Дипломная работа: 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

Параметр	Двигатель
	асинхронный						синхронный
	М1	М2	М3	М4	М5	М6	М7	М8
Номинальное напряжение, кВ	0,38						6
Номинальная мощность, кВт	5	60	7,5	5,5	4	15	1000
Условия пуска	легкий						6
Коэффициент мощности cos	0,87						0,9
Коэффициент полезного действия, %	85						93
Мощность КЗ, МВА	-						70
Обороты, об/мин							1000

Таблица 2. Параметры синхронных генераторов

Номинальное напряжение, кВ	6,3
Номинальная мощность, кВт	2000
Емкость обмотки статора для трех фаз, мкФ	0,077
Коэффициент мощности, cos	0,8
Сверхпереходное сопротивление, , отн. ед.	0,1

Таблица 3. Параметры трансформаторов

Трансформатор	Номинальное напряжение, кВ		Номинальная мощность, МВА	Напряжение КЗ, %
Трансформатор	ВН	НН	Номинальная мощность, МВА	Напряжение КЗ, %
Т1, Т2	110	35	10	10,5
Т9, Т10	35	0,4	2,5	6,5

Таблица 4. Параметры системы и линий

Элемент	Номинальное напряжение, кВ	Мощность КЗ, МВА	Длина линий, км
Система	110	2000
W1, W2	110		30
W3, W4	35		3

Таблица 5. Параметры дуговых сталеплавильных печей и конденсаторных установок

Элемент	Номинальное напряжение, кВ	Мощность	Вид регулирования
СА1, СА2	10	1480 кВт	по току и напряжению
ВС1, ВС2	6	400 квар	В функции cos с коррекцией по времени

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.

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, A –ток 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 )

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-(3×185) 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.

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

Точка КЗ	Вид повреждения	Источник	кА	кА
КЛ (ВЛ 110 кВ)	Трехфазное КЗ	Система:	2,85	4,7
		Генератор G2:	0,13	0,3
		Итого:	2,98	5
	Двухфазное КЗ	Система:	2,47	4,06
		Генератор G2:	0,11	0,25
		Итого:	2,58	4,31
	Однофазное КЗ на землю	Итого:	0,89	1,75
К2 (РУ 35 кВ)	Трехфазное КЗ	Итого:	1,84	4,17
К2 (РУ 35 кВ)	Двухфазное КЗ	Итого:	1,6	3,63
К3 (Сторона ВН ГПП)	Трехфазное КЗ	Итого:	1,75	3,87
К3 (Сторона ВН ГПП)	Двухфазное КЗ	Итого:	1,52	3,35
К4 (РУ 0,4 кВ)	Трехфазное КЗ	Итого:	40,9	91,5
	Двухфазное КЗ	Итого:	35,42	79
	Однофазное КЗ на землю	Итого:	44,68	99,8
К5 (РУ 6 кВ)	Трехфазное КЗ	Итого:	2,6	4,1
К5 (РУ 6 кВ)	Двухфазное КЗ	Итого:	2,25	5,03

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 ÷ 2,0 при тяжелом пуске; = 2,5 при легком пуске; - пусковой ток двигателя, А.

(2.3)

(2.4)

где - кратность пускового двигателя ( 5÷7 ); - номинальные величины мощности, напряжения, коэффициента мощности и КПД двигателя.

Для двигателя М1:

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

Двигатель	кВт	, А	, А	, А	Предохранитель
Двигатель	кВт	, А	, А	, А	Тип	, А	, А
М1	5	10,27	51,35	20,54	НПН2	63	25
М2	60	123,27	616,35	246,54	ПН2	250	250
М3	7,5	15,41	77,05	30,82	НПН2	63	32
М4	5,5	11,3	56,5	22,6	НПН2	63	25
М5	4	8,22	41,1	16,44	НПН2	63	20
М6	15	30,82	154,1	61,64	НПН2	63	63

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

, (2.5)

, (2.6)

где и -пусковой 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 .

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:

Выбираем автомат типа АЕ 2023М, =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

Двигатель	, А	, А	,А	Предохранитель
Двигатель	, А	, А	,А	Тип	, А	,А
М1	10,27	51,35	64,19	АЕ 2023	12,5	87,5
М2	123,27	616,35	770,44	АЕ 2063 М	160	800
М3	15,41	77,05	96,31	АЕ 2023	16	112
М4	11,3	56,5	70,63	АЕ 2023	12,5	87,5
М5	8,22	41,1	51,38	АЕ 2023	10	70
М6	30,82	154,1	192,63	АЕ 2043 М	31,5	220,5

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)

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.

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 = 44680 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 = 44680 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 =35420 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 =40900 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.

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)

Пусковой ток двигателя:

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].

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

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);

Ток срабатывания реле:

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].

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

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; =40900 А – ток трехфазного КЗ за трансформатором (табл. 1.1).

Ток срабатывания защиты, приведенный к стороне ВН:

А,

где - коэффициент трансформации трансформатора Т9 (Т10).

Номинальный ток трансформатора:

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 с –выдержка времени автомата QF1 на стороне НН трансформатора =0,5 с – ступень селективности для МТЗ.

Для создания выдержки времени применяем реле времени ЭВ-114.

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

(9.5)

где = 35420 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);

Ток срабатывания реле:

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)

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; =40900 А – ток трехфазного КЗ за трансформатором ( табл. 1.1.).

Ток трехфазного КЗ, приведенный к стороне ВН трансформатора:

А,

где - коэффициент трансформации трансформатора Т9 (Т10).

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.

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.

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.

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

(10.7)

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).

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 А- ток 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 А –расчетный ток в линии.

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.

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.

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

Искомая величина	Расчетная формула	Расчетные величины
		110 кВ	35 кВ
Первичный ток, А		=52,5 А	= 165 А
Схема соединения	-	Y
Схема соединения ТА	-		Y
Устанавливаемый ТА	-	ТФЗМ110Б-1-У3; =100 А, = 5 А	ТЛК35-У3; =200 А, = 5 А
Коэффициент трансформации ТА		=20	=40
Коэффициент схемы ТА	-		1
Ток в плечах защиты		= 4,546 А	= 4,125 А
Ток КЗ, приведенный к ВН		А
Ток небаланса от ТА и РПНа		А
Ток срабатывания защиты		А А
Принимаем большую величину тока срабатывания защиты: А
Ток срабатывания реле		=13,7 А		=11,95 А
Сторона с большим вторичным током, принимается как основная: =13,7 А

Искомая величина	Расчетная формула	Расчетные величины
Число витков для основной стороны		= 7,29 8 витков
Устанавливаемое число витков для основной стороны		= 8 витков = 0 витков
Число витков для неосновной стороны		=8,82
Устанавливаемое число витков для неосновной стороны		= 8 витков = 1 виток
Ток небаланса от неточного выравнивания токов в плечах защиты		=11,9 А
Общий ток небаланса		=128,9 А
Ток срабатывания реле, приведенный к стороне ВН		= 168,23 А
Коэффициент отстройки		=1,305
Окончательные принятые витки: = 8 витков; =1 виток; =0 витков
Коэффициент чувствительности		=3,02

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.

(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).

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);

Ток срабатывания реле:

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)

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.

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 =1,3÷1,4 – 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)

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

Ток трехфазного КЗ:

(14.5)

Определим ток срабатывания:

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)

=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.

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)

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

(14.14)

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

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.

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);

Ток срабатывания реле:

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)

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.

Список литературы

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.