Основы релейной защиты и автоматики

Системы электроснабжения — это сложный производственный комплекс, все элементы которого участвуют в едином производственном процессе, основными специфическими особенностями которого являются быстротечность явлений и неизбежность повреждений аварийного характера — коротких замыканий в электрических установках. Поэтому надежное и экономичное функционирование системы электроснабжения возможно только при автоматическом управлении. Автоматическое управление осуществляется комплексом автоматических устройств, среди которых первостепенное значение имеют устройства автоматической релейной защиты, действующие при повреждении электрических установок.

1. Максимальная токовая защита с независимой характеристикой выдержки времени

Исходные данные

Рисунок 1.1 — Схема сети представленная для расчета Оперативный ток — постоянный. Остаточное напряжение на шинах подстанции, А при КЗ в точке К₁ = 3,5 кВ. Произвести расчет защиты, установленной на выключателе Q₁.

Вычислим ток срабатывания защиты МТЗ-1:

k_ОТС=1,3 — коэффициент отстройки, учитывающий разброс в токе срабатывания реле, возможную неточность в определении максимального рабочего тока и некоторый запас; k_В — коэффициент возврата реле РТ-40 принимаем 0,8:

А.

Рассчитаем коэффициенты трансформации выбранных трансформаторов тока — ТПЛК10-У3:

.

где I_1HOM = 800 А — первичный номинальный ток трансформаторов тока, I_2HOM = 5 А — вторичный номинальный ток трансформаторов тока.

Выберем схему токовой защиты. Схема неполного треугольника, несмотря на свою дешевизну, не может быть использована в данном случае, т.к. не обеспечивает защиты от коротких двухфазных замыканий за трансформатором с соединением звезда — треугольник. Поэтому в качестве предварительной схемы выберем схему неполной звезды с дополнительным реле.

Вычислим ток срабатывания реле с учетом выбранной схемы:

9,51 А.

Здесь k_сх =1 — коэффициент схемы неполная звезда.

Уточним тип используемого реле. Согласно справочной литературе, примем к установке реле типа РТ-40/10.

Проверим выбранную схему. Для этого сначала вычислим токи коротких двухфазных замыканий:

А;

А;

А;

Определим коэффициент чувствительности защиты основной защищаемой зоны:

(?1,5).

где k_{ОЧ (2)} — коэффициент относительной чувствительности схемы к коротким двухфазным замыканиям.

Определим коэффициент чувствительности зоны резервирования линии:

(?1,2).

Определим коэффициент чувствительности зоны резервирования трансформатора:

(?1,2).

здесь = 1 — коэффициент относительной чувствительности схемы к двухфазным коротким замыканиям за трансформатором с соединением обмоток — 11 группа.

Так как все коэффициенты чувствительности удовлетворяют требованиям ПУЭ, а именно коэффициент чувствительности основной зоны защиты больше 1,5, а резервных зон — больше 1,2, то выбранную схему можно принять за окончательную.

Выбор типа пусковых органов

Пусковыми органами в выбранной схеме являются максимальные реле тока. Питание устройств релейной защиты осуществляется через блоки питания, поэтому можно использовать реле, работающие на постоянном токе. По рассчитанным параметрам выберем следующий тип электромагнитных реле — РТ 40/10. Схема соединения выводов представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 — Схема соединения выводов реле тока

Выбор выдержки времени

Выдержка времени выбирается по принципу селективности на ступень больше, чем у аналогичной защиты смежного, более удалённого по сети питания участка:

где — ступень селективности, принята равной 0,5 с:

с.

С такой выдержкой времени может работать реле РВ-127.

Выбор типоисполнения указательного реле

Постоянное напряжение питания на шинах релейной защиты: U_ШР3=110 В.

Мощность промежуточного реле РП-23 — 6 Вт, мощность указательного реле РУ-21 — не более 0,25 Вт. Ток в цепи указательного реле:

А.

Типоисполнение указательного реле: РП-21/0,025.

Рисунок 1.3 — Схема МТЗ Таблица 1 — Спецификация

2. Максимальная токовая защита с ограниченно-зависимой характеристикой выдержки времени

Задание: Произвести расчет защит от всех видов КЗ, установленных на выключателях Q₁ и Q₂. Для одной из защит изобразить схему и составить спецификацию.

Таблица 2.1

Ступень селективности для реле РТ-81 принять t=0,6ч0,8 с. Напряжение линии принять U_НОМ=10 кВ. Точка К₃ соответствует средине линии W₂.

Рисунок 2.1 — Схема защищаемой сети

Выбор типа реле тока

Согласно методическим указаниям выбираем реле тока типа РТ 81.

Расчет тока срабатывания защиты

Рассчитаем токи срабатывания защит установленных на выключателях Q₁ и Q₂:

где k_ОТС — коэффициент отстройки, выбирается в диапазоне 1,21,3; k_З — коэффициент запуска; k_B — коэффициент возврата, для реле типа РТ 81 составляет не менее 0,8; I_{РАБ.МАКС.} — максимальный ток нагрузки.

Принимаем: k_ОТС=1,25; k_В=0,8:

А.

А.

Выбор типа измерительного трансформатора тока

Трансформатор тока выбирается для соответствующего класса напряжения по условию:

I_1HOM?I_{PAБ.МАКС.}

Согласно методическим указаниям, выбираем трансформаторы тока для установки в КРУ: ТПЛК-10/600 и ТПЛК-10/400.

Вычисление коэффициента трансформации измерительного трансформатора тока

Номинальный коэффициент трансформации:

где: I_1HOM — первичный номинальный ток трансформатора тока; I_2HOM — вторичный номинальный ток трансформатора тока = 5А;

;

.

Выбор типа пусковых органов

Определим токи срабатывания реле:

где — коэффициент схемы для режима трехфазного КЗ, для схемы «неполная звезда» =1;

А;

А.

На токи срабатывания от 1 до 10 А рассчитано реле РТ 81/1. Выбираем уставки: А; А.

Пересчитаем токи срабатывания защит:

.

А

А.

Настройки реле (без токовых отсечек)

Время срабатывания второго комплекта защиты при коротком замыкании на шинах подстанции С:

где — ступень селективности, для реле РТ-81 = 0,7 с:

с.

Кратность тока короткого замыкания защиты при коротких замыканиях:

.

Для второго комплекта:

;

;

.

По кривым t_P=f (K_P) для реле РТ 81 найдем соответствующие времена срабатывания: t_{СЗ (2)К3}=1 с; t_{СЗ (2)К2}=0,9 с.

Кратности тока короткого замыкания первого комплекта защиты при коротких замыканиях:

;

;

;

.

Время срабатывания первого комплекта защиты при коротком замыкании на шинах подстанции В:

t_{СЗ (1)К2}= t_{СЗ (2)К2}+;

t_{СЗ (1)К2}=0,9+0,7=1,6 с.

По кривым t_P=f (K_P) для реле РТ 81 найдем соответствующие времена срабатывания: t_{СЗ (1)К4}=7 с; t_{СЗ (1)К3}=3,2 с; t_{СЗ (1)К1}= 1,5 с.

Рисунок 2.2 — Зависимость времени срабатывания защит от места КЗ

Настройки реле (с токовыми отсечками)

Токи срабатывания отсечек:

где k_H — коэффициент надежности =1,3;

— ток КЗ на шинах противоположной подстанции.

A;

A.

По графику зависимости тока от места короткого замыкания определим зоны действия отсечек (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 — Зависимости тока и времени срабатывания защит от места короткого замыкания Первая защита должна отстраиваться по времени от минимальной выдержки времени второй защиты: по графику — c.

Время срабатывания первой защиты при КЗ в точке D:

с.

Кратность тока в точке D:

.

По кривым t_P=f (K_P) для реле РТ 81 найдем соответствующие времена срабатывания: c; c; c; c.

Расчет коэффициентов чувствительности

Проверим чувствительность схемы:

где k_Ч — коэффициент чувствительности; k_ОТН.Ч — коэффициент относительной чувствительности схемы =1; I_КЗmin — наименьший ток короткого замыкания; - ток трехфазного короткого замыкания.

Для первого комплекта защиты:

;

.

Для второго комплекта защиты:

.

Коэффициенты чувствительности соответствуют необходимым условиям: k_чОЗД?1,5; k_чРЗД?1,2.

Выбор типоисполнения указательного реле

Постоянное напряжение питания на шинах релейной защиты: U_ШРЗ=110 В.

Мощность промежуточного реле РП-23 — 6 Вт, мощность указательного реле РУ-21 — не более 0,25 Вт. Ток в цепи указательного реле:

где U_ШРЗ — напряжение питания на шинах релейной защиты.

А.

Типоисполнение указательного реле: РУ-21/0,025.

Рисунок 2.4 — Схема МТЗ Таблица 2.2 — Спецификация

3. Токовая направленная защита

Произвести расчёт защиты, установленной на выключателе (см. рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 — Схема защищаемой сети

Таблица 3.1 — Исходные данные

Таблица 3.2 — Токи трехфазного КЗ, кА

Коэффициент запуска нагрузки К_З = 1,2; трансформаторы напряжения n_Н = 35/0,1 кВ. Реле направления мощности имеет две уставки угла максимальной чувствительности _М.Ч. = -30 или -45.

Выбор типа реле тока

Выполнение защит предполагается по схеме неполной звезды, органы направления включаются по 90 схеме. Согласно методическим указаниям выполним защиту на реле тока РТ-40 и реле направления мощности РМ-11.

Вычисление выдержек времени

Выдержки времени защит одного направления выбираются по ступенчатому принципу (для реле РТ-40 ступень селективности с):

;

;

;

;

;

.

Органы направления мощности

Определим, где по условию селективности необходимы органы направления и где они могут быть сняты. Воспользуемся следующим наблюдением: органом направления снабжается та из двух защит разного направления одной и той же подстанции, которая имеет меньшую выдержку времени. Различие в выдержках времени должно быть не меньше ступени селективности. В противном случае органы направления сохраняются на обеих защитах.

Можно снять органы направления мощности на защитах К₃ и К₄.

Токи срабатывания защит

Согласно заданию определим токи срабатывания защит К₃ и К₅.

где k_OTC — коэффициент отстройки, выбирается в диапазоне 1,21,3; k₃ — коэффициент запуска; k_B — коэффициент возврата, для реле типа РТ-40 составляет не менее 0,8; I_{РАБ.МАХ} — максимальный ток нагрузки.

Определим максимальные токи нагрузок:

А;

А.

Рассчитаем токи срабатывания. Принимаем: k_OTC =1,25; k_B =0,8:

А;

А.

Выбор типа измерительного трансформатора тока

Трансформаторы тока выбираются для соответствующего класса напряжения по условию

где — максимальный рабочий ток линии.

А;

А.

Согласно методическим указаниям, выбираем трансформаторы тока для установки в КРУ: ТЛМ-10/600.

Номинальный коэффициент трансформации:

где: — первичный номинальный ток трансформатора тока;

— вторичный номинальный ток трансформатора тока = 5 А.

.

Выбор типа пусковых органов

Определим токи срабатывания реле:

где — коэффициент схемы для режима трехфазного КЗ, для схемы «неполная звезда» =1;

А;

А.

Проверим чувствительность схемы:

где — коэффициент чувствительности; - коэффициент относительной чувствительности схемы = 1; - наименьший ток короткого замыкания в конце зоны действия; - ток трехфазного короткого замыкания в конце зоны действия.

;

;

.

Коэффициенты чувствительности соответствует необходимым условиям: ,.

Длина мертвой зоны

Согласно заданию, определим длину мертвой зоны защиты К₅.

Угол сопротивления защищаемой линии:

.

Реле РМ 11 позволяет устанавливать углы максимальной чувствительности -30 или -45. Выберем угол максимальной чувствительности, при котором значение максимально:

;

.

Устанавливаем угол максимальной чувствительности -30.

Полное удельное сопротивление линии:

Ом.

Длина мертвой зоны рассчитывается по выражению:

м;

где — минимальная мощность срабатывания реле при номинальном токе.

Выбор типоисполнения указательного реле

Постоянное напряжение питания на шинах релейной защиты: U_ШРЗ=110 В.

Мощность промежуточного реле РП-23 — 6 Вт, мощность указательного реле РУ-21 — не более 0,25 Вт. Ток в цепи указательного реле:

где U_ШРЗ — напряжение питания на шинах релейной защиты.

А.

Типоисполнение указательного реле: РП-21/0,025.

Рисунок 3.2 — Схема МТЗ

Таблица 3.3 — Спецификация на выбранное оборудование

4. Релейная защита на переменном оперативном токе

Произвести расчёт защиты, установленной на выключателе (см. рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 — Схема защищаемой сети Таблица 4.1 — Исходные данные

Номинальное напряжение — U_НОМ=10 кВ.

Выбор типа реле тока:

Согласно методическим указаниям выбираем реле тока типа РТ 81.

Расчет тока срабатывания защиты:

где — коэффициент отстройки, выбирается в диапазоне 1,21,3; - коэффициент запуска; - коэффициент возврата, для реле типа РТ-81 составляет не менее 0,8; - максимальный ток нагрузки.

Принимаем:; .

А.

Выбор типа измерительного трансформатора тока:

Трансформатор тока выбирается для соответствующего класса напряжения по условию:

Согласно методическим указаниям, выбираем трансформаторы тока для установки в КРУ: ТЛМ-10/600.

Вычисление коэффициента трансформации измерительного трансформатора тока Номинальный коэффициент трансформации:

где — первичный номинальный ток трансформатора тока; - вторичный номинальный ток трансформатора тока, .

.

Выбор типа пусковых органов:

Определим ток срабатывания реле:

где — коэффициент схемы для режима трехфазного КЗ, для схемы «неполная звезда» ;

А На токи срабатывания от 1 до 10 А рассчитано реле РТ 81/1. Уставка: А.

Пересчитаем ток срабатывания защиты:

.

А.

Проверим чувствительность схемы:

где — коэффициент чувствительности; - коэффициент относительной чувствительности схемы,; - наименьший ток короткого замыкания; - ток трехфазного короткого замыкания.

;

Коэффициент чувствительности не соответствует необходимому условию: .

При использовании схем с :

А.

На такие токи срабатывания реле РТ 81 не рассчитано, поэтому для снижения тока срабатывания реле используем пусковые органы минимального напряжения.

Напряжение срабатывания защиты:

где — коэффициент отстройки, выбирается в диапазоне 1,21,3; - коэффициент возврата, для реле РН-54 составляет не менее 1,25; - рабочее минимальное напряжение, .

Принимаем:;; .

кВ.

Трансформатор напряжения: НОМ-10−66.

Коэффициент трансформации:

.

Напряжение срабатывания реле:

.

Следовательно, используется второй диапазон уставок реле РН-54/160 — необходимо соединить выводы 2 и 4.

Ток срабатывания защиты по формуле, с учетом :

А.

Ток срабатывания реле по формуле :

А На токи срабатывания от 1 до 10 А рассчитано реле РТ 81/1. Уставка: А.

Пересчитаем ток срабатывания защиты по формуле

:

А.

Проверим чувствительность схемы по формуле

:

;

Коэффициент чувствительности соответствует необходимому условию: .

Время срабатывания защиты при коротком замыкании на шинах следующей подстанции:

где — ступень селективности, для реле РТ-81 .

с.

Кратность тока короткого замыкания защиты при коротких замыканиях:

.

Проверка трансформатора тока на отключающую способность:

Кратность отключения:

.

Для схемы «неполная звезда» должно выполняться условие. По кривым предельной кратности для трансформатора тока определим допустимую нагрузку: .

Рисунок 4.2 — Схема МТЗ Таблица 4.2 — Спецификация

5. Дифференциальные токовые реле

Расчет дифференциальной защиты трансформатора

Произвести расчёт защиты, установленной на трансформаторе ТМН-16.

Рисунок 5.1 — Рассматриваемая цепь

Исходные данные для расчета представлены в таблице 1.

Таблица 5.1 — Исходные данные

Параметры трансформаторов

Определяются первичные и вторичные номинальные токи, коэффициенты трансформаторов тока и схемы их соединения:

Таблица 5.2

Ток внешнего трехфазного КЗ

Рисунок 5.2 — Расчет токов короткого замыкания

Ом;

Ом;

кА.

Ток срабатывания защиты

Предварительно выбирается самая дешевая схема дифференциальной защиты: двухфазная на реле типа РНТ-565. Определяется ток срабатывания защиты:

Из условия отстройки от тока небаланса

Находятся две составляющие полного тока небаланса, обусловленные погрешностями трансформаторов тока и регулированием коэффициента силового трансформатора под нагрузкой:

А

где — коэффициент апериодической составляющей тока; - коэффициент однотипности трансформаторов тока.

А

Из условия отстройки от броска намагничивающего тока.

А К дальнейшему расчету принимается большее из двух значений А.

Коэффициент чувствительности

С целью проверки, подходит ли предварительно принятое реле РНТ-565 по чувствительности или следует применить более дорогое реле ДЗТ-11, найдём предварительное значение коэффициента чувствительности:

найдём ток срабатывания реле:

А.

Минимальный ток в реле при КЗ в зоне действия защиты:

А,

где — коэффициент относительной чувствительности.

>1,5 — схема удовлетворяет условию чувствительности. Применяем реле РНТ-565.

Настройка промежуточного трансформатора

Ток срабатывания реле на основной стороне (на стороне с большим вторичным током):

А.

Число витков обмотки реле на основной стороне:

.

Принятое целое число витков на основной стороне: 10 витков (принимается ближайшее целое меньшее число витков для основной стороны).

Число витков обмотки реле на неосновной стороне:

.

Принятое целое число витков на неосновной стороне: 13 витков (принимается ближайшее целое число витков для неосновной стороны).

Составляющая тока небаланса из-за округления числа витков:

А.

Уточнённое значение тока небаланса:

А.

Уточнённый ток срабатывания защиты:

А.

Уточнённый ток срабатывания реле на основной стороне:

А.

Число витков обмотки реле на основной стороне:

.

Принятое целое число витков на основной стороне: 11 витков (принимается ближайшее целое меньшее число витков для основной стороны).

Ток срабатывания реле по целому числу витков:

А.

Окончательный коэффициент чувствительности:

.

>1,5 — схема удовлетворяет условию чувствительности.

Выбор типоисполнения указательного реле

Постоянное напряжение питания на шинах релейной защиты: .

Мощность промежуточного реле РП-23 — 6 Вт, мощность указательного реле РУ-21 — не более 0,25 Вт. Ток в цепи указательного реле:

где — напряжение питания на шинах релейной защиты.

.

Типоисполнение указательного реле: РУ-21/0,025.

Рисунок 5.3 — Схема ДЗТ

Таблица 5.3 — Спецификация

Заключение

В данной курсовой работе была поставлена общая задача выполнения релейной защиты в различных электрических установках. Расчет параметров и выбор оборудования проводился согласно ПУЭ. В задачах были рассчитаны параметры релейной защиты для заданных начальных условий, подобранны реле соответствующего типа исполнения. На рисунках наглядно представлены схемы самих реле и соединения контактов реле, для того чтобы можно было представить, как выполнена защита в окончательном варианте. Во всех поставленных задачах спроектированная релейная защита удовлетворяет всем современным требованиям при различных режимах работы электрического оборудования.

токовый реле защита

1. Электротехнический справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — Т.3. — Кн.

2. Шаббад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. — Л.: Энергоатомиздат, 1985.

3. Беркович М. А. и др. основы техники релейной защиты / М. А. Беркович, В. В. Молчанов, В. А. Семенов. — М.: Энергоатомиздат, 1984.

4. Справочник по наладке вторичных цепей электростанций и подстанций / А. А. Антюшин, А. Е. Гомберг, В. П. Караваев и др.; Под ред. Э. С. Мусаэляна. — М.: Энергоатомиздат, 1989.

5. Рожкова Л. Д., Козулин В. С. Электрооборудование станций и подстанций. — М.: Энергоатомиздат, 1987.

6. Андреев В. А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. — М.: Высшая школа, 1991.

7. Чернобровов Н. В. Релейная защита. — М.: Энергия, 1974.