Электроснабжение предприятия

Задание



на курсовой проект по дисциплине «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения»

Для системы электроснабжения в соответствии с номером варианта необходимо выполнить следующее.

		Дать краткую характеристику системы с указанием назначения ее основных элементов.

		Произвести расчет сечений и выбор проводников следующих линий:

ВЛ: W1 (по методу экономических интервалов), W2 (по экономической плотности тока); КЛ: W3, W4.

	Произвести расчет основных параметров следующих защит: АК1, АК3, АК5

	Разработать принципиальные схемы перечисленных защит.

	Оформить работу аналитического характера, а также расчеты и комментарии к ним в виде пояснительной записки.

	


Исходные данные для выполнения курсового проекта



	Типы и параметры трансформаторов Т1 и Т2 (марка: ТМТН-10000/110, Sн=10МВА, uк.В-С=10,5%; uк.В-Н =17%; uк.С-Н =6%), Т3, Т4, Т5, Т6 (марка: ТМГ-160/10, Sн=160кВА, uк.=4,6%).

	Типы и параметры линий: W1 l = 6 км; W2 l = 8 км; W3 l = 1 км; W4 l = 1,5 км

	Типы и параметры существующих защит: АК1, АК3, АК5 защиты на постоянном оперативном токе, с независимой характеристикой; защиты двухступенчатые: – отсечка без выдержки времени; – МТЗ

	Типы и параметры электродвигателей: М1 (тип: асинхронный, Uпит=10кВ.; Р=600кВт, cosφ = 0,87).

	Характер нагрузки линий и трансформаторов: Т3, Т4, Т5, Т6 – бытовая, W4 – общепромышленная, обобщенная.

	Сопротивление системы: хсист.= 7,0 Ом.

	






Рис. 1




Анализ системы электроснабжения промышленного предприятия



Электроснабжение промышленных предприятий обычно осуществляется питающими линиями 10 (6) кВ от распределительных устройств того же напряжения электростанций или крупных подстанций. Применяется также питание от указанных источников, но по линиям более высокого напряжения (35–220 кВ). В данном курсовом проекте реализована сеть электроснабжения напряжением 110/35/10 кВ.

На одиночных линиях ВЛ 10 (6) кВ с односторонним питанием от многофазных замыканий обычно устанавливается двухступенчатая токовая защита: первая ступень – токовая отсечка;

вторая ступень – максимальная токовая защита с независимой или зависимой выдержкой времени.

Защита от однофазных замыканий на землю должна быть селективной, т.е. устанавливающей поврежденное направление, и действовать либо на сигнал, либо на отключение. Защита должна быть установлена на питающих элементах по всей сети.

Защита силовых трансформаторов должна срабатывать при возникновении повреждений и ненормальных режимов следующих видов:

	при многофазных замыканиях в обмотках и на выводах;

	при межвитковых замыканиях обмоток одной фазы и замыканиях на землю;

	при внешних коротких замыканиях;

	при недопустимых перегрузках;

	при недопустимом снижении уровня масла.

К числу наиболее распространенных защит относятся:

токовые отсечки (в том числе дифференциальные);

максимальные токовые защиты с пуском по напряжению и без него; дифференциальные (продольные) токовые защиты с торможением и без него; газовая защита.

Трансформаторы малой мощности до 750 кВА при напряжении 10 кВ и до 3200 кВА при напряжении 35 кВ тупиковых и цеховых подстанций, могут защищаться от внутренних коротких замыканиях с помощью предохранителей. Однако в этом случае из-за нестабильности защитных характеристик последних возможны недопустимые задержки отключения и сложности согласования с защитами смежных участков.

Релейную токовую защиту трансформаторов обычно выполняют двухступенчатой:

Первой степенью защиты является токовая отсечка, значение тока срабатывая которой выбирается выше максимального значения тока короткого замыкания за трансформатором.

Вторая ступень – это максимальная токовая защита, выдержка времени которой согласована с выдержками времени защит отходящих присоединений.

Для повышения чувствительности МТЗ дополняется пуском по напряжению от реле напряжения обратной последовательности (при несимметричных коротких замыканиях) или от реле минимального напряжения (при симметричных коротких замыканиях). Ток срабатывания МТЗ при этом выбирается по условию отстройки от номинального тока, а не от тока самозапуска электродвигателей, питаемых трансформатором, что и обеспечивает повышение чувствительности защиты.

Защита электродвигателей с напряжением питания 10 (6) кВ должна обеспечивать отключение двигателей при многофазных коротких замыканиях в обмотке статора, при однофазных коротких замыканиях на землю, при недопустимых перегрузках, а также предотвращать переход синхронных двигателей в асинхронный режим. Кроме того, в ряде случаев предусматривается защита от потери питания.

Для защиты двигателей от многофазных коротких замыканиях при мощности менее 2 МВт и отсутствии плавких предохранителей должна использоваться токовая однорелейная отсечка без выдержки времени, отстроенная от пусковых токов с реле прямого или косвенного действия.

Защита двигателей от однофазных коротких замыканий обмотки статора на землю устанавливается на двигателях мощностью менее 2 МВт, если ток короткого замыкания выше 10 А, а на более мощных двигателях – если ток короткого замыкания выше 5 А. Защита выполнятся с помощью токового реле, подключенного через фильтр токов нулевой последовательности.

Всё это будет учитываться при проектировании релейных защит.




Выбор сечений проводов и кабелей



2.1 Выбор сечения проводов линии W2 напряжением 10 кВ



а) методом экономической плотности тока.

Расчетный ток линии:







где:  – мощность, передаваемая по W1 (мощность трансформатора T4);

По таблице П2 [1] по заданному значению  и с учетом климатической зоны (центр России) находим рекомендуемую экономическую плотность тока: 

Вычисляем значение: 

Выбираем ближайшее стандартное значение сечения провода, равное 10 мм2.

Ввиду того, что сечение линии получилось малым и не проходит в дальнейшем по условию термической стойкости проводов, рассчитаем его по методу экономических токовых интервалов.

б) методом экономических токовых интервалов.

По таблице П3 находим нормативный коэффициент амортизации:



По графику рис. П1 [1] по заданному значению  находим значение времени потерь 

С учетом климатической зоны (центр России) по графику зависимости  (рис. П2 [1]) определяем удельную стоимость потерь энергии 

Вычисляем значение:







По графику рис. П6 [1] по значениям  и  находим точку N1, попадающую в зону экономического сечения 

Окончательно выбираем для линии W2 сечение 25 мм.



2.2 Выбор сечения проводов линии W1 напряжением 10 кВ



а) методом экономической плотности тока.

Расчетный ток линии:







где:  – мощность, передаваемая по W2 (мощность T3 и Т4);

По таблице П2 [1] по заданному значению  и с учетом климатической зоны (центр России) находим рекомендуемую экономическую плотность тока: 

Вычисляем значение: 

Выбираем ближайшее стандартное значение сечения провода, равное 16 мм2.

Ввиду того, что сечение линии получилось малым и не проходит в дальнейшем по условию термической стойкости проводов, рассчитаем его по методу экономических токовых интервалов.

б) методом экономических токовых интервалов.

По таблице П3 находим нормативный коэффициент амортизации:



По графику рис. П1 [1] по заданному значению  находим значение времени потерь 

С учетом климатической зоны (центр России) по графику зависимости  (рис. П2 [1]) определяем удельную стоимость потерь энергии 

Вычисляем значение:







По графику рис. П6 [1] по значениям  и  находим точку N1, попадающую в зону экономического сечения 

Окончательно выбираем для линии W1 сечение 35 мм.




2.3 Выбор сечения жил трехфазного кабеля W4 10 кВ.



Определяем длительно допустимую токовую нагрузку:







где:  – коэффициент перегрузки,

 – коэффициент снижения;

По таблице П5 [1] для ближайшего большего длительно допустимого тока (75 А) находим рекомендуемую площадь поперечного сечения жилы кабеля – 16 мм2.



2.4 Выбор сечения жил трехфазного кабеля W3 10 кВ.



Расчетный ток линии (сумма токов от линии W4 и трансформаторов Т5 и Т6):





где: ;



Определяем длительно допустимую токовую нагрузку:







где:  – коэффициент перегрузки,

 – коэффициент снижения;

По таблице П5 [1] для ближайшего большего длительно допустимого тока (65 А) находим рекомендуемую площадь поперечного сечения жилы кабеля – 25 мм2.




3. Расчет сопротивлений элементов схемы



3.1 Определение сопротивлений воздушных и кабельных линий



Условное обозначение линии

Длина, км

Марка

провода

Значение сопротивления











 





 





 



6



0,773

-

0,4

0,4

4,62

2,4



8



1,146

-

0,4

0,4

9,17

3,2



1

ААБлУ-25

1,24

0,099

0,4

0,499

0,499

0,5



1,5



1,94

0,102

0,4

0,502

2,91

0,8



3.2 Сопротивление системы, приведенное к напряжению 10 кВ



Сопротивление системы, приведенное к напряжению 10 кВ, вычислим по формуле:



, где:



 − сопротивление системы;

 − коэффициент трансформации.




3.3 Сопротивления трансформаторов



3.3.1 Сопротивление трёхобмоточных трансформаторов Т1, Т2

Сопротивление трёхобмоточного трансформатора находится как сумма сопротивлений его обмоток ВН и CН по формулам:

На стороне 110 кВ, приведенное к напряжению линии 10 кВ:



, где:





На стороне 10 кВ:



 где:





Полное сопротивление трёхобмоточного трансформатора:







3.3.2 Сопротивление трансформатора Т3, Т4, Т5, Т6








3.4 Сопротивление АД М1








4. Определение токов короткого замыкания



Схема замещения





4.1 Определение токов короткого замыкания в точке К1



Вычисляем суммарные сопротивления до точки К1:









Определяем ток при трехфазном и двухфазном КЗ в точке К1:








где  – ЭДС энергосистемы (принимается равным  сети).



4.2 Определение токов короткого замыкания в точке К2



Вычисляем суммарные сопротивления до точки К2:



	







Определяем ток при трехфазном и двухфазном КЗ в точке К2:









4.3 Определение токов короткого замыкания в точке К3



Вычисляем суммарные сопротивления до точки К3:



	






Определяем ток при трехфазном и двухфазном КЗ в точке К3:









4.4 Определение токов короткого замыкания в точке К4



Вычисляем суммарные сопротивления до точки К3:











Определяем ток при трехфазном и двухфазном КЗ в точке К4:









4.5 Определение токов короткого замыкания в точке К5



Вычисляем суммарные сопротивления до точки К3:



	






Определяем ток при трехфазном и двухфазном КЗ в точке К5:









4.6 Определение токов короткого замыкания в точке К6



Вычисляем суммарные сопротивления до точки К3:











Определяем ток при трехфазном и двухфазном КЗ в точке К6:









4.7 Определение токов короткого замыкания в точке К7



Вычисляем суммарные сопротивления до точки К3:










Определяем ток при трехфазном и двухфазном КЗ в точке К7:









4.8 Определение токов короткого замыкания в точке К8



Вычисляем суммарные сопротивления до точки К3:



	







Определяем ток при трехфазном и двухфазном КЗ в точке К8:









4.9 Определение токов короткого замыкания в точке К9



Вычисляем суммарные сопротивления до точки К3:



	






Определяем ток при трехфазном и двухфазном КЗ в точке К9:









4.10 Определение токов короткого замыкания в точке К10



Вычисляем суммарные сопротивления до точки К3:











Определяем ток при трехфазном и двухфазном КЗ в точке К10:










5. Расчет релейных защит



Исходными данными для расчета МТЗ являются схема линии и основные параметры:

1) сопротивление питающей энергосистемы ;

2) длина и тип проводов линии и ответвлений;

3) параметры трансформаторов;

4) тип и характеристики существующей токовой защиты.



5.1 Расчет защиты асинхронного двигателя М1 (АК5)



Исходные данные:

	тип двигателя – асинхронный;

	мощность ;

	коэффициент мощности ;

	напряжение ;

	кратность пускового тока ;

	схема питания двигателя − от шин 

	назначение защиты − от многофазныхных к.з. на выводах и обмотках статора и от перегрузок;

	

	

	Схема защиты электродвигателя токовой отсечкой с одним токовым реле мгновенного действия:

а – цепи тока, б – цепи оперативного постоянного тока


Применяем схему на постоянном оперативном токе

Наиболее простой является однорелейная схема на разность токов двух фаз с индукционным реле типа РТ-84.

У реле этого типа два независимых контакта:

КА1.2 − электромагнитного элемента, мгновенного действия, рассчитан на ток до 150 А

КА1.1 − индукционного элемента, зависимой от тока выдержкой времени, маломощный. Этот контакт коммутирует обмотку промежуточного реле KL типа РПУ-2.

Определяем ток срабатывания отсечки:



,



где:  − номинальный ток двигателя;

 − коэффициент надежности отстройки для выбранного типа реле;

Следовательно 

Ток срабатывания электромагнитного элемента реле:







Ток срабатывания МТЗ от перегрузки выбирается из условия отстройки от номинального тока двигателя:






Ток срабатывания реле:







Ближайшая уставка на реле  3 А:

Следовательно: .

Кратность токов срабатывания электромагнитного и индукционного элементов реле  соответствует параметрам реле (табл. П. 19, кратность 2–8).

Чувствительность МТЗ двигателя не проверяется, поскольку она не предназначена для защиты от коротких замыканий. Время срабатывания МТЗ выбирается несколько больше времени пуска двигателя при эксплуатационном возможном понижении напряжения. Для двигателя мощностью 600кВА принимаем выдержку времени в независимой части характеристики реле тока равной 12 с.



5.2 Расчет защиты трансформаторов Т3, Т4 (АК3)



Принципиальная схема защиты приведена на рисунке.





Выбрана двухфазная двухрелейная защита с реле тока типа РТ-40, реле времени типа РВ. Токи срабатывания защиты и реле определяются:







Кн – коэффициент надежности (учитывает разброс значений токов срабатывания реле), Кв – коэффициент возврата реле;  – коэффициент самозапуска,  – максимальный рабочий ток.

Значения Кн лежат в диапазоне 1,1÷1,2 для реле типа РТ-40;

Кв принимает значения 0,8÷0,85 для реле типа РТ-40.

Коэффициент самозапуска определяется долей электродвигателей в суммарной нагрузке и их типами. Для промышленной нагрузки преимущественно с двигателями напряжением 0,4 кВ Ксзп  2,0 ÷ 3,0; для промышленной нагрузки с высокой долей (более 50%) двигателей 3–10 кВ Ксзп  3,5 ÷ 5,0.

Максимальный рабочий ток линии определяем как сумму номинальных токов всех трансформаторов, питающихся от защищаемой линии:







Таким образом ток срабатывания защиты определяется как:







Ток срабатывания реле:





Ксх – коэффициент схемы при симметричном режиме; Кт – коэффициент трансформации трансформатора тока.

Коэффициент схемы показывает, во сколько раз ток в реле защиты больше, чем вторичный ток трансформатора тока. Для схем соединения трансформаторов тока в «звезду» Ксх = 1

Проводится проверка чувствительности защиты с учетом действительной токовой погрешности трансформаторов тока. Коэффициент чувствительности определяется по выражению:







-минимальное значение тока при двухфазном к.з. в конце защищаемого участка. 

Проводится проверка чувствительности защиты с учетом действительной токовой погрешности трансформаторов тока после дешунтирования электромагнитов отключения YAT-1 и YAT-2. Коэффициент чувствительности определяется по выражению:







f – токовая погрешность трансформаторов тока при токе к.з., обеспечивающем надежное срабатывание защиты; - ток срабатывания защиты;

Кв – коэффициент возврата (для РТ-40 Кв=0,8). Для определения значения погрешности f воспользуемся графиком зависимости f=φ(A), приведённым на рис. П. 12. Обобщённый коэффициент А вычисляется по формуле



,



где  – это отношение максимального первичного тока при к.з. в начале защищаемой зоны к первичному номинальному току трансaформатора тока.







Переходное сопротивление контактов обычно принимают равным Zпер =0, l Ом. Сопротивление проводов можно определить по формуле 

где  – длина провода от трансформатора тока до реле, м; s – сечение провода, мм2;  – удельная проводимость (для меди  для алюминия ).В рассматриваемом примере Zпр= 0,06 Ом. В соответствии с табл. П. 13 для схемы «неполная звезда» и двухфазного к.з. расчетное сопротивление нагрузки в нашем случае равно:

Zн.расч. =2*0,06+0,01+2*0,1 +0,1=0,43 Ом.

По графику 1 (рис. П. 14) находим значение  соответствующее нагрузке 0,43 Ом, которое составляет приблизительно 16. Таким образом, , что по графику (рис. П. 12) даёт значение погрешности f=50%, т.е. необходимая чувствительность обеспечивается.

Проводится проверка трансформатора тока (Т.Т.) на 10%-ю погрешность. Для этого используются кривые предельной кратности.

Расчетный ток выбирается на 10% превышающим ток срабатывания защиты т.е.:



Коэффициент предельной кратности определяется по формуле: 







По графику кривой предельной кратности для трансформатора ТПЛ-10 (рис. П. 13) этому значению К10 соответствует нагрузка трансформатора ZH.ДОП=6 Ом, что существенно больше расчётного значения Zн.расч =0,43 Ом. Следовательно, до и после дешунтирования электромагнита отключения погрешность трансформатора тока не превышает 10%.

Проверка надежности работы контактов реле РТ-40 проводится в связи с тем, что при к.з. в начале защищаемой зоны резко повышается токовая погрешность и искажается форма кривой вторичного тока Т.Т. (становится несинусоидальной). Надежное замыкание контактов реле РТ-40 обеспечивается при токовой погрешности Т.Т. f<60%. Таким образом, надежное замыкание контактов обеспечено.

Расчет напряжения па выводах вторичной обмотки Т.Т. при к.з. в начале защищаемой 

	Полученное значение существенно ниже предельно допустимого значения 

	

5.3 Расчет защиты АК1



Принципиальная схема защиты приведена на рисунке.






Выбрана двухфазная двухрелейная защита с реле тока типа РТ-40, реле времени типа РВ. Токи срабатывания защиты и реле определяются:







Кн – коэффициент надежности (учитывает разброс значений токов срабатывания реле), Кв – коэффициент возврата реле;  – коэффициент самозапуска,  – максимальный рабочий ток.

Значения Кн лежат в диапазоне 1,1÷1,2 для реле типа РТ-40;

Кв принимает значения 0,8÷0,85 для реле типа РТ-40.

Коэффициент самозапуска определяется долей электродвигателей в суммарной нагрузке и их типами. Для промышленной нагрузки преимущественно с двигателями напряжением 0,4 кВ Ксзп  2,0 ÷ 3,0; для промышленной нагрузки с высокой долей (более 50%) двигателей 3–10 кВ Ксзп  3,5 ÷ 5,0.

Максимальный рабочий ток линии определяем как сумму номинальных токов всех трансформаторов, питающихся от защищаемой линии:





Таким образом ток срабатывания защиты определяется как:







Ток срабатывания реле:







Ксх – коэффициент схемы при симметричном режиме; Кт – коэффициент трансформации трансформатора тока.

Коэффициент схемы показывает, во сколько раз ток в реле защиты больше, чем вторичный ток трансформатора тока. Для схем соединения трансформаторов тока в «звезду» Ксх = 1

Коэффициент чувствительности определяется по выражению:





	

	-минимальное значение тока при двухфазном к.з. в конце защищаемого участка =4,13кА;

Проводится проверка чувствительности защиты с учетом действительной токовой погрешности трансформаторов тока после дешунтирования электромагнитов отключения YAT-1 и YAT-2. Коэффициент чувствительности определяется по выражению:






f – токовая погрешность трансформаторов тока при токе к.з., обеспечивающем надежное срабатывание защиты; - ток срабатывания защиты;

Кв – коэффициент возврата (для РТ-40 Кв=0,8). Для определения значения погрешности f воспользуемся графиком зависимости f=φ(A), приведённым на рис. П. 12. Обобщённый коэффициент А вычисляется по формуле







где  – это отношение максимального первичного тока при к.з. в начале защищаемой зоны к первичному номинальному току трансaформатора тока.





	, где :

	

	;

	

	По графику (рис. П. 15) находим значение , соответствующее нагрузке 2,5 Ом., А составляет приблизительно 6. Таким образом значение погрешности около .

	4. Проводится проверка Т.Т. на 10%-ную погрешность. Для этого используются кривые предельной кратности.

	Расчетный ток выбирается на 10% превышающим ток срабатывания защиты, т.е. . Коэффициент предельной кратности определяется по формуле:

	

	.

	

	По графику кривой предельной кратности для Т.Т. ТЛМ-10 [1, рис. П. 14] этому значению К10. соответствует нагрузка трансформатора: Ом., что больше расчетного значения =2,76Ом. Следовательно погрешность Т.Т. не превышает 10%.

	5. Проверка надежности работы контактов реле РТ-40 проводится в связи с тем, что при к.з. в начале защищаемой зоны резко повышается токовая погрешность и искажается форма кривой вторичного тока Т.Т. (становится несинусоидальной). Надежное замыкание контактов реле РТ-40 обеспечивается при токовой погрешности Т.Т.: . Таким образом, надежное замыкание контактов обеспечено.

	6. Проверяется надежность работы контактов реле РВ

	

	-ток через W2-вторичная обмотка ТТ при КЗ в точке К1

	

	

	7. Проверка отсутствия перенапряжений на зажимах вторичной обмотки ТТ.

	Напряжение на выводах вторичной обмотки при к.з. вначале защищаемого участка определяется по формуле:

	

	

	

	Полученное значение существенно ниже предельно допустимого значения 

	




Заключение



В курсовом проекте, на примере участка системы электроснабжения U=110/35/10 кв были проведены расчеты защит отдельных элементов схемы – воздушной и кабельной линий, а также асинхронного двигателя. Но для этого, предварительно, по заданной нагрузке было проведено:

расчет сечений линий W1, W2, W3, W4;

расчет токов КЗ в нескольких местах схемы;

задались типами реле и источниками оперативного тока;

Сам расчет и виды защит отвечают требованиям ПУЭ, что делает нашу систему электроснабжения надежной, исключающей непредвиденные перерывы в подаче энергии потребителям.






Список литературы



1. Шахнин В.А. Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения. Пособие к курсовому проектированию. Владимир, ВлГУ, 2003, 80 с.

	2. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть станций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. М., Энергоатомиздат, 1989, 608 с.

3. Баумштейн И.А., Бажанов С.А. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. М., Энергоатомиздат, 1989, 768 с.