Релейная защита и автоматики систем электроснабжения

Министерство Образования РФ

 

Восточно-Сибирский Государственный

Технологический Университет

 

Кафедра ЭСПП и Сх

 

 

 

Курсовая Работа

 

«Релейная защита и автоматики систем электроснабжения»

 

 

 

 

                                                             Выполнил: ст-т гр. 616-5

        15        

        Проверил к.т.н.

        Данеев В.В

 

 

 

 

 

Улан-Удэ

2013 г.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

Введение.

Задание.

1. Определение токов короткого замыкания.
2. Защита низковольтной сети.

2.1 Выбор предохранителя.

2.2 Выбор автоматов.

    3) Защита  высоковольтной сети.

         3.1 Защита цеховых трансформаторов.

         3.2 Защита кабельной линии. 

         3.3 Защита высоковольтного синхронного  двигателя.

     4) Защита трансформатора ГПП. 

    Список  использованной литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

 

    Развитие электрических  сетей и систем выдвигает как  одну из важнейших задач разработку  и внедрение различных средств  автоматизации. Одним из главнейших  видов автоматизации, обеспечивающей  надежную  работу элек-трических  сетей, является релейная защита.

    Релейная защита  осуществляет автоматическую ликвидацию  повреждений и ненормальных режимов  в электрической части энергосистем, и является важнейшей автоматикой,  обеспечивающей их надежную и  устойчивую рабо-ту.

    В современных энергетических системах значение релейной защиты осо-бенно возрастает в связи с бурным ростом мощностей энергосистем, объеди-нением их в единые электрически связанные системы в пределах нескольких областей, всей страны, и даже нескольких государств.

    Рост нагрузок, увеличение протяженности линий электропередачи, ужесто-чение требований к устойчивости энергосистем осложняют условия работы релейной защиты и повышают требования к ее быстродействию, чувствите-льности и надежности. В связи с этим идет непрерывный процесс развития и совершенствования техники релейной защиты, направленный на создание все более совершенных защит, отвечающих требованиям современной энер-гетики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

 

 

Вариант:  15

Исходные данные:  Т1   S_ном=6,3МВ*А;    М1_{(асинх.)}  U_н=10кВ;   АД  U_н=0,4кВ; 

      U_вн =115кВ;                         Р_н=250кВт;      Р_н=21кВт;

      U_нн =10,5кВ;                         К_п=5,5;             К_п=7;

     Т2   S_ном=320кВ*А;               cos j=0,84;       cos j=0,86;

    Т3   S_ном=630кВ*А;                 КПД=95%;       КПД=88%;

 

 

Дана типовая схема электроснабжения промышленного предприятия, вклю-чающая трансформатор Т1 ГПП мощностью  S=6,3МВ*А, участок внутри за-водской сети с цеховыми трансформаторами мощностью S=630кВ*А, высо-ковольтный двигатель, асинхронный двигатель подключенный к шинам низ-кого напряжения и обладающий наибольшей мощностью в сравнении с оста-льной нагрузкой секции 0.4кВ.

W1=2,3км, W2=3км                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение токов  короткого замыкания.

 

Для определения значения периодической  составляющей тока трёхфазно-

го КЗ составляется схема  замещения.

 

 

 

 

 

 

рис. 1  Схема замещения.

 

 

На схеме замещения (рис.1) указываются расчётные точки КЗ, задаются по-

рядковые номера отдельных  элементов и находятся их сопротивления.

 

 

Определим сопротивление системы на шинах 115 кВ.

 

 Ом.

 

где, U₁- напряжение ступени 115 кВ;

       

Определим сопротивление  трансформатора Т1.

 

 Ом

 

где,  S_ном- номинальная мощность Т1 в МВ*А.

 

Определим сопротивление  трансформатора Т2.

 

 Ом

где     S_ном- номинальная мощность Т2 в МВ*А.

 

Определим сопротивление  трансформатора Т3.

 

 Ом

где     S_ном- номинальная мощность Т3 в МВ*А.

           U_нн- напряжение ступени 10,5 кВ.

 

 А.

Выбираем проводник: АС-35  r₀=0,85; x₀=0,32

 

X3_W1=x₀*L=0,32*2,3=0,74 Ом.

R3_W1=r₀*L=0,85*2,3=1,95 Ом.

Z3_W1=R3_W1+jX3_W1 =1,95+j0,74

 Ом.

 

X5_W2=x₀*L=0,32*3=0,96 Ом.

R5_W2=r₀*L=0,85*3=2,55 Ом.

Z5_W2=R5_W2+jX5_W2 =2,55+j0,96

 Ом.

где,     x₀- реактивное сопротивление линии;

             r₀- активное сопротивление линии;

             L- длина линии.

Определяются токи трёхфазного  КЗ:

(максимальном режиме)

 

КЗ в точке К1:

 Ом;    Ом.

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке К1

 кА.

 

КЗ в точке К2:

Х_К2=Х_К1+Х₂=18,89+220,4=239,29 Ом;     Ом. 

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке  К2

 кА.

 

Пересчитываем сопротивление Z_К2 на напряжение U_нн=10,5 кВ

 Ом.

 кА.

КЗ  в точке К3

Х_К3=Х^/_К2+Х3_W1=1,99+0,74=2,73 Ом

Пересчитываем  X^/_К2 на напряжение U_нн=10,5 кВ

 Ом.

R_К3=R_К2+R3_W1=0+1,95=1,95 Ом.

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке  К3

 кА.

 

КЗ в точке К4

 

Х_К4=Х_К3+Х₄=2,73+15,50=18,23 Ом

R_K4=R_K3=1,95 Ом

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке  К4

 кА.

 

Пересчитываем сопротивление Z_К4 на напряжение U_н=0,4 кВ

 Ом.

 кА.

 

КЗ в точке К5

Х_К5=Х_К3+ Х5_W2=2,73+0,96=3,69 Ом

R_К5=R_К3+ R5_W2=1,95+2,55=4,5 Ом

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке  К5

 кА.

 

КЗ в точке К6

Х_К6=Х_К5+Х₆=3,69+9,62=13,31 Ом

R_K6=R_K5=4,5 Ом

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке  К4

 кА.

 

Пересчитываем сопротивление Z_К6 на напряжение U_н=0,4 кВ

 Ом.

 кА.

 

Результаты расчётов сведём в таблицу 1.

 

 

                    Таблица 1

 

Точка КЗ	К1	К2	К3	К4	К5	К6
Ступени
115	3,52	0,28
10,5		3,05	1,81	0,33	1,04	0,43
0,4				8,89		11,56

 

 

Определяются  токи трёхфазного КЗ:

(минимальном режиме)

 

КЗ в точке К1:

 Ом;    Ом.

Определим ток в точке  К1

 кА.

 

КЗ в точке К2:

Х_К2=Х_Сmin+Х₂=20,3+220,4=240,7 Ом;     Ом. 

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке  К2

 кА.

 

Пересчитываем сопротивление Z_К2 на напряжение U_нн=10,5 кВ

 Ом.

 кА.

КЗ в точке К3

Х_К3=Х^/_К2+Х3_W1=2,01+0,74=2,75 Ом

Пересчитываем  X^/_К2 на напряжение U_нн=10,5 кВ

 Ом.

R_К3=R_К2+R3_W1=0+1,95=1,95 Ом.

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке  К3

 кА.

 

КЗ в точке К4

 

Х_К4=Х_К3+Х₄=2,75+15,50=18,25 Ом

R_K4=R_K3=1,95 Ом

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке  К4

 кА.

 

Пересчитываем сопротивление Z_К4 на напряжение U_н=0,4 кВ

 Ом.

 кА.

 

КЗ в точке К5

Х_К5=Х_К3+ Х5_W2=2,75+0,96=3,71 Ом

R_К5=R_К3+ R5_W2=1,95+2,55=4,5 Ом

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке  К5

 кА.

 

КЗ в точке К6

Х_К6=Х_К5+Х₆=3,71+9,62=13,33 Ом

R_K6=R_K5=4,5 Ом

Определим полное сопротивление

  Ом.

 Ом.

Определим ток в точке  К4

 кА.

 

Пересчитываем сопротивление Z_К6 на напряжение U_н=0,4 кВ

 Ом.

 кА.

 

Результаты расчётов сведём в таблицу 2.

 

 

                    Таблица 2

 

Точка КЗ	К1	К2	К3	К4	К5	К6
Ступени
115	3,27	0,27
10,5		3,02	1,80	0,32	1,03	0,42
0,4				8,56		11,01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ЭЛЕМЕНТОВ НИЗКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ

 

Защита двигателей плавким  предохранителем.

Наиболее распространённой заводской  сетью напряжением до 1кВ является

четырёхпроводная сеть с глухозаземлённой нейтралью. В такой сети основ-

ными видами повреждения являются КЗ между фазами и отдельных фаз на

землю.В соответствии с правилами  устройств электроустановок низковольт-

ная сеть с подключенными электродвигателями и другими электроустановка-

ми должна иметь быстродействующую  защиту от токов КЗ, обеспечиваю-

щую требуемую чувствительность и  по возможности селективное отключе-

ние повреждённого участка или  элемента. Для её выполнения используются

наиболее простые средства - плавкие предохранители.

 

Определим расчетный  ток двигателя:

 А

    где  Р_ном.дв- мощность двигателя, кВт;

           U_ном.дв- номинальное напряжение двигателя, кВ;

                   η  - кпд двигателя;

             Cosφ – коэффициент мощности двигателя.

 

Номинальный ток плавкой  вставки Iном в.с. выбирается с учетом условий:

 

1. Необходима отстройка от максимального рабочего тока Iн.дв. двигателя:

Iном. в.с.≥Котс* Iн.дв.

    где   К_отс- коэффициент отстройки, 1,1-1,25;

      Iном. в.с.≥1,25*40,1=50,1  А.

 

2. По пусковому току Iпуск:

Iном. в.с.≥ Iпуск/Кпер

 

где Iпуск=Кп* Iн.дв=7*40,1=281  А

       Кпер=2,5 – коэффициент перегруза;

       Кп=7 – коэффициент пуска.

  А

 

3. Поскольку двигателем управляем с помощью магнитного пускателя, то номинальный ток плавкой вставки проверяем по условию продолжительности ее перегорания за время не более 0,15…0,2с. Это обеспечивается при:

 Iном. в.с.≤Iк.мин/(10…15)

     где Iк.мин – минимальный ток двух фазного к.з. за пускателем.

     

       кА

     где Iк6 – ток трех фазного к.з. в точке К6 приведенные к ступени U=0,4кВ.

  кА

Исходя из вышеприведенных  условий выбираем предохранитель типа  ПН2-250 с Iном. пр.=250А; Iном. в.с.=125А; Uпр=380В.

 

Проверяем чувствительность предохранителя

 

 

    где I^/к – ток одного фазного к.з. на шине 0,4кВ.

 кА

 

   где Uф=230В – фазное напряжение 0,4кВ;

          Z_∑/3=0,045 – полное сопротивление одной фазы;

          Zпер=0,015 – переходное сопротивление в месте повреждение.

 

чувствительность обеспечивается.

        

 

         

К	1	1,5	2	2,5	3	4	5	6	7
t, c	40	25	10	5	1	0,5	0,1	0,05	0,02
I, A	125	187,5	250	312,5	375	500	625	750	875

 

 

 

 

 

 

 

Выбор секционного выключателя.

Выбор секционного выключателя SF секции шин НН КТП осуществляется с учётом загрузки трансформатора на 70% по условиям:

 

1.U_ном.а≥U_с

2.I_откл.а≥I_{кз макс.}

3.I_ном.рц≥I_{раб.макс.}

 

Определим максимальный рабочий ток нагрузки для трансформатора Т2:

 

 А

 

Выбираем выключатель  ВА55-37 с полупроводниковым расцепителем и дан-

ными:

I_ном.а= 400 А;         I_ном.рц/ I_ном.а= 1;        t_с.о= 0,2 с;

I_с.о / I_ном.рц= 2;         I_с.мгн.= 20 кА.               

 

I_ном.рц= 1* I_ном.а= 1*400= 400 А

 

Определим максимальный рабочий ток нагрузки для трансформатора Т3:

 

 А

 

Выбираем выключатель  ВА55-41 с полупроводниковым расцепителем и дан-

ными:

I_ном.а= 1000 А;         I_ном.рц/ I_ном.а= 0,8;        t_с.о= 0,2 с;

I_с.о / I_ном.рц= 2;         I_с.мгн.= 25 кА;       I_отк.=55.        

 

I_ном.рц= 0,8 I_ном.а= 0,8*1000=800 А

 

1) Условие не срабатывание  отсечки при номинальном токе  нагрузки с учетом самозапуска  двигателя:

I_с.о.= К_н* К_с.з * I_{раб.макс} =1,5*1,2*637,3=1147,1 А

   где К_н=1,5 – преимущественно двигателя нагрузки;

          К_с.з=1,2 – коэффициент самозапуска.

 

2) Не срабатывание при полной нагрузке секции и пуске двигателя:

I_с.о.с.≥ К_отс(I_{раб.макс}–I_ном.дв.+I_{пуск.дв})

I_с.о.с.≥1,5*(637,3-40,1+281)=878,2 А

 

3) Согласование отсечкой автомата  защищаемого двигателя:

I_с.о.с.≥ К_н.с.*I_с.о.дв=1,4*1147,1=1606 А

  где К_н.с.=1,4 – коэффициент надежности согласования.

 

4) Так как выключатель  селективности с трехступенчатой  защитой характеристикой, то должна  выполнятся условие:

I_с.мгн≥I_к6

25≥11,01

Принимаем: I_с.о.с=1606 А.

Выставляется на выключателе SF уставка:

I_с.о.в.= 2_*I_ном.рц=2*800=1600 А

Время срабатывания отсечки

    t_с.о.в.= t_с.о.дв.+ ∆t=0+0,2=0,2 с

где t_с.о.дв.-время срабатывания отсечки двигателя, с;

      ∆t=0,2 с-ступень селективности для выключателей ВА.

 

Чувствительность отсечки:

 

Уставка защиты от перегрузки:

 

        I_с.п.с.= 1,25_*I_ном.рц=1,25*1280=1600 А

 

Чувствительность защиты от перегрузки:

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор вводного выключателя.

 

Выбираем вводный автомат  за трансформатором Т3. При его выборе учитывается допустимая аварийная перегрузка трансформатора на 40%.

 

Максимальный рабочий  ток:

 

 А

 

Выбираем выключатель  ВА75-45 с полупроводниковым расцепителем и дан-

ными:

I_ном.а= 1600 А;         I_ном.рц/ I_ном.а= 0,8;        t_с.о= 0,2 с;

I_с.о / I_ном.рц= 2;         I_с.мгн.= 31 кА;       I_отк.=80.        

 

I_ном.рц= 0,8* I_ном.а= 0,8*1600=1280 А

 

1. Несрабатывание защиты при действии АВР секционного выключателя, который подключает нагрузку другой секции потерявшей питание, в условиях самозапуска:

  I_с.о.в.≥ К_отс(I_{раб.макс2с}+ К^/_отс.* I_{раб.макс1с})

      где  А

             А

             I_{раб.макс1с}= I_Т∑+ I_дв.=52,3+40,1=92,4 А

              К^/_отс.=1,5 – при преимущественно двигателей нагрузки.

           I_с.о.в.≥1,5*(638+1,5*92,4)=1165 А

 

2. Несрабатывание при полной нагрузки секции и пуске двигателя:

  I_с.о.в.≥ К_отс*(I_{раб.макс1с}- I_ном.дв.+ I_пуск)

  I_с.о.в.≥1,5*(92,4-40,1+281)=500 А

 

3. Согласование с уставкой автомата имеющего наибольшую уставку – секционного:

  I_с.о.в.≥ К_н.с.*I_с.о.с=1,4*1606=2248,2 А

 

4. Ток срабатывание мгновенно должен быть больше токов к.з.:

I_с.мгн≥I_к6

31≥11,01

Выставляется на выключателе уставка:

I_с.о.в.= 2_*I_ном.рц=2*1280=2560 А

Время срабатывания отсечки

    t_с.о.в.= t_с.о.с.+ ∆t=0,2+0,2=0,4 с

 

 

Чувствительность отсечки:

 

Уставка защиты от перегрузки:

 

        I_с.п.с.= 1,25_*I_ном.рц=1,25*1280=1600 А

 

Чувствительность защиты от перегрузки:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА  ЭЛЕМЕНТОВ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ

 

Защита трансформаторов Т2 и Т3.

    Для трансформаторов мощностью 630 кВА включительно в качестве основной зашиты от КЗ в обмотках и их выводах используются плавкие предохранители. Поскольку предохранители частично защищают трансформатор, они дополняются газовой защитой, а также специальной токовой защитой нулевой последовательности (ЗНП) от однофазных КЗ на землю в сети 0,4 кВ.

 

А) Выбор плавких предохранителей производится по условиям:

1.U_ном.пр=U_ном.с;

2.I_{ном.откл.пр.}≥ I_кз в месте установки;

3.I_ном.вс для предохранителей установленных на стороне ВН трансформато-

   ра выбирается равным  примерно двухкратному I_ном.тр. При этом обеспечи-

   ваются лучшие условия  для селективной работы с автоматическими  выклю-

   чателями на стороне НН трансформатора.

4.I_ном.пр ≥ I_ном.вс.

 

Для трансформаторов  Т2:

Номинальный ток:

 А

    где    S_ном.т2- номинальная мощность Т2, кВА;

             U_ном- номинальное напряжение сети,кВ.

    I_{ном.в.с.}= 2_*0,7_*I_ном.Т2=2*0,7*18=25,2 А

Выбираем предохранитель типа ПКТ103-10-31,5-20УЗ с параметрами:

I_ном.пр.=31,5 А; I_ном.в.с=31,5 А; I_{ном.откл.пр}= 20 кА.

Для трансформаторов  Т3:

Номинальный ток:

 А

    I_{ном.в.с.}= 2_*0,7_*I_ном.Т3=2*0,7*35=49 А

Выбираем предохранитель типа ПКТ103-10-50-20УЗ с параметрами:

I_ном.пр.=50 А; I_ном.в.с=50 А; I_{ном.откл.пр}= 20 кА.

 

     В) Токовая защита нулевой последовательности:

Специальная токовая защита нулевой  последовательности  устанавливается, главным  образом, для  улучшения  резервирования   защит  от  однофазных  повреждений  в  низковольтных  сетях. Она выполняется  с  помощью  токо-вого  реле  КАО, включаемого  через  транформатор  тока ТАZ  в  нейтраль  трансформатора Т3.

Ток  срабатывания  ЗНП  выбирается  из  условия: 

 

I_сз ≥ К_отс* I_нб=0,5* I_ном.Т2.= А

I_сз ≥ К_отс* I_нб=0,5* I_ном.Т3.= А

где  К_отс- коэффициент отстройки ;

        I_нб -   ток небаланса, А.

Время  срабатывания ЗНП  выбирается  минимальным. «Правила»  допускают не согласовывать ЗНП с защитами отходящих элементов 0,4 кВ, т.е. допуска-

ют неселективное отключение трансформатора. Проверка  чувствительности

осуществляется в большинстве  случаев при однофазных КЗ на землю  со сто-

роны низковольтного ввода трансформатора, т.е. в основной зоне (К⁽¹⁾_ч.доп≥1,5).

 

 

           Чувствительность защиты в основной зоне для трансформаторов:

 

   

         

Защита нулевой последовательности трансформаторов Т2 и Т3 обеспечивается.

 

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Защита магистрали воздушной линии «W1-W2».

  Для защиты линии от КЗ используется максимальная токовая защита и

токовая отсечка. Принимается выполнение ТО и МТЗ по схеме неполной звезды с реле тока РТМ.

1. Ток срабатывания отсечки (реле КА1,КА2) определяется по условиям:

а) отстройки от тока КЗ за трансформатором Т2

     I_с.о.= К_отс* I_К4

где  К_отс=1,5 коэффициент отстройки для реле РТМ.

          I_с.о= 1,5* 330=495 А

отстройки от тока КЗ за трансформатором Т3

     I_с.о.= К_отс* I_К6

где  К_отс=1,5 коэффициент отстройки для реле РТМ.

          I_с.о= 1,5* 430=645 А

 

     б) отстройки  от бросков тока намагничивания  Т2,Т3

                    I_с.о= 4 I_{ном тΣ}

 

где     А.

 

           I_с.о= 4*55=220 А

 

Принимается I_с.о=645 А

Ток срабатывания реле:

           А

    

где    К_сх- коэффициент схемы, 1;

          n_та- коэффициент трансформации трансформатора тока 100/5.

 

Выбирается реле РТМ с уставкой тока 32 А , Тогда I_с.о=645 А

 

 

Чувствительность отсечки

   

   

 

          

2. Определяется ток срабатывания МТЗ линии «W1-W2»

 

          А

 где       К_отс- коэффициент отстройки 1,5 (реле РТМ);

             К_сзп- коэффициент самозапуска,1,3;

             К_в- коэффициент возврата реле 0,9 (для РТМ);

             I_{раб.макс}= I_ном.тΣ=55 А.

Ток срабатывания реле:

           А

    

где    К_сх- коэффициент схемы, 1;

          n_та- коэффициент трансформации трансформатора тока 100/5.

 

                     

Выбирается реле РТМ с уставкой тока 6 А, Тогда I_сз=119 А.

 

Проверяется чувствительность МТЗ при КЗ в основной зоне защиты:

         

 

Чувствительность защиты в зонах  резервирования, т.е. при КЗ на шинах  НН

трансформаторов Т2 и Т3:

            

 

Защита обладает достаточной чувствительностью к КЗ за трансформаторами Т2 и Т3.

  

 Выбранный ранее ток срабатывания МТЗ (119А) не удовлетворяет этому условию. С учетом разброса характеристики предохранителя ток срабатывания МТЗ должен быть не менее чем на 40% больше тока плавкой вставки предохранителя, соответствующего времени действия защиты в начальной части характеристики, т.е. не менее 5 сек. При 5 сек. ток плавления I_вс=195 А, А.

 

Выбирается уставка  МТЗ:

I_сз=273 , 

.

Чувствительность защиты в основной зоне:

.

Чувствительность защиты в зоне резервирования:

.

МТЗ линии "W1-W2" обладает достаточной чувствительностью к повреждениям в зоне резервирования.

Строим характеристику МТЗ воздушной линии "W1 – W2", что селективность между рассматриваемыми защитами обеспечивается с большим запасом во всем диапазоне возможных токов.

           

К	1	1,5	2	2,5	3	4	5	6	7
t, c	5	2	1,5	0,9	0,7	0,65	0,6	0,55	0,5
I, A	273	410	546	683	819	1092	1365	1638	1911

  

Защита секционного выключателя.

 

   Для защиты секционного выключателя применяется МТЗ, выполненная по схеме неполной звезды с реле РТМ. Для повышения её чувствительности она дополняется комбинированным пусковым органом напряжения.

 

Определяется ток срабатывания МТЗ секционного выключателя:

а) по условию несрабатывания защиты в режиме самозапуска нагрузки пер-

    вой секции  шин 10,5 кВ ГПП

 

 А

          

где К_отс=1,5 для реле РТМ;

  К_сзп=1 (МТЗ с пуском по напряжению);