Релейная защита и автоматизация управления системами электроснабжения

• Введение
• 1. Максимальная токовая защита и токовая отсечка
• 1.1 Расчёт токов короткого замыкания
• 1.2 Расчет токов трехфазного короткого замыкания
• 1.3 Расчёт тока самозапуска нагрузки
• 1.4 Расчёт тока срабатывания защиты и тока установки реле
• 1.5 Определение времени срабатывания защиты на стороне НН
• 1.6 Проверка трансформатора тока на 10% -ную погрешность
• 1.7 Проверка надёжности работы контактов реле
• 1.8 Проверка по амплитудному значению напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора тока
• 1.9 Определение чувствительности промежуточного реле, реле времени и электромагнитов включения ЭВ короткозамыкателя
• 1.10 Определение полной погрешности трансформатора тока
• 1.11 Проверка трансформатора тока на термическую и динамическую устойчивость
• 2. Дифференциальная токовая защита без торможения
• 2.1 Определение токов небаланса и токов срабатывания защиты
• 2.2 Определение числа витков обмоток НТТ
• 2.3 Расчёт трансформаторов тока
• 2.4 Полная погрешность трансформаторов тока
• Заключение
• Список источников

Релейная защита обеспечивает нормальную и надёжную работу систем электроснабжения. В системах электроснабжения релейная защита тесно связана с устройствами сетевой автоматики: АПВ — автоматическим повторным включением, АВР — автоматическим включением резерва, АЧР — автоматической частотной разгрузкой, АРТ — автоматической разгрузкой по току регулирования мощности батарей статических конденсаторов. Объём и типы релейных защит отдельных элементов системы электроснабжения и потребителей электрической энергии должны соответствовать требованиям «Правил устройства электроустановок». Надёжность систем электроснабжения зависит от нормальной работы элементов системы электроснабжения и линий электропередач. Релейная защита предназначена для: отключения автоматическим выключателем защищаемого элемента электрической системы в случае его повреждения, а также при возникновении условий, угрожающих повреждениями или нарушениями нормального режима работы электроустановки; сигнализации о нарушении нормального режима работы защищаемого элемента, а также о возникновении повреждения, не представляющего непосредственной опасности для элемента или всей установки.

Релейная защита должна обеспечивать быстроту действия, селективность, чувствительность и надёжность работы. При проектировании релейной защиты и автоматики энергосистем необходимо правильно рассчитывать параметры защиты, учитывая при этом месторасположение её в сети. Исходными материалами для проектирования релейной защиты являются электрические характеристики защищаемого объекта, электрические схемы включения его в сеть, условия работы сети и данные по токам короткого замыкания.

1. Максимальная токовая защита и токовая отсечка

1.1 Расчёт токов короткого замыкания

Для расчёта токов короткого замыкания (далее к. з.) используем схему замещения, изображённую на рисунке 1.

Исходные данные для расчётов:

номинальная мощность системы: Sнс =100 МВА;

базисная мощность: Sб=100 МВА;

базисное напряжение: U_б=35 кВ;

напряжения обмоток трансформатора: U₁=35 кВ; U₂=10 кВ.

Мощность короткого замыкания источника питания в максимальном режиме определим по формуле:

МВА.

Мощность короткого замыкания источника питания в минимальном режиме определим по формуле:

МВА.

Рисунок 2. Схема замещения для расчёта токов короткого замыкания

Реактивное сопротивление системы для максимального режима:

Подставим значение:

Реактивное сопротивление системы для минимального режима:

Подставим значение:

Значения реактивного сопротивления для обоих режимов в абсолютных величинах:

Реактивное сопротивление всей линии:

Подставим исходные величины:

Ом.

1.2 Расчет токов трехфазного короткого замыкания

Сопротивление трансформатора, отнесённое к регулируемой стороне ВН, при минимальном коэффициенте трансформации:

где U_{к min} — напряжение к. з. трансформатора при ДU_РПН, %; ДU_РПН = 0,875. Подставим исходные значения:

То же, при максимальном коэффициенте трансформации:

Подставим исходные значения:

Ток короткого замыкания в максимальном режиме и при минимальном коэффициенте трансформации равен:

Подставим известные значения:

То же, приведённое ко вторичной обмотке трансформатора:

Подставляем данные:

Ток короткого замыкания в минимальном режиме и при максимальном коэффициенте трансформации равен:

Подставляем данные:

релейная защита трансформатор ток То же, приведённое ко вторичной обмотке трансформатора:

Подставляем данные:

1.3 Расчёт тока самозапуска нагрузки

Принимаем относительное сопротивление обобщённой нагрузки

Сопротивление обобщённой нагрузки в абсолютных единицах:

Подставляем значения:

Номинальный ток трансформатора на стороне ВН:

Подставляем значения:

Номинальный ток трансформатора на стороне НН:

Подставляем значения:

Считаем, что величина бытовой нагрузки составляет 30% всей нагрузки:

Сопротивление бытовой нагрузки:

Подставляем значения:

Сопротивление всей нагрузки (параллельное включение обобщённой и бытовой нагрузок):

Подставляем значения:

Максимальный ток самозапуска:

Подставляем значения:

Коэффициент самозапуска:

Ток самозапуска на стороне НН:

Подставим данные:

Номинальный ток на стороне НН:

Подставляем значения:

1.4 Расчёт тока срабатывания защиты и тока установки реле

В соответствии с применяемыми типами реле максимальные токовые защиты могут иметь либо независимое от тока время срабатывания, например, реле тока РТ-40 или реле времени ЭВ, либо ограниченно зависимые характеристики срабатывания, как, например, реле РТ-80, РТ-90, РТВ.

Для обеспечения селективности релейной защиты лучшим вариантом будет применение реле тока с зависимыми характеристиками, например, РТ-80. Поэтому расчёт максимальной токовой защиты проводим для данного реле.

Ток срабатывания защиты на стороне НН трансформатора:

где К_н — коэффициент надёжности, для реле РТ-80 К_н =1,1…1,2; К_сзп — коэффициент самозапуска; К_в — коэффициент возврата реле, для РТ-80 К_в = 0,80…0,85; I_{раб. макс} — максимальный рабочий ток защищаемого объекта, I_{раб. макс} =I_{сзп, нн,} А.

Таким образом:

Ток уставки реле находим из выражения:

где К_сх — коэффициент схемы, зависящий от схемы включения трансформатора тока, для звезды К_сх =1; n_т — коэффициент трансформации тока, для ТЛК-35−50 n_т =10.

Подставив числовые значения, находим:

Находим коэффициент чувствительности:

Подставим числовые значения:

1.5 Определение времени срабатывания защиты на стороне НН

Выбор времени срабатывания максимальных защит осуществляется из условия равенства ступени селективности для реле РТ-80 0,6 с. Время срабатывания первой ступени защиты с учётом полученных значений токов составляет примерно 0,5 с. Время срабатывания второй ступени:

где t — ступень селективности.

Выбранное время срабатывания проверяется по условию термической устойчивости защищаемого элемента. Минимальное допустимое сечение провода:

где I — установившийся ток к. з. при повреждении в начале линии, А; С — постоянная, зависящая от материала провода, его конечной и начальной температур; t_ф — фактическое время отключения короткого замыкания, с:

где t_{о. в} — время срабатывания выключателей, для маломасляных выключателей t_{о. в} =0,7…1,5 с. Подставляя значения:

1.6 Проверка трансформатора тока на 10% -ную погрешность

Предельная кратность расчётного тока:

где I_ном — номинальный ток трансформатора ТЛМ-10−100, I_ном =100 А; I_расч — расчетный ток трансформатора, А. Расчетный ток трансформатора:

Подставляя значения:

По кривой предельных кратностей находим Z_{н. доп} =0,2 Ом. Находим сопротивление соединительных проводов (используем медные провода сечением 25 мм² и длиной 100 м):

Подставляем числовые значения:

Сопротивление последовательно соединённых реле типа РТ, РП, РВМ:

Сопротивление вторичной нагрузки в случае трёхфазного к. з. при соединении вторичных обмоток в звезду равно:

Подставим числовые:

В случае двухфазного к. з.:

Подставим числовые:

Сравним расчетные и допустимые значения вторичной нагрузки:

z_{н расч}? z_{н доп};

1,343? 0,2;

1,536? 0,2.

Оба полученных значения вторичной нагрузки меньше допустимого, следовательно, трансформатор тока ТЛМ-10−100 работает в пределах 10% -ной погрешности.

1.7 Проверка надёжности работы контактов реле

Находим значение обобщённого коэффициента:

где

Подставим данные:

Этому значению соответствует fрасч=45%? fдоп=50%. Таким образом, работа контактов реле надёжна.

1.8 Проверка по амплитудному значению напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора тока

Амплитудное значение напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора тока ТЛМ-10−100:

где k_y — ударный коэффициент, k_y =2.

Таким образом:

Амплитудное значение тока вторичной обмотки после дешунтирования:

Вышенайденные значения подставим:

Полученное значение тока значительно меньше предельно допустимого для трансформатора тока ТЛМ-10−100.

1.9 Определение чувствительности промежуточного реле, реле времени и электромагнитов включения ЭВ короткозамыкателя

Коэффициент чувствительности реле:

где I_{р, мин} — ток в реле при металлическом к. з. в конце защищаемой зоны в минимальном режиме работы питающей системы; I_{c. p} — ток срабатывания реле.

Подставим значения:

Чувствительность промежуточных реле:

где f — частота напряжения питающей сети; К_в — коэффициент возврата реле.

Подставим значения:

Чувствительность электромагнитов включения:

где К_у — ударный коэффициент.

Подставим значения:

Кратность электромагнитов включения:

Подставим значения:

1.10 Определение полной погрешности трансформатора тока

Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора:

где К_н =1,8; К_{сх. эо} — коэффициент схемы, для неполной звезды равен 1; I_{с. эо} — ток срабатывания ЭО (как правило, 5 или 3,5 А); Z_{2тт -} сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока.

Подставляя численные значения, получим:

Расчетный ток для дешунтируемых электромагнитов отключения:

Полная погрешность трансформатора тока вычисляется по формуле:

где I_нам — ток намагничивания, определяется по вольтамперной характеристике данного трансформатора тока.

Подставим значения:

1.11 Проверка трансформатора тока на термическую и динамическую устойчивость

Условие электродинамической устойчивости ТТ ТЛК-35−50:

Подставляя численные значения, получим:

Таким образом, трансформатор тока ТЛК-35−50 подходит по условию электродинамической устойчивости.

Кратность термической устойчивости К_t:

где I_{? -} установившийся ток короткого замыкания; t_{пр -} приведенное время действия тока короткого замыкания.

Подставляя численные значения, получим:

Трансформатор тока подходит по условию термической устойчивости.

Для вторичной обмотки трансформатора должно выполняться неравенство:

S_н2 > S_пр+I²₂ (r_пр+r_к),

где S_{н2 -} номинальная мощность вторичной обмотки трансформатора тока; S_{пр -} мощность, потребляемая приборами; I²_{2 -} ток во вторичной обмотке трансформатора тока; r_пр, r_{к -} сопротивления проводов и контактов соответственно.

Подставляя численные значения, получим:

5²20,37? 0,2+ (41,245/50) ² (0,07+0,1),

18,5? 3,09.

Условие выполнено.

Таблица 3. Основные параметры расчёта максимальной токовой защиты

2. Дифференциальная токовая защита без торможения

Для защиты элементов электрических установок широко используется дифференциальный принцип, на котором осуществляются продольные и поперечные дифференциальные токовые защиты. Продольная защита используется в основном для защиты элементов с сосредоточенными параметрами, например, трансформаторов. Поперечная дифференциальная защита применяется для защиты параллельных линий.

Принцип действия продольной защиты основан на сравнении токов по величине и фазе в начале и конце защищаемой зоны. Для дифференциальных защит выпускаются специальные реле серий РНТ и ДЗТ. Реле РНТ применяются для защиты трансформаторов без РПН. Для защиты силовых трансформаторов с РПН применяются, как правило, реле ДЗТ с насыщающимися трансформаторами тока (НТТ). Поэтому дальнейший расчёт проводится для реле ДЗТ. Среднее сопротивление трансформатора:

Подставим известные значения:

Сопротивление трансформатора, отнесенное к регулируемой стороне ВН при минимальном коэффициенте трансформации:

Подставим числовые значения:

Сопротивление трансформатора, отнесенное к регулируемой стороне ВН при максимальном коэффициенте трансформации:

Подставим числовые значения:

Вторичный ток трансформатора тока на стороне ВН:

Подставим числовые значения:

Вторичный ток трансформатора тока на стороне НН:

Подставим числовые значения:

2.1 Определение токов небаланса и токов срабатывания защиты

Ток небаланса дифзащиты трансформаторов состоит из трёх составляющих:

Первое слагаемое — это составляющая, обусловленная погрешностью трансформаторов тока:

где k_апер — коэффициент, учитывающий переходный режим, для реле с НТТ принимается равным 1; k_одн — коэффициент однотипности, принимается равным 1, т.к. на обеих сторонах трансформатора стоит не более двух выключателей; - относительное значение тока намагничивания, =0,1.

Подставляя числовые значения, получим

Вторая составляющая обусловлена регулированием напряжения защищаемого трансформатора и для двухобмоточного трансформатора имеет вид:

где U — относительная погрешность, обусловленная регулированием напряжения, для РПН=81,5% U =12%.

Таким образом:

Третья составляющая тока небаланса обусловлена неточностью установки на коммутаторе реле ДЗТ расчётных витков уравнительных обмоток и рассчитывается только после выбора числа витков обмоток НТТ.

Условие выбора первичного тока срабатывания защиты при отстройке от тока небаланса без учёта составляющей:

где k_н — коэффициент надёжности, учитывающий ошибку реле и необходимый запас, для ДЗТ равен 1,5. Условие выбора тока срабатывания защиты при отстройке от броска тока намагничивания при включении ненагруженного трансформатора:

где k_н — коэффициент отстройки защиты от бросков тока намагничивания, предварительно принимается 1,5 для реле ДЗТ; I_{ном. тр} — номинальный ток трансформатора с учётом увеличения бросков токов намагничивания при уменьшении напряжения регулируемой обмотки ВН:

Подставим числовые значения:

Таким образом:

Наибольшее значение тока срабатывания защиты:

Предварительная проверка чувствительности защиты при повреждении в зоне её действия:

где

I_{р. мин} — ток в первичной обмотке НТТ реле ДЗТ, с учётом соединения в неполную звезду определяется следующим образом:

Предварительное значение тока срабатывания реле:

Коэффициент чувствительности (предварительное значение):

2.2 Определение числа витков обмоток НТТ

Выбор числа витков обмотки реле осуществляют с учётом того, что на коммутаторе реле ДЗТ можно подобрать любое целое число витков. Сторону НН силового трансформатора принимаем за основную, т.к. по ней течёт максимальный ток. Ток срабатывания реле на основной стороне:

Ток срабатывания реле на неосновной стороне:

Число витков неосновной обмотки:

где

F_{с. р} — магнитодвижущая сила срабатывания реле.

Новое значение тока срабатывания неосновной обмотки:

Подставим значения:

Новое значение тока срабатывания защиты неосновной стороны:

Подставим значения:

Новое значение тока срабатывания защиты основной стороны

Вторичный ток трансформатора тока на стороне ВН при схеме соединения обмоток в треугольник (трансформатор ТЛК-35−50):

Вторичный ток трансформатора тока на стороне НН при схеме соединения обмоток в звезду (трансформатор ТЛМ-10−100):

Число витков основной обмотки:

Подставим значения:

Третья составляющая тока небаланса:

Полный ток небаланса:

Ток срабатывания защиты с учётом полного тока небаланса:

Уточняем число витков для нового значения тока срабатывания защиты. Ток срабатывания неосновной стороны:

Подставим значения:

Число витков неосновной обмотки:

Новое значение тока срабатывания неосновной обмотки:

Подставим значения:

Новое значение тока срабатывания защиты неосновной стороны:

Новое значение тока срабатывания защиты основной стороны:

Число витков основной обмотки:

Подставим значения:

Третья составляющая тока небаланса:

Подставим значения:

Полный ток небаланса:

Ток срабатывания защиты с учётом полного тока небаланса:

Окончательно принятое число витков:

Проверим правильность расчета:

2.3 Расчёт трансформаторов тока

В схеме дифференциальной токовой защиты трансформатора ТМН-2500/35 используются два трансформатора тока: ТЛК-35−50 (Т1) на стороне ВН и трансформатор ТЛМ-10−100 (Т2) на стороне НН. Расчёты проводим аналогично расчётам трансформатора тока при определении параметров максимальной токовой защиты.

Ток срабатывания защиты:

Подставим вышенайденные значения:

Проверяем трансформаторы тока на 10% -ную погрешность. Предельная кратность расчётного тока:

где I_ном — номинальный ток, для Т1 I_ном =50 А, для Т2 I_ном =100 А.

По кривой предельных кратностей находим Z_{н. доп, Т1} Z_{н. доп, Т2} =0,2 Ом.

Находим сопротивление соединительных проводов (используем медные провода сечением 25 мм² и длиной 100 м):

Подставляем числовые значения:

Сопротивление последовательно соединённых реле типа РТ, РП, РВМ:

Сопротивление вторичной нагрузки в случае трёхфазного к. з. при соединении вторичных обмоток в звезду равно:

Подставим числовые значения:

В случае двухфазного к. з.:

Подставим числовые значения:

Сравним расчетные и допустимые значения вторичной нагрузки:

z_{н расч}? z_{н доп};

1,343? 0,2;

1,536? 0,2.

Оба полученных значения вторичной нагрузки меньше допустимого, следовательно, трансформаторы тока работают в пределах 10% -ной погрешности.

Осуществляем проверку надёжности работы контактов реле, для чего находим значение обобщённых коэффициентов для обеих точек подключения:

Этим значениям соответствует f_расч1=63% < f_доп1=70%; f_расч2=15% < f_доп2=50%. Таким образом, надёжная работа контактов реле обеспечивается.

Проводим проверку по амплитудному значению напряжения на выводах вторичных обмоток трансформаторов тока:

где k_y — ударный коэффициент, k_y =1,8.

Таким образом:

Амплитудные значения токов вторичных обмоток после дешунтирования:

Подставим числовые величины:

Полученные значения токов значительно меньше предельно допустимых для данных трансформаторов тока.

2.4 Полная погрешность трансформаторов тока

Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора:

где К_н =1,8; К_{сх. эо} — коэффициент схемы, для неполной звезды равен 1; I_{с. эо} — ток срабатывания ЭО (как правило, 5 или 3,5 А); Z_{2тт -} сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока.

Подставляя численные значения, получим:

Расчетный ток для дешунтируемых электромагнитов отключения:

Полная погрешность трансформатора тока вычисляется по формуле:

где I_нам — ток намагничивания, определяется по вольтамперной характеристике данного трансформатора тока, I_нам1 = 0,85 А; I_нам2 = 0,45 А.

Подставим численные значения:

Осуществляем проверку трансформаторов на термическую и динамическую устойчивость. Условие электродинамической устойчивости:

.

Подставим значения:

Таким образом, трансформатор тока ТЛК-35−50 подходит по условию электродинамической устойчивости.

Кратность термической устойчивости К_t:

где I_{? -} установившийся ток короткого замыкания; t_{пр -} приведенное время действия тока короткого замыкания.

Подставляя численные значения, получим:

Трансформатор тока подходит по условию термической устойчивости.

Для вторичной обмотки трансформатора должно выполняться неравенство:

S_н2 > S_пр+I²₂ (r_пр+r_к),

где S_{н2 -} номинальная мощность вторичной обмотки трансформатора тока; S_{пр -} мощность, потребляемая приборами; I²_{2 -} ток во вторичной обмотке трансформатора тока; r_пр, r_{к -} сопротивления проводов и контактов соответственно. Подставляя численные значения, получим:

5²20,37? 0,2+ (41,245/50) ² (0,07+0,1),

18,5? 3,09.

Условия нормальной работы трансформаторов тока выполнены.

Таблица 4. Основные параметры расчёта дифференциальной защиты

Заключение

Во всех устройствах релейной защиты предусматривается возможность плавного или ступенчатого изменения в соответствующих пределах параметров срабатывания (уставок). Расчет релейной защиты заключается в выборе рабочих уставок, отвечающих определенным основным требованиям. Виды защит и объем защиты элементов системы электроснабжения зависит от характера повреждения или нарушения режима работы и от возможного повреждения системы электроснабжения.

Дифференциальная токовая защита является основной быстродействующей защитой трансформаторов от коротких замыканий на вводах, а также внутренних повреждений. Выполнение схемы и расчеты уставок дифференциальной защиты трансформаторов имеют ряд особенностей:

необходимость отстройки от бросков намагничивающего тока, возникающих при включении ненагруженного трансформатора под напряжение или при восстановлении напряжения после отключения внешнего короткого замыкания в питающей сети;

необходимость отстройки от токов небаланса, обусловленных неполным выравниванием действия неодинаковых вторичных токов в плечах дифференциальной защиты.

В ходе проведенной курсовой работы был проведен расчет максимальных токовых защит и расчет дифференциальной токовой защиты без торможения.

Список источников

1. Шпиганович, А. Н. Релейная защита и автоматизация управления системами электроснабжения [Текст] / А. Н. Шпиганович, Э.С., Петров. — Л.: ЛГТУ, 1999. — 80 с.

2. Шабад, М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей [Текст] / М. А. Шабад. — СПб.: Энергия, 1976. — 288с.

3. Федоров, А. А. Справочник по электроснабжения промышленных предприятий [Текст] / А. А. Федорова, Г. В. Серебриновского. — М.: Энергия, 1973. — 520 с.

4. СТО-13−2011 Студенческие работы. Общие требования к оформлению. Липецк: ЛГТУ, 2011, 32 с