Релейная защита подстанции 220/35/10 кВ с разработкой электрической части подстанции и фильтра напряжения обратной последовательности

релейный защита фильтр напряжение

Получено задание разработать электрическую часть подстанции 220/35/10 кВ, провести выбор главной электрической схемы подстанции и основного электротехнического оборудования, разработать релейную защиту трехобмоточного трансформатора ТДТН — 63 000/220 и разработать фильтр напряжения обратной последовательности. Данная подстанция питается от двух систем напряжением 220 кВ и мощностью 3000 МВА и 3800 МВА, соединенных в кольцевую сеть. В качестве региона строительства принимается г. Москва.

Проектируемая подстанция предназначена для питания потребителей двух номинальных напряжений и нагрузки собственных нужд:

— со стороны высшего напряжения подстанция имеет четыре присоединения — две одноценых линии электропередачи — от систем, и одну двухцепную линию электропередачи номинальным напряжением 220 кВ;

— со стороны среднего напряжения осуществляется питание потребителей с помощью одной двухцепной линии длиной 20 км и двух одноцепных линий длиной 25 и 15 км электропередачи номинальным напряжением 35 кВ;

— со стороны низшего напряжения происходит снабжение электроэнергией местной нагрузки напряжением 10 кВ. Количество распределительных пунктов в сети низшего напряжения равно 8;

— мощность нагрузки собственных нужд составляет 250 кВт при номинальном напряжении 0,38/0,22 кВ.

1. Электрическая часть подстанции 220/35/10 кВ.

1.1 Выбор структурной схемы (число, тип и мощность трансформаторов связи)

Расчет графиков нагрузки обмотки ВН.

По заданным графикам нагрузки низшего напряжения и среднего напряжения Pнн (t), Pсн (t) определяется график нагрузки высокого напряжения Sвн (t) и определяется наиболее нагруженная обмотка трансформатора А) Определение графиков Pнн (t) [МВт] и Pсн (t) [МВт]

Б) Построение графиков Sнн (t) [МВА], Sсн (t) [МВА], Sвн (t) [МВА]

Так как =0,88, то полная мощность нагрузки обмотки ВН вычисляется по формуле:

Результаты расчетов сведены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1. Расчет графиков нагрузки обмоток ВН, СН, НН

Рис. 1.1.1.1. Зимний/летний графики нагрузки обмотки ВН.

Выбор трансформаторов связи ПС

Принимается количество трансформаторов, при этом отказ обоих трансформаторов маловероятен.

Предварительное значение номинальной мощности трансформатора:

Выбираем трансформатор ТДТН — 40 000/220 (стр. 156. табл. 3.8 [3])

Проверка трансформатора.

р-н г. Москва, МО и_зима=-8,2⁰ С, и_лето=+18⁰ С.

Нормальный режим работы зимой (оба трансформатора включены):

2S_ном=2*40=80 МВА

S_max=73,91 MBA<2S_ном=80 МВА — нет перегрузки.

Ремонт зимой (один трансформатор в работе) (систематическая перегрузка):

Недоотпуск электроэнергии при ремонте зимой Послеаварийный режим зимой (один трансформатор в работе):

Недоотпуск электроэнергии в послеаварийном режиме зимой Повышение мощности трансформаторов, т.к. ремонт и послеаварийный режим зимой недопустим.

Выбираем трансформатор ТДТН — 63 000/220, (стр. 156. табл. 3.8 [3])

Проверка трансформатора.

Ремонт зимой (один трансформатор включен) (систематическая перегрузка):

.

Послеаварийный режим зимой (один трансформатор в работе):

>и летом трансформатор данной мощности удовлетворяет условиям перегрузок Окончательно устанавливаются на ПС два трансформатора 2×63 МВА (ТДТН-63 000/220)

1.2 Выбор электрических схем РУ всех напряжений

При выборе электрической схемы учитываются следующие основные факторы: номинальное напряжение РУ, число присоединений, их мощность, ответственность, режим работы, схема сети, к которой присоединяется данное РУ, очередность сооружения и перспектива дальнейшего расширения.

Основные требования к главным схемам электрических соединений:

· Схема должна обеспечивать надежное питание присоединенных потребителей в нормальном, ремонтном и послеаварийном режимах в соответствии с категориями нагрузки с учетом наличия или отсутствия независимых резервных источников питания.

· Схема должна обеспечивать надежность транзита мощности через подстанцию в нормальном, ремонтном и п/ав режимах в соответствии с его значением для рассматриваемого участка сети.

· Схема должна быть по возможности простой, наглядной, экономичной и обеспечивать средствами автоматики восстановление питания потребителей в послеаварийной ситуации без вмешательства персонала.

· Схема должна допускать поэтапное развитие РУ с переходом от одного этапа к другому без значительных работ по реконструкции и перерывов в питании потребителей.

· Число одновременно срабатывающих выключателей в пределах одного РУ должно быть не более двух при повреждении линии не более четырех при повреждении трансформатора.

· Ремонт выключателей напряжением 110 кВ и выше должен производиться без отключения соответствующих присоединений (это вызвано высокой ответственностью присоединений повышенного напряжения).

· Отключение ВЛ должно осуществляться не более чем двумя выключателями, отключение трансформаторов — не более чем тремя выключателями; чем чаще ожидается коммутации данного присоединения, тем меньше выключателей должно в них участвовать.

· Отказы выключателей в РУ, как при нормальном, так и при ремонтном состоянии схемы не должны приводить:

а). к одновременной потере обеих параллельных транзитных линий одного направления, если учитывать повышенные требования к надежности двухцепной связи;

б). к одновременному отключению нескольких линий, при которых нарушается устойчивость работы энергосистемы.

Для высшего напряжения имеем: 5 присоединений. (2 трансформатора, 2 воздушных линии) Для среднего напряжения имеем: 6 присоединения. (3 ВЛ (одна двухцепная, две однацепных, 2 трансформатора) Для низшего напряжения имеем: 18 отходящих кабельных линии. (8 РП типа «Б», 8 РП типа «В», 2 трансформатора)

Выбор схем распределительных устройств.

РУ высшего напряжения 220 кВ.

В качестве РУ высшего напряжения намечена следующая схема:

1) одна секционированная система сборных шин с обходной системой шин и с отдельными секционным и обходным выключателями (рис. 1.2.2.1.1.)

2) две несекционированные системы сборных шин (рис. 1.2.2.1.2.)

Рассмотрение варианта схемы одной секционированной системы сборных шин с обходной системой шин и с отдельными секционным и обходным выключателем.

Схема применяется на сторонах ВН и СН при напряжении U_ном = 110 — 220 кВ. Схема допускает присоединение от 4 до 13 воздушных линий.

Достоинства:

+ возможность поочередного ремонта выключателей без отключения присоединений;

+ коммутация присоединений осуществляется через один выключатель;

+ возможность расширения РУ;

+ при замыкании в одной секции другая остается в работе;

Недостатки:

— сложность схемы;

— вывод из работы секции сопряжен с погашением ее присоединений;

(+ но за счет обходного выключателя удается сохранить одно из них)

— при замыкании в секционном выключателе отключению подлежат обе секции;

Рассмотрение варианта схемы двух несекционированной системы сборных шин.

Схема применяется на сторонах ВН и СН при напряжении U_ном = 110 — 220 кВ. Схема допускает присоединение от 3 до 13 воздушных линий.

Достоинства:

+Количество радиальных ВЛ более одной на секцию

+ возможность поочередного ремонта выключателей без отключения присоединений;

+ возможность расширения РУ;

Недостатки:

— сложность схемы;

— вывод из работы секции сопряжен с погашением ее присоединений;

— дорогая;

Окончательно выбрана схема ОСССШ с обходной системой шин и с отдельными секционным и обходным выключателями, так как она является более надежной. Существует возможность расширения схемы, возможность ремонта выключателей и шин без отключения потребителей и снижения надежности схемы.

РУ среднего напряжения 35 кВ.

В качестве РУ среднего напряжения намечена следующая схема:

1) Одна секционированная система сборных шин;

Рассмотрение варианта ОСССШ

Схема применяется на стороне СН при U_ном=35кВ и числе присоединений не более 12.

Достоинства:

+ простота схемы;

+ меньшая стоимость;

+ при замыкании в одной секции другая остается в работе;

Недостатки:

— при замыкании в секционном выключателе отключению подлежат обе секции;

— вывод из работы секции связан с погашением ее присоединений;

Она обладает следующими свойствами: простотой конструкции и дешевизной, невысокой надежностью. При повреждении в секционном выключателе теряется питание всех потребителей. При КЗ на шинах отключается часть потребителей.

На проектируемой подстанции имеется 6 присоединений на стороне СН 35 кВ. Окончательно выбрана схема ОСССШ

РУ НН (10 кВ).

Число присоединений на шинах НН равно 18:

— два трансформатора

— 16 отходящих кабельных линий В качестве РУ НН выберем одну секционированную систему сборных шин Рис. 1.1.3.4.1. Одна секционированная система шин

1.3 Выбор схемы питания собственных нужд, включая выбор числа, типов и мощности трансформаторов собственных нужд

Потребители собственных нужд подстанции делятся на ответственные и неответственные. К первым относятся:

— электроприемники системы охлаждения трансформаторов;

— сети аварийного освещения;

— система пожаротушения;

— система подогрева выключателей и приводов;

— электроприемники компрессорной;

— система связи и телемеханики.

Выбор схемы питания собственных нужд, включая числа, типов и мощности трансформаторов собственных нужд

Приемниками энергии системы СН подстанции являются: электродвигатели системы охлаждения трансформаторов и СК, устройства обогрева масляных выключателей и шкафов с установленными в них электрическими аппаратами и приборами, электродвигатели компрессоров, электрическое освещение и отопление, система пожаротушения. Наиболее ответственными приемниками ЭЭ СН являются приемники систем управления, телемеханики и связи, электроснабжение которых может быть осуществлено или от сети переменного тока через стабилизаторы и выпрямители, или от независимого источника энергии — аккумуляторной батареи (АБ).

Для питания собственных нужд подстанции рассматриваются две схемы питания на одном напряжении 0.38/0.22 кВ. от двух трансформаторов собственных нужд по схеме с зависимым источником оперативного тока и схема с независимым источником оперативного тока. Недостаток схемы с независимым источником оперативного тока по сравнению со схемой с зависимым источником оперативного тока — больше эксплуатационные расходы (из-за наличия аккумуляторной батареи), большая стоимость, как самих АБ, так и сети централизованного распределения постоянного тока. В тоже время достоинством аккумуляторных батарей является независимость от внешних условий и способность выдерживать значительные кратковременные перегрузки от наложения на нормальный режим работы АБ импульсных токов включения приводов выключателей. Постоянный оперативный ток от аккумуляторных батарей применяется на крупных подстанциях напряжением 330кВ и выше, на подстанциях 110−220кВ с числом масляных выключателей 3 и более и на подстанциях с воздушными выключателями, следовательно, для питания СН выбрана схема питания на одном напряжении 0.38/0.22кВ. от двух трансформаторов собственных нужд по схеме с независимым источником оперативного тока, подключаемых к шинам РУ НН.

Каждый трансформатор следует выбирать по полной нагрузке собственных нужд, так как при повреждении одного из них оставшийся в работе должен обеспечить питание всех потребителей собственных нужд.

Примеры схем собственных нужд подстанции приведены на рисунке.

Р_max = 250 кВт;

Выбираем трансформатор ТСЗ-400/10: (стр. 120. табл. 3.3 [3])

S_ном=400кВА; U_вн=10кВ; U_нн=0,4кВ; P_х=1300Вт, P_к=5400кВт; U_к=5,5%; I_х=3%.

1.4 Выбор кабелей (10 кВ).

Выбор сечения кабелей производится по условиям нормального и утяжелённого режимов работы.

Нормальный режим работы (РП Б и В)

Выбор питающих кабелей РП, отходящие от шин РУ НН.

Для РП типа «Б» и типа «В»:

Нагрузка каждого РП равна, тогда:

Расчетный ток нормального режима питающих кабелей РП Б и РП В Исходя из суточного графика нагрузки сети НН, определяется продолжительность использования максимальной нагрузки:

Для кабелей с алюминиевыми жилами (с бумажной изоляцией) при Т_МАКС=4844 ч по табл. 6.3, стр. 208 равную Экономическое сечение кабеля:

Ближайшее к расчетному стандартное сечение токоведущей жилы кабеля (табл. 7.10, стр. 401, [2])

Кабель проложен в земле, температура почвы +15єС Продолжительно допустимый ток кабеля напряжением 10 кВ с алюминиевыми жилами Расчетный продолжительно допустимый ток кабеля в нормальном режиме работы:

где

— коэффициент аварийной перегрузки (предварительная нагрузка; продолжительность максимума нагрузки 6 ч)

(табл. 6.2, стр. 207, [1])

— поправочный коэффициент на температуру окружающей среды (табл. 7.18, стр. 409, [2])

(условная температура среды +15 єС)

(продолжительно допустимая температура кабеля +60 єС (стр. 6, [3]))

(расчетная температура среды +15 єС)

0-поправочный коэффициент на количество кабелей, работающих в земле

(табл. 6.1, стр. 206, [1])

— поправочный коэффициент для кабелей, работающих не при номинальном напряжении

Утяжелённый (послеаварийный) режим работы. (РП Б, т.е. вся мощность течет через РП В)

Наибольший рабочий ток имеет место при отключении одной из параллельных линий:

Кабель должен удовлетворять условию нагрева в утяжеленном режиме работы:

>кабельная линия для питания РП Б и РП В выполняется одноцепной сечением

Питающая кабельная линия РП Б и РП В: по кабелю АСБ-10−3*95

Расчетные характеристики кабеля (табл. 7.28, стр. 421, [3]):

R_УД=0,326 Ом/км при 20єС

Х_УД=0,083 Ом/км при 20єС

Таблица 1.2. Результаты выбора кабелей по условиям нормального и утяжелённого режимов работы

1.5 Расчёт токов КЗ

Расчет токов КЗ в следующих точках:

К1 — короткое замыкание на шинах РУ ВН.

К2 — короткое замыкание на шинах РУ СН.

К3 — короткое замыкание на шинах РУ НН К4 — короткое замыкание на шинах РП Б и В Рис. 1.5. Принципиальная схема ПС 220/35/10 кВ Расчет токов КЗ полностью приведен в приложении 1.

Таблица П. 1. Результаты расчета токов КЗ

1.6 Определение степени термического воздействия тока КЗ на кабели, питающие РП и отходящие от РП, для отключения которых предполагается использовать маломасляные выключатели ВМП-10.

Термическая стойкость кабелей, питающих РП Б и В

— для алюминиевых кабелей напряжением 10 кВ

— сечение кабелей, отходящих от РУ НН.

— время срабатывания релейной защиты на шинах НН ПС.

— полное время отключения выключателя ВМП-10.

с Расчетная точка короткого замыкания К3 (секционный выключатель РУ НН разомкнут) При разомкнутом секционном выключателе РУ НН

— ток термической стойкости кабеля, отходящего от шин НН ПС.

— кабели, питающие РП Б и В, термически нестойкие.

Термическая стойкость кабелей, отходящих от РП Б и В.

— для алюминиевых кабелей напряжением 10 кВ

— минимальное сечение кабеля, отходящего от РП.

с — время срабатывания релейной защиты на шинах РП.

с — время отключения выключателя ВМП-10, установленного на РП.

с Расчетная точка короткого замыкания К5 (секционный выключатель РУ НН разомкнут)

— ток термической стойкости кабелей, отходящих от РП А.

— кабели, отходящие от РП Б и В, удовлетворяют условию термической стойкости токам КЗ.

Таблица 1.5. Результаты выбора кабелей по условию термической стойкости токам КЗ

Проверка питающих кабелей РП Б и В проводилась при разомкнутом секционном выключателе, но при этом питающие кабели не удовлетворяют условию термической стойкости.

>раздельной работы секций РУ НН недостаточно для ограничения токов КЗ.

1.7 Ограничение токов КЗ.

Установка сдвоенного реактора на стороне НН трансформатора связи

Выбор сдвоенного реактора на стороне НН трансформатора связи

— секционный выключатель на РУ НН отключен (Q1).

— секционный выключатель на РП отключен (Q2)

Рис. 6.1

Сопротивление реактора:

Ом Послеаварийный режим:

Выбираем сдвоенный реактор типа РБCГ 10−21 000−0,35У3

U_HOM=10 кВ Х_НОМ=0,35 Ом =37 кА I_ТЕРМ =14,6 кА t_ТЕРМ=8 с, К_СВ=0,55

Проверка по электродинамической стойкости:

=37 кА Проверка по термической стойкости:

Расчет тока короткого замыкания за реактором (точка К5 на рис 6.1):

— условие выполнено.

Потери напряжения в реакторе:

— условие выполнено.

Потери напряжения в послеаварийном режиме:

— условие выполнено.

Расчет тока короткого замыкания за реактором с учётом КЛ (точка К6 на рис 6.1):

— токи КЗ на шинах РП не превышают ток термической стойкости кабелей, отходящих от РП.

Таблица 1.6.1. Результаты расчета токов КЗ с учетом установки реакторов

Таблица 1.6.2. Эффективность установки реакторов

Таблица 1.6.3. Выбранные реакторы

Таблица 1.6.4. Параметры КЛ

1.8 Выбор выключателей и разъединителей

При выборе аппаратов (выключателей, разъединителей) используются следующие соотношения (с учетом только наибольшего из расчетных продолжительных токов) (стр. 103, табл. 40.13., стр. 111, [5]):

;

где

— наибольший рабочий ток цепи, равный расчетному току продолжительного режима;

При выборе электрических аппаратов в РУ с напряжением вводятся упрощения:

— в РУ устанавливаются однотипные выключатели на разные номинальные токи;

— проверка выключателя в условиях КЗ производится по значениям суммарного тока КЗ при повреждении на сборных шинах РУ. Это соответствует расчетным условиям для выключателя отходящей тупиковой линии и создает определенный запас при выборе выключателей других присоединений;

Выбор выключателей и разъединителей приведен в приложении 2.

Выбранные выключатели и разъединители сведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Выключатель типа VF12.12.16 — выкатнойэлегазовый выключатель

1.9 Выбор ограничителей перенапряжений

Выбор ОПН по номинальному напряжению (стр. 366−367, табл. 5.21., [3])

На 220 кВ: ОПН-220У1

На 35 кВ: ОПН-35У1

На 10 кВ: ОПН-10У1

Выбор плавких предохранителей в цепи ТСН.

При выборе предохранителей используются следующие соотношения (стр. 112, табл. 40.13., [5]):

;

где

— наибольший рабочий ток цепи, равный расчетному току продолжительного режима;

Предварительно выбран кварцевый предохранитель (стр. 254−255, табл. 5.4., [3])

ПКТ101−10−20−31,5УЗ

· >

· >

Предохранитель ПКТ101−10−20−31,5УЗ удовлетворяет всем расчетным условиям.

Выбор плавких предохранителей в цепи TV РУ НН (10 кВ).

Выбран кварцевый предохранитель ПКН 001−10УЗ

1.10 Выбор измерительных трансформаторов тока и напряжения.

Выбор измерительных трансформаторов тока (TА) производится по следующим условиям (стр. 277, [1]):

напряжению электроустановки ;

току ;

конструкции;

электродинамической стойкости ;

термической стойкости

Выбор измерительных трансформаторов напряжения (TV) производится по следующим условиям (стр. 277, [1]):

напряжению электроустановки ;

конструкции и схеме соединения обмоток;

Выбор измерительных трансформаторов тока и напряжения приведен в приложении 3

Выбранные измерительные трансформаторы тока и напряжения сведены в таблицы 1.9.1. и 1.9.2.

Таблица 1.9.1. Выбранные измерительные трансформаторы тока

Таблица 1.9.2. Выбранные измерительные трансформаторы напряжения

2. Общие сведения о релейной защите подстанции

Перечень защит линии, устанавливаемых в сети напряжением 220 кВ

Для линий 220 кВ с эффективно заземленной нейтралью должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от:

1) многофазных коротких замыканий;

2) коротких замыканий на землю.

Для линий 220 кВ вопрос о типе основной защиты, в том числе о необходимости применения защиты, действующей без замедления при КЗ в любой точке защищаемого участка, должен решаться в первую очередь с учетом требования сохранения устойчивости работы энергосистемы. При этом, если по расчетам устойчивости не предъявляются другие, более жесткие требования, может быть принято, что указанное требование, как правило, удовлетворяется, когда трехфазные КЗ, при которых остаточное напряжение на шинах электростанций и подстанций ниже 0,6 — 0,7 Uном, отключаются без выдержки времени.

При выборе типа защит, устанавливаемых на линиях 220 кВ, кроме требования сохранения устойчивости работы энергосистемы, должно быть учтено следующее:

— повреждения, отключение которых с выдержкой времени может привести к нарушению работы ответственных потребителей, должны отключаться без выдержки времени (например, повреждения, при которых остаточное напряжение на шинах электростанций и подстанций будет ниже 0,6 Uном если отключение их с выдержкой времени может привести к саморазгрузке вследствие лавины напряжения, или повреждения с остаточным напряжением 0,6 Uном и более, если отключение их с выдержкой времени может привести к нарушению технологии);

— при необходимости осуществления быстродействующего АПВ на линии должна быть установлена быстродействующая защита, обеспечивающая отключение поврежденной линии без выдержки времени с обеих сторон;

— при отключении с выдержкой времени повреждений с токами, в несколько раз превосходящими номинальный, возможен недопустимый перегрев проводников.

Допускается применение быстродействующих защит в сложных сетях и при отсутствии изложенных выше условий, если это необходимо для обеспечения селективности.

Дифференциально-фазная высокочастотная защита. (основная)

Дифференциально-фазная высокочастотная защита может использоваться в качестве основной защиты от всех видов повреждений линий 110−330 кВ.

По сравнению с дистанционной защитой и токовой направленной защитой нулевой последовательности с высокочастотной блокировкой данная защита имеет следующие преимущества:

— защита по принципу действия работает правильно в неполнофазных режимах (нагрузочном или при внешнем к.з.); в связи с этим ее использование в сочетании с устройством ОАПВ более целесообразно, чем защиты с в.ч. блокировкой;

— защита по принципу действия правильно работает при качаниях и асинхронном ходе, что исключает необходимость специальной блокировки при качаниях; дистанционная защита с в. ч. Блокировкой выполняется с использованием блокировки при качаниях, что усложняет защиту;

— защита имеет однотипные органы, действующие на пуск в. ч. Передатчика и на отключение; это облегчает согласование по чувствительности указанных органов, по сравнению с дистанционной защитой с в. ч. Блокировкой, в которой могут использоваться пусковые органы, реагирующие на разные электрические величины.

Кроме того, при применении дифференциально-фазной в. ч. и отдельной резервной защит обеспечивается полноценное ближнее резервирование защит.

Принцип действия дифференциально-фазной в. ч. защиты основан на сравнении фаз токов по концам защищаемой линии. Для этой цели используется ток, получаемый от комбинированного фильтра токов прямой и обратной последовательности типа органа манипуляции. Сравнение фаз токов осуществляется с помощью высокочастотных сигналов, которыми обмениваются высокочастотные приемопередатчики, устанавливаемые по концам защищаемой линии. Фаза импульсов высокочастотного сигнала определяется фазой тока на выходе фильтра органа манипуляции.

Пусковой орган защиты содержит устройство фильтр-реле, реагирующее на комбинацию токов обратной и нулевой последовательности или напряжения обратной последовательности и тока нулевой последовательности. Указанные устройства фильтр-реле содержат реле, действующие на пуск в. ч. передатчика (пусковое реле) и на отключение (отключающее реле). Для действия при симметричных коротких замыканиях в пусковых органах дополнительно используется:

— для действия на пуск в. ч. передатчика — реле тока, включенной на фазный ток;

— для действия на отключение — реле тока, включенное на фазный ток или реле сопротивления. Также может использоваться минимальное реле напряжения.

Ступенчатая дистанционная защита. (резервная)

Ступенчатая дистанционная защита предназначена для защиты от многофазных замыканий. В качестве дополнительной защиты рекомендуется использовать токовую отсечку без выдержки времени.

Дистанционная защита реагирует на уменьшение сопротивления защищаемой сети.

— первая ступень защищает 80−90% длины линии и работает без выдержки времени;

— вторая ступень защищает всю длину линии и шины приемной ПС, и работает с выдержкой времени;

— третья ступень является резервной, она защищает свою линию и смежную и работает с выдержкой времени.

Дистанционной защитой называется защита, выдержка времени которой автоматически изменяется в зависимости от удаленности места К.З. от места установки защиты.

Определение удаленности до места К.З. производится дистанционной защитой путем измерения сопротивления, которое определяется сравнением остаточного напряжения на шинах где установлена защита, и величины тока К.З., проходящего по защищаемой линии.

Рис. 2.1

Рис. 2.2

Следовательно, отношение остаточного напряжения на шинах к току К.З., проходящему по защищаемой линии пропорционально расстоянию LК.З. от места установки защиты до места К.З.

Основным органом дистанционной защиты является реле сопротивления, которое измеряет сопротивление линии до места К.З., определяет, на каком участке произошло К.З. и совместно с другими органами защиты обеспечивает ее действие с необходимой выдержкой времени. Реле сопротивления могут выполняться, реагирующими на полное сопротивление, реактивное, активное. В России используется только реле, реагирующее на полное сопротивление. Дистанционная защита выполняется так, чтобы их выдержка времени зависела от сопротивления, которое измеряют входящие в схему реле сопротивления. Эта зависимость называется характеристикой времени срабатывания защиты. Обычно изготавливают и используется дистанционная защита со ступенчатой выдержкой времени. Ступенчатая характеристика состоит из двух или трех участков.

При К.З. в первой зоне защита действует с выдержкой времени t1 и реле сопротивления измеряет сопротивление от 0 до Z_I и т. д. Таким образом, чем больше сопротивление до места К.З., тем с большей выдержкой времени действует защита. Первая зона защиты, как правило, настроена на 80−85% длины линии (Л1). Больший охват недопустим, т.к. из-за погрешностей ТТ, самих реле сопротивлений, ТН защита может сработать при К.З. на смежном участке линии (Л2).

Рис. 2.3

Применяются два способа получения ступенчатой характеристики:

1. Отдельное реле сопротивления для каждой ступени.

2. Для первой и второй зоны одно реле сопротивления. Для третьей зоны устанавливается отдельное реле сопротивления.

Реле сопротивления по принципу своего действия срабатывает, когда измеренное им сопротивление меньше настроенной уставки на нем. Поэтому реле сопротивления второй зоны срабатывает при К.З. в первой и второй зоне, а реле сопротивления третьей зоны при К.З. в первой, второй третьей зонах. Однако поскольку выдержка времени второй зоны больше первой, а выдержка третьей больше второй, то всегда срабатывает ступень с меньшей выдержкой, чем и обеспечивается ступенчатость характеристики.

Дистанционная защита относится к сложным защитам, состоящей из нескольких элементов:

1. пусковой орган — для пуска защиты при К. З. Выполняется на реле полного сопротивления;

2. дистанционный орган — удаленности К.З.;

3. орган выдержки времени;

4. блокировка, действующая при повреждении цепей переменного напряжения, питающих защиту;

5. блокировка, действующая при качаниях, которые воспринимаются пусковыми реле и реле сопротивления как К.З.

Ступенчатая токовая направленная защита нулевой последовательности. (резервная)

Ступенчатая токовая направленная защита нулевой последовательности предназначена для защиты от коротких замыканий на землю.

Защита устанавливается со стороны питания.

С целью повышения чувствительности защиты нулевой последовательности допускается предусматривать выведение из работы отдельных ее ступеней при отключении выключателя параллельной линии.

— первая ступень выполнена с помощью токовой отсечки без выдержки времени и реле направления мощности и предназначена для отключения КЗ в начале линии;

— вторая ступень выполнена с помощью токовой отсечки с выдержкой времени и предназначена для защиты от КЗ всей линии;

— третья ступень предназначена для резервирования защиты ЛЭП, отходящих от шин противоположной подстанции и выполнена с помощью МТЗ с выдержкой времени;

— четвертая ступень предназначена для резервирования РЗ следующего участка с наибольшим коэффициентом чувствительности и выполнена с помощью МТЗ с выдержкой времени.

В сетях с эффективным заземлением нейтрали около 80% повреждений связано с короткими замыканиями на землю. Для защиты оборудования применяют устройства, реагирующие на составляющие нулевой последовательности.

Принцип действия основан на том, что пусковое токовое реле КА, включенное на фильтр токов нулевой последовательности, реагирует на появление КЗ на землю, когда в нулевом проводе проходит ток .Реле мощности KW фиксирует направление мощности КЗ, обеспечивая селективность действия: защита работает при направлении мощности КЗ от шин подстанции в защищаемую линию. Напряжение подводится к реле мощности от обмотки разомкнутого треугольника трансформатора напряжения (шинки EV, H, KV, K).Реле времени КТ создает выдержку времени, необходимую по условию селективности.

График характеристик выдержек времени построен по встречно-ступенчатому принципу. Значение тока срабатывания пускового токового реле выбирается по условию надежного действия реле при КЗ в конце следующего (второго) участка сети, а также по условию отстройки от тока небаланса.

Перечень защит линии, устанавливаемых в сети напряжением 35 кВ

Для линий в сетях 20 и 35 кВ с изолированной нейтралью должны быть предусмотрены устройства релейной зашиты от многофазных замыканий и от однофазных замыканий на землю.

Защиту от многофазных замыканий следует предусматривать в двухфазном двухрелейном исполнении и включать в одни и те же фазы по всей сети данного напряжения для обеспечения отключения в большинстве случаев двойных замыканий на землю только одного места повреждения. В целях повышения чувствительности к повреждениям за трансформаторами с соединением обмоток звезда-треугольник допускается выполнение трехрелейной защиты.

Защиту от однофазных замыканий на землю следует выполнять, как правило, с действием на сигнал. Для осуществления защиты допускается использовать устройство контроля изоляции.

Ступенчатая дистанционная защита

Ступенчатая дистанционная защита предназначена для защиты от многофазных замыканий. В качестве дополнительной защиты рекомендуется использовать токовую отсечку без выдержки времени.

Дистанционная защита реагирует на уменьшение сопротивления защищаемой сети.

— первая ступень защищает 80−90% длины линии и работает без выдержки времени;

— вторая ступень защищает всю длину линии и работает с выдержкой времени;

— третья ступень является резервной, она защищает свою линию и смежную и работает с выдержкой времени.

Токовая отсечка без выдержки времени. (резервная)

Токовой отсечкой называется максимальная токовая защита с ограниченной зоной действия, имеющая в большинстве случаев мгновенное действие.

В отличие от МТЗ селективность действия токовой отсечки достигается не выдержкой времени, а ограничением ее зоны действия.

Принцип действия токовой отсечки поясняется рисунком 2.5

Ток срабатывания токовой отсечки отстраивается от максимального значения тока КЗ в конце защищаемой линии (как правило максимальное значение имеет ток трехфазного металлического замыкания):

Выдержка времени защиты принимается равной нулю. Чувствительность защиты проверяется графически, либо по следующему выражению:

Подобный тип защит обладает простотой схемы и сравнительно высоким быстродействием. К недостаткам можно отнести невысокую чувствительность и невозможность правильной работы в сетях сложной конфигурации. Таким образом область применения ограничивается сетями 6−35 кВ.

Рис. 2.5

Поперечная направленная дифференциальная защита. (основная защита на параллельных линиях 35 кВ)

Поперечная направленная дифференциальная РЗ применяется на параллельных ЛЭП с самостоятельными выключателями на каждой ЛЭП. К РЗ таких ЛЭП предъявляется требование отключать только ту из двух ЛЭП, которая повредилась. Для выполнения этого требования токовая поперечная дифференциальная РЗ дополняется РНМ двустороннего действия, каждое из которых предназначено для отключения одной ЛЭП. Токовые обмотки РНМ KW и токового реле KA соединяются последовательно и включаются параллельно вторичным обмоткам TT на разность токов параллельных ЛЭП:

Рис. 2.6

Токовые реле выполняют функции пусковых органов, реагирующих на КЗ и разрешающих РЗ действовать. РНМ служит для определения поврежденной ЛЭП по знаку мощности. Напряжение к реле подводится от ТН шин подстанции. Оперативный ток к РЗ подается через вспомогательные контакты выключателей.

При срабатывании KA плюс постоянного тока подводится к контактам KW, которое замыкает верхний или нижний контакт, в зависимости от того, какая из двух ЛЖП повреждена. Для отключения поврежденной ЛЭП РЗ устанавливается с обеих сторон параллельных ЛЭП.

При внешних КЗ, нагрузке и качаниях первичные токи и равны по значению и совпадают по направлению на обоих концах ЛЭП. При равенстве и и идеальной работе ТТ При внешних КЗ, нагрузке и качаниях РЗ не действует. Вследствие погрешности ТТ и неравенства сопротивлений параллельных ЛЭП и различаются по значению и фазе, в результате чего в реле появляется ток небаланса Для исключения работы РЗ при внешних КЗ ее ток срабатывания должен удовлетворять условию:

Рис. 2.8

Короткое замыкание на одной из параллельных ЛЭП (WI и WII). На питающем конце (ПС А) в случае повреждения на WI или WII первичные токи и имеют одинаковое направление. При этом токи и различаются по значению: в поврежденной ЛЭП ток всегда больше, так как сопротивление от ПС, А до точки К для тока в поврежденной ЛЭП всегда меньше, чем в неповрежденной. В результате, а его знак и направление зависят от того, какая ЛЭП повреждена. На приемном конце (ПС В) первичные токи и имеют противоположное направление: на поврежденной ЛЭП ток идет от шин ПС В, а на неповрежденной — к шинам. В соответствии с этим .

Рис. 2.8

Из рисунка 2.8 видно, что будет изменять направление в зависимости от того, какая ЛЭП повреждена. Как и в предыдущем случае, будет совпадать по направлению с током в поврежденной ЛЭП.

Защита от однофазных замыканий на землю

Защита от однофазных замыканий на землю может быть выполнена в виде:

— селективной защиты (устанавливающей поврежденное направление), действующей на сигнал;

— селективной защиты (устанавливающей поврежденное направление), действующей на отключение, когда это необходимо по требованиям безопасности; защита должна быть установлена на питающих элементах во всей электрически связанной сети;

— устройства контроля изоляции; при этом отыскание поврежденного элемента должно осуществляться специальными устройствами; допускается отыскание поврежденного элемента поочередным отключением присоединений.

Защита от однофазных замыканий на землю выполняется с использованием трансформаторов тока нулевой последовательности. Защита в первую очередь должна реагировать на установившиеся замыкания на землю; допускается также применение устройств, регистрирующих кратковременные замыкания, без обеспечения повторности действия.

Защита от однофазных замыканий на землю, действующая на отключение без выдержки времени по требованиям безопасности, должна отключать только элемент, питающий поврежденный участок; при этом в качестве резервной должна быть предусмотрена защита, выполняемая в виде защиты нулевой последовательности с выдержкой времени около 0,5 с, действующая на отключение всей электрически связанной сети — системы (секции) шин или питающего трансформатора.

Перечень защит линии, устанавливаемых в сети напряжением 10 кВ

Для линий в сети 10 кВ с изолированной нейтралью, должны быть предусмотрены следующие устройства релейной защиты от:

1) многофазных замыканий;

2) однофазных замыканий на землю.

Защита от многофазных замыканий

Защита от многофазных КЗ выполняется двухфазной одно-, двухили трехрелейной в зависимости от требования чувствительности и надежности.

Защита от многофазных КЗ выполнена в виде двухступенчатой токовой защиты:

— первая ступень в виде токовой отсечки;

— вторая ступень в виде максимальной токовой защиты с независимой или зависимой характеристикой выдержки времени.

Токовая отсечка выполняется без выдержки времени и зона ее действия определяется из условия отключения КЗ, по условию остаточного напряжения на шинах подстанции ниже 0,5 — 0,6 номинального. Для выполнения указанного условия допускается выполнять защиту неселективной в сочетании с устройствами АПВ или АВР, исправляющими полностью или частично неселективное действие защиты.

Защита от однофазных замыканий на землю

Выполняется аналогично защите от однофазных замыканий на землю в сети 35 кВ.

Перечень защит шин

В качестве защиты шин устанавливаем дифференциальную токовую защиту без выдержки времени, охватывающую все элементы, которые присоединены к системе шин. Защита осуществляться с применением специальных реле тока, отстроенных от переходных и установившихся токов небаланса (реле, включенных через насыщающиеся трансформаторы тока, реле с торможением). Дифференциальная защита выполнена с устройством контроля исправности вторичных цепей задействованных трансформаторов тока, действующим с выдержкой времени на вывод защиты из работы и на сигнал.

Ликвидация КЗ на двойной секционированной системе шин 10 кВ осуществляется действием защит трансформаторов от внешних КЗ и защит, установленных на секционном или шиносоединительном выключателе.

Для шин 35 и 220 кВ воспользуемся дифференциальной токовой защитой шин с торможением.

Для защиты шин 10 кВ будем использовать защиту от дуговых замыканий (ЗДЗ). Работа защиты основана, в основном, на физическом принципе. Может реагировать на два фактора: вспышка света в отсеках распредустройства и на механическое воздействие дуги. В связи с этим может применяться только в КРУ, где все токоведущие части размещены в закрытых отсеках. Выполнена блокировка защиты по току питающих присоединений.

Перечень защит шиносоединительного, обходного и секционного выключателей

На обходном выключателе 110 кВ и выше при наличии шиносоединительного (секционного) выключателя должны быть предусмотрены защиты (используемые при проверке и ремонте защиты, выключателя и трансформаторов тока любого из элементов, присоединенных к шинам);

— трехступенчатая дистанционная защита и токовая отсечка от многофазных КЗ;

— четырехступенчатая токовая направленная защита нулевой последовательности от замыкания на землю.

При этом на шиносоединительном (секционном) выключателе должны быть предусмотрены защиты (используемые для разделения систем или секций шин при отсутствии УРОВ или выведении его или защиты шин из действия, а также для повышения эффективности дальнего резервирования):

— двухступенчатая токовая защита от многофазных КЗ;

— трехступенчатая токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю.

На шиносоединительном (секционном) выключателе 110 кВ и выше, предназначенном и для выполнения функции обходного выключателя, должны быть предусмотрены те же защиты, что на обходном и шиносоединительном (секционном) выключателях при их раздельном исполнении.

На шиносоединительном (секционном) выключателе 10 кВ должна быть предусмотрена двухступенчатая токовая защита от многофазных КЗ.

Защита токоограничивающего сдвоенного реактора 10 кВ

Так как было принято решение не вносить реактор в зону действия ДЗТ, нужно выполнить отдельную защиту реактора. У такого исполнения есть два плюса: при КЗ будет понятно, где оно произошло, и коэффициент чувствительности будет больше.

Защиту реактора выполним двумя защитами:

— дифференциальная защита (основная);

— токовая отсечка без выдержки времени (резервная).

Перечень защит трансформатора

Для защиты понижающих трансформаторов от повреждений и ненормальной работы в соответствии с Правилами и на основании расчета применяются следующие основные типы релейной защиты.

Продольная дифференциальная защита — от коротких замыканий в обмотках и на их наружных выводах, для трансформаторов мощностью, как правило, 6,3 МВА и выше; с действием на отключение трансформатора. (Основная) Принцип действия основан на сравнении значения и фазы токов в начале и конце защищаемого объекта. При внешнем КЗ токи и на концах объекта направлены в одну сторону и равны по значению, а при внутреннем КЗ они направлены в разные стороны и, как правило, не равны друг другу. Следовательно, сопоставляя значение и фазу токов и, можно определять, где возникло КЗ.

Газовая защита — от всех видов повреждений внутри бака трансформатора, сопровождающихся выделением газа из трансформаторного масла, а также от понижения уровня масла, для масляных трансформаторов мощностью, как правило, 6,3 МВА и выше; с действием на сигнал и на отключение.

Газовая защита является очень чувствительной и весьма часто позволяет обнаружить повреждение в трансформаторе в самой начальной стадии. При серьезных повреждениях трансформатора газовая защита действует достаточно быстро: 0,1 — 0,2 с (при скорости потока масла не менее чем на 25% выше уставки). Газовая защита является наиболее чувствительной защитой трансформатора от повреждения его обмоток и особенной при витковых замыканиях. Все масляные трансформаторы мощностью 1000 кВА и выше поставляются вместе с газовой защитой. На трансформаторах с РПН дополнительно предусматривается отдельная газовая защита устройства РПН.

Газовая защита не действует при повреждениях на выводах трансформатора, поэтому должна дополняться второй защитой от внутренних повреждениях. Для маломощных трансформаторов такой защитой служат МТЗ и токовая отсечка. Для мощных трансформаторов применяется более совершенная дифференциальная РЗ.

Максимальная токовая защита с комбинированным пуском по напряжению — от сверхтоков, обусловленных внешними междуфазными короткими замыканиями на сторонах НН или СН трансформатора, для всех трансформаторов, независимо от мощности и наличия других типов релейной защиты; с действием на отключение. (Резервная).

Защита от перегрузки трансформаторов. Защита от перегрузки предназначена для подачи сигнала дежурному персоналу о перегрузке трансформатора. Чтобы избежать излишних сигналов при КЗ и кратковременных перегрузках, в схеме РЗ предусматривается реле времени, обмотка которого должна быть рассчитана на длительное прохождение тока.

Таблица 2.1

Расчет защиты

Исходные данные:

Защищаемый объект — трехобмоточный трансформатор типа ТДТН-63 000/220. Схема защищаемого объекта представлена на рисунке 2.9.

Рис. 2.9

Защищаемый трансформатор Т1 имеет следующие параметры:

— схема соединения У/ У /Д-00−11;

— номинальная мощность Sном = 63 МВА;

— номинальное напряжение обмотки высшего напряжения Uном, в = 230 кВ;

— номинальное напряжение обмотки среднего напряжения Uном, с = 38.5 кВ;

— номинальное напряжение обмотки низшего напряжения Uном, н = 11 кВ;

— напряжение короткого замыкания Uк в-с = 11%;

— напряжение короткого замыкания Uк в-н = 28,8%;

— напряжение короткого замыкания Uк с-н = 12,6%;

— пределы регулирования ±12*1%, ?Uрег = ±0, 12.

Коэффициент трансформации измерительных трансформаторов тока со стороны ВН

Kтт, в = 200 А / 5 А; со стороны СН Kтт, с = 1000 А / 5 А; со стороны НН Kтт, н = 5000 А / 5 А.

Коэффициент возврата всех максимальных измерительных органов в расчетах принимается равным 0.95, а минимальных — 1.05.

Расчет номинального тока трансформатора.

Номинальный ток трансформатора со стороны ВН:

Номинальный ток трансформатора со стороны СН:

Номинальный ток трансформатора со стороны НН:

Выбор рабочих ответвлений токовых входов терминала

Вторичный номинальный ток защищаемого трансформатора со стороны ВН:

Номинальный ток ответвления токового входа терминала, к которому производится подключение вторичных токовых цепей ТТ со стороны ВН, должен удовлетворять условию:

В соответствии с данным условием и с таблицей В.1 принимаем величину

5 А.

Вторичный номинальный ток защищаемого трансформатора со стороны СН:

Номинальный ток ответвления токового входа терминала, к которому

производится подключение вторичных токовых цепей ТТ со стороны СН, должен удовлетворять условию: