Расчет устройств релейной защиты и автоматики системы электроснабжения

Задание

Рассчитать уставки устройств релейной защиты и автоматики (РЗ и А) системы электроснабжения принципиальная схема, которой представлена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема системы электроснабжения Разработать защиту от всех видов повреждения для трансформаторов Т1 и Т2 и защиту линий W1 и W2. Работу выполнить в следующем объеме:

1. Рассчитать токи короткого замыкания (ТКЗ) в объеме, необходимом для выбора установок и проверки чувствительности.

2. Выбрать места установки и типы релейной зашиты (РЗ).

3. Выбрать трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.

4. Рассчитать уставки защит, выбрать типы реле, проверить чувствительность защит.

5. Выбрать плавкие вставки для предохранителей и уставки автоматов.

6. Определить выдержки времени защит от двигателя до шин главной

понизительной подстанции (ГПП).

7. Составить принципиальные схемы выбранных защит.

8. Определить селективность действия защит.

9. Защиту линии и трансформаторов выполнить на переменном оперативном токе.

Разработать РЗ двигателей, данные которых приведены в табл. 1.

1. Рассчитать токи КЗ.

2. Выбрать трансформаторы тока.

3. Выбрать тип защиты и тип реле, определить уставки и чувствительность защиты.

4. Составить и вычертить принципиальную схему РЗ.

Разработать схему автоматического включения резерва (АВР) секционных выключателей.

Таблица 1. Параметры двигателей

Таблица 2. Параметры синхронных генераторов

Таблица 3. Параметры трансформаторов

Таблица 4. Параметры системы и линий

Таблица 5. Параметры дуговых сталеплавильных печей и конденсаторных установок

Введение

Целью данного курсового проекта является расчет устройств РЗ и, А системы электроснабжения. При работе элементов систем электроснабжения возможно возникновение ненормальных и аварийных режимов. К ним относятся короткие замыкания, перегрузки, понижение уровня напряжения, частоты и другие.

Повреждения и ненормальные режимы должны быть устранены, и это является основным назначением устройств релейной защиты и системной автоматики.

К устройствам релейной защиты предъявляются следующие требования: селективность, необходимое быстродействие, чувствительность и надежность. Перечисленные требования удовлетворяются правильным выбором устройств релейной защиты, схем соединения устройств РЗ, расчётом установок срабатывания.

1. Расчет токов короткого замыкания

Расчет токов короткого замыкания проводим в относительных единицах. Все полученные величины приведены к базовым условиям. Базовую мощность принимаем равной: = 1000 МВА.

Схема замещения приведена на рисунке 1.1:

Рис. 1.1. Схема замещения Определим сопротивления схемы замещения:

Сопротивление системы согласно [l.стр. 131]:

(1.1)

где SK3 — мощность короткого замыкания системы.

.

Определим параметры линий 110 кВ (нагрузкой являются трансформаторы Т1 и Т2) с учетом допустимой перегрузки трансформатора согласно [1,стр.213):

(1.2)

где — номинальная мощность трансформатора, кВА, — номинальное напряжение трансформатора кВ.

А Выбор сечения проводов проводим по экономической плотности тока [1, стр.232].

(1.3)

где — экономическая плотность тока, при ч для сталеалюминиевых проводов, = 1 [3, стр.266]; I, Aток на участке сети.

Принимаем провод АС-70/11 сечением 70; с удельными сопротивлениями: Ом/км и реактивным сопротивлением Ом/км. [3, стр.577].

Сопротивление ЛЭП согласно [1, стр.131]:

(1.4)

где — среднее значение напряжения на шинах в месте короткого замыкания,

l — длина ЛЭП.

Определяем параметры линий 35 кВ. Нагрузкой линии 35 кВ, при простое второй будут трансформаторы Т7, Т8, Т9 и Т10. Так как параметры трансформаторов Т7 и Т8 не даны, принимаем для расчета нагрузку этих трансформаторов — четыре синхронных двигателя:

(1.5)

где, , — параметры синхронного двигателя (табл. 1)

А Выбор сечения питающего кабеля проводим по экономической плотности тока.

При ч для кабелей с бумажной пропитанной изоляцией с алюминиевыми жилами = 1,4 [3, стр.266].

Принимаем 2 кабеля ААБ-35-(3Ч185) общим сечением 370; с удельными сопротивлениями Ом/км и Ом/км. [2, стр.421].

Сопротивление трансформаторов согласно [1, стр.131]:

(1.6)

где — номинальная мощность трансформатора; - напряжение короткого замыкания;

Для трансформатора мощностью 10МВА соотношение x/r составляет порядка 10.

Исходя из этого, принимаем:

для трансформатора блока 2 МВт принимаем [1, стр.613]

Для трансформатора мощностью 2,5 МВА соотношение x/r составляет порядка 6.

Исходя из этого, принимаем:

Для трансформатора мощностью 2,5 МВА соотношение x/r составляет порядка 6.

Исходя из этого, принимаем:

Сопротивление генераторов согласно [1, стр.131]:

(1.7)

для генератора мощностью 2 МВА соотношение x/r составляет порядка 15. Исходя из этого, принимаем:

Расчет токов КЗ для точки К1

Упростив схему замещения относительно точки К1 получаем схему, представленную на рис 1.2.

Рис. 1.2. Упрощенная схема замещения Базовый ток согласно [1, стр.142]:

(1.8)

где — среднее значение напряжения в месте короткого замыкания (115 кВ).

кА .

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания согласно [1, стр.137]:

(1.9)

где — ЭДС источника в относительных единицах [1, стр.130].

Значение периодической составляющей тока короткого замыкания по ветвям:

Ветвь энергосистемы (сопротивление ветви составляет 1,76 отн. ед.):

кА Ветвь генератора G2 (сопротивление ветви составляет 41,89 отн. ед.):

кА Общий ток:

кА Определим величину ударного тока [1, стр.148]:

(1.10)

где — ударный коэффициент:

(1.11)

где: — угол между векторами тока и напряжения в момент короткого замыкания;

(1.12)

— постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания;

(1.13)

— угловая частота;

(1.14)

Ветвь энергосистемы:

кА

Ветвь генератора G2:

кА.

Суммарный ударный ток короткого замыкания в точке К1:

кА .

Определим величину апериодической составляющей тока короткого замыкания.

Согласно [1, стр.151]:

(1.15)

(1.16)

— время действия релейной защиты (принимаем = 0,01 с);

— собственное время отключения выключателя.

При установке выключателя ВВБК-110Б-50, собственное время отключения выключателя составит = 0,045 с [1, стр.630]:

Тогда t= 0,01+0,045 = 0,055 с .

Ветвь энергосистемы:

Ветвь генератора G2:

кА Суммарная апериодическая составляющая тока короткого замыкания в точке К1 в момент времени t = 0,055 с:

кА .

Определим величину периодической составляющей тока короткого замыкания для момента времени t = 0,055 с .

Периодическая составляющая тока короткого замыкания от энергосистемы в любой момент времени неизменна:

кА .

Ветвь генератора G2:

Так как генератор значительно удален от точки короткого замыкания (за двумя ступенями трансформации), принимаем:

кА .

Общая величина периодической составляющей тока короткого замыкания в точке К1 в момент времени t = 0,055 с составит:

кА .

Расчет несимметричных токов короткого замыкания Для упрощения расчетов принимаем величины сопротивления обратной последовательности всех элементов схемы, (включая синхронные генераторы) равными величинам сопротивлений прямой последовательности:

(1.17)

Схема замещения нулевой последовательности представлена на рисунке 2.1:

Рис. 2.1. Схема замещения нулевой последовательности.

Согласно [1, стр.160]: справедливо соотношение для одноцепных ЛЭП со стальным тросом, заземлённым с одной стороны. Тогда:

(1.18)

Величины сопротивлений нулевой последовательности остальных элементов схемы, равны величинам соответствующих сопротивлений прямой последовательности [1, стр.160].

Двухфазное короткое замыкание.

(1.19)

Значение периодической составляющей тока короткого замыкания по ветвям:

Ветвь энергосистемы (= 1,76 отн. ед.):

кА Ветвь генератора G2 (= 41,89 отн. ед.):

кА Общий ток:

кА Определим величину ударного тока:

Ветвь энергосистемы:

кА Ветвь генератора:

кА .

Суммарный ударный ток короткого замыкания в точке К1:

кА .

Определим величину апериодической составляющей тока короткого замыкания:

Ветвь энергосистемы:

Ветвь генератора G2:

кА Суммарная апериодическая составляющая тока короткого замыкания в точке К1 в момент времени t = 0,055 c :

кА .

Величину периодической составляющей тока короткого замыкания в точке К1 в момент времени t = 0,055 с считаем неизменной:

кА .

Двухфазное короткое замыкание на землю.

Преобразуем схему замещения нулевой последовательности относительно точки К1.

отн. ед.

Результирующее сопротивление согласно [1, стр.168]:

(1.20)

отн. ед.

отн. ед.

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания согласно [1, стр.168]:

(1.21)

кА Определим величину ударного тока:

кА

Величина апериодической составляющей тока короткого замыкания для момента времени: t = 0,055 с.

Величина периодической составляющей тока короткого замыкания для момента времени: t =0,055 с.

кА .

Однофазное короткое замыкание на землю.

Результирующее сопротивление согласно [1, стр.168]:

(1.22)

отн. ед.

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания согласно [1, стр.168]:

(1.23)

кА Определим величину ударного тока:

кА Расчеты токов КЗ для других точек аналогичны расчётам для точки К1. Результаты расчётов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Сводная таблица результатов расчёта токов короткого замыкания

2. Выбор тока плавкой вставки предохранителей для защиты асинхронного электродвигателя

При выборе предохранителей для защиты асинхронных двигателей руководствуемся рекомендациями, изложенными в [4, стр.98-стр.116].

Условия выбора предохранителя:

(2.2)

где — номинальный ток плавкой вставки, А; - номинальный ток двигателя, А; - коэффициент, учитывающий условия пуска двигателя; = 1,6 ч 2,0 при тяжелом пуске; = 2,5 при легком пуске; - пусковой ток двигателя, А.

(2.3)

(2.4)

где — кратность пускового двигателя (5ч7); - номинальные величины мощности, напряжения, коэффициента мощности и КПД двигателя.

Для двигателя М1:

А

А

А Принимаем к установке предохранитель типа: НПН2; = 63 А; = 25 А; [2, стр.371].

Для остальных двигателей расчеты аналогичны. Результаты расчетов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Результаты выбора предохранителей

Предохранитель FU3, от которого запитана группа электродвигателей, выбирается согласно следующих условий:

(2.5)

(2.6)

где ипусковой и номинальный ток максимального по мощности двигателя, питающегося от выбираемого предохранителя, А; - коэффициент спроса для этого двигателя (так как не дано иное, принимаем =1); - расчетный ток двигателей, питающихся от выбираемого предохранителя, А.

(2.7)

А

А .

Принимаем к установке предохранитель типа ПН2; = 400 А; = 355 А; [2, стр.371].

Для обеспечения селективности действия защиты для предохранителя FU2 принимаем плавкую вставку с номинальным током: = 630 А.

Предохранитель типа: ПН2; = 630 А; = 630 А; [2, стр.371].

3. Выбор установок автоматов

При выборе автоматов для защиты асинхронных двигателей руководствуемся рекомендациями, изложенными в [4, стр.98-стр.116].

Условия выбора:

(3.1)

(3.2)

где — номинальный ток уставки теплового расцепителя автомата, А;

— номинальный ток уставки электромагнитного расцепителя автомата, А;

Автомат для двигателя М1:

А

А Выбираем автомат типа АЕ 2023 М, =12,5 А, = 87,5 А, без выдержки времени (t = 0 с.).

Для остальных двигателей выбор производится аналогично. Результаты приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Результаты выбора автоматического выключателей

Выбор автомата QF3.

Автомат, от которого запитана группа двигателей выбирается по следующим условиям:

(3.3)

(3.4)

где — возможный кратковременный ток через автомат, А.

(3.5)

А

А

А

Принимаем автомат типа АВМ-4Н, = 200 А, = 1000 А [2 стр.371].

Принимаем такой же автомат и для QF2. Автоматы типа АВМ — 4Н имеют регулируемую (0−10 с) выдержку времени, что позволяет получить требуемую ступень селективности.

Выбор автомата QF1.

Ток уставки автомата определяем из условия:

(3.6)

где — номинальный ток трансформатора Т9.

А

А Принимаем автомат серии Э «Электрон» типа ЭО40С, = 6300 А [2 стр.379].

4. Проверка чувствительности предохранителя

Чувствительность предохранителя обеспечивается, если выполняется условие:

(4.1)

где = 44 680 А — ток однофазного замыкания на землю (табл. 1.1).

Для двигателя М1: А;

Для двигателя М2: А;

Для двигателя М3: А;

Для двигателя М4: А;

Для двигателя М5: А;

Для двигателя М6: А;

Предохранитель FU3: А;

Предохранитель FU2: А.

Рассчитанная величина тока КЗ значительно превышает полученные величины, следовательно предохранители обладают достаточной чувствительностью.

5. Проверка чувствительности автоматов

Чувствительность автоматов обеспечивается, если выполняется условие:

(5.1)

где = 44 680 А — ток однофазного замыкания на землю (табл. 1.1).

Для двигателя М1: А;

Для двигателя М2: А;

Для двигателя М3: А;

Для двигателя М4: А;

Для двигателя М5: А;

Для двигателя М6: А;

Автомат QF3 (QF2): А.

Автоматы обладают достаточной чувствительностью.

Чувствительность вводного автомата проверяем по условию:

(5.2)

где =35 420 А — ток фазного КЗ на стороне НН трансформатора (табл. 1.1);

Вводной автомат обладает достаточной чувствительностью.

6. Время срабатывания предохранителя и автомата

Время срабатывания плавкой вставки предохранителя определяем по типовым характеристикам зависимости времени сгорания плавкой вставки предохранителя от величины тока, протекающего по предохранителю [8, стр.384].

При токе КЗ =40 900 А время сгорания плавкой вставки предохранителя составит:

Для двигателя М1: с;

Для двигателя М2: с;

Для двигателя М3: с;

Для двигателя М4: с;

Для двигателя М5: с;

Для двигателя М6: с;

Предохранитель FU3: с;

Предохранитель FU2: с.

Время срабатывания автомата с мгновенным расцепителем равно нулю, т. е. автоматы, защищающие двигатели, срабатывают мгновенно.

Время срабатывания автомата QF3, защищающего группу двигателей, принимаем на ступень селективности больше, чем у автоматов двигателей.

(6.1)

— ступень селективности, принимаем равной 0,2 с.

с

с

с

7. Проверка селективности между элементами релейной защиты

Селективность между последовательно установленными предохранителями соблюдается, если выполняется условие [8,стр.384]:

(7.1)

где — время сгорания плавкой вставки предохранителя, расположенного ближе к источнику питания; - время сгорания плавкой вставки предохранителя, расположенного ближе к нагрузке; коэффициент 1,7−3 учитывает конструктивные особенности плавких вставок.

Наибольшее время сгорания имеет предохранитель, защищающий двигатель М2

с.

с, чем меньше времени, определенного для FU3 по типовым характеристикам: с.

с,

чем меньше времени, определенного для предохранителя FU2 по типовым характеристикам: с.

Селективность действия автоматических выключателей обусловлена выдержками времени рассчитанными в Пункте 6.

8. Расчет защиты двигателей напряжением 6 кВ

Синхронные электродвигатели защищают от следующих повреждений и ненормальных режимов работы:

— от междуфазных КЗ обмотки статора;

— от замыканий на землю обмотки статора;

— от перегрузки;

— от понижения напряжения.

Защита от междуфазных КЗ в обмотке статора

Для защиты двигателя от междуфазных КЗ в обмотке статора применяем токовую отсечку с использованием токовых реле типа РТ-40. Схема соединения трансформаторов тока неполная звезда. Ток срабатывания отсечки отстраивается от пускового тока двигателя, согласно [6,стр.379]:

(8.1)

где — коэффициент надежности, =1,4 для реле серии РТ-40.

Номинальный ток двигателя:

(8.2)

где — параметры синхронного двигателя (табл. 1)

А Пусковой ток двигателя:

А

А Ток срабатывания реле согласно [6,стр.379]:

(8.3)

где — коэффициент схемы, = 1 для схемы соединения трансформаторов тока неполная звезда; - коэффициент трансформации трансформаторов тока.

Принимаем трансформатор тока типа ТВЛМ6-УЗ; =150 А, = 5 А [2,стр.294].

А Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-40/50 с током срабатывания =32 А, соединение катушек параллельное, указательное реле РУ-21/0,05 и промежуточное реле РП-23, =220 В.

Коэффициент чувствительности защиты согласно [6,стр.379]:

(8.4)

где =2250 А — ток двухфазного КЗ в сети 6 кВ (табл. 1.1).

что удовлетворяет условию проверки.

Защита от замыканий на землю обмотки статора

Защита от замыканий на землю выполняется на токовом реле, подключаемом к трансформатору тока нулевой последовательности с подмагничиванием. Ток срабатывания защиты согласно [7,стр.401]:

(8.5)

где = 1,25 — коэффициент надежности; - коэффициент, учитывающий бросок собственного емкостного тока двигателя при внешних перемежающихся замыканиях на землю (для защиты без выдержки времени принимают =3,5);

— собственный ток замыкания на землю.

(8.6)

где =314 — угловая частота; - номинальное напряжение двигателя, кВ;

— емкость двигателя, мкФ/фазу:

(8.7)

где k — коэффициент, учитывающий класс изоляции (k=40 для класса изоляции В);

S — номинальная мощность двигателя, кВА; - скорость вращения ротора двигателя (данные на двигатель в табл. 1).

Номинальная мощность двигателя:

кВА;

мкФ/фазу

А

А Так как ток срабатывания защиты не превышает 10 А (для двигателей до 2000 кВт), защиту от замыканий на землю не устанавливаем.

Защита от перегрузок

Для защиты двигателей от перегрузки используем однорелейную токовую защиту. Ток срабатывания защиты согласно [7,стр.379]:

(8.8)

где =1,2; - коэффициент возврата (для реле РТ-40: =0,8);

А

Ток срабатывания реле:

А Для выполнения защиты выбираем токовое реле РТ-40/10 с током срабатывания = 5,75 А. Соединение катушек параллельное. Для создания выдержки времени применяем реле времени ЭВ-143 с временем срабатывания 15 с.

Защита от понижения напряжения

Напряжение срабатывания защиты согласно [7,стр.394]:

(8.9)

кВ Напряжение срабатывания реле:

(8.10)

где =1,25; =1,2 для реле минимального напряжения РН-54;

— коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Принимаем трансформатор напряжения НТМИ-6−66: =6 кВ, =100 В, [1,стр.634].

В

Для выполнения защиты применяем реле напряжения РН-54/160 с =47 В (первый диапазон). Для создания требуемой выдержки времени применяем реле времени ЭВ-123. Время срабатывания защиты принимаем 1 с, считая защищаемый двигатель неответственным.

Проверка трансформаторов тока на 10% погрешность

При проверке руководствуемся рекомендациями, изложенными [8,стр.330].

Определим сопротивление нагрузки на трансформатора тока.

(8.11)

где — сопротивление соединительных проводов, Ом; - сопротивление обмоток реле, включенных в фазный провод, Ом; - сопротивление обмоток реле, включенных в нулевой провод, Ом; =0,1 Ом — переходное сопротивление контактов.

Сопротивление проводов:

(8.12)

где — удельное сопротивление материала провода (=0,0283, для алюминия); - расчетная длина соединительных проводов от трансформатора тока до реле (=5 м); - сечение провода (=4 мм).Сопротивление реле:

(8.13)

где — потребляемая мощность реле, (для РТ-40/50: =0,8 ВА; для РТ-40/10: =0,5 ВА); - ток срабатывания реле, А.

Ом

Ом

Ом

Ом

Кратность расчетного тока срабатывания к номинальному току трансформатора тока составит:

(8.14)

где =1,2 — коэффициент, учитывающий наличие апериодической составляющей тока КЗ; =0,8 — коэффициент. учитывающий возможное ухудшение характеристик намагничивания трансформаторов тока.

По кривой 10% погрешности трансформатора тока, с учетом кратности первичного тока срабатывания, определяем Ом, что больше расчетного 0,1764 Ом [6,стр.340].

Трансформаторы тока будут работать в заданном классе точности.

Схема защиты приведена в приложении.

9. Расчет защиты цехового трансформатора

Защита предусматривается от следующих повреждений и ненормальных режимов:

— от междуфазных КЗ в обмотках трансформатора и на их выводах;

— от витковых замыканий;

— защита от внешних КЗ;

— перегрузки;

— снижение уровня масла в баке трансформатора.

Защита трансформатора от междуфазных КЗ

Для защиты трансформатора от междуфазных КЗ применяем токовую отсечку без выдержки времени. Схема соединений трансформатора тока и обмоток реле неполная звезда.

Ток срабатывания защиты отстраивается от тока трехфазного КЗ за трансформатором, согласно [7,стр.297]:

(9.1)

=1,4 — коэффициент надежности; =40 900 А — ток трехфазного КЗ за трансформатором (табл. 1.1).

А Ток срабатывания защиты, приведенный к стороне ВН:

А, где — коэффициент трансформации трансформатора Т9 (Т10).

Номинальный ток трансформатора:

А Принимаем трансформатор тока типа ТФЗМ35А-У3; =50 А, =5 А [2,стр.302]. Ток срабатывания реле:

А, Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-4040/100 с током срабатывания =65,4 А, соединение катушек параллельное, указательное реле РУ-21/0,5 и промежуточное реле РП-23, =220 В.

Коэффициент чувствительности защиты согласно [7,стр.297]:

(9.2)

где =1520 А — ток двухфазного КЗ на стороне ВН трансформатора (табл. 1.1).

;

что удовлетворяет условию проверки.

Защита от внешних КЗ

Для защиты от внешних КЗ и резервирования действия основных защит (токовой отсечки и газовой защиты) устанавливается МТЗ с выдержкой времени.

Ток срабатывания МТЗ отстраивается от номинального тока трансформатора с учетом самозапуска двигателей, согласно [6,стр.296]:

(9.3)

где =1,2 и =0,8 — коэффициенты надежности и возврата реле РТ-40;

— коэффициент, учитывающий самозапуск заторможенных электродвигателей

=(3−3,5).

А.

Ток срабатывания реле:

А,

Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-40/20 с током срабатывания = 18,55 А, соединение катушек параллельное.

Выдержка времени МТЗ выбирается с учетом селективности:

(9.4)

где =0,6 свыдержка времени автомата QF1 на стороне НН трансформатора =0,5 с — ступень селективности для МТЗ.

с Для создания выдержки времени применяем реле времени ЭВ-114.

Коэффициент чувствительности защиты согласно [6,стр.297]:

(9.5)

где = 35 420 А — ток двухфазного КЗ на стороне НН трансформатора (табл. 1.1).

Приводим величину тока двухфазного КЗ на стороне НН трансформатора к стороне ВН, и вычисляем коэффициент чувствительности:

;

что удовлетворяет условию проверки.

Защита трансформатора от перегрузки.

Для защиты от перегрузки используем однорелейную токовую защиту. Ток срабатывания защиты согласно [7,стр.332]:

(9.6)

где =1,05; - коэффициент возврата (для реле РТ-40: =0,8);

А Ток срабатывания реле:

А Для выполнения защиты выбираем токовое реле РТ-40/10 с током срабатывания =54,1 А. Соединение катушек параллельное.

Выдержка времени защиты от перегрузки выбирается на ступень селективности больше выдержки времени МТЗ:

(9.7)

с Для создания выдержки времени применяем реле времени ЭВ-124.

Защита от внутренних повреждений и понижения уровня масла в баке

Любые (даже незначительные) повреждения, а также повышенные нагревы внутри бака трансформатора вызывают расположение масла и органической изоляции, что сопровождается выделением газа. Интенсивность газообразования и химической состав газа зависят от характера и размеров повреждения. Защита выполняется так, чтобы при медленном газообразовании подавался сигнал, а при бурном газообразовании, что присутствует при коротких замыканиях, происходило отключение поврежденного трансформатора. Кроме того, защита реагирует на опасные понижения уровня масла в баке трансформатора.

Газовая защита является универсальной и наиболее чувствительной защитой трансформаторов от внутренних повреждений (реагирует на все виды повреждений, включая витковые замыкания).

Газовая защита выполняется с использованием реле типа РЗТ-80.

10. Расчёт защиты линии 35 кВ

Защита предусматривается от следующих повреждений и ненормальных режимов:

— от междуфазных КЗ;

— от перегрузки;

— от замыкания на землю;

Для защиты 35 кВ устанавливаем токовую отсечку, максимальную токовую защиту (МТЗ) с выдержкой времени и защиту от замыкания на землю.

Расчет токовой отсечки

Схема соединений трансформатора тока и обмоток реле звезда. Схему защиты выполняем на переменном оперативном токе.

Ток срабатывания защиты отстраивается от тока трехфазного КЗ за трансформатором, согласно [7,стр.297]:

(10.1)

где =1,2 — коэффициент отстройки; =40 900 А — ток трехфазного КЗ за трансформатором (табл. 1.1.).

Ток трехфазного КЗ, приведенный к стороне ВН трансформатора:

А, где — коэффициент трансформации трансформатора Т9 (Т10).

А Ток в линии:

=115,5 А (Пункт 1).

Принимаем трансформатор тока типа ТЛК35-У3; =200 А, =5 А [2,стр.302]. Ток срабатывания реле:

А, Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-40/20 с током срабатывания =14 А, соединение катушек параллельное.

Коэффициент чувствительности защиты согласно [7,стр.297]:

(10.2)

где =1520 А — ток двухфазного КЗ на стороне ВН трансформатора (таб. 1.1).

что удовлетворяет условию проверки.

Расчёт МТЗ линии 35 кВ

Ток срабатывания МТЗ отстраивается от номинального тока линии с учетом самозапуска двигателей, согласно [6,стр.296]:

(10.3)

где =1,2 — коэффициент отстройки, =0,8 — коэффициент возврата для реле РТ-40; - коэффициент, учитывающий самозапуск заторможенных электродвигателей (= 2,5); =115,5 А.

А Ток срабатывания реле:

А, Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-40/20 с током срабатывания =10,8 А, соединение катушек параллельное.

Коэффициент чувствительности защиты согласно [7,стр.297]:

(10.4)

где =1520 А — ток двухфазного КЗ в конце, защищаемой линии (табл. 1.1).

что удовлетворяет условию проверки.

Время срабатывания защиты отстраиванием от времени срабатывания МТЗ трансформатора Т9 (Т10):

(10.5)

=0,5 с — ступень селективности для МТЗ.

с

Защита от замыкания на землю линии 35 кВ

Для защиты от замыканий на землю линии 35 кВ, принимаем защиту нулевой последовательности, подключенную к фильтру токов нулевой последовательности.

Емкостной ток замыкания на землю кабельной сети согласно [6,стр.224]:

(10.6)

где U =35 кВ — междуфазное напряжение сети; L = 3 км — длина линии.

А Ток срабатывания защиты определяется из условия обеспечения величины коэффициента чувствительности не менее двух:

(10.7)

А Принимаем ток срабатывания защиты, равный: =4,7 А Ток срабатывания реле:

А, Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-40/0,2 с током срабатывания =0,12 А, соединение катушек параллельное.

Схема защиты линии 35 кВ приведена в приложении.

11. Расчет защиты линии 110 кВ

Для защиты линии 110 кВ устанавливаем:

— токовую отсечку;

— максимальную токовую защиту, с выдержкой времени;

— защиту от замыкания на землю.

Расчет токовой отсечки

Ток срабатывания токовой отсечки отстраивается от тока КЗ, в конце защищаемого участка [7,стр.297]:

(11.1)

где =1,2 коэффициент отстройки; =1840 А — ток трехфазного КЗ на трансформатором (табл. 1.1).

Ток трехфазного КЗ, приведенный к стороне ВН трансформатора:

А,

где — коэффициент трансформации трансформатора Т1 (Т2).

А Ток в линии:

=73,48 А (Пункт 1).

Принимаем трансформатор тока типа ТФЗМ110Б-1-У3; =100 А, =5 А [2,стр.304].

Ток срабатывания реле:

А,

Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-40/50 с током срабатывания =35,1 А, соединение катушек параллельное.

Коэффициент чувствительности защиты согласно [7,стр.297]:

(11.2)

где =2580 Аток двухфазного КЗ на стороне ВН трансформатора (табл. 1.1).

что удовлетворяет условию проверки.

Расчет МТЗ линии 110 кВ

Ток срабатывания МТЗ согласно [6,стр.296]:

(11.3)

где =1,2 — коэффициент отстройки, = 0,8 — коэффициент возврата для реле РТ-40; = 2,5 — коэффициент самозапуска; =73,48 Арасчетный ток в линии.

А Ток срабатывания реле:

А,

Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-40/20 с током срабатывания =13,75 А, соединение катушек параллельное.

Коэффициент чувствительности защиты согласно [6,стр.297]:

(11.4)

где =2580 А — ток двухфазного КЗ в конце, защищаемой линии (табл. 1.1).

что удовлетворяет условию проверки.

Время срабатывания защиты отстраиванием от времени срабатывания МТЗ КЛ 35 кВ.

(11.5)

=0,5 с — ступень селективности для МТЗ.

с

Защита от замыкания на землю линии 110 кВ

При расчете руководствуемся рекомендациями, изложенными в [6,стр.208].

В качестве защиты от замыкания на землю линии 110 кВ принимаем токовую отсечку нулевой последовательности без выдержки времени.

Ток срабатывания защиты отстраивается от возможного тока нулевой последовательности, протекающего в сторону защищаемой линии: =890 А (табл. 1.1):

(11.6)

где =1,2 — коэффициент надежности.

А Ток срабатывания реле:

А, Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-40/100 с током срабатывания =53,4 А, соединение катушек параллельное.

Схема защиты линии 110 кВ приведена в приложении.

12. Расчет защиты трансформатора на ГПП

Защиты предусматриваются от следующих повреждений и ненормальных режимов:

— от междуфазных КЗ в обмотках трансформатора и на их выводах;

— от витковых замыканий;

— защита от внешних КЗ;

— перегрузки;

— снижение уровня масла в баке трансформатора.

Защита от междуфазных КЗ

Для защиты трансформатора от междуфазных КЗ применяем дифференциальную защиту м реле типа РНТ-565. При расчетах руководствуемся рекомендациями, изложенными в [7,стр.310-стр.318]. Расчёт проводим в табличной форме.

Таблица 12.1 Расчёт уставок дифференциальной защиты

Примечания:

— данные на трансформаторы тока приведены согласно [2,стр.302,304];

— = 1840 А, табл. 1.1;

—, коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока КЗ (принимаем 1, так как используем реле с быстронасыщаемыми трансформаторами тока);

—, коэффициент, учитывающий однотипность трансформаторов тока;

— - погрешность трансформатора тока;

—, коэффициент, учитывающий наличие РПН;

—, коэффициент надежности;

— намагничивающая сила срабатывания реле.

Защита от внешних коротких замыканий

Для защиты от внешних коротких замыканий принимаем МТЗ в трехфазном исполнении. Схема соединения трансформаторов тока и реле — звезда.

Ток срабатывания МТЗ отстраивается от номинального тока трансформатора с учетом самозапуска двигателей, согласно [6,стр.296]:

(12.1)

где =1,2 и = 0,8 — коэффициенты надежности и возврата для реле РТ-40;

— коэффициент, учитывающий самозапуск заторможенных электродвигателей (= 3−3,5).

А.

Согласно «Сборника директивных материалов Минэнерго СССР» от 1971 г. для обеспечения надежного действия защиты требуется:

(12.2)

= А Принимаем ток срабатывании защиты, равный: =210 А Ток срабатывания реле:

А, Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-40/20 с током срабатывания =10,5 А, соединение катушек параллельное.

Выдержка времени МТЗ выбирается с учетом селективности:

(12.3)

где =1,6 с — выдержка времени МТЗ кабельной линии 35 кВ; = 0,5 с — ступень селективности для МТЗ.

=1,6 + 0,5 = 2,1 с Для создания выдержки времени применяем реле времени ЭВ-124.

Коэффициент чувствительности защиты согласно [6,стр.297]:

(12.4)

где = 1600 А — ток двухфазного КЗ на стороне НН трансформатора (табл. 1.1).

Приводим величину тока двухфазного КЗ на стороне НН трансформатора к стороне ВН, и вычисляем коэффициент чувствительности:

что удовлетворяет условию проверки.

Защита от перегрузки

Для защиты от перегрузки используем однорелейную токовую защиту. Ток срабатывания защиты согласно [7,стр.332]:

(12.5)

где =1,05; - коэффициент возврата (для реле РТ-40: = 0,8);

А Ток срабатывания реле:

А Для выполнения защиты выбираем токовое реле РТ-40/6 с током срабатывания =3,44 А. Соединение катушек параллельное.

Выдержка времени защиты от перегрузки выбирается на ступень селективности больше выдержки времени МТЗ:

(12.6)

с Для создания выдержки времени применяем реле времени ЭВ-124.

Защита от внутренних повреждений и понижения уровня масла в баке

В качестве защиты от внутренних повреждений и понижения уровня масла в баке трансформатора применяем газовую защиту.

Газовая защита выполняется с использованием реле типа РТЗ-80

Схема защиты трансформатора приведена в приложении.

13. Расчет АВР секционного выключателя

Выдержка времени автоматического включения секционного выключателя отстраивается от времени действия МТЗ отходящих линий и времени включения резерва:

(13.1)

где = 0,5−0,7 с ступень селективности;

(13.2)

(13.3)

где — выдержка времени АПВ; = 1 с — время готовности привода;

=0,1 с — время отключения выключателя; =0,3−0,5 — отстройка по времени.

с

с

с Принимаем с Схема устройства АВР на секционном выключателе Q5 ГПП приведена в приложении

14. Расчет защиты генератора

Согласно ПУЭ, для генераторов мощностью более 1 МВт предусматриваются устройства релейной защиты от следующих повреждений и нарушений нормального режима работы:

— многофазные замыкания в обмотке статора и его выводах;

— однофазные замыкания на землю;

— замыкание между витками обмотки статора;

— внешних КЗ;

— симметричной перегрузки обмотки статора;

— замыкания на землю в двух точках обмотки возбуждения.

Защита от многофазных КЗ обмотки статора

Применяем трехфазную, трехсистемную продольную дифференциальную защиту с реле типа РНТ-565. При расчетах руководствуемся рекомендациями, приведенными в [6,стр.279-стр.294].

Первичный ток срабатывания принимается больший, из вычисленных по двум условиям:

(14.1)

(14.2)

где =1,3ч1,4 — коэффициент надежности; =1 — коэффициент, учитывающий переходной процесс, при применении реле типа РНТ-565; =0,5 — для однотипных трансформаторов тока; =0,1 — допускаемая наибольшая относительная погрешность трансформаторов тока; - максимальное значение начального сверхпереходного тока при внешнем трехфазном КЗ (на выводах генератора) и номинальной нагрузке генератора.

В относительных единицах:

(14.3)

Номинальный ток генератора:

(14.4)

А Принимаем трансформатор тока типа ТВЛМ6-У3; =300 А, =5 А [2,стр.294].

Ток трехфазного КЗ:

(14.5)

А Определим ток срабатывания:

А

А Принимаем =163,9 А.

Ток срабатывания реле:

А, Расчетное число витков дифференциальной обмотки:

(14.6)

где =100 А — магнитодвижущая сила срабатывания реле.

витка Принимаем в дифференциальной обмотке; и в уравнительной обмотке; что в общей сложности составляет 35 витков.

Уточненный ток срабатывания защиты:

(14.7)

Коэффициент чувствительности дифференциальной защиты:

(14.8)

где, согласно [6,стр.280]:

(14.9)

А

=0,111 [8,стр.8].

что удовлетворяет условию проверки.

Защита от однофазных повреждений в обмотке статора

Для защиты от замыканий на землю в обмотке статора применяют токовую защиту нулевой последовательности. Защита подключается к трансформатору тока нулевой последовательности типа ТНПШ-3−1000, установленному со стороны шинных выводов генератора. В целях обеспечения требуемой чувствительности защиты осуществляется подмагничивание трансформатора тока нулевой последовательности переменным током от цепей трансформатора напряжения.

При внешних многофазных КЗ, в реле, подключенному к ТНП, возможно появление значительных токов небаланса. Для предотвращения излишних срабатываний, защиту выводят из действия защитой генератора от внешних КЗ.

Схема защиты содержит два реле тока, предназначенных для устранения замыканий на землю в обмотке статора и двойных замыканий на землю, одно из, которых в обмотке статора. Схема защиты приведена в приложении.

Чувствительность реле 1КА действует на отключение с выдержкой времени 1−2 с, создаваемую для отстройки от переходных процессов при внешних КЗ на землю.

Промежуточное реле 2KL блокирует грубое реле 2КА при внешних КЗ.

Ток срабатывания защиты, согласно [7,стр.352]:

А, (14.10)

где =2 и =1,5 — коэффициенты надежности, учитывающие выдержку времени срабатывания защиты; =0,7 — коэффициент возврата реле тока;

— ток небаланса, приведенный к первичной стороне трансформатора тока нулевой последовательности; упрощенно для ТНПШ можно принять: 1,5 а.

— установившийся емкостной ток замыкания на землю защищаемого генератора:

(14.11)

где =314 угловая частота; - емкость одной фазы обмотки статора;

=6,3 кВ — линейное напряжение генератора.

А

А Ток срабатывания защиты не превышает 5 А, что обеспечит надежное отключение генератора при замыканиях на землю. В качестве исполнительного органа чувствительной защиты применяем реле типа ЭТД-551/60 с последовательным соединением обмоток. В качестве исполнительного органа грубой защиты применяем реле типа ЭТ-521/2.

Защита от замыкания между витками одной фазы статора

Схема исполнения защиты приведена на рис. 14.1.

Рис. 14.2. поперечная дифференциальная защита от витковых замыканий в обмотке статора При наличии в обмотке статора двух параллельных ветвей, для защиты от витковых замыканий в обмотке статора применяют односистемную поперечную дифференциальную защиту, действие которой, основано на сравнении геометрической суммы токов трех фаз одной ветви с геометрической суммой токов трех фаз другой ветви (генераторы мощностью 60 МВт и более).

Трансформатор ТА подключается в месте соединения нейтралей обмоток статора. К трансформатору подключается реле тока типа РТ-40/Ф, имеющие встроенный фильтр третьей гармоники. При витковом замыкании в одной из фаз, возникает уравнительный ток, который приводит к срабатыванию защиты. Защита действует на отключение генератора.

Ток срабатывания защиты отстраивается от токов небаланса, протекающих в реле в режимах холостого хода и короткого замыкания генератора.

Защита от внешних КЗ

Для защиты от внешних КЗ применяем максимальную токовую защиту с пусковым органом минимального напряжения. Трансформаторы тока включены в нейтрали, схеме соединения — полная звезда.

Пусковой орган минимального напряжения состоит из трех реле минимального напряжения, включенных на междуфазное напряжение.

Ток срабатывания МТЗ отстраивается от номинального тока генератора, согласно [7,стр.356]:

(14.12)

где =1,1−1,2 и =0,8 — коэффициенты надежности и возврата для реле РТ-40.

А.

Ток срабатывания реле:

А, Для выполнения защиты применяем токовое реле РТ-40/10 с током срабатывания =5,72 А, соединение катушек параллельное.

Напряжение срабатывания защиты, согласно [7,стр.356]:

(14.13)

В Напряжение срабатывания реле, согласно [7,стр.356]:

(14.14)

где = 1,1ч1,2 — коэффициент надежности; =1,2 — коэффициент возврата для реле минимального напряжения типа РН-54; - коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

В Для выполнения защиты применяем реле напряжения РН-54/160 с напряжением срабатывания = 42 В.

Выдержка времени МТЗ выбирается с учетом селективности:

(14.15)

где = 1,6 с — выдержка времени МТЗ кабельной линии 35 кВ; =0,5 с — ступень селективности для МТЗ.

с Для создания выдержки времени применяем реле времени ЭВ-124.

Коэффициент чувствительности защиты по току, согласно [7,стр.356]:

(14.16)

где =1600 А — ток даухфазного КЗ на выводах генератора.

;

что удовлетворяет условию проверки.

Коэффициент чувствительности защиты по напряжению согласно [7,стр.356]:

(14.17)

где = - максимальное остаточное напряжение при КЗ в конце зоны действия защиты.

что удовлетворяет условию проверки.

Защита от симметричных перегрузок

Для защиты генератора от симметричных перегрузок используем однорелейную токовую защиту. Ток срабатывания защиты согласно [7,стр.379]:

(14.18)

где =1,05; - коэффициент возврата (для реле РТ-40: =0,8);

А Ток срабатывания реле:

А Для выполнения защиты выбираем токовое реле РТ-40/6 с током срабатывания =5,0 А. Соединение катушек параллельное.

Выдержка времени принимаем на ступень больше, чем выдержка времени защиты от внешних КЗ.

(14.19)

с

Для создания выдержки времени применяем реле времени ЭВ-123.

Защита от замыкания на землю во второй точке цепи возбуждения

Защита выполняется по мостовой схеме. В диагональ моста включается токовое реле КА. Схема исполнения защиты приведена на рис. 14.2.

Рис. 14.3 Защита от замыканий на землю обмотки возбуждения Мост образуется сопротивлениями и левой и правой части обмотки возбуждения (относительно первой точки замыкания К1) и сопротивлениями и переменного резистора, подключенного к кольцам ротора генератора. До появления второго замыкания мост балансирует, на переменном резисторе устанавливают такое сопротивление, при котором ток в диагонали отсутствуют.

Этому соответствует условие: При возникновении второй точки замыкание на землю (точка К2), баланс моста нарушается и защита срабатывает.

Даже при сбалансированном мосте через его диагональ может проходить ток, обусловленный неравномерностью воздушного зазора между статором и ротором генератора. Чтобы под действием указанного тока защита не сработала, последовательно с основной обмоткой токового реле КА, включает реактор LR, имеющий для переменного тока большое сопротивление. Кроме этого, в диагональ моста включают трансформатор тока ТА, вторичный тока которого подводят к дополнительной обмотке токового реле КА. Магнитодвижущая сила обмотки направлена встречно магнитодвижущей силе обмотки, поэтому воздействие переменного тока на реле КА уменьшается.

Защита от замыканий на землю в двух точках цепи возбуждения отстраивается от тока небаланса обусловлено неточный балансировкой моста и наличием переменного тока в реле.

1. Л. Д. Рожкова, В. С. Козулин. «Электрическое оборудование станций и подстанций» Москва: Энергоатомиздат 1987 г.

2. И. П. Крючков, Н. Н. Кувшинский, Б. Н. Неклепаев. «Электрическая часть станций и подстанций» Москва: Энергия 1978 г.

3. В. И. Идельчик «Электрические системы и сети» Москва, Энергоатомиздат 1989 г.

4. Б. Ю. Липкин. «Электроснабжение промышленных предприятий» Москва, «Высшая школа» 1975 г.

5 «Справочник по релейной защите». Под общей редакцией М. А. Берковича Государственное энергетическое издательство. 1963 г.

6. А. М. Авербух. «Релейная защита в задачах с решениями и примерами» Ленинград, Энергия 1975 г.

7. М. А. Беркович, В. А. «Основы техники и эксплуатации релейной защиты» Москва: Энергия 1971 г.

8. М. А. Беркович, В. Н. Вавин, М. Л. Голубев и др. «Справочник по релейной защите» Государственное энергетическое издательство, Москва, 1963 г.