланса (нулевой последовательности), подаваемое к реле напряжения с выводов обмотки разомкнутого треугольника трансформатора напряжения.

3. Выбор коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов тока и напряжения, необходимых для релейной защиты

Для выбора коэффициентов трансформации трансформаторов тока (ТТ) следует определить номинальный ток нагрузки по защищаемым ЛЭП.

Ток нагрузки определяется по следующему выражению:

(7).

где — потребляемая нагрузкой мощность, в данном случае для Л1 — это мощность потребителей Н1 и Н2, для Л2 — только потребителями Н2.

Мощность нагрузки Н1 задана в исходных данных МВА. Мощность нагрузки Н2 определяем по формуле:

(8).

где — коэффициент загрузки трансформатора Т1 по полной мощности;

— номинальная мощность трансформатора Т1.

МВА.

Определяем нагрузочный ток по обоим ЛЭП:

А,.

А.

Для установки на Л1 принимаем ТТ с первичным номинальным током 400 А и вторичным номинальным током 5А.

Для установки на Л2 принимаем ТТ с первичным номинальным током 150 А и вторичным номинальным током 5А.

Определим номинальные коэффициенты трансформации выбранных ТТ по формуле:

(9).

где , — номинальный первичный и вторичный токи ТТ.

Выбор коэффициентом трансформации трансформаторов напряжения (ТН) зависит от номинального напряжения электросети, в которой будет установлен ТН. В данном случае первичным напряжением ТН является 6,3 кВ. Вторичное номинальное напряжение ТН на фазных выводах обмотки, включенной по схеме «звезда» равно кВ, либо же линейное напряжение 100 В. На выводах обмотки, соединенной по схеме «разомкнутого треугольника» (дополнительной обмотки) вторичное номинальное напряжение составляет 100/3 В.

Таким образом, коэффициенты трансформации ТН для обеих обмоток определяются следующим образом:

Рассчитаем уставки МТЗ и ТО.

МТЗ, согласно ПУЭ, должна быть отстроена от максимального рабочего тока ЛЭП (трансформатора) с учетом режима самозапуска заторможенной нагрузки.

Ток срабатывания защиты можем определить по формуле:

(10).

где — коэффициент надежности защиты, учитывающий некоторый запас уставки срабатывания по току (отстройка от возможных погрешностей измерения тока), принимаемый равным 1,1−1,2;

К_с.з. — коэффициент самозапуска заторможенной нагрузки, определяемый из условия задачи;

— максимальный рабочий ток ЛЭП (трансформатора);

К_в — коэффициент возврата пусковых органов защиты, который можно принять равным 0,8−0,9 при использовании токовых реле типа РТ-40.

Определим ток срабатывания МТЗ Л1:

Определим ток срабатывания МТЗ Л2 и трансформатора Т1:

Вторичный ток срабатывания токовых реле МТЗ с учетом выбранного коэффициента трансформации ТТ (К_тт) и коэффициента схемы (К_сх) определяем по формуле:

(11).

где — коэффициент схемы, равный отношению токов, протекающего в обмотке токового реле и вторичного фазного тока ТТ, для схемы соединения обмоток ТТ в неполную звезду со включением токовых реле на вторичные фазные токи ТТ Ксх=1.

А,.

А.

Выбор времени срабатывания отдельных ступеней МТЗ осуществляется согласно ступенчатому принципу начиная от самого удаленного от источника питания элемента, защищаемого МТЗ. Разница между временем действия защит двух смежных участков называется ступенью селективности, которая определяется по выражению:

(11).

где t_в — время отключения выключателя смежного элемента;

t_и — инерционная погрешность срабатывания МТЗ смежного элемента;

t_зап — время запаса.

В практических расчетах за ступень селективности МТЗ может быть условно принято время .

Определим времена срабатывания (выдержки времени) МТЗ Л1, Л2 и Т1.

МТЗ Т1 по времени отстраивается от срабатывания защиты фидера, питающего нагрузку Н2:

(12).

где t_Н2 — выдержка времени срабатывания защиты Н2, t_Н2 =1,5 (по условию).

с.

МТЗ Л2 по времени отстраивается от срабатывания защиты трансформатора Т1:

(13).

с.

МТЗ Л1 по времени отстраивается от наибольшего времени срабатывания защиты линии Л2 и фидера, питающего нагрузку Н1:

(14).

где t_Н1 — выдержка времени срабатывания защиты Н1, t_Н2 =2,5 (по условию).

с.

ТО, согласно ПУЭ, отстраивается от максимального тока КЗ в конце защищаемого участка электросети, а следовательно обладает абсолютной селективностью действия, то есть выдержка времени срабатывания ТО может быть принята нулю t_ТО=0 с.

Рассчитаем уставки ТО линий Л1, Л2 и трансформатора Т1.

Ток срабатывания ТО определяется по следующей формуле:

(15).

где — максимальный ток внешнего КЗ (ток трехфазного металлического КЗ в конце защищаемого участка электросети).

Определим ток срабатывания ТО Л1:

кА.

Определим ток срабатывания ТО Л2:

кА.

Определим ток срабатывания ТО Т1:

кА.

Определим вторичные токи срабатывания пусковых органов ТО по формуле (11):

А,.

А, А.

В качестве защиты от замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью было принято решение использовать контроль изоляции, выполненный на принципе измерения напряжения небаланса на выводах вторичной обмотки разомкнутого треугольника ТН.

Напряжение срабатывания контроля изоляции сети напряжением 6,3 кВ определяется по формуле:

(16).

где — напряжение небаланса на выводах вторичной обмотки разомкнутого треугольника ТН при замыкании на землю,, U_ф — фазное напряжение электросети.

кВ.

Напряжение срабатывания реле максимального напряжения при этом составит:

(17).

В.

Выберем тип реле, используемых в МТЗ, ТО линий и трансформатора и в устройстве контроля изоляции сети 6,3 кВ.

Сведения об указанных токовых реле приводим в таблице 1.

Таблица 1 — Выбор типа используемых токовых реле для защиты линий и трансформатора.

Для устройства контроля изоляции в сети с изолированной нейтралью принимаем реле максимального напряжения типа РН-53/60, U_СР=19,3 В.

6. Проверка чувствительности выбранных защит. Расчетные коэффициенты чувствительности должны удовлетворять нормативным требованиям ПУЭ

Чувствительность защит определяется в соответствии с требованиями ПУЭ. Проверка ведется по минимальному значению тока КЗ при повреждении в конце защищаемого участка электросети. Чувствительность защиты может быть оценена коэффициентом чувствительности:

(18).

где І_к.мин. — минимальное значение тока КЗ в конце защищаемого участка электросети, которое рассчитывается для минимального режима работы энергосистемы (минимальный состав включенных генерирующих мощностей, подпитывающих место КЗ).

В данном случае минимальное КЗ, на которое должны реагировать МТЗ — двухфазное КЗ при максимальном сопротивлении питающей энергосистемы, т. е. при минимальном токе КЗ на шинах питающей ПС, который по условию составляет 20 кА.

Для МТЗ, в соответствии с ПУЭ, К_Ч не должен быть менее 1,5, причем допускается его снижение до значения К_Ч=1,2 при КЗ на резервируемом участке.

Для ТО чувствительность не проверяется, так как защита охватывает не всю защищаемую линию, а только лишь ее отдельную часть (до 80% при трехфазных КЗ с сокращением зоны действия при двухфазных КЗ).

Проверим чувствительность МТЗ линии Л1 с учетом того, что она должна резервировать отключение КЗ на смежной линии Л2, то есть за минимальный ток КЗ принимаем его минимальное значение в расчетной точке К2:

Таким образом, требуемая чувствительность МТЗ линии Л1 не обеспечивается. Требуется применение дополнительных пусковых органов напряжения (блокировки минимального напряжения), позволяющих отстроить защиту от режима самозапуска заторможенной нагрузки и тем самым уменьшить уставку срабатывания защиты. В качестве таких пусковых органов используются реле минимального напряжения, включенные на вторичные фазные напряжение обмотки ТН, собранной по схеме звезда.

Проверим чувствительность МТЗ линии Л2 с учетом того, что она должна резервировать отключение КЗ на трансформаторе Т1, то есть за минимальный ток КЗ принимаем его минимальное значение в расчетной точке К3:

Таким образом, требуемая чувствительность МТЗ линии Л2 обеспечивается.

Ток срабатывания токовых реле МТЗ линии Л1 при условии дополнительного использования пусковых органов напряжения определяется по формуле, в которой не учитывается коэффициент самозапуска:

(19).

Ток срабатывания реле определяем по формуле (11):

Напряжение срабатывания пусковых органов напряжения МТЗ можно определить следующим образом:

(20).

где — минимальное значение рабочего напряжения электросети, которое обычно принимается на 5−10% ниже его нормального уровня, т. е. ;

К_Н — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,2;

К_В — коэффициент возврата для реле минимального напряжения типа РН можно принять равным 1,1.

кВ.

Напряжение срабатывания реле минимального напряжения определяем по формуле (17):

В.

Уточним выбор пусковых токовых реле МТЗ линии Л1 и выберем реле минимального напряжения (таблица 2).

Таблица 2 — Выбор пусковых реле МТЗ линии Л1.

Повторно проверяем чувствительность пусковых токовых органов МТЗ линии Л1:

Таким образом, требуемая чувствительность МТЗ Л1 после введения дополнительных пусковых органов минимального напряжения обеспечивается.

Возможность оценить чувствительность МТЗ трансформатора Т1 отсутствует ввиду отсутствия данных о параметрах нагрузки Н2.

7. Изображение полной схемы защиты одной ЛЭП в развернутом виде на листе формата А4. Составление спецификации на примененную аппаратуру

Таблица 3 — Спецификация к примененной аппаратуре в схеме релейной защиты линии Л1.