Релейная защита. 2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ                                                                          3

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                                      5

1. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА И ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА                   6

1.1. Расчёт токов короткого замыкания                                                                         6

1.2. Расчёт тока самозапуска нагрузки                                                                          9

1.3. Расчёт тока срабатывания защиты и тока уставки реле                                     10

1.4. Определение времени срабатывания  защиты на стороне НН                            12

1.5. Проверка трансформатора тока  на 10%-ную погрешность                                12

1.6. Проверка надёжности работы  контактов реле                                                     14

1.7. Проверка по амплитудному  значению напряжения на выводах  вторичной 

       обмотки трансформатора  тока                                                                               13

1.8. Определение чувствительности  промежуточного реле, реле времени  и 

       электромагнитов включения ЭВ короткозамыкателя                                         15

1.9. Определение полной погрешности трансформатора тока                                  16

1.10. Проверка трансформатора тока  на термическую и динамическую 

         устойчивость                                                                                                                                                                    17

2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ  ЗАЩИТА БЕЗ ТОРМОЖЕНИЯ              21

2.1. Определение токов небаланса  и токов срабатывания защиты                           21

2.2. Определение числа витков обмоток НТТ                                                            24

2.3. Расчёт трансформаторов тока                                                                               27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                                              35

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК                                                                          36

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ  НА  КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

 

Для сети электроснабжения, схема которой представлена на рис.1, рассчитать уставки максимальной токовой защиты и токовой отсечки на понижающем двухобмоточном трансформаторе Тр1 однотрансформаторной подстанции. Параметры сети и силовых трансформаторов даны в табл. 1 и табл. 2. Также необходимо произвести полный расчёт дифференциальной токовой защиты без торможения на реле РНТ (или на реле ДЗТ), используя данные элементов сети из табл. 1.

Таблица 1

Параметры и характеристики сети

Номер варианта	16
Мощность системы электроснабжения SГ1, МВ×А	150
Мощность системы электроснабжения SГ2, МВ×А	100
Тип трансформатора Тр1	ТМН-6300/110
Тип трансформатора Тр2	ТДН-10000/110
Длина линии l1, км	6
Длина линии l2, км	10
Длина линии l3, км	15
Сечение линии l1, мм2	25
Сечение линии l2, мм2	25
Сечение линии l3, мм2	16
Материал линии l1	Al
Материал линии l2	Al
Материал линии l3	Fe·Al
Индуктивное сопротивление  линии х1, Ом/км	0,20

 

Таблица 2

Параметры силовых трансформаторов

Тип трансформатора	Мощность трансформатора Sтр.н., МВ×А	Коэффициент трансформации nтр	Активные потери трансформатора DРн, кВт	Напряжение короткого  замыкания uн, %
ТМН-6300/110	6,3	110/6; 110/10	44	10,5
ТДН-10000/110	10	110/10	58	10,5

Максимальная токовая  защита должна состоять из двух комплектов: одного на стороне ВН с действием  на отключение выключателя и включение короткозамыкателя и второго – на стороне НН с действием на отключение выключателя ввода НН при к.з. на шинах подстанции. На стороне ВН устанавливается комплект максимальной токовой защиты с независимой выдержкой времени, с подключением по схеме неполной звезды, и по той же схеме выполняется токовая отсечка. На стороне НН устанавливается комплект максимальной токовой защиты с зависимой характеристикой и подключением по схеме неполной звезды.

 

Рис. 1. Схема сети электроснабжения

 

При расчёте тока самозапуска нагрузки считать, что 70% мощности трансформатора составляет обобщённая нагрузка и 30% бытовая нагрузка.

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Релейная защита является основным видом электрической автоматики. Она 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. Для определения предельных условия работы устройств релейной защиты необходимо знание токов нагрузки и токов коротких замыканий, как в минимальном, так и в максимальном режимах работы электрической системы.

1. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ  ЗАЩИТА И ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА

 

1.1. Расчёт токов короткого  замыкания

 

Для расчёта токов  к.з. используем схему замещения, изображённую на рис. 2.

Исходные данные для  расчётов:

максимальная мощность к.з.: S_к.max =5·S_с=1250 МВ×А;

минимальная мощность к.з.: S_к.min =0,25·S_к.max =312,5 МВ×А;

номинальная мощность системы: S_нс=250 МВ×А;

базисная мощность: S_б=100 МВ×А;

базисное напряжение: U_б=115 кВ;

напряжения обмоток трансформатора: U₁=115 кВ; U₂=10,5 кВ.

Реактивное сопротивление системы  в максимальном режиме

 

Реактивное сопротивление системы  в минимальном режиме

 

 

Значения реактивного сопротивления  для обоих режимов в абсолютных величинах:

 

Реактивное сопротивление  линии:

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Схема замещения  для расчетов токов короткого  замыкания

 

 

 

 

 

 

 

Номинальная мощность трансформатора:

 

 

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

 

 

То же, при максимальном коэффициенте трансформации:

 

 

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

 

 

То же, приведённое ко вторичной  обмотке трансформатора:

 

 

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

 

 

То же, приведённое ко вторичной  обмотке трансформатора:

 

 

 

1.2. Расчёт тока самозапуска  нагрузки

 

Принимаем относительное сопротивление  обобщённой нагрузки

 

Сопротивление обобщённой нагрузки в  абсолютных единицах

 

Номинальный ток трансформатора на стороне ВН

Номинальный ток трансформатора на стороне НН

 

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

 

 

Сопротивление бытовой  нагрузки

 

 

Сопротивление всей нагрузки (параллельное включение обобщённой и бытовой нагрузок)

 

Максимальный ток самозапуска

 

 

Коэффициент самозапуска

 

 

Ток самозапуска на стороне  НН

 

 

 

1.3. Расчёт тока срабатывания  защиты и тока уставки 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. В качестве такого реле возьмем реле РТ-80 и проведем  для него расчёт максимальной токовой защиты.

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_ном,нн =346,41 А.

Таким образом

 

 

Ток уставки реле находим  из выражения

 

 

где  К_сх – коэффициент схемы, зависящий от схемы включения трансформа-

       тора  тока, для звезды К_сх =1;

       n_т – коэффициент трансформации тока, для ТВЛМ-10-400/5  n_т =80.

Подставив числовые значения, находим

 

Находим коэффициент чувствительности

 

 

 

 

1.4. 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 Dt – 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;

      С – постоянная, зависящая от материала провода, его конечной и началь-

       ной температур;

t_ф – фактическое время отключения короткого замыкания:

 

 

где t_о.в – время срабатывания выключателей,  для маломасляных выключателей    

      t_о.в =0,7…1,5 с.

Подставляя значения, получим

 

 

 

1.5. Проверка трансформатора  тока на 10%-ную погрешность

 

Предельная кратность  расчётного тока

 

где  I_ном – номинальный ток трансформатора ТВЛМ-10-400 I_ном =400 А;

     

Подставляя значения, получаем

 

 

По кривой предельных кратностей находим  Z_н.доп =2,8 Ом [1].

Находим сопротивление  соединительных проводов

 

,

где  – длина провода, м;

        γ – удельная проводимость,  м/Ом мм²;

         S – сечение провода, мм² .

Для  соединительных проводов примем значения = 0,5 км для сечения медного провода S =50 мм² , тогда сопротивление линии составит r_пр = 0,181 Ом.

Сопротивление последовательно соединённых  реле типа РТ, РП, РВМ

 

 

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

 

 

В случае двухфазного к.з.:

 

Легко видеть, что оба полученных значения вторичной нагрузки меньше допустимого, в результате чего можно сделать вывод, что трансформатор тока ТВЛМ-10-400 работает в пределах 10%-ной погрешности.

 

 

1.6. Проверка надёжности работы  контактов реле

 

Находим значение обобщённого коэффициента

 

 

Этому значению соответствует  fрасч=43%, что меньше fдоп=50% [3]. Таким образом, надёжная работа контактов реле обеспечивается.

 

 

1.7. Проверка по амплитудному  значению напряжения на выводах

       вторичной обмотки  трансформатора тока

 

Амплитудное значение напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора тока ТВЛМ-10-400:

 

 

где  ky – ударный коэффициент, ky =2,23;

        kmax =Iк.з.макс/Iн =7,857.

Таким образом

 

 

Условие соблюдается – трансформатор  тока подходит по  амплитудному значению напряжения на выходах вторичной обмотки трансформатора тока.

Амплитудное значение тока вторичной обмотки после дешунтирования

 

 

Полученное значение тока значительно  меньше предельно допустимого для  трансформатора тока ТВЛМ-10-400.

 

 

1.8. 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 ми-

        нимальном  режиме работы питающей системы;

 I_c.p – ток срабатывания реле.

Чувствительность промежуточных  реле

 

 

где  f – частота напряжения питающей сети;

        К_в – коэффициент возврата реле.

Чувствительность электромагнитов  включения

 

 

где  К_у – ударный коэффициент.

Кратность электромагнитов включения

 

 

 

1.9. 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.

 

 

 

1.10. Проверка трансформатора тока на термическую и динамическую

                 устойчивость

 

Условие электродинамической устойчивости трансформатора ТВЛМ-10-400:

 

.

 

Подставляя численные значения, получим:

 

 

Таким образом, трансформатор тока ТВЛМ-10-400  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;

I²₂   - ток во вторичной обмотке трансформатора тока;

  r_пр, r_к    - сопротивления проводов и контактов соответственно.

Подставляя численные значения, получим:

 

5²×2×0,41> 5,28+5² (0,181+0,26)  ,

20,5 > 16,305.

 

Условие выполнено.

Таблица 3

Основные параметры расчёта  максимальной токовой защиты

Параметр	Расчётное    значение	Каталожное значение
Ток к.з. в макс. режиме при мин. коэффициенте трансформации на стороне ВН, кА	0,3376	-
Ток к.з. в макс. режиме при мин. коэффициенте трансформации на стороне НН, кА	3,1428	-
Ток к.з. в мин. режиме при макс. коэффициенте трансформации на стороне ВН, кА	0,2549	-
Ток к.з. в макс. режиме при мин. коэффициенте трансформации на стороне НН, кА	3,2105	-
Максимальный ток самозапуска, А	90,45	-
Коэффициент самозапуска	2,86	-
Ток срабатывания защиты, А	1329	-
Ток уставки реле РТ-80, А	16,61	4…20
Уставка времени реле РТ-80, с	1,5	0,5…16
Коэффициент чувствительности	167,39	³ 1,5

Таблица 4

Основные параметры трансформатора тока ТПЛМ-10-400

Параметр	Расчётное    значение	Каталожное значение
Номинальное напряжение, кВ	10	10
Номинальный первичный ток, А	346,41	400
Номинальный вторичный ток, А	-	5
Коэффициент трансформации	80	80
Сопротивление вторичной цепи  трансформатора тока, Ом	2,8	£ 4,0
Амплитудное значение вторичного напряжения трансформатора тока, В	237,25	£ 1414
Амплитудное значение вторичного тока трансформатора тока, А	39,8	£ 100
Полная погрешность трансформатора тока, %	9,88	-
Кратность электродинамической  устойчивости	12,368	£ 60
Кратность термической устойчивости	9,62	£ 20

 

В заключение в табл. 3 и табл. 4 приведены  параметры расчёта максимальной токовой защиты и параметры трансформатора тока ТПЛМ-10-400.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

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;

       e  – относительное значение тока намагничивания, e =0,1.

Подставляя числовые значения, получим

 

 

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

 

 

где  DU_a – относительная погрешность, обусловленная регулированием напряжения, для РПН=±8´1,5%  DU_a =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:

 

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 непол-

       ную звезду  определяется следующим образом:

 

 

Предварительное значение тока срабатывания реле