РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Методические указания к выполнению курсовой работы
| Челябинск Издательский центр ЮУрГУ |
Министерство образования и науки Российской Федерации
ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Автоматика
УДК 621.316 (07)
Л.М. Четошникова
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Методические указания к выполнению курсовой работы
Челябинск
Издательский центр ЮУрГУ
УДК 621.316 (07)
Четошникова Л.М. Релейная защита в системах электроснабжения: Методические указания к выполнению курсовой работы. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. – 60 с.
Методические указания предназначены для студентов специальности 100400 «Электроснабжение» всех форм обучения при изучении курса «Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения». Содержат подробную методику расчета защит элементов систем электроснабжения, выбор устройств релейной защиты. В приложении к методическим указаниям приведены варианты заданий с исходными данными для расчетов и справочный материал.
Одобрено учебно-методической комиссией Электротехнического факультета Миасского филиала ЮУрГУ
Введение
1. Схема распределительной сети электрической энергии промышленного предприятия и виды его нагрузки приведены на рис. 1. С шин системных подстанций А и Б электрическая энергия по линиям высокого напряжения (Л1…Л4) поступает на секционированные шины В главной понизительной подстанции предприятия (ГПП), с них через трансформаторы Т1 и Т2 часть электрической энергии подается через выключатели Q13 и Q14 другим потребителям. Далее трансформируемая энергия на напряжении 10 кВ подается через кабельные линии (Л5, Л6) на распределительные (цеховые) пункты (РП1, РП2), с которых осуществляется питание конкретных потребителей:
- высоковольтных двигателей – Д;
- низковольтных двигателей – М;
- конденсаторных батарей – БСК;
- дуговых сталеплавильных печей – ДСП через их трансформаторы Т5;
- преобразовательных полупроводниковых агрегатов – ППА с трансформаторами Т6.
Исходные данные по вариантам для выполнения курсовой работы приведены в приложении (таблицы П1-П5).
2. Выполнение задания начинается с выбора типов защит всех элементов приведенной схемы (рис. 1) в соответствии с ПУЭ. Выбранные защиты указываются на схеме.
3. Расчет токов короткого замыкания. Токи короткого замыкания для характерных точек схемы (шины подстанций, РП и т.д.) являются исходными данными для выбора тока срабатывания защит и определения коэффициентов чувствительности защит. Расчет токов КЗ может производиться как в относительных, так и в именованных единицах.
Рисунок 1 – Схема для расчета релейной защиты СЭС промышленного предприятия
1 Расчет токов короткого замыкания
Величина токов короткого замыкания влияет на значение тока срабатывания ряда защит, кроме того, они необходимы для вычисления коэффициентов чувствительности выбранных защит.
Необходимо определить значение токов КЗ на шинах А, Б, В, Г, РП, в максимальном и минимальном режимах сети. Для максимального режима достаточно иметь токи трехфазного КЗ, для минимального – токи двухфазного КЗ.
Величина токов КЗ определяется для следующих режимов:
- в максимальном режиме все линии и трансформаторы включены на параллельную работу, секционные выключатели отключены;
- в минимальном режиме отключены линии Л2 и Л4, секционные выключатели отключены;
- в минимальном режиме отключены линии Л2 (Л4), секционный выключатель включен.
При расчете токов КЗ мощности короткого замыкания систем 1 и 2 считаются бесконечными, т. е. не учитывается изменение тока КЗ во времени. При расчетах принимается среднее значение напряжения сети: Uср1 = 37 кВ, 115 кВ, 230 кВ и Uср2 = 10,5 кВ.
Для определения величин токов КЗ следует сначала определить сопротивление элементов схемы. Расчет производится в относительных единицах при SБ = 1000 МВА.
1.1 Расчет сопротивлений элементов схемы
Удельное индуктивное сопротивление воздушных линий Л1, Л2, Л3 и Л4 принимается хол1 = хол2 = хол3 = хол4 = 0,4 Ом/км, активным сопротивлением пренебрегают.
Сопротивление воздушных линий Л1 и Л2:
,
здесь l1 – длина линии Л1, км
SБ – базисная мощность, ВА
UСР1 – среднее напряжение линий Л1 и Л2, В
Сопротивление воздушных линий Л3 и Л4:
Удельное индуктивное сопротивление хо и удельное активное сопротивление rо кабельных линий выбирается по марке кабеля.
Индуктивное сопротивление кабельных линий:
.
Активное сопротивление кабельных линий:
.
Сопротивление трансформатора:
,
здесь UК% - напряжение КЗ трансформатора, %
SТ – номинальная мощность трансформатора Т1, Т2, МВА.
Расчет сопротивлений систем в минимальном и максимальном режимах
;
;
;
.
1.2 Расчет величин токов КЗ
Величина токов КЗ определяется для следующих режимов:
- в максимальном режиме все линии и трансформаторы включены на параллельную работу, секционные выключатели отключены;
- в минимальном режиме отключены по одной линии с двух сторон, секционные выключатели отключены;
- в минимальном режиме одна линия отключена, секционный выключатель включен.
Все расчеты сводятся в таблицы.
Таблица 1 – Максимальный режим, секционные выключатели отключены
| Точка КЗ на шинах подстан-ции | Искомые величины | Питание со стороны | |||
| Система G1 | Система G2 | ||||
| А | ХЭКВ | 
| 
| ||
| SКЗ, МВА | SС1MAX | 
| |||
| IКЗ, кА | 
| 
| |||
| Б | ХЭКВ | 
| 
| ||
| SКЗ, МВА |
| SС2MAX | |||
| IКЗ, кА | 
|
| |||
| В1с В2с | ХЭКВ | 
| 
| ||
| SКЗ, МВА | 
| 
| |||
| IКЗ, кА | 
|
| |||
Питание одновременно от систем G1 иG2
| В1с В2с | ХЭКВ | 
|
| SКЗ, МВА | 
| |
| IКЗ, кА | 
| |
| Г1с Г2с | ХЭКВ |
|
| SКЗ, МВА | 
| |
| IКЗ, кА | 
| |
| РП1 | ZЭКВ | 
|
| SКЗ, МВА | 
| |
| IКЗ, кА | 
| |
| РП2 | ХЭКВ | 
|
| SКЗ, МВА | 
| |
| IКЗ, кА | 
| |
| РП3 | ZЭКВ | 
|
| SКЗ, МВА | 
| |
| IКЗ, кА | 
| |
| Е | ZЭКВ | 
|
| SКЗ, МВА | 
| |
| IКЗ, кА | 
|
Таблица 2 – Минимальный режим, секционные выключатели отключены, линии Л2 и Л4 отключены
| Точка КЗ на шинах подстанции | Искомые величины | Питание со стороны | ||
| Система G1 | Система G2 | |||
| А | ХЭКВ | 
| ||
| SКЗ, МВА | SС1MIN | |||
| IКЗ, кА | 
| |||
| Б | ХЭКВ | 
| ||
| SКЗ, МВА | SС2MIN | |||
| IКЗ, кА | 
| |||
| В1с В2с | ХЭКВ | В2с
| В1с
| |
| SКЗ, МВА | 
| 
| ||
| IКЗ, кА | 
| 
| ||
| Г1с Г2с | ХЭКВ | Г2с
| Г1с
| |
| SКЗ, МВА | 
| 
| ||
| IКЗ, кА | 
| 
| ||
| РП1 РП2 | ZЭКВ | РП2
| РП1
| |
| SКЗ, МВА | 
| 
| ||
| IКЗ, кА | 
| 
| ||
| РП3 | ZЭКВ | 
| ||
| SКЗ, МВА |
| |||
| IКЗ, кА |
| |||
| Е | ZЭКВ | 
| ||
| SКЗ, МВА |
| |||
| IКЗ, кА |
| |||
Таблица 3 - Минимальный режим (одна линия отключена, секционный выключатель Q15 включен)
| A Q15 вкл, Л4 откл | XЭКВ | 
| 
|
| SКЗ, МВА | SКЗ = SКЗ1MIN | 
| |
| IКЗ, кА | 
| 
| |
| Б Q15вкл, Л2 откл | XЭКВ | 
| 
|
| SКЗ, МВА |
| SКЗ = SКЗ2MIN | |
| IКЗ, кА |
|
| |
| B Л4 откл | XЭКВ | 
| 
|
| SКЗ, МВА | 
|
| |
| IКЗ, кА |
|
| |
| В Л2 откл | XЭКВ | 
| 
|
| SКЗ, МВА |
|
| |
| IКЗ, кА |
|
|
2 Расчет защиты синхронного двигателя
В общем случае электродвигатели промышленных предприятий защищают при следующих повреждениях и ненормальных режимах:
- при междуфазных КЗ в обмотке статора и на ее выводах;
- при однофазных замыканиях обмотки статора на землю;
-при перегрузке;
- при понижении или исчезновении напряжения;
- при асинхронном режиме.
Согласно ПУЭ для электродвигателей мощностью более 5 МВт в качестве защиты от междуфазных коротких замыканий применяется продольная дифференциальная защита без выдержки времени в двухфазном исполнении. Для двигателей мощностью менее 2 МВт применяется токовая отсечка с реле, включенном на разность токов двух фаз. Для двигателей 2 МВт и выше – токовая двухрелейная отсечка без выдержки времени.
2.1 Защита от междуфазных замыканий
Синхронный двигатель подключен к шинам РП-1. Номинальный ток двигателя определяется по каталожным данным или по формуле
где IНОМ.ДВ - номинальный ток двигателя, А; РНОМ – номинальная мощность двигателя, кВт; UНОМ - номинальное напряжение, кВ; cosφ - коэффициент мощности.
Выбирается трансформатор тока. Номинальный ток на первичной стороне Iном.1, номинальный ток на вторичной стороне Iном.2 = 5 А.. Коэффициент трансформации
.
Схема включения – неполная звезда, поэтому Ксх = 1.
Если расчет ведется для двигателя мощностью 2 МВт, то принимается токовая двухрелейная отсечка без выдержки времени.
Ток срабатывания токовой отсечки отстраивается
1) от пускового тока
где Кн = 1,4 – коэффициент надежности; Кп – кратность пускового тока
2) от тока небаланса
где – Котс = 1,2 – коэффициент отстройки; Iнб΄ - ток небаланса, А.
Ток небаланса определяется по формуле
,
где Ка – коэффициент, учитывающий воздействие апериодической составляющей на ток небаланса. Ка = 2, т.к. применяется обычное токовое реле;
Кодн = коэффициент однотипности, учитывающий сходство и различие трансформаторов тока; Кодн = 0,5; ε – допускаемая погрешность ТТ, ε = 0,1.
Принимается больший ток срабатывания защиты.
Определяется коэффициент чувствительности защиты при двухфазном КЗ на шинах РП1
.
Определяется ток срабатывания реле
.
Выбирается реле с нужным диапазоном токов уставки и сумма уставок ΣQ
.
Выбираются уставки кратные 0,2
Ток уставки реле Iуст
.
Уточняется ток срабатывания защиты
.
Для защиты от междуфазных коротких замыканий двигателей мощностью 5 МВт и более используется продольная дифференциальная защита.
Выбор первичного тока и коэффициента трансформации трансформаторов тока производится по номинальному току двигателя.
Защита выполняется по 2-х или трехфазной схеме на реле РНТ-565. Ток срабатывания защиты рекомендуется принимать:
IСЗ = 2Iном
Если дифференциальная защита выполнена на реле типа ДЗТ-11, то ток срабатывания защиты выбирается по условию
,
где Fср = 100 Авитков – магнитодвижущая сила срабатывания реле ДЗТ – 11 при отсутствии торможения; ωр – число витков рабочей обмотки реле.
В практических расчетах ωр можно определить по формуле
ωр ≤ ωт∙ n,
здесь ωт = 24 – число витков тормозной обмотки.
Значения n для различных схем соединения трансформаторов тока и постоянной времени электродвигателя приведены в таблице 4
Таблица 4 – Значения n и ωР для различных схем соединения трансформаторов тока
| Та, с | Звезда-звезда | Неполная звезда-неполная звезда | Неполная звезда-треугольник | Звезда-треугольник | ||||
| n | ωр | n | ωр | n | ωр | n | ωр | |
| 0,1 0,05 0,03 | 1,25 1,25 2,99 | 0,86 1,33 2,47 | 0,92 1,05 1,88 | 1,02 1,57 2,36 |
Определяется ток срабатывания реле
и коэффициент чувствительности защиты при двухфазном КЗ на шинах РП1
2.2 Защита от однофазных замыканий на землю
Защита электродвигателей мощностью до 2 МВт от однофазных замыканий должна предусматриваться при величине емкостного тока 10 А и более. На двигателях более 2 МВт такая защита должна устанавливаться при токе 5 А и более. Ток замыкания на землю складывается из емкостного тока двигателя и емкостного тока кабельной линии.
Емкостный ток фазы электродвигателя определяется по формуле
,
где ω = 2πf - частота сети; Uном.д - номинальное напряжение двигателя, В; Сдв – емкость двигателя.
Емкость фазы двигателя (Ф/фаза) для неявнополюсных синхронных и асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется по каталожным данным из справочника [4] или по формуле
,
где Sд.ном – номинальная мощность электродвигателя, МВА; Uном – номинальное линейное напряжение, кВ,
для остальных электродвигателей
,
где kГ – коэффициент, учитывающий класс изоляции (kГ = 40 для изоляции класса Б при t = 250С); Sд.ном – номинальная мощность двигателя, кВА; nд – скорость вращения двигателя, об/мин.
Емкостный ток кабельной линии, соединяющий двигатель с шинами РП1
,
где Iс0кл - удельный емкостный ток кабеля; lл8 – длина кабельной линии Л8.
здесь СР – удельная емкость кабеля [4,6]. Удельный емкостный ток однофазного замыкания на землю для кабеля определяется [4]:
Суммарный ток замыкания на землю
Защита отстраивается от емкостного тока присоединения при замыкании на землю на других присоединениях
,
где КЗ = 1,2 – коэффициент запаса; Кб – коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока.
Кб = 4-5 – для защиты без выдержки времени; Кб = 1,5-2 – для защиты с временем действия 1- 2с.
2.3 Защита от перегруза
Для защиты двигателя от перегруза принимается максимальная токовая защита с выдержкой времени с использованием токового реле.
Номинальный ток двигателя
.
Выбирается трансформатор тока. Номинальный ток на первичной стороне Iном.1, номинальный ток на вторичной стороне Iном.2 = 5 А.. Коэффициент трансформации
