Релейная защита систем электроснабжения

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

В курсовом проекте «Релейная защита» (РЗ) рассматриваются вопросы проектирования устройств релейной защиты, предназначенных для обеспечения нормальной работы системы электроснабжения (СЭС) проектируемого объекта (промышленного предприятия, городского микрорайона, электротехнологической установки и пр.) и повышения надежности электроустановок потребителей.

Вариант задания на выполнение курсового проекта состоит из четырех частей (рис. 1):

- Табл. 1. Параметры схемы внешнего электроснабжения, начиная с воздушной или кабельной линии напряжением 35-110-220 кВ с понижающими трансформаторами напряжением 35-110-220/6-10 кВ, кабельных линий, питающих распределительный пункт РП напряжением 6-10 кВ.

- Табл. 2. Параметры оборудования электрической сети напряжением 6-10 кВ, начинающейся от РП, и электрической сети напряжением 380 В, питающейся от понижающих трансформаторов напряжением 6-10/0,4 кВ, до низковольтных распределительных пунктов РПН.

- Табл. 3. Вариант из этой таблицы определяет фрагмент электрической сети, для которого необходимо рассмотреть организацию релейной защиты и провести соответствующие расчеты.

- Табл. 4. Согласно задаваемому варианту рассматривается и рассчитывается релейная защита одного из объектов электрической сети.

Вариант задания состоит из двух цифр:

- вариант из табл. 1;

- вариант из табл. 2,3;

Таблица 1

UС, кВ	SК.МАКС, МВА	SК.МИН, МВА	Воздушная линия		Трансформаторы Т1 и Т2		Кабельные линии КЛ1 и КЛ2
			L, км	Марка провода	Тип трансформатора	UК, %	L, м	Марка кабеля	К-во кабелей в линии
110	5750	4250	7,0	АС-185	ТРДН-40000/110/10/10	10,5	600	А-3х150	2

Таблица 2

Кабельная линия			Трансформатор 10/0,4 кВ
№ КЛ	Длина, м	Тип * кабеля	Коммутац. ап-т** перед Т	№ Т	Тип	UК, %	Схема соед-ния обмоток
9,10	450	А-3х120	ВВ	Т9, Т10	ТМ-1000	5,5	Y/YO

Окончание таблицы

Линия между ТП и РПН (ВРУ), ШМ, ШР
Вид аппарата***		Тип * кабеля	Длина, м	Ток нагрузки макс, А	Ток нагрузки пик, А
отходящего	вводного
АВ	АВ	А-3х95+1х70	150	160	320

Примечания:

* - Буква А обозначает материал проводника кабеля.

** - Обозначение аппарата перед трансформатором: ВВ- вакуумный выключатель.

*** - Обозначение аппарата: АВ – автоматический выключатель. Вводные и секционный аппараты на стороне низшего напряжения всех ТП выполнены автоматическими выключателями.

Таблица 3

Расчет релейной защиты элемента СЭС	Выбор трансформатора тока, установленного (дополнительные данные получить у преподавателя)	Объем расчета релейной защиты по СЭС (снизу вверх)
АД 6-10 кВ
	В начале КЛ – АД	От секционного и вводного автоматических выключателей 0,4 кВ ТП до выключателя отходящей от РП линии 10 кВ, включая выключатель отходящей линии (до шин 10 кВ РП)

Таблица 4 – Параметры асинхронного двигателя напряжением 6-10 кВ

Тип двигателя	Рн, кВт	Кпуск	cosφн	ηн	КЛ, м
АТД4	4000	5,7	0,89	0,973	55

Рис. 1. Схема электроснабжения

АННОТАЦИЯ

Чупина М. В. Релейная защита СЭС. – Челябинск: ЮУрГУ, Э, 2009, 43 с. 6 ил. 4 табл., библиогр. список – 4 наим.

Задачей данного курсового проекта является рассмотрение вопросов проекти-рования устройств релейной защиты, предназначенных для обеспечения нормаль-ной работы системы электроснабжения (СЭС) проектируемого объекта и повы-шения надежности электроустановок потребителей.

Проект включает в себя:

- Расчет токов короткого замыкания для характерных точек СЭС.

Расчет проведен для максимального и минимального режимов работы СЭС. Рассчитаны токи I(3)к.макс, I(3)к.мин, I(2)к.мин и I(1)к. мин, составлены схемы замещения.

- Организация релейной защиты для рассматриваемого фрагмента СЭС.

Проводено обоснование необходимого набора видов релейной защиты рас-сматриваемых элементов СЭС со ссылкой на нормативные документы.

- Расчет релейной защиты.

Осуществлен выбор первичного оборудования, оперативного тока, устройств релейной защиты. Последовательно снизу вверх произведен расчет защит.

Построены диаграммы селективности (время-токовых характеристик) защит.

Приведены принципиальные схемы устройств РЗ с соответствующими спе-цификациями

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1 Расчет токов короткого замыкания

1.1 Расчет токов короткого замыкания в электрических сетях более 1 кВ

1.2 Расчет токов короткого замыкания в электрических сетях до 1 кВ

2 Расчет релейной защиты для рассматриваемого фрагмента электрической сети

2.1 Организация релейной защиты

2.2 Выбор оборудования для выполнения релейной защиты

2.3 Расчет уставок

2.4 Построение карты селективности выбранных защит

2.5 Составление принципиальной схемы релейной защиты и спецификации на выбранное оборудование

3 Расчет релейной защиты объекта СЭС

3.1 Организация релейной защиты

3.2 Выбор оборудования для выполнения релейной защиты

3.3 Расчет уставок

3.4 Построение карты селективности выбранных защит

3.5 Составление принципиальной схемы релейной защиты и спецификации на выбранное оборудование

4 Выбор трансформатора тока и расчет его нагрузки

Список используемой литературы

1 Расчет токов короткого замыкания

 

1.1 Расчет токов короткого замыкания в электрических сетях напряжением более 1 кВ

 

Особенности расчетов токов короткого замыкания для релейной защиты в электрических сетях напряжением выше 1 кВ

Расчеты токов КЗ производятся для выбора типов и параметров срабатывания (уставок) релейной защиты трансформатора напряжением 110/10 кВ, а также защит других элементов электрических сетей. В общем случае для выполнения защиты нужно знать фазные соотношения токов также, а при несимметричных КЗ за трансформатором - не только максимальные, но и возможные минимальные значения токов КЗ.

Для упрощения практических расчетов токов КЗ в распределительных электрических сетях напряжением выше 1 кВ принято не учитывать ряд факторов, которые в действительности могут существовать, но не могут оказать определяющего влияния на значения токов КЗ и их фазные соотношения. Как правило, не учитывается переходное сопротивление в месте КЗ и все повреждения рассматриваются как металлические КЗ двух или трех фаз или КЗ одной фазы на землю. Сопротивления всех трех фаз трансформаторов, линий, реакторов и других элементов сети считаются одинаковыми. Не учитываются токи намагничивания силовых трансформаторов и токи нагрузки. Как правило, не учитывается подпитка места КЗ токами асинхронных двигателей.

Принимая во внимание, что распределительные сети электрически удалены от источников питания и аварийные процессы в этих сетях мало сказываются на работе генераторов энергосистемы, считается, что при любых КЗ в распределительной сети напряжение питающей системы на стороне высшего напряжения (35-110-220 кВ) трансформатора остается неизменным.

Вместе с тем в этих расчетах имеется ряд особенностей:

- изменение мощности короткого замыкания энергосистемы, т.е. расчет максимального и минимального токов КЗ;

- необходимость учета существенного изменения сопротивления некоторых типов трансформаторов с РПН при изменении положения регулятора РПН.

При практических расчетах токов КЗ для релейной защиты вычисляется только периодическая составляющая тока, а влияние апериодической составляющей тока КЗ учитывается при необходимости путем введения повышающих коэффициентов при расчетах релейной защиты.

Как правило, рассчитывается только трехфазное КЗ, а значения токов при других видах КЗ определяются с помощью известных соотношений.

В основе всех расчетов лежит ГОСТ 27517-87. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ.

Исходные данные для расчета

В начале расчета токов КЗ составляется схема замещения (рис. 1), на которой все элементы расчетной схемы представляются в виде электрических сопротивлений. Питающая система до шин ВН подстанции представляется на схеме замещения своим индуктивным сопротивлением, задаются два его значения: для максимального и минимального режимов работы системы. В максимальном режиме в системе включены все генераторы, все питающие линии, автотрансформаторы и другие питающие элементы, и при этом их эквивалентное сопротивление имеет наименьшее значение, а ток и мощность КЗ на шинах ВН рассматриваемой подстанции имеет соответственно наибольшее значение. В минимальном режиме отключена часть питающих элементов системы и эквивалентное сопротивление оставшихся элементов имеет большее значение, чем в максимальном режиме, а ток и мощность КЗ - меньшее значение. Таким образом, в максимальном режиме система представляется в схеме замещения наименьшим сопротивлением Х_с.макс, а в минимальном - наибольшим Х_с.мин. Индексы «макс» и «мин» относятся таким образом не к значению сопротивления, а к режиму работы системы.

Параметры электрической сети:

Напряжение внешнего электроснабжения 110 кВ.

Мощность КЗ системы в максимальном режиме S_к.макс = 5750 МВА, в минимальном – S_к.мин = 4250 МВА.

Длина ВЛ-110 кВ l = 7 км; марка провода АС-185/29; удельное индуктивное сопротивление х_о = 0,39 Ом/км.

Два трансформатора Т1 и Т2 подстанции имеют тип ТРДН-40000/110/10/10; напряжение короткого замыкания U_к = 10,5 %; РПН в нейтрали ±16 % имеет ±9 ступеней, U_кmax = 11,02 U_кmin = 10,35

Линии КЛ1 и КЛ2: каждая линия содержит по два параллельных кабеля с алюминиевыми жилами; сечение жил по 150 мм²; удельное индуктивное сопротивление х_о = 0,078 Ом/км, длина линий L1=600 м.

Значения токов короткого замыкания определяются в разных точках сети (А, Б, В, Г, Д, Е) в максимальном и минимальном режимах работы системы. Для максимального режима рассчитываются токи трехфазного короткого замыкания, для минимального - токи двухфазного короткого замыкания.

Расчет сопротивлений элементов схемы замещения

Расчет проводим в относительных единицах.

Базисную мощность примем S_б = 1000 МВА. Принимаем средние значения напряжений сети: U_СР1 = 115 кВ, U_CР2 =10,5 кВ, U_СР3 = 0,4 кВ.

1. Сопротивление системы:

1.1. В максимальном режиме

 ; (1.1)

.

1.2. В минимальном режиме

 ; (1.2)

.

2. Сопротивление воздушных линий:

 ; (1.3)

3. Сопротивления трансформаторов Т1 и Т2:

3.1. При среднем положении регулятора РПН - полное сопротивление трансформатора

 ; (1.4)

.

- сопротивление обмотки высшего напряжения

Х_Т1.ВН = Х_Т2.ВН = 0,125 Х_т ; (1.5)

Х_Т1.ВН = Х_Т2.ВН = 0,125 ∙ 2,625 = 0,328.

- сопротивления расщепленных вторичных обмоток низшего напряжения

Х_Т1.НН = Х_Т2.НН = 1,75 Х_т ; (1.6)

Х_Т1.НН = Х_Т2.НН = 1,75 2,625 = 4,594.

- общее сопротивление трансформатора по цепи одной вторичной обмотке

Х_Т1 = Х_Т1.ВН + Х_Т2.НН ; (1.7)

Х_Т1 = 0,328 + 4,594 = 4,922.

3.2. При минимальном положении регулятора РПН

 (1.8)

где значение ΔU_РПН взято в относительных единицах.

3.3. При максимальном положении регулятора РПН

 (1.9)

.

4. Сопротивление кабельных линий КЛ1 и КЛ2.

4.1. При нормальной работе линий (в линии параллельно включены два кабеля) – минимальное сопротивление линий

; (1.10)

.

4.2. При аварийном отключении одного из кабелей в линии – максимальное сопротивление линий

.

5. Сопротивление кабельных линий КЛ7 и КЛ8.

.

6. Сопротивление кабельных линий КЛ9 и КЛ10.

.

Расчет токов КЗ в максимальном режиме

В общем случае для каждой ступени напряжения определяется базисный ток короткого замыкания

, (1.11)

и потом ток трехфазного короткого замыкания в какой либо точке:

, (1.12)

где Х_Σ – суммарное сопротивление от энергосистемы до точки, приведенное к базисным условиям.

При определении максимальных токов КЗ рассматриваем максимальный режим работы энергосистемы (S_К.МАКС и соответственно сопротивление системы Х_С.МАКС) при минимальных сопротивлениях рассматриваемой схемы электроснабжения Х_Т.МИН и Х_Л.МИН.

Теперь определяем конкретные значения токов КЗ для рассматриваемой схемы в максимальном режиме.

Ток КЗ в начале ВЛ-110 кВ – в точке А

.

Точка Б – в конце ВЛ-110 кВ или на стороне высшего напряжения 110 кВ трансформатора 110/10 кВ

;

.

Точка В – на стороне низшего напряжения 10 кВ трансформатора 110/10 кВ. При этом U_СТ = U_СР2.

;

.

Точка Г – в конце кабельной линии 1 напряжением 10 кВ.

;

.

Точка Д – в конце кабельной линии 7 напряжением 10 кВ.

;

Точка Е – в конце кабельной линии 7 напряжением 10 кВ.

;

Расчет токов КЗ в минимальном режиме

При определении минимальных токов КЗ рассматриваем минимальный режим работы энергосистемы (S_К.МИН и соответственно сопротивление системы Х_С.МИН) при максимальных сопротивлениях рассматриваемой схемы электроснабжения Х_Т.МАКС и Х_Л.МАКС. Кроме того, рассчитывается не ток трехфазного КЗ, а двухфазного, поскольку последний по величине меньше.

.(1.13)

Точка А

.

Точка Б

.

Точка В

;

В последнем выражении берется индуктивное сопротивление трансформатора Т1 при максимальном положении регулятора РПН, которое имеет наибольшее значение.

.

Точка Г

;

.

Точка Д

;

.

Точка Д

.

.

Расчеты токов КЗ в максимальном и минимальном режимах сведем в табл. 5

Таблица 5 – Расчетные значения токов и мощностей КЗ

	Место точек расчета короткого замыкания
	А	Б	В	Г	Д	Е
Максимальный ток трехфазного КЗ I(3)КМАКС, кА	28,853	13,212	24,926	22,759	19,388	14,423
Максимальная мощность КЗ, SКМАКС= √3 ∙UСТ ∙I(3)КМАКС, МВА	5747,109	2631,643	453,318	413,907	352,6	262,304
Минимальный ток двухфазного КЗ I(2)КМИН, кА	18,501	9,859	11,48	10,424	9,547	8,971
Минимальная мощность КЗ, SКМИН = √3 ∙UСТ ∙I(2)КМИН, МВА	3685,197	1963,799	208,836	189,576	173,634	163,159