Защита электрической сети

Защита электрической сети

Введение

В условиях эксплуатации возможны повреждения отдельных элементов системы электроснабжения. В ряде случаев повреждение должно быть ликвидировано в течение долей секунды, совершенно очевидно, что человек не в состоянии справиться с такой задачей. Поэтому для определения места повреждения и подачи сигнала на отключение соответствующих выключателей устанавливаются специальные автоматические устройства. Это и есть релейная защита, действующая на отключение. В некоторых случаях выключение и защита совмещаются в одном аппарате (предохранитель, автомат).

Иногда в условиях эксплуатации возникают ненормальные режимы, существование которых допустимо в течение некоторого времени. Нарушение нормального режима в этих случаях может быть ликвидировано действием оперативного персонала. При этом нецелесообразно немедленное отключение элемента электрической сети, а достаточно дать сигнал персоналу. Это осуществляется релейной защитой, действующей на сигнал.

Релейная защита - только часть автоматики, получившая применение в системах раньше других автоматических устройств. Вместе с тем, одна релейная защита не в состоянии обеспечить надежность и бесперебойность электроснабжения, поэтому для повышения надежности электроснабжения недостаточно только быстрого отключения поврежденного элемента, необходимо также быстро включить этот элемент повторно в работу или заменить его резервным. Таким образом, быстродействием должны обладать также устройства АПВ и АВР.

1. Расчет токов короткого замыкания

Для расчетов видов релейной защиты требуется значение величин токов короткого замыкания (к.з.) в разных точках сети, их распределение по отдельным элементам (линиям, трансформаторам) в максимальном и минимальном режимах работы систем. Для максимального режима достаточно иметь токи трехфазного кз, в минимальном режиме необходимы также токи двухфазных к.з..

При расчете удельное реактивное сопротивление воздушных ЛЭП принимается среднетиповое Х₀=0,04 Ом/км, активным пренебрегается. Для кабельной линии Л5 учитываются обе составляющие, их удельное значение берется по справочнику [9]. Сопротивление коротких участков между шинами и потребительскими элементами (двигатели, трансформаторы, БСК) не учитываются.

Расчет ведется в относительных единицах.

Составляется расчётная схема. Она приведена на рисунке 2.

Задаются базисные условия:

Базисная мощность S_б, МВА принимается

S_б=100;

Базисное напряжение U_бi, кВ принимается

, (1)

,

.

Базисный ток , кА, рассчитывается по формуле

,                                          (2)

где S_б - базисная мощность, МВА;

U_бi - базисное напряжение i-ой точки, кВ.

Составляется расчётная схема

Рисунок 2 - Расчётная схема

Относительные базисные сопротивления определяются по формулам

для энергосистемы для первой и второй системы в минимальном (максимальном) режиме

, (3)

где S_{сi min(max)} - мощность системы в минимальном (максимальном) режиме, МВА.

для ЛЭП

, (4)

где l - длина воздушной линии, км;

U_бi - базисное напряжение i-ой воздушной линии, кВ.

для двигателя

, (5)

для трансформаторов

, (6)

где U_кi - напряжение к.з. i -того трансформатора, ℅;

S_нi - номинальная мощность i -того трансформатора, МВА.

для кабельной линии

, (7)

где x₀ - удельное реактивное сопротивление, (для АХМ-240 x₀=0,075

Ом/км;

l - длина кабельной линии, км.

Результаты расчетов сводятся в таблицу 1.

Таблица 1 - Расчет относительных базисных сопротивлений

Составляется схема замещения сети и производится расчет токов короткого замыкания во всех точках.

Рисунок 3 - Схема замещения сети

Рассчитывается точка К-1. Система S_с2 - отключена.

Сопротивление в точке К-1 рассчитывается по формуле

,                                (8)

.

.

Ток к.з. в максимальном (минимальном) режиме рассчитывается по формуле

, (9)

где I_кimax(min) - ток к.з. i -той точки в максимальном (минимальном) режиме, кА; I_бi - базисный ток i-той системы, кА.

Система S_с2 - отключена.

,

.

Рассчитывается точка К-3. Система S_с1 - отключена.

.                                (10)

Рассчитывается точка К-2.

Сопротивление точки К-2 в максимальном (минимальном) режиме

.                               (11)

Система S_с1 - отключена.

Сопротивление точки К-2 в максимальном (минимальном) режиме рассчитывается

.                              (12)

Обе системы работают.

Сопротивление точки К-2 в максимальном (минимальном) режиме рассчитывается по формуле

.           (13)

Рассчитывается точка К-4.

Система S_с2 - отключена.

Сопротивление точки К-4 в максимальном (минимальном) режиме рассчитывается по формуле

.                    (14)

Система S_с1 - отключена.

Сопротивление точки К-4 в максимальном (минимальном) режиме рассчитывается

.                              (15)

Обе системы работают.

Сопротивление точки К-4 в максимальном (минимальном) режиме рассчитывается по формуле

.                              (16)

Рассчитывается точка К-5.

Система S_с2 - отключена.

Сопротивление точки К-5 в максимальном (минимальном) режиме рассчитывается по формуле

.                       (17)

Система S_с1 - отключена.

Сопротивление точки К-5 в максимальном (минимальном) режиме рассчитывается

.                                (18)

где z_кп - общее сопротивление кабельной линии;

, (19)

где R_кл - активное сопротивление кабельной линии, Ом, справочные

данные, R_кл=R₁=0,39;

Обе системы работают.

Сопротивление точки К-5 в максимальном (минимальном) режиме рассчитывается по формуле

.                                (20)

Результаты расчетов сводятся в таблицу 2 и 3.

Таблица 2 - Расчет токов к.з. в точках К1 и К3

2. Расчет защиты БСК

Максимальная токовая защита применяется от многофазных коротких замыканиях, возникающих при пробое секции конденсаторов и может выполняются с использованием реле мгновенного действия типа РБМ.

Ток срабатывания МТЗ , А, выбирается из условия отстройки от тока включения и разряда батареи.

,                                      (21)

где -номинальный ток всей батареи конденсаторов, А.

,

,                              (22)

.

Выбираются 36 конденсаторных батарей типа КС-10,5-75 2У3 с параметрами ;;

Номинальный ток конденсаторной батареи , А, определяется по формуле

,                                               (23)

.

Кроме того, осуществляет индивидуальная защита отдельных конденсаторов (для конденсаторов 6-10 кВ при помощи установки быстродействующих предохранителей типа ПК).

Ток плавкой вставки , А, предохранителя выбирается по формуле

А,                                   (24)

где -номинальный ток одного конденсатора;

Выбираются предохранители типа ПК 1-10-8/5-20 У3 с параметрами: U_н=10 кВ,

I_на=32 А, I_вс=5 А.

По номинальному току батареи выбирается трансформатор тока из приложения.

МТЗ действует также при перегрузках.

Определяем номинальный ток , А, трансформатора определяется по формуле

, (25)

где S_тр - номинальная мощность силового трансформатора Т3 кВА;

n - количество ТТ.

.

Принимаем I_н1=150 А.

Ток срабатывания реле , А, определяется по формуле

,                                              (27)

где К_сх - коэффициент схемы, К_сх=√3;

К_т - коэффициент трансформации трансформатора тока;

.

, (28)

где I_н1тт - первичный номинальный ток трансформатора тока, А, выби-

рается ближайшее большее значение из стандартного ряда;

I_н2тт - вторичный номинальный ток трансформатора тока, А, I_н2тт=5.

Выбирается реле тока типа РТ-40/20. Предел установок 5-20 А

Чувствительность защиты считается достаточной при коэффициенте чувствительности большем, либо равным двум.

,                                          (29)

где  - двух фазный ток к.з. в точке К-5, А;

.

,                                  (30)

где  - трёх фазный ток к.з. в точке К-5;

.

3. Расчет защиты кабельной линии

На кабельных линиях напряжением 6 - 10 кВ должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от многофазных КЗ и от однофазных замыканий на землю.

В данной схеме от междуфазных КЗ в качестве основной и для резервирования отказов защит двигателей можно выбрать МТЗ с независимой выдержкой времени на постоянном оперативном токе (т.к. защита будет установлена на ГПП, где предусмотрена аккумуляторная батарея). Схема защиты простейшая с одним реле тока РТ - 40, подключенным к трансформаторам тока на крайних фазах А и С, соединенным в неполный треугольник.

Ток срабатывания МТЗ выбирается из условия отстройки от наибольшего рабочего тока линии.

 , ( 28 )

где k_над - коэффициент надежности;

k_{с.з -} коэффициент само запуска электродвигателей;

k_{в -} коэффициент возврата реле;

.

При пуске последнего двигателя коэффициент само запуска определяется по формуле,

 ( 29 )

ток замыкание защита сеть

где  - коэффициент пуска двигателей;

 - суммарная мощность двигателей, кВт;

 - коэффициент мощности двигателей;

- суммарная мощность трансформаторов присоединяемых к шинам Д;

.

В установившемся режиме максимальное значение тока,

 , ( 30 )

.

По выбирается первичный номинальный ток трансформатора тока, а затем коэффициент трансформации трансформатора тока.

Ток срабатывания реле определяется по формуле,

 , ( 31 )

.

По  выбирается тип реле тока.

Чувствительность защиты проверяется по 2_х - фазному КЗ в конце КЛ на шинах п/ст. Д.

 , ( 32)

.

Защита должна иметь  ≥1,5.

4. Расчет защиты трансформатора Т2

В данной главе выбираются следующие защиты:

·        упрощенная продольная дифференциальная защита (с двумя реле типа РНТ-565 с насыщающимся трансформатором тока (НТТ)) от междуфазных коротких замыканий;

·        МТЗ по схеме неполной звезды со стороны питания - от внешних коротких замыканий;

·        газовая - от витковых замыканий и других внутрибаковых повреждений;

·        токовая в одной фазе - от перегруза. Оперативный ток постоянный.

4.1 Продольная дифференциальная защита

Расчет дифференциальной защиты осуществляется в следующем порядке:

определяются средние значения первичных и вторичных номинальных токов для всех сторон защищаемого трансформатора ;

Формулы и результаты расчетов средних значений первичных и вторичных номинальных токов для всех сторон защищаемого трансформатора сводятся в таблицу 5

при внешних к.з. в дифференциальной цепи появляется ток небаланса, поэтому первым условием выбора первичного тока срабатывания защиты является отстройка от этого тока небаланса:

,                                        (37)

где k_н - коэффициент надежности, (для реле типа РНТ k_н=1,3);

 - ток небаланса, А;

Таблица 5 - Формулы для определения средних значений первичных и вторичных токов для всех сторон защищаемого трансформатора

,                                             (38)

где  - составляющая, обусловленная погрешностью ТТ, А;

 - составляющая, обусловленная неточностью установки на

коммутаторе реле типа РНТ расчетных чисел витков уравни-

тельных обмоток (учитывая только при расчете уточненного

тока срабатывания защиты), А.

,                                       (39)

где К_апер- коэффициент учитывающий переходный режим, k_апер=1;

К_одн- коэффициент однотипности, k_одн=1;- относительное значение тока намагничивания, E=0,1;

I_к.max- периодическая составляющая (t=0) при расчетном внешнем

трехфазном кз (I_к⁽³⁾ на шинах Г в максимальном режиме), А.

Вторым условием выбора тока срабатывания защиты, А, является отстройка от броска тока намагничивания при включении ненагруженного

трансформатора под напряжением

,                                  (40)

где К_отс - коэффициент отстройки, k_отс=1,3;

I_н1 - номинальный ток трансформатора, А.

За предельное значение I_с.з., принимается большее из двух условий.

Уточненный расчет тока срабатывания защиты производится после выбора чисел витков уравнительных обмоток НТТ. Основная сторона дифференциальной цепи выбирается вторичной так как, там проходит наибольший ток I_в.

Для этой стороны ток срабатывания реле, А, определяется по формуле

 ,                                    (41)

где I_с.з.осн - ток выбираемый по условиям, А;

К_сх.осн - коэффициент схемы, К_сх.осн=√3;

К_тр.осн - коэффициент трансформации.

Число витков обмотки НТТ реле РНТ на основной стороне

, (42)

где F_с.р. - МДС, необходимая для срабатывания реле, (для РНТ-565

F_с.р=(100±5)А).

За ω_осн, принимается ближайшее меньшее число витков по отношению к ω_{осн.расч.}.

Число витков обмотки НТТ, , включаемой на не основной стороне

, (43)

За ω_неосн принимается ближайшее целое число витков.

Определяется составляющая

,                      (44)

Уточненное значение тока небаланса , А, определяется по формуле

,                                (45)

Уточненное значение тока срабатывания защиты , А, других величин

,                                  (46)

Так как, I_с.з.ут. больше предварительного выбранного значения I_с.з., то I_с.з.ут. принимается за окончательное значение I_с.з. и повторяется расчет величин: I_с.р., ω_осн., ω_{осн.расч.}, ω_неосн., ω_{неосн.расч.}.

Чувствительность защиты определяется по двухфазному к.з. в зоне действия защиты на стороне 6 кВ.

,                               (47)

Результаты расчетов средних значений первичных и вторичных номинальных токов для всех сторон защищаемого трансформатора, а также расчет параметров продольной дифференциальной защиты трансформатора Т1 сводятся в таблицу 6 и таблицу 7.

Таблица 6 - Расчет средних значений первичных и вторичных номинальных токов для всех сторон защищаемого трансформатора

Таблица 7 - Расчет параметров продольной дифференциальной защиты

4.2 Максимальная токовая защита

Выполняется с независимой выдержкой времени на реле типа РТ-40, включенных по схеме неполной звезды со стороны питания.

Ток срабатывания защиты , А, по условию отстройки от рабочего тока при возможной перегрузке трансформатора

,                                   (48)

где К_н - коэффициент надежности отстройки, k_н=1,3;

К_в - коэффициент возврата реле.

,                                    (49)

Ток срабатывания реле , А, определяется по формуле

,                                          (50)

Коэффициент чувствительности при двухфазном к.з. за трансформатором должен быть

,                                  (51)

где  - минимальный двухфазный ток к.з. в точке К-4.

При к.з. в конце линии, отходящих от шин низшего напряжения (в конце линии Г-Д).

Результаты расчетов сводятся в таблицу 8.

Таблица 8 - Расчет МТЗ

Выбирается реле времени типа РВ-132 с пределом регулирования времени срабатывания 0,5÷9 секунд.

4.3 Газовая защита

Газовая защита основана на использовании явления газообразования в баке поврежденного трансформатора. Интенсивность газообразования зависит от характера и размеров повреждения. Это дает возможность выполнить газовую защиту, способную различать степень повреждения, и в зависимости от этого действовать на сигнал или отключение.

Основным элементом газовой защиты является газовое реле KSG, устанавливаемое в маслопроводе между баком и расширителем. Достоинства газовой защиты: высокая чувствительность и реагирование практически на все виды повреждения внутри бака; сравнительно небольшое время срабатывания; простота выполнения, а также способность защищать трансформатор при недопустимом понижении уровня масла по любым причинам. Наряду с этим защита имеет ряд существенных недостатков, основной из которых - нереагирование ее на повреждения, расположенные вне бака, в зоне между трансформатором и выключателями. Защита может подействовать ложно при попадании воздуха в бак трансформатора, что может быть, например, при доливке масла, после ремонта системы охлаждения и др. Возможно также ложные срабатывания защиты на трансформаторах, установленных в районах, подверженных землетрясениям. В таких случаях допускается возможность перевода действия отключающего элемента на сигнал. В связи с этим газовую защиту нельзя использовать в качестве единственной защиты трансформатора от внутренних повреждений.

Газовая защита обязательна для трансформаторов мощностью Sт>6300 кВА. Допускается устанавливать газовую защиту и на трансформаторах меньшей мощности. Для внутрицеховых подстанций газовую защиту следует устанавливать на понижающих трансформаторах практически любой мощности, допускающих это по конструкции, независимо от наличия другой быстродействующей защиты.

В качестве реагирующего органа выбираем реле с чашкообразными элементами типа РГЧЗ-66 (уставки скоростного элемента 0,6; 0,9; 1,2 м/с).

.4 Защита от перегруза

Выполняется одним реле тока, включенным на ток какой-либо фазы в цепь одного из трансформатора тока защиты от внешних кз.

Ток срабатывания защиты , А, определяется по формуле

,                         (52)

где К_над- коэффициент надежности отстройки учитывает только по-

грешность в токе срабатывания, К_над=1,05.

Ток срабатывания реле, А, определяется по формуле

,                                      (53)

Результаты расчетов сводятся в таблицу 9.

Таблица 9 - Расчет от перегруза

5. Выбор типов защиты для сети А-Б-В

Так как, сеть образована параллельными линиями и имеет двухстороннее питание, выбираются следующие защиты:

) поперечная дифференциальная направленная (основная от всех типов к.з.) защита;

) суммарная токовая направленная защита параллельных линий, снабженная, где это необходимо по условию селективности действия, органом направления мощности;

) токовая отсечка без выдержки времени отдельно для каждой параллельной цепи (дополнительная к основной от междуфазных к.з.).

5.1 Поперечная дифференциальная направленная защита

Ток срабатывания защиты выбирается по двум условиям:

Ток срабатывания защиты , А, должен превышать максимально возможный ток небаланса при внешнем к.з.

, (54)

где I_н.б.max - максимальный ток небаланса, А;

К_отс - коэффициент отстройки, К_отс=1,2.

,                               (55)

где I_н.б.΄ - ток небаланса, обусловленный погрешностью ТТ

,           (56)

где ε =10%;

k_ап - коэффициент учитывающий переходный режим, k_ап=2;

k_одн - коэффициент однотипности, k_одн=0,5÷1.

Ток срабатывания защиты должен быть больше максимально рабочего тока обеих линий

 , (57)

Рабочий максимальный ток , А, находится по формуле

,                                  (58)

где S_max - максимальная мощность передаваемой на линии Л1,2, МВА.

Выбирается большее значение тока срабатывания защиты. Коэффициент трансформации ТТ выбирается по току I_раб.max.

Ток срабатывания реле , А, определяется по формуле

,                              (59)

Чувствительность защиты определяется по минимальному току кз

,                                  (60)

где I_к.min⁽²⁾- двухфазный ток к.з. в точке равной чувствительности защит

, (61)

где P- коэффициент, зависимости от вида к.з., между фазами, P⁽²⁾ =;

E_ф- фазная ЭДС;

_ф=, (62 )

z_∑- результирующее сопротивление до точки к.з., Ом.

Для определения результирующего сопротивления изобразим схему замещения

Рисунок 4 - схема замещения линии А-Б-В

Для определения результирующего сопротивления изобразим схему замещения. Схема замещения приведена на рисунке П4.

,                      (63)

где z_с1 и z_с2 - результирующие сопротивления систем 1 и 2, Ом;

z_1,2 - результирующее сопротивление линии Л1,2, Ом;

z_3,4 - результирующее сопротивление линии Л3,4, Ом.

,                                              (64)

где S_АБ - передаваемая мощность сети А-Б, МВА.

,                                             (65)

где S_БВ - передаваемая мощность сети Б-В, МВА.

,                                           (66)

где l_1,2 - длина линии Л1,2, км.

,                                           (67)

где l_3,4 - длина линии Л3,4, км.

Результирующее сопротивление, Ом, определяется по формуле

,                                          (68)

Рассматривается к.з. в зоне каскадного действия после отключения выключателя у места повреждения

                                             (69)

                                   (70)

Длина зоны каскадного действия , , определяется по упрощенному выражению

,                                           (71)

где I_к⁽²⁾ - ток, проходящий по линии при двухфазном к.з. на границе каскадной зоны, так как I_к⁽²⁾ неизвестен, для упрощения его заменяют током к.з. в месте установки направленной защиты, А.

Выбираем реле направленной мощности типа РБМ-171/1 и определяем длину мертвой зоны , м, при близких трехфазных кз по упрощенному выражению

,                                      (72)

где U_с.р.min - минимальное напряжение срабатывания реле направленной мощности, В;

К_U - коэффициент трансформации трансформатора напряжения;

x_уд - удельное реактивное сопротивление линии, x_уд=0,4 Ом/км;_к.min⁽³⁾ - трехфазный ток кз на шинах, вблизи которых определяется длина мертвой зоны (в минимальном режиме), А.

Минимальное напряжение срабатывания реле , В, определяется по формуле

,                            (73)

где S_с.р.min - минимальная мощность срабатывания реле (РБМ-171/1), S_с.р.min=4 ВА.

Коэффициент трансформации трансформатора напряжения

,                                    (74)

где U_ном2 - напряжение во вторичной обмотке ТН, U_ном2=100 В.

Допускается иметь

l_м.з.<0,1·l

Результаты расчетов сводятся в таблицу 10

Таблица 10 - Расчет параметров поперечной дифференциальной направленной защиты

l_м.з.<0,1·84=3,06<8,4

Выбирается реле тока типа РТ-40/20 с пределами уставок 5÷20 А.

5.2 Суммарная максимальная токовая направленная защита

Устанавливается на приемных концах параллельных линий. Защита отстраивается от наибольшего рабочего тока.

Ток срабатывания защиты , А, определяется по формуле

,                          (75)

Ток срабатывания реле , А, определяется по формуле

,                              (76)

Чувствительность защиты определяется в основной зоне действия (со стороны питания)

,                                               (77)

Результаты расчетов сводятся в таблицу 11

Таблица 11 - Расчет параметров суммарной максимальной токовой направленной защиты

Выбирается реле тока типа РТ-40/6 с пределами установок 1,5÷6 А.

5.3 Токовая отсечка без выдержки времени

Отсечка настраивается на ток срабатывания отсечки, А, определяется по формуле

,                                            (78)

где I_с.з. - ток срабатывания максимальной токовой направленной защиты, А.

Ток срабатывания реле , А, определяется по формуле

,                                       (79)

Выбранное реле тока типа РТ-40/20 включается по схеме неполной звезды. Коэффициент чувствительности достаточно определить только при трехфазном к.з., так как основное назначение защиты - резервировать отказ поперечной дифференциальной направленной защиты при кз в мертвой зоне.

,                                               (80)

Результаты расчетов сводятся в таблицу 12

Таблица 12 - Расчет параметров токовой отсечки без выдержки времени

6. Выбор типа трансформатора тока и его проверка на пригодность

В соответствии с требованием [1] следует провести три расчетные проверки трансформатора тока:

на 10% полную погрешность при расчетном токе;

Определяется предельная кратность расчетного тока по отношению к первичному номинальному току ТТ.

,                                     (80)

где I_расч - величина расчетного тока при котором должна обеспечиваться точная работа ТТ, выбирается различная для различных

типов защиты в зависимости от принципа их работы.

Расчетный ток, А, определяется по формуле:

А,                    (81)

Выбирается ТТ типа ТВТ-220 по расчетному току из таблицы П7 [5].

Определяется по графику П8 допустимая нагрузка z_н.доп.=5,2.

Сравнивается допустимая нагрузка с фактической расчетной нагрузкой ТТ

,

где z_н.расч - определяется из таблицы 1.5 при соединении фаз звезда и при двухфазном и трехфазном к.з.

,                    (82)

проверку надежности контактов электромеханических реле при максимальном токе короткого замыкания;

При близких к.з. возможно работа ТТ с погрешностями более 10 %, при этом не только увеличивается угловая погрешность, но и искажается форма кривой вторичного тока, что может вызвать вибрацию контактов реле.

При неизменной нагрузке угловая погрешность и степень искажения формы кривой вторичного тока определяется по токовой погрешности ТТ.

Обобщённый коэффициент  определяется по формуле

,                                       (83)

,                               (84)

где I_к.max - максимальное значение тока при к.з. в месте установки защиты в начале защищаемого элемента, А.

К_max - максимальный коэффициент тока к.з.

Выбирается допустимая частота для различных типов реле из таблицы 1.3, а затем сравнивается с расчетной частотой.

, (85)

где f_расч - находится по рисунку 1.13 [5], f_расч=10Гц.

расчетное определение напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора тока при максимальном токе короткого замыкания.

Расчет производится с учетом переходного процесса в первичной цепи, чтобы получить максимальное значение напряжения на вторичной обмотке, которая определяется по следующему выражению.

,                           (86)

где К_у - ударный коэффициент определяется по таблице 1.4 [5], _у=1,65.

Полученное значение сравнивается с допустимым напряжением на вторичной обмотке.

,                                    (87)

где U_2доп - допустимое напряжение на вторичной обмотке ТТ,

_доп=1000 В.

Результаты сводятся в таблицу 13.

Таблица 13 - Расчет и выбор параметров ТТ

Приложение

Спецификация А1- на принципиальную схему релейной защиты понижающеего двухобмоточного трансформатора 110/6 кВ с питанием со стороны высшего напряжения