Релейная защита промышленного предприятия

Задание на курсовую работу



Схема распределительной сети электрической энергии промышленного предприятия и виды его нагрузки представлена на рисунке 1. 

Необходимо выбрать типы защит всех элементов приведенной схемы в соответствии с ПУЭ. Выбранные защиты в условном изображении нанести на схему. Произвести расчет величин токов короткого замыкания. Произвести расчет защит следующих объектов: силового трансформатора Т1 (выключатель Q16), воздушных линий Л1 и Л2 (выключатели Q1 и Q5), кабельной линии Л5 (выключатель Q21), сборных шин (секционный выключатель Q27), трансформатора Т5 (выключатель Q34), двигателя Д (выключатель Q29).

Также необходимо изобразить схему релейной защиты трансформатора Т1 и двигателя Д; выбрать тип трансформатора тока 29 и определить сечение провода в его вторичных цепях (медный кабель длиной 10 м).

Исходные данные приведены в таблицах 1– 6.



Таблица 1 – Система и сеть А-Б-В

Мощность КЗ систем,

МВА

,

кВ

Длина,

км

Переда-

ваемая

мощ-

ность,

МВА

Мощ-

ность,

забира-

емая

ГПП,

МВА

Кол-во

отходя-

щих

тран-

зитных

линий

Мощ-

ность

Т1, Т2,

МВА

Кол-во

и мощ-

ность

Т3,

МВА

Система 1

Система 2















режимы

режимы















макс

мин

макс

мин



Л1,2

Л3,4

А-В

Б-В









1500

1200

1900

1600

220

70

85

95

85

34

4

2×25

6×1,6




Таблица 2 – Характеристики трансформаторов

Т1, Т2

Т3

Тип

Мощность

S, МВА

, %

Пределы

регули-

рования, %

Тип

Мощность

S, МВА

, %

ТРДН-25000/220

25

12

12

ТМ-1600/10

1,6

5,5



Таблица 3 – Выдержки времени защит отходящих линий от шин подстанции Г, их параметры

Выдержки времени защит на Q, с

Л5

Л6

9

10

11

12

13

14

22

24

Длина, км

Кол-во КЛ

Материал

Сечение, мм2



Длина, км

Кол-во КЛ

Материал

Сечение, мм2



2,5

2,0

1,5

2,2

1,2

1,3

1,0

0,9

2,5

2

А

185

3,7

1,3

2

М

240

1,6



Таблица 4 – Нагрузки на шинах РП1 и РП2

Двигатели 10 кВ (асинхронные типа АТД)

БК

ДСП

Кол-во

Мощность Рном, кВт

Коэффициент пуска kп

Q, квар

Кол-во

Sном, МВА

3

1250

5,2

3500

1

25,0



Таблица 5 – Электродвигатель с номинальным напряжением Uн = 380 В

Тип

, кВт



, %



Длина

кабеля 

Л7, м

4 А112 МА 8У3

2,2

0,71

76,5

5

10




Таблица 6 – Параметры преобразовательного агрегата

Тип

Назначение

Выпр. напр.

, В

Выпр. ток

, А

Напряжение

питания, кВ

Схема

выпрямления

ТВД

Питание электролиза получения водорода

200

1250

10

Трехфазная

мостовая



Защиты выполняются на постоянном оперативном токе.





Рисунок 1 – Схема распределительной сети


На рисунке обозначено: 

ПГТВ – защита от перегруза токами высших гармоник; АР – защита от асинхронного режима;  – температурные указатели, указатели циркуляции масла и воды в системе охлаждения с действием на сигнал.


1 Расчет токов короткого замыкания



Величина токов короткого замыкания для ряда защит (дифференциальных, токовых отсечек и т.д.) влияет на значение тока срабатывания. Кроме того, они необходимы для вычисления коэффициентов чувствительности выбранных защит. 

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 достаточно иметь токи трехфазного короткого замыкания, для минимального — токи двухфазного короткого замыкания. 

Расчет проводим в относительных единицах. Базисная мощность  МВА. Принимаем среднее значение напряжения сети:  кВ и  кВ.

1.1 Расчет сопротивлений элементов схемы

Удельное реактивное сопротивление воздушных линий Л1, Л2, Л3 и Л4 принимаем средне-типовым  Ом/км, активным сопротивлением пренебрегаем.

Сопротивление воздушных линий Л1 и Л2 определим по формуле (1.1):



, (1.1)



здесь  – длина линии Л1, км.



.

Сопротивление воздушных линий Л3 и Л4 определим по формуле (1.2):


, (1.2)



здесь  – длина линии Л3, км.



.



Кабели марки А-185 и М-240 имеют следующие удельные параметры: удельное индуктивное сопротивление  Ом/км;  Ом/км, удельное активное сопротивление  Ом/км;  Ом/км.

Индуктивное сопротивление кабельной линии Л5:



, (1.3)



здесь  – длина линии Л5, км;



.



Активное сопротивление кабельной линии Л5:

	

	, (1.4)

.




Индуктивное сопротивление кабельной линии Л6:



, (1.5)



здесь  – длина линии Л6, км;



.



Активное сопротивление кабельной линии Л6:

, (1.6)

.



Сопротивления трансформаторов Т1 и Т2:



, (1.7)



здесь  – номинальная мощность трансформатора Т1, ВА.



.



Сопротивление трансформатора Т3:


, (1.8)



здесь  – номинальная мощность трансформатора Т3, ВА.



.



1.2 Расчет величин токов КЗ



Расчёт токов короткого замыкания приведён в таблицах 7 – 9.



Таблица 7 – Максимальный режим, секционный выключатель Q15 включен, Q20 и Q27 отключены

Точка КЗ

на шинах

п/ст

Искомые 

величины

Питание со стороны





Система G1

Система G2

А

, о.е.







, МВА

1500





, кА





Б

, о.е.







, МВА



1900



, кА





В

Ic,

IIс

, о.е.







, МВА







, кА





Питание одновременно от систем G1 и G2

В

Ic,

IIс

, МВА





, о.е.





, кА



Г

Ic,

IIс

, о.е.





, МВА





, кА



Д

Ic

, о.е.





, МВА





, кА



Д

IIc

, о.е.





, МВА





, кА



Е

, о.е.





, МВА





, кА





Таблица 8 – Минимальный режим, секционные выключатели Q15, Q20 и Q27 отключены, линии Л2 и Л4 отключены

Точка КЗ

на шинах

п/ст

Искомые 

величины

Питание со стороны





Система G1

Система G2

А

, о.е.



 — 



, МВА

1200





, кА





Б

, о.е.

—





, МВА



1600



, кА





В



, о.е.

 IIс



 Iс





, МВА







, кА





Г



, о.е.

 IIс



 Iс





, МВА







, кА





Д



, о.е.

 IIс



 Iс





, МВА







, кА





Е

, о.е.

—





, МВА







, кА







Таблица 9 – Минимальный режим, секционный выключатель Q15 включен, линия Л4 отключена

Точка КЗ

на шинах

п/ст

Искомые 

величины

Питание со стороны





Система G1

Система G2

А

, о.е.



  



, МВА

1200





, кА





В

, о.е.







, МВА







, кА








2 Расчёт защиты высоковольтного двигателя Д



Для защиты асинхронных электродвигателей напряжением выше 1000 В предусматриваются следующие защиты:

1) токовая отсечка;

2) защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ);

3) защита от перегруза — МТЗ с выдержкой времени;

4) защита минимального напряжения.



2.1 Токовая отсечка



1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13.

2) Для выбора трансформатора тока определим номинальный ток двигателя:



, (2.1)



где  – номинальная мощность двигателя, Вт (см. таблицу 4);

 – номинальное напряжение двигателя, В (см. таблицу 4);

 – номинальный коэффициент мощности двигателя.



 А.



К установке принимаем трансформатор тока ТЛК10-100-0,5/10Р:  А,  А. Коэффициент трансформации трансформатора тока: 




.



Схема включения трансформаторов тока и реле — неполная звезда, коэффициент схемы .

3) Определим ток срабатывания защиты, который отстраивается от пускового тока двигателя:



, (2.2)



где  — коэффициент отстройки.

Найдем пусковой ток по следующему выражению:



, (2.3)



где  – коэффициент пуска двигателя.

 А.

Тогда по выражению (2.2) ток срабатывания защиты



 А.



4) Коэффициент чувствительности определяется при двухфазном коротком замыкании в минимальном режиме на шинах, к которым подключен двигатель:



. (2.4)




Так как коэффициент чувствительности превышает нормируемое значение, то защита удовлетворяет требованию чувствительности.



5) Ток срабатывания реле:



 А. (2.5)



Принимаем к установке реле РСТ 13-29, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:



. (2.6)



Принимаем сумму уставок .

Найдем ток уставки реле:



 А.



2.2 Защита от однофазных замыканий на землю



Защита электродвигателей мощностью менее 2 МВт от однофазных замыканий на землю должна предусматриваться при токах замыкания на землю 5 А и более. Ток замыкания на землю складывается из емкостного тока двигателя и емкостного тока кабельной линии. 

1) Найдем емкость фазы электродвигателя:


, (2.7)



здесь  – номинальная мощность двигателя, МВт;

– номинальное линейное напряжение, кВ.



 Ф.



Тогда емкостный ток двигателя:



, (2.8)



здесь  Гц – частота сети;

 – номинальное фазное напряжение двигателя, В.



 А.



2) Определим ёмкостный ток кабельной линии. Номинальный ток двигателя  А. Исходя из этого выбираем кабель марки М-25 с допустимым током 120 А. Длину кабельной линии примем  м.

Емкостный ток кабельной линии:



, (2.9)



где  А/км – удельный емкостный ток выбранного кабеля.


 А.



3) Суммарный ток замыкания на землю



 А < 5 А,



следовательно, защита от однофазных замыканий на землю не устанавливается.



2.3 Защита от перегруза — МТЗ с выдержкой времени



1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13 с коэффициентом возврата . 

2) Перегруз является симметричным режимом, поэтому защита выполняется одним реле, включенным в одну из фаз. Используем те же трансформаторы тока, что и для токовой защиты (коэффициент трансформации , коэффициент схемы ).

3) Ток срабатывания защиты определяется из условия отстройки от номинального тока двигателя: 



, (2.10)



где  – коэффициент отстройки.



 А.


4) Коэффициент чувствительности не определяется.

5) Ток срабатывания реле:



 А. (2.11)



Принимаем к установке реле РСТ 13-19, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:



. (2.12)



Принимаем уставку .

Найдем ток уставки реле:

 А.

6) Выдержка времени защиты отстраивается от времени пуска электродвигателя и равна  с. Используем реле времени РВ-01.



2.4 Защита минимального напряжения



Защита выполняется двухступенчатой. Первая ступень отключает неответственную нагрузку. 

1) Для выполнения защиты будем использовать реле типа РСН 16, которое имеет коэффициент возврата .

2) Выбираем трансформатор напряжения типа ЗНОЛ.06-10:  В,  В. 


Коэффициент трансформации трансформатора напряжения:



.



3) Напряжение срабатывания первой ступени отстраивается от минимального рабочего напряжения, которое составляет 70 % от номинального: :



 В, (2.13)



здесь  – коэффициент отстройки.

4) Коэффициент чувствительности не рассчитывается, так как неизвестно минимальное остаточное напряжение на шинах при металлическом коротком замыкании в конце зоны защищаемого объекта.

5) Напряжение срабатывания реле первой ступени



 В.



Принимаем к установке реле РСН 16-28, у которого напряжение срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:



. (2.14)




Принимаем уставку .

Найдем напряжение уставки реле I ступени:



 В.



6) Выдержка времени принимается на ступень селективности больше времени действия быстродействующей защиты от многофазных коротких замыканий. Примем  с. Реле времени РВ-01.

Вторая ступень защиты отключает сам двигатель. 

1) Вторую ступень защиты также выполним на реле РСН 16, коэффициент возврата .

2) Реле включается во вторичные цепи того же трансформатора напряжения, что и реле первой ступени.

3) Напряжение срабатывания второй ступени:



 В, (2.15)



здесь  – коэффициент отстройки.

4) Коэффициент чувствительности не определяем.

5) Напряжение срабатывания реле первой ступени



 В.



Принимаем к установке реле РСН 16-23, у которого напряжение срабатывания находится в пределах .


Определим сумму уставок:



. (2.16)



Принимаем уставку .

Найдем напряжение уставки реле I ступени:



 В.



6) Время срабатывания второй ступени защиты принимаем  с, так как по технологии недопустим самозапуск двигателя от напряжения . Используем реле времени РВ-01.




3 Расчет защиты трансформатора Т5



Полупроводниковый преобразователь подключается к питающей сети переменного тока через трансформатор Т5, образуя преобразовательный агрегат. Повреждения и ненормальные режимы возможны как в трансформаторе, так и в полупроводниковом преобразователе, поэтому необходима установка защит как со стороны питания, так и в цепи нагрузки преобразователя. 

Основными защитами трансформатора преобразовательного агрегата являются:

1) МТЗ без выдержки времени от многофазных коротких замыканий в обмотках и на выводах трансформатора;

2) газовая защита от внутренних повреждений и понижения уровня масла;

3) токовая защита от перегруза.

Определим номинальную мощность трансформатора:



 кВА, (3.1)



где  – выпрямленное напряжение, В;

 – выпрямленный ток, А;

 – КПД питающего трансформатора.

Поскольку номинальная мощность трансформатора меньше 400 кВА, то газовая защита не устанавливается.




3.1 МТЗ без выдержки времени



	Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13.

	Максимальный рабочий ток трансформатора, равный номинальному току:



 А. (3.2)



Выбираем трансформатор тока ТПЛК-10-30-0,5/10Р:  А,  А. Коэффициент трансформации трансформатора тока: . Трансформаторы тока и реле включены по схеме неполной звезды с реле в нулевом проводе: .

	Ток срабатывания защиты отстраивается от максимального рабочего тока: 



 А, (3.3)



где  – коэффициент отстройки от бросков тока намагничивания при включении ненагруженного трансформатора и от возможных толчков тока нагрузки.

	Коэффициент чувствительности определяется при двухфазном коротком замыкании в минимальном режиме на выводах высокого и низкого напряжений:



. (3.4)


Определим ток двухфазного короткого замыкания на выводах низкого напряжения, приняв напряжение короткого замыкания трансформатора  %:



. (3.5)



Тогда эквивалентное сопротивление:



о.е.



Зная эквивалентное сопротивление, можно определить мощность короткого замыкания:



 МВА.



Ток двухфазного короткого замыкания на выводах низкого напряжения, приведенный к высокому напряжению трансформатора:



 А. (3.6)



Определим коэффициент чувствительности на выводах низкого напряжения:




. (3.7)



Так как коэффициент чувствительности в обоих случаях превышает нормируемое значение, то защита удовлетворяет требованию чувствительности.

5) Ток срабатывания реле:



 А. (3.8)



Принимаем к установке реле РСТ 13-24, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:



. (3.9)



Принимаем сумму уставок .

Найдем ток уставки реле:



 А.



3.2 Максимальная токовая защита с выдержкой времени – защита от перегруза



1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13 с коэффициентом возврата .

2) Принимаем к установке уже выбранный в п.3.1 трансформатор тока ТПЛК-10-30-0,5/10Р. Трансформаторы тока включены по схеме неполной звезды, реле устанавливается в одну фазу (так как перегруз является симметричным режимом): . Коэффициент трансформации .

3) Определим ток срабатывания защиты, который отстраивается от максимального рабочего тока на ВН трансформатора:



, (3.10)



где  – коэффициент отстройки;

 – кратность тока перегрузки по отношению к максимальному рабочему;

 – максимальный рабочий ток трансформатора.



 А. (3.11)



4) Коэффициент чувствительности не определяется.

5) Ток срабатывания реле:



 А. (3.12)



Принимаем к установке реле РСТ 13-24, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:




. (3.13)



Принимаем сумму уставок .

Найдем ток уставки реле:



 А.



6) Время срабатывания защиты определяется технологическим процессом и принимается  с. Используем реле времени РВ-01.



3.3 Защита полупроводникового преобразователя



Дополнительно к защите трансформатора на полупроводниковом преобразователе также предусматриваются устройства защиты.

1) Для защиты от пробоя вентильных преобразователей используют быстродействующие плавкие предохранители, устанавливаемые последовательно с вентилями в каждую параллельную ветвь. Селективное действие предохранителей обеспечивается тем, что при повреждении одного из вентилей весь ток короткого замыкания проходит только через предохранитель этого вентиля, а в двух других фазах ток к.з. распределяется по всем параллельно включенным предохранителям. Для защиты могут использоваться предохранители типа ПП57, имеющие высокое быстродействие порядка 0,003 с при отношении тока аварийного режима к номинальному току плавкой вставки .

2) Устройства, основанные на снятия импульсов управления с силовых тиристоров преобразователя (защита по управляющему электроду) для предотвращения сверхтоков. При возникновении короткого замыкания сигналом с датчика тока блокируется подача отпирающих импульсов на силовые тиристоры. Выключение тиристора, проводившего ток, осуществляется в момент естественного снижения тока до тока удержания тиристора. 

3) Защита от внутренних и внешних перенапряжений. Для защиты от внешних перенапряжений (из сети и цепи нагрузки) применяют RC-цепочки и нелинейные полупроводниковые ограничители, включаемые к выводам вентильной обмотки трансформатора. Для защиты от внутренних перенапряжений, обусловленных эффектом накопления в вентилях неосновных носителей, также применяются RC-цепи, включаемые параллельно вентилям. Такая цепь одновременно уменьшает и скорость изменения напряжения.


4 Защита сборных шин (секционный выключатель Q27)



Для защиты сборных шин 10 кВ используется двухступенчатая токовая защита:

1) токовая отсечка;

2) максимальная токовая защита с выдержкой времени.



4.1 Токовая отсечка



1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13.

2) Токи, протекающие через секционный выключатель Q27, определяются токами кабельных линий. Определим эти токи.

Определим ток, протекающий по кабельной линии Л5:



 А, (4.1)



Определим ток, протекающий по кабельной линии Л6:



 А. (4.2)



В качестве максимального рабочего тока будем рассматривать наибольший из этих токов, т.е.  А.

Принимаем к установке трансформатор тока типа ТШЛ10-2000-0,5/10Р:  А,  А. 

Коэффициент трансформации трансформатора тока: 



.


Схема включения трансформаторов тока и реле – неполная звезда, коэффициент схемы .

3) Ток срабатывания защиты отстраивается от максимального из токов срабатывания токовых отсечек отходящих присоединений. В данном случае это будет ток срабатывания отсечки двигателя Д (см. выражение (2.2)):



 А. (4.3)



4) Коэффициент чувствительности не определяется.

5) Ток срабатывания реле:



 А. (4.4)



Принимаем к установке реле РСТ 13-19, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:



. (4.5)



Принимаем сумму уставок: .

Найдем ток уставки реле: 



 А.




4.2 Максимальная токовая защита с выдержкой времени



1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13 с коэффициентом возврата .

2) Реле включаются во вторичные цепи выбранного в п.4.1 трансформатора тока. Коэффициент трансформации трансформатора тока: . Коэффициент схемы .

3) Ток срабатывания защиты отстраивается от максимального рабочего тока:



 А. (4.6)



4) Коэффициент чувствительности не рассчитывается.

5) Ток срабатывания реле:



 А. (4.7)



Принимаем к установке реле РСТ 13-24, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:



. (4.8)



Принимаем сумму уставок: .

Найдем ток уставки реле: 


 А.



6) Выдержка времени защиты принимается на ступень селективности больше выдержки времени МТЗ трансформатора Т3. Примем  с. Тогда  с. Используем реле времени РВ-01.


5 Расчёт защиты кабельной линии Л5



На кабельной линии устанавливаются следующие виды защит:

1) токовая отсечка без выдержки времени;

2) максимальная токовая защита с выдержкой времени;

3) защита от однофазных замыканий на землю.



5.1 Токовая отсечка без выдержки времени



1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13.

2) Допустимый ток кабеля А-185 (трехжильный алюминиевый кабель, прокладываемый в земле, на 10 кВ):  А.

3) Максимальный рабочий ток линии примем равным длительно допустимому току кабеля. 



, (5.1)



где  – число кабельных линий Л5.

 А.

Принимаем к установке трансформатор тока типа ТПОЛ-10-800-0,5/10Р:  А,  А. Коэффициент трансформации трансформатора тока: 



.


Схема соединения трансформаторов тока и реле – неполная звезда, коэффициент схемы .

4) Ток срабатывания защиты:



, (5.2)



здесь  – коэффициент отстройки.



 А.



5) Коэффициент чувствительности в данном случае не определяем. Считаем, что основной защитой является максимальная токовая защита. 

6) Ток срабатывания реле:



 А. (5.3)



Принимаем к установке реле РСТ 13-29, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:



. (5.4)



Принимаем сумму уставок .

Найдем ток уставки реле:

 А.


5.2 Максимальная токовая защита с выдержкой времени



1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13 с коэффициентом возврата .

2) Для выполнения защиты применяются те же трансформаторы тока, что и для токовой отсечки. Коэффициент трансформации трансформаторов тока , коэффициент схемы . 

3) Ток срабатывания защиты определяется из условия отстройки от максимального рабочего тока линии:



, (5.5)



здесь  – коэффициент отстройки для статического реле;

 – коэффициент самозапуска двигателей для линии Л5.



 А.



4) Коэффициент чувствительности в основной зоне проверяем по току двухфазного короткого замыкания в конце кабельной линии Л5 (на шинах ДIc):



. (5.6)



Коэффициент чувствительности в резервной зоне определяем по току двухфазного короткого замыкания за трансформатором Т3 (на шинах Е), приведенным на высокую сторону:


. (5.7)



Поскольку защита не удовлетворяет требованиям чувствительности, устанавливаем МТЗ с пуском по напряжению. 

5) Загрубляем защиту, то есть, принимаем . Тогда ток срабатывания защиты



 А. (5.8)



6) Ток срабатывания реле:



 А. (5.9)



Принимаем к установке реле РСТ 13-24, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:



. (5.10)



Принимаем сумму уставок .

Найдем ток уставки реле:



 А.


7) Выдержка времени защиты принимается на ступень селективности больше выдержки времени на секционном выключателе Q27:  с, то  с.

8) Вводим защиту минимального напряжения на реле напряжения минимального действия РСН 16 с коэффициентом возврата .

9) Измерительным органом защиты является трансформатор напряжения типа ЗНОЛ.06-10, который устанавливается на секцию шин ГIс. Для выбранного трансформатора напряжения 



 В,  В. Коэффициент трансформации 

.



10) Напряжение срабатывания защиты:



, (5.11)



где  – минимальное напряжение на шинах, которое не вредит технологическому процессу.



 В.



11) Найдем минимальное остаточное напряжение на шинах ГIс при металлическом коротком замыкании на шинах ДIс для проверки чувствительности защиты.


Полное удельное сопротивление кабельной линии Л5:



 Ом/км, (5.12)



где  – удельное активное сопротивление кабельной линии Л5, Ом/км;

 – удельное индуктивное сопротивление кабельной линии Л5, Ом/км;

 – длина кабельной линии Л5, км.

Минимальное остаточное напряжение:



, (5.13)



где  – количество кабельных линий Л5.



 В.



Коэффициент чувствительности:



. (5.14)



12) Напряжение срабатывания реле: 


 В. (5.15)



Принимаем к установке реле РСН 16-28, у которого напряжение срабатывания находится в пределах  В. 

Определим сумму уставок:



. (5.16)



Принимаем уставку .

Найдем напряжение уставки реле:

 В.



5.3 Защита от однофазных замыканий на землю



Защита выполняется с действием на сигнал. 

1) Выбираем реле РТЗ-51, ток срабатывания которого находится в пределах  А.

2) Измерительным органом является трансформатор тока нулевой последовательности типа ТЗРЛ.

3) Для кабеля марки А-185 удельный емкостный ток однофазного замыкания на землю  А/км. 

Ток нулевой последовательности линии, обусловленный током утечки, 



 А. (5.17)



Ток срабатывания защиты:


, (5.18)



здесь  – коэффициент отстройки для защиты без выдержки времени.



 А.



4) Проверку чувствительности защиты не производим, так как неизвестен ток утечки для всей сети предприятия, определяемый экспериментально.




6 Расчёт защиты силового трансформатора Т1



На силовом трансформаторе устанавливаются следующие виды защит:

1) дифференциальная защита от различных видов короткого замыкания;

2) максимальная токовая защита как резервная от внешних многофазных коротких замыканий;

3) защита от перегруза;

4) газовая защита.



6.1 Дифференциальная защита



1) Защита выполняется с помощью дифференциального реле РСТ 15.

2) Номинальные токи обмоток трансформатора:

высшего напряжения



 А; (6.1)



низшего напряжения



 А; (6.2)



В формулах (6.1) и (6.2):

 – номинальная мощность трансформатора Т1, ВА;

 – напряжение высокой стороны трансформатора, В;

 – напряжение низкой стороны трансформатора, В.

3) Для выбора трансформаторов тока найдем максимальные рабочие токи:

на стороне ВН



 А; (6.3)



на стороне НН



 А. (6.4)



На стороне ВН принимаем к установке трансформатор тока типа ТФЗМ-220Б-I-200-0,5/10Р/10Р/10Р:  А,  А. 

Коэффициент трансформации трансформатора тока 



. (6.5)



На стороне НН принимаем к установке трансформатор тока типа и ТШЛ-10-3000-0,5/10Р:  А,  А. 

Коэффициент трансформации трансформатора тока 



. (6.6)



Силовой трансформатор Т1 имеет схему соединения обмоток Ун/Д/Д, следовательно, для компенсации сдвига фаз трансформаторы тока на высокой стороне включаются по схеме полного треугольника (), а трансформаторы тока на низкой стороне — по схеме неполной звезды ().


Вторичные токи трансформаторов тока в номинальном режиме работы:



 А; (6.7)

 А. (6.8)



За основную сторону принимаем сторону НН, так как .

4) Определяем токи небаланса, вызванные погрешностями трансформаторов тока  и регулированием напряжения под нагрузкой (РПН) . При этом все токи приводим к ступени напряжения основной стороны.

Определим ток небаланса :



, (6.9)



где  – коэффициент однотипности трансформаторов тока;

 – коэффициент апериодической составляющей для дифференциального реле;

 – допустимая погрешность трансформаторов тока;

– максимальный сквозной ток, приведенный на высокую сторону, А.



 А.



Определим ток небаланса :


, (6.10)



где  — пределы регулирования напряжения на стороне ВН;

 — пределы регулирования напряжения на стороне СН.



 А.



Предварительное значение тока срабатывания защиты по условию отстройки от токов небаланса



, (6.11)



где  – коэффициент отстройки.



 А.



Ток срабатывания защиты по условию отстройки от броска тока намагничивания



, (6.12)



где  – коэффициент отстройки.



 А.



Из двух токов срабатывания выбираем наибольший, то есть  А.

5) Предварительное значение коэффициента чувствительности защиты определяем по току двухфазного короткого замыкания на секции ГIс, приведенному на сторону ВН.



. (6.13)



6) Ток срабатывания реле на основной стороне



 А. (6.14)



Ток срабатывания реле на неосновной стороне



 А, (6.15)



где  – коэффициент трансформации силового трансформатора.

7) Примем число витков основной обмотки . 

Расчетная МДС основной обмотки



 А·витков. (6.16)



Принимаем ближайшее стандартное значение МДС  .

Расчетное число витков неосновной обмотки находится из условия


. (6.17)



Принимаем .

Составляющая тока небаланса  из-за неравенства расчетного и действительного числа витков



 А. (6.18)



8) Ток срабатывания защиты с учетом всех составляющих тока небаланса



 А, (6.19)



здесь  – коэффициент отстройки. 

9) Коэффициент чувствительности определяем по току двухфазного короткого замыкания на секции ГIс, приведенному на сторону ВН:



.



Так как коэффициент чувствительности превышает требуемое нормированное значение, то защита удовлетворяет требованиям чувствительности. 

10) Ток срабатывания реле на основной стороне




 А.



Ток срабатывания реле на неосновной стороне



 А.



6.2 МТЗ с выдержкой времени



1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13 с коэффициентом возврата .

2) Реле включаются во вторичные обмотки уже выбранных трансформаторов тока со стороны питания, то есть схема включения трансформаторов тока и реле – полный треугольник (коэффициент схемы ), коэффициент трансформации трансформаторов тока .

3) Ток срабатывания защиты:



, (6.20)



здесь  – коэффициент отстройки;

 – максимальный рабочий ток на стороне ВН трансформатора при перегрузке, А.



А.




4) Коэффициент чувствительности в основной зоне определяется по току двухфазного короткого замыкания за трансформатором, приведенным на первичную сторону: 



. (6.21)



В зоне резервирования коэффициент чувствительности определяется по току двухфазного короткого замыкания в конце кабельной линии Л5, приведенным на первичную сторону: 



. (6.22)



Защита удовлетворяет требованиям чувствительности.

5) Определим ток срабатывания реле:



 А. (6.23)



Принимаем к установке реле РСТ 13-24, у которого ток срабатывания находится в пределах . 

Определим сумму уставок:



. (6.24)



Принимаем сумму уставок .


Найдем ток уставки реле:



 А.



6) Время срабатывания защиты принимается по условию отстройки от времени срабатывания МТЗ на секционном выключателе Q20. Поскольку это время равно  с, то  с, где  с – ступень селективности для статического реле. Используем реле времени РВ-01.



6.3 Защита от перегруза



1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13 с коэффициентом возврата .

2) Защита выполняется с помощью одного реле, включенного во вторичную обмотку того же трансформатора тока, что и реле максимальной токовой защиты, на ток фазы А, с действием на сигнал. Коэффициент трансформации трансформатора тока , коэффициент схемы .

3) Ток срабатывания защиты определяется из условия отстройки от номинального тока трансформатора на стороне ВН: 



, (6.25)



здесь  – коэффициент отстройки.

4) Коэффициент чувствительности не рассчитывается. 

5) Ток срабатывания реле:


 А. (6.26)



Принимаем к установке реле РСТ 13-19, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:



. (6.24)



Принимаем сумму уставок .

Найдем ток уставки реле:



 А.



6) Выдержка времени защиты отстраивается от кратковременных перегрузок. Примем  с. Устанавливаем реле времени РВ-01.



6.4 Газовая защита



Газовая защита является основной защитой трансформаторов от витковых замыканий и других внутренних повреждений, сопровождаемых разложением масла и выделением газа. В качестве реагирующего органа выбираем реле типа РГТ-80. Верхняя пара контактов действует на сигнал при слабом газовыделении и понижении уровня масла, нижняя пара контактов действует на отключение при бурном газообразовании и дальнейшем понижении уровня масла. Уставка скоростного элемента (нижнего) выбирается в зависимости от мощности и системы охлаждения силового трансформатора. Так как трансформатор имеет мощность 25 МВ·А и систему охлаждения Д, то принимаем уставку 1 м/с.


7 Расчёт защиты воздушных линий Л1, Л2



В связи с тем, что сеть образована параллельными линиями и имеет двухстороннее питание, то примем к установке следующие защиты:

1) основная от всех видов коротких замыканий – поперечная дифференциальная направленная защита;

2) дополнительная к основной от междуфазных коротких замыканий – токовая отсечка без выдержки времени, отдельная для каждой параллельной цепи;

3) резервная от междуфазных коротких замыканий – суммарная максимальная токовая защита параллельных цепей;

4) защита от однофазных коротких замыканий на землю.



7.1 Поперечная дифференциальная направленная защита



1) Защита выполняется с помощью токовых реле РСТ 13, которые включаются на разность токов параллельных цепей. Для определения поврежденной цепи последовательно с обмоткой токового реле РСТ 13 включается обмотка тока реле направления мощности РМ 11, а обмотка напряжения этого реле включается во вторичную обмотку трансформатора напряжения, установленного на шинах А. 

2) Максимальный рабочий ток линии при повреждении на другой линии:



, (7.1)



где  – передаваемая мощность по линиям Л1 и Л2, ВА;

 – напряжение линий Л1 и Л2, В.


 А.



Принимаем к установке трансформатор тока ТФЗМ-220Б-I-300-0,5/10Р/10Р/10Р:  А;  А. Коэффициент трансформации трансформатора тока 



.



В каждой цепи линии устанавливаются три трансформатора тока, включенные по схеме неполной звезды, коэффициент схемы .

Примем к установке трансформатор напряжения типа НКФ-220-58У1: 



 В,  



В. Коэффициент трансформации трансформатора напряжения: 



.



3) Ток срабатывания защиты определяется двумя условиями:

а) отстройкой от тока небаланса



, (7.2)



где  – коэффициент апериодической составляющей для токового реле;

 – коэффициент однотипности для идентичных трансформаторов тока;

 – класс точности трансформаторов тока.



 А.



Ток срабатывания защиты



, (7.3)



здесь  – коэффициент отстройки.



 А.



б) отстройкой от максимального рабочего тока при отключении одной из параллельных линий с противоположного конца.

Ток срабатывания защиты:



, (7.4)



где – коэффициент отстройки;

 – максимальный рабочий ток, который был определен по выражению (7.1).



 А.


Принимаем к выполнению большее из двух значений, то есть  А.

4) Чувствительность защиты определяется по минимальному току двухфазного короткого замыкания в двух случаях:

а) при повреждении в середине одной из параллельных цепей (рисунок 2)







Рисунок 2

 А – ток при точке двухфазного короткого замыкания на шинах В при питании от системы G1;

 А - ток при точке двухфазного короткого замыкания на шинах А при питании от системы G2.

Ток в неповрежденной цепи находится как четверть разницы этих токов:



 А. (7.5)



Токи в поврежденной цепи:

от шин А к точке короткого замыкания  А;

от шин В к точке короткого замыкания  А.


Коэффициент чувствительности защит с обоих концов одинаковый:



. (7.6)



б) при повреждении в конце одной из линий, когда она отключена с одной стороны каскадным действием защиты (рисунок 3).





Рисунок 3



Питание от системы G2 не учитываем, тогда коэффициент чувствительности



. (7.7)



Коэффициент чувствительности больше нормированного в обоих случаях.

5) Ток срабатывания реле:



 А. (7.8) 



Принимаем к установке реле РСТ 13-19, у которого ток срабатывания находится в пределах .


Определим сумму уставок:



. (7.9)



Принимаем сумму уставок .

Найдем ток уставки реле:



 А.



6) Длина зоны каскадного действия (вблизи шин В):



, (7.10)



здесь  – длина линий Л1 и Л2, км.

Длина зоны каскадного действия лежит в допустимых пределах.

Длина мертвой зоны по органу направления мощности РМ 11 (вблизи шин А) может быть найдена из упрощенного выражения (3.11) (без учета активного сопротивления линии и без учета подпитки с противоположной стороны), исходя из минимального напряжения срабатывания реле РМ 11  В.



, (7.11)



здесь  – коэффициент трансформации трансформатора напряжения;

 Ом/км – удельное индуктивное сопротивление линии;


.



Длина мертвой зоны также лежит в допустимых пределах.



7.2 Токовая отсечка без выдержки времени



Ненаправленная токовая отсечка без выдержки времени предназначена для отключения трехфазных коротких замыканий в пределах мертвой зоны дифференциальной защиты.

1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13.

2) Реле включаются во вторичные обмотки выбранных в п.7.1 трансформаторов тока с коэффициентом трансформации , включенными по схеме неполной звезды (коэффициент схемы ).

3) Ток срабатывания защиты отстраивается от тока трехфазного короткого замыкания на шинах В при питании от системы G2 :



, (7.12)



здесь  – коэффициент отстройки.



 А.



4) Коэффициент чувствительности определяется только при трехфазных коротких замыканиях, так как основное назначение защиты — резервировать отказ поперечной дифференциальной направленной защиты при трехфазных коротких замыканиях в мертвой зоне.


При коротком замыкании на одной цепи А-В вблизи шин А расчетный ток защиты найдем как сумму токов, посылаемых системой 1, и половины тока со стороны системы 2:



 А. (7.13)



Тогда коэффициент чувствительности



. (7.14)



Защита проходит по коэффициенту чувствительности. 

5) Ток срабатывания реле:



 А. (7.15)



Принимаем к установке реле РСТ 13-29, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:



. (7.16)



Принимаем уставку .

Найдем ток уставки реле:



 А.


7.3 Суммарная максимальная токовая направленная защита



1) Защита выполняется с помощью токового реле РСТ 13 с коэффициентом возврата  и реле направления мощности РМ 11.

2) Измерительными органами являются выбранные в п.7.1 трансформаторы тока, включенные по схеме неполной звезды (, ), а также трансформатор напряжения.

3) Ток срабатывания защиты отстраивается от максимального рабочего тока линии:



 А. (7.17) 



4) Коэффициент чувствительности в основной зоне действия:



. (7.18)



Защита удовлетворяет требованиям чувствительности.

5) Ток срабатывания реле:



 А. (7.19)



Принимаем к установке реле РСТ 13-19, у которого ток срабатывания находится в пределах .

Определим сумму уставок:


. (7.20)



Принимаем сумму уставок .

Найдем ток уставки реле:



 А.



Выдержку времени МТЗ определим для всей сети А-Б-В путем разделения схемы на две части, в каждой из которых будет по одному источнику, и произведем независимое определение времени срабатывания МТЗ (см. рисунок 4). 





Рисунок 4 – Выдержки времени МТЗ сети А-Б-В



Ступень селективности для статического реле  с.

Выдержка времени для выключателей Q16 и Q18 была выбрана в п.6.2.

Выдержки времени для выключателей Q1, Q5, Q3 и Q7 определяются при питании со стороны системы G1:


 с;

 с.



Выдержки времени для выключателей Q2, Q6, Q4 и Q8 определяются при питании со стороны системы G2:



 с;

 с.



Для обеспечения выдержки времени выбираем реле времени РВ-01.



7.4 Защита от однофазных коротких замыканий на землю



При однофазных коротких замыканиях на землю (ОКЗЗ) увеличиваются токи нулевой последовательности, поэтому для определения данного вида повреждений устанавливаются фильтры нулевой последовательности (трансформаторы тока включаются по схеме полной звезды, а реле устанавливаются в нулевой провод). Защита от ОКЗЗ выполняется, как правило, трёхступенчатой: 1-ая ступень — направленная отсечка мгновенного действия нулевой последовательности, но в отличие от токовой отсечки отстройка производится только от тока нулевой последовательности, направленного от шин подстанции. Ток срабатывания мгновенных отсечек на параллельных линиях необходимо выбирать с учетом наличия значительной взаимоиндукции от параллельной цепи, оказывающей существенное влияние на сопротивление нулевой последовательности; 2-ая ступень — токовая отсечка нулевой последовательности с выдержкой времени; 3-я ступень — МТЗ нулевой последовательности.


8 Проверка трансформатора тока и выбор контрольного кабеля



Необходимо определить сечение контрольного кабеля во вторичных цепях трансформатора тока, установленного около выключателя Q29. При расчете двигателя был выбран тип трансформатора тока: ТЛК10-100-0,5/10Р. Номинальный первичный ток  А, вторичный  А. Коэффициент трансформации трансформатора тока: .

Расчетная кратность тока



, (8.2)



где  – ток при внешнем к.з. в максимальном режиме;

 – номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока, А.



.



По кривым  для данного типа трансформатора тока находим  Ом.

Расчетное сопротивление нагрузки определяется выражением



, (8.3)



где  – сопротивление проводов, Ом;

 Ом – сопротивление реле;

 Ом – сопротивление контактов.


Найдем  при условии :



 Ом.



Вторичные цепи выполнены медным кабелем длиной  м. Сечение кабеля можно определить по формуле:



, (8.4)



где  – удельное сопротивление меди.



 мм2.



Принимаем стандартное сечение 2,5 мм2, которое удовлетворяет требованиям механической прочности для соединительных проводов токовых цепей. Кабель контрольный типа КРВГ. 




Литература



1 Релейная защита в системах электроснабжения: Методические указания к изучению курса и выполнению контрольного задания / Г. А. Комиссаров, Х. К. Харасов. – Челябинск: ЧГТУ, 1996. – 56 с.

2 Неклепаев Б. Н., Крючков И. П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. 

3 Чернобровов Н.В. Релейная защита. Учебное пособие для техникумов. Изд. 5-е, перераб. и доп. – М.: Энергия, 1974 – 680 с. с ил.

4 Беркович М.А., Молчанов В.В., Семенов В.А. Основы техники релейной защиты. 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 376 с., ил.