Задание
на курсовойпроект по дисциплине «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения»
Для системыэлектроснабжения в соответствии с номером варианта необходимо выполнитьследующее.
· Дать краткуюхарактеристику системы с указанием назначения ее основных элементов.
· Произвести расчетсечений и выбор проводников следующих линий:
ВЛ: W1 (по методу экономических интервалов), W2 (по экономической плотности тока); КЛ: W3, W4.
· Произвести расчетосновных параметров следующих защит: АК1, АК3, АК5
· Разработатьпринципиальные схемы перечисленных защит.
· Оформить работуаналитического характера, а также расчеты и комментарии к ним в видепояснительной записки.
Исходныеданные для выполнения курсового проекта
· Типы и параметрытрансформаторовТ1 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 параметрылиний:W1 l= 6 км; W2 l= 8 км;W3 l= 1 км; W4 l= 1,5 км
· Типы и параметрысуществующих защит: АК1, АК3, АК5 защиты на постоянном оперативном токе, снезависимой характеристикой; защиты двухступенчатые: – отсечка без выдержкивремени; – МТЗ
· Типы и параметрыэлектродвигателей:М1 (тип: асинхронный, Uпит=10кВ.;Р=600кВт, cosφ = 0,87).
· Характер нагрузкилиний и трансформаторов: Т3, Т4, Т5, Т6– бытовая, W4 –общепромышленная, обобщенная.
· Сопротивление системы:хсист.= 7,0 Ом.
/>
Рис. 1
1. Анализ системыэлектроснабжения промышленного предприятия
Электроснабжение промышленных предприятий обычно осуществляетсяпитающими линиями 10 (6) кВ от распределительных устройств того же напряженияэлектростанций или крупных подстанций. Применяется также питание от указанныхисточников, но по линиям более высокого напряжения (35–220 кВ). В данномкурсовом проекте реализована сеть электроснабжения напряжением 110/35/10 кВ.
На одиночных линиях ВЛ 10 (6) кВ с односторонним питанием от многофазныхзамыканий обычно устанавливается двухступенчатая токовая защита: первая ступень– токовая отсечка;
вторая ступень – максимальная токовая защита с независимой или зависимойвыдержкой времени.
Защита от однофазных замыканий на землю должна быть селективной, т.е.устанавливающей поврежденное направление, и действовать либо на сигнал, либо наотключение. Защита должна быть установлена на питающих элементах по всей сети.
Защита силовых трансформаторов должна срабатывать при возникновенииповреждений и ненормальных режимов следующих видов:
• при многофазныхзамыканиях в обмотках и на выводах;
• при межвитковыхзамыканиях обмоток одной фазы и замыканиях на землю;
• при внешних короткихзамыканиях;
• при недопустимыхперегрузках;
• при недопустимомснижении 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; газоваязащита.
Трансформаторы малой мощности до 750 кВА при напряжении 10 кВ и до3200 кВА при напряжении 35 кВ тупиковых и цеховых подстанций, могут защищатьсяот внутренних коротких замыканиях с помощью предохранителей. Однако в этомслучае из-за нестабильности защитных характеристик последних возможнынедопустимые задержки отключения и сложности согласования с защитами смежныхучастков.
Релейную токовую защиту трансформаторов обычно выполняют двухступенчатой:
Первой степенью защиты является токовая отсечка, значение тока срабатываякоторой выбирается выше максимального значения тока короткого замыкания затрансформатором.
Вторая ступень – это максимальная токовая защита, выдержка временикоторой согласована с выдержками времени защит отходящих присоединений.
Для повышения чувствительности МТЗ дополняется пуском по напряжениюот реле напряжения обратной последовательности (при несимметричных короткихзамыканиях) или от реле минимального напряжения (при симметричных короткихзамыканиях). Ток срабатывания МТЗ при этом выбирается по условию отстройки отноминального тока, а не от тока самозапуска электродвигателей, питаемыхтрансформатором, что и обеспечивает повышение чувствительности защиты.
Защита электродвигателей с напряжением питания 10 (6) кВ должнаобеспечивать отключение двигателей при многофазных коротких замыканиях в обмоткестатора, при однофазных коротких замыканиях на землю, при недопустимыхперегрузках, а также предотвращать переход синхронных двигателей в асинхронныйрежим. Кроме того, в ряде случаев предусматривается защита от потери питания.
Для защиты двигателей от многофазных коротких замыканиях примощности менее 2 МВт и отсутствии плавких предохранителей должна использоватьсятоковая однорелейная отсечка без выдержки времени, отстроенная от пусковыхтоков с реле прямого или косвенного действия.
Защита двигателей от однофазных коротких замыканий обмотки статорана землю устанавливается на двигателях мощностью менее 2 МВт, если токкороткого замыкания выше 10 А, а на более мощных двигателях – если токкороткого замыкания выше 5 А. Защита выполнятся с помощью токового реле,подключенного через фильтр токов нулевой последовательности.
Всё это будетучитываться при проектировании релейных защит.
2. Выбор сеченийпроводов и кабелей
2.1 Выбор сечения проводов линии W2 напряжением 10 кВ
а) методомэкономической плотности тока.
Расчетный токлинии:
/>
где: /> – мощность, передаваемаяпо W1 (мощность трансформатора T4);
По таблице П2 [1]по заданному значению /> и сучетом климатической зоны (центр России) находим рекомендуемую экономическуюплотность тока: />
Вычисляемзначение: />
Выбираемближайшее стандартное значение сечения провода, равное 10 мм2.
Ввиду того, чтосечение линии получилось малым и не проходит в дальнейшем по условиютермической стойкости проводов, рассчитаем его по методу экономических токовыхинтервалов.
б) методомэкономических токовых интервалов.
По таблице П3находим нормативный коэффициент амортизации:
/>
По графику рис.П1 [1] по заданному значению /> находимзначение времени потерь />
С учетомклиматической зоны (центр России) по графику зависимости /> (рис. П2 [1]) определяемудельную стоимость потерь энергии />
Вычисляемзначение:
/>
По графику рис.П6 [1] по значениям /> и /> находим точку N1, попадающую в зону экономического сечения />
Окончательновыбираем для линии W2 сечение 25 мм.
2.2 Выбор сечения проводов линии W1 напряжением 10 кВ
а) методомэкономической плотности тока.
Расчетный токлинии:
/>
где: /> – мощность, передаваемаяпо W2 (мощность T3 и Т4);
По таблице П2 [1]по заданному значению /> и сучетом климатической зоны (центр России) находим рекомендуемую экономическуюплотность тока: />
Вычисляемзначение: />
Выбираемближайшее стандартное значение сечения провода, равное 16 мм2.
Ввиду того, чтосечение линии получилось малым и не проходит в дальнейшем по условию термическойстойкости проводов, рассчитаем его по методу экономических токовых интервалов.
б) методомэкономических токовых интервалов.
По таблице П3находим нормативный коэффициент амортизации:
/>
По графику рис.П1 [1] по заданному значению /> находимзначение времени потерь />
С учетомклиматической зоны (центр России) по графику зависимости /> (рис. П2 [1]) определяем удельную стоимость потерьэнергии />
Вычисляемзначение:
/>
По графику рис.П6 [1] по значениям /> и /> находим точку N1, попадающую в зону экономического сечения />
Окончательновыбираем для линии W1 сечение 35 мм.
2.3 Выбор сечения жил трехфазного кабеля W4 10 кВ.
Определяемдлительно допустимую токовую нагрузку:
/>
где: /> – коэффициент перегрузки,
/> – коэффициент снижения;
По таблице П5 [1]для ближайшего большего длительно допустимого тока (75 А) находим рекомендуемуюплощадь поперечного сечения жилы кабеля – 16 мм2.
2.4 Выбор сечения жил трехфазного кабеля W3 10 кВ.
Расчетный токлинии (сумма токов от линии W4 итрансформаторов Т5 и Т6):
/>
где: />;
Определяемдлительно допустимую токовую нагрузку:
/>
где: /> – коэффициент перегрузки,
/> – коэффициент снижения;
По таблице П5 [1]для ближайшего большего длительно допустимого тока (65 А) находим рекомендуемуюплощадь поперечного сечения жилы кабеля – 25 мм2.
3. Расчетсопротивлений элементов схемы
3.1 Определениесопротивлений воздушных и кабельных линийУсловное 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
3.2Сопротивление системы, приведенное к напряжению 10 кВ
Сопротивлениесистемы, приведенное к напряжению 10 кВ, вычислим по формуле:
/>, где:
/> − сопротивление системы;
/> − коэффициент трансформации.
3.3Сопротивления трансформаторов
3.3.1Сопротивление трёхобмоточных трансформаторов Т1, Т2
Сопротивлениетрёхобмоточного трансформатора находится как сумма сопротивлений его обмоток ВНи CН по формулам:
На стороне 110кВ, приведенное к напряжению линии 10 кВ:
/>, где:
/>
На стороне 10 кВ:
/> где:
/>
Полноесопротивление трёхобмоточного трансформатора:
/>
3.3.2Сопротивление трансформатора Т3, Т4, Т5, Т6
/>
3.4Сопротивление АД М1
/>
4. Определениетоков короткого замыкания
Схема замещения
/>
4.1Определение токов короткого замыкания в точке К1
Вычисляемсуммарные сопротивления до точки К1:
/>
/>
Определяем токпри трехфазном и двухфазном КЗ в точке К1:
/>
/>
где /> – ЭДС энергосистемы(принимается равным /> сети).
4.2Определение токов короткого замыкания в точке К2
Вычисляемсуммарные сопротивления до точки К2:
/>
/>
/>
Определяем токпри трехфазном и двухфазном КЗ в точке К2:
/>
/>
4.3Определение токов короткого замыкания в точке К3
Вычисляемсуммарные сопротивления до точки К3:
/>
/>
/>
Определяем токпри трехфазном и двухфазном КЗ в точке К3:
/>
/>
4.4Определение токов короткого замыкания в точке К4
Вычисляемсуммарные сопротивления до точки К3:
/>
/>
/>
Определяем токпри трехфазном и двухфазном КЗ в точке К4:
/>
/>
4.5Определение токов короткого замыкания в точке К5
Вычисляемсуммарные сопротивления до точки К3:
/>
/>
/>
Определяем токпри трехфазном и двухфазном КЗ в точке К5:
/>
/>
4.6Определение токов короткого замыкания в точке К6
Вычисляемсуммарные сопротивления до точки К3:
/>
/>
/>
Определяем токпри трехфазном и двухфазном КЗ в точке К6:
/>
/>
4.7Определение токов короткого замыкания в точке К7
Вычисляемсуммарные сопротивления до точки К3:
/>
/>
/>
Определяем токпри трехфазном и двухфазном КЗ в точке К7:
/>
/>
4.8Определение токов короткого замыкания в точке К8
Вычисляемсуммарные сопротивления до точки К3:
/>
/>
/>
Определяем токпри трехфазном и двухфазном КЗ в точке К8:
/>
/>
4.9Определение токов короткого замыкания в точке К9
Вычисляемсуммарные сопротивления до точки К3:
/>
/>
/>
Определяем токпри трехфазном и двухфазном КЗ в точке К9:
/>
/>
4.10Определение токов короткого замыкания в точке К10
Вычисляемсуммарные сопротивления до точки К3:
/>
/>
/>
Определяем токпри трехфазном и двухфазном КЗ в точке К10:
/>
/>
5. Расчет релейных защит
Исходными данными для расчета МТЗ являютсясхема линии и основные параметры:
1) сопротивление питающей энергосистемы />;
2) длина и тип проводов линии иответвлений;
3) параметры трансформаторов;
4) тип и характеристики существующейтоковой защиты.
5.1 Расчет защитыасинхронного двигателя М1 (АК5)
Исходные данные:
тип двигателя –асинхронный;
мощность />;
коэффициент мощности />;
напряжение />;
кратность пусковоготока />;
схема питания двигателя− от шин />
назначение защиты −от многофазныхных к.з. на выводах и обмотках статора и от перегрузок;
/>
Схема защитыэлектродвигателя токовой отсечкой с одним токовым реле мгновенного действия:
а – цепи тока, б – цепиоперативного постоянного тока
Применяем схему напостоянном оперативном токе
Наиболее простойявляется однорелейная схема на разность токов двух фаз с индукционным реле типаРТ-84.
У реле этого типа дванезависимых контакта:
КА1.2 −электромагнитного элемента, мгновенного действия, рассчитан на ток до150 А
КА1.1 −индукционного элемента, зависимой от тока выдержкой времени, маломощный. Этотконтакт коммутирует обмотку промежуточного реле KL типа РПУ-2.
Определяем токсрабатывания отсечки:
/>,
где: /> − номинальный токдвигателя;
/> − коэффициентнадежности отстройки для выбранного типа реле;
Следовательно />
Ток срабатыванияэлектромагнитного элемента реле:
/>
Ток срабатывания МТЗ отперегрузки выбирается из условия отстройки от номинального тока двигателя:
/>
Ток срабатывания реле:
/>
Ближайшая уставка нареле /> 3 А:
Следовательно: />.
Кратность токовсрабатывания электромагнитного и индукционного элементов реле /> соответствует параметрам реле (табл. П. 19, кратность 2–8).
ЧувствительностьМТЗ двигателя не проверяется, поскольку она не предназначена для защиты откоротких замыканий. Время срабатывания МТЗ выбирается несколько больше временипуска двигателя при эксплуатационном возможном понижении напряжения. Длядвигателя мощностью 600кВА принимаем выдержку времени в независимой частихарактеристики реле тока равной 12 с.
5.2 Расчетзащиты 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 Кнлежат в диапазоне 1,1÷1,2 для реле типа РТ-40;
Квпринимает значения 0,8÷0,85 для реле типа РТ-40.
Коэффициентсамозапуска определяется долей электродвигателей в суммарной нагрузке и ихтипами. Для промышленной нагрузки преимущественно с двигателями напряжением 0,4кВ Ксзп/> 2,0 ÷ 3,0; для промышленной нагрузки с высокой долей(более 50%) двигателей 3–10 кВ Ксзп/> 3,5 ÷ 5,0.
Максимальныйрабочий ток линии определяем как сумму номинальных токов всех трансформаторов,питающихся от защищаемой линии:
/>
Таким образом ток срабатывания защиты определяется как:
/>
Ток срабатывания реле:
/>
Ксх – коэффициентсхемы при симметричном режиме; Кт – коэффициент трансформациитрансформатора тока.
Коэффициент схемы показывает, во сколько раз ток в реле защитыбольше, чем вторичный ток трансформатора тока. Для схем соединениятрансформаторов тока в «звезду» Ксх = 1
Проводитсяпроверка чувствительности защиты с учетом действительной токовой погрешноститрансформаторов тока. Коэффициент чувствительности определяется по выражению:
/>
/>-минимальное значение тока при двухфазномк.з. в конце защищаемого участка. />
Проводитсяпроверка чувствительности защиты с учетом действительной токовой погрешноститрансформаторов тока после дешунтирования электромагнитов отключения YAT-1 и YAT-2. Коэффициент чувствительности определяется по выражению:
/>
f – токовая погрешность трансформаторов тока при токе к.з., обеспечивающемнадежное срабатывание защиты; /> — токсрабатывания защиты;
Кв – коэффициентвозврата (для РТ-40 Кв=0,8). Для определения значения погрешности f воспользуемся графиком зависимости f=φ(A), приведённым на рис. П. 12. Обобщённыйкоэффициент А вычисляется по формуле
/>,
где /> – это отношениемаксимального первичного тока при к.з. в начале защищаемой зоны к первичному номинальномутоку трансaформатора тока.
/>
Переходное сопротивление контактов обычно принимают равным Zпер =0, l Ом. Сопротивление проводов можноопределить по формуле />
где /> – длина проводаот трансформатора тока до реле, м; s– сечение провода, мм2;/> – удельная проводимость(для меди /> для алюминия />).В рассматриваемом примереZпр= 0,06 Ом. Всоответствии 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 0,43Ом, которое составляет приблизительно 16. Таким образом, />, что по графику (рис. П. 12) даётзначение погрешности f=50%, т.е.необходимая чувствительность обеспечивается.
Проводитсяпроверка трансформатора тока (Т.Т.) на 10%-ю погрешность. Для этогоиспользуются кривые предельной кратности.
Расчетный токвыбирается на 10% превышающим ток срабатывания защиты т.е.:
/>
Коэффициентпредельной кратности определяется по формуле:
/>
По графику кривой предельной кратности длятрансформатора ТПЛ-10 (рис. П. 13) этому значению К10 соответствуетнагрузка трансформатора ZH.ДОП=6 Ом, что существенно большерасчётного значения Zн.расч =0,43 Ом. Следовательно, до и после дешунтированияэлектромагнита отключения погрешность трансформатора тока не превышает 10%.
Проверка надежности работы контактов реле РТ-40 проводится в связис тем, что при к.з. в начале защищаемой зоны резко повышается токоваяпогрешность и искажается форма кривой вторичного тока Т.Т. (становится несинусоидальной).Надежное замыкание контактов реле РТ-40 обеспечивается при токовой погрешностиТ.Т. f
Расчет напряжения па выводах вторичной обмотки Т.Т. при к.з. в началезащищаемой />
Полученноезначение существенно ниже предельно допустимого значения />
5.3 Расчетзащиты 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 Кнлежат в диапазоне 1,1÷1,2 для реле типа РТ-40;
Квпринимает значения 0,8÷0,85 для реле типа РТ-40.
Коэффициентсамозапуска определяется долей электродвигателей в суммарной нагрузке и ихтипами. Для промышленной нагрузки преимущественно с двигателями напряжением 0,4кВ Ксзп/> 2,0 ÷ 3,0; для промышленной нагрузки с высокой долей(более 50%) двигателей 3–10 кВ Ксзп/> 3,5 ÷ 5,0.
Максимальныйрабочий ток линии определяем как сумму номинальных токов всех трансформаторов,питающихся от защищаемой линии:
/>
Таким образом ток срабатывания защиты определяется как:
/>
Ток срабатывания реле:
/>
Ксх – коэффициентсхемы при симметричном режиме; Кт – коэффициент трансформациитрансформатора тока.
Коэффициент схемы показывает, во сколько раз ток в реле защитыбольше, чем вторичный ток трансформатора тока. Для схем соединениятрансформаторов тока в «звезду» Ксх = 1
Коэффициентчувствительности определяется по выражению:
/>
/>-минимальное значение тока при двухфазномк.з. в конце защищаемого участка />=4,13кА;
Проводитсяпроверка чувствительности защиты с учетом действительной токовой погрешноститрансформаторов 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 – коэффициентвозврата (для РТ-40 Кв=0,8). Для определения значения погрешности f воспользуемся графиком зависимости f=φ(A), приведённым на рис. П. 12. Обобщённыйкоэффициент А вычисляется по формуле
/>
где /> – это отношениемаксимального первичного тока при к.з. в начале защищаемой зоны к первичномуноминальному току трансaформатора тока.
/>
/>, где />:
/>
/>;/>
По графику (рис.П. 15) находим значение />,соответствующее нагрузке 2,5 Ом., А составляет приблизительно 6. Таким образомзначение погрешности около />.
4. Проводитсяпроверка Т.Т. на 10%-ную погрешность. Для этого используются кривые предельнойкратности.
Расчетный токвыбирается на 10% превышающим ток срабатывания защиты, т.е. />. Коэффициент предельнойкратности определяется по формуле:
/>.
По графику кривойпредельной кратности для Т.Т. ТЛМ-10 [1, рис. П. 14] этому значению К10.соответствует нагрузка трансформатора: />Ом., что больше расчетного значения />=2,76Ом. Следовательнопогрешность Т.Т. не превышает 10%.
5. Проверка надежности работы контактов релеРТ-40 проводится в связи с тем, что при к.з. в начале защищаемой зоны резкоповышается токовая погрешность и искажается форма кривой вторичного тока Т.Т.(становится несинусоидальной). Надежное замыкание контактов реле РТ-40 обеспечиваетсяпри токовой погрешности Т.Т.: />. Такимобразом, надежное замыкание контактов обеспечено.
6. Проверяется надежность работы контактовреле РВ
/>-ток через W2-вторичнаяобмотка ТТ при КЗ в точке К1
/>
7. Проверка отсутствия перенапряжений назажимах вторичной обмотки ТТ.
Напряжение навыводах вторичной обмотки при к.з. вначале защищаемого участка определяется поформуле:
/>
Полученноезначение существенно ниже предельно допустимого значения />
Заключение
В курсовом проекте, напримере участка системы электроснабжения U=110/35/10 кв былипроведены расчеты защит отдельных элементов схемы – воздушной и кабельнойлиний, а также асинхронного двигателя. Но для этого, предварительно, позаданной нагрузке было проведено:
· расчетсечений линий W1, W2, W3, W4;
· расчеттоков КЗ в нескольких местах схемы;
· задалисьтипами реле и источниками оперативного тока;
Сам расчет и виды защитотвечают требованиям ПУЭ, что делает нашу систему электроснабжения надежной,исключающей непредвиденные перерывы в подаче энергии потребителям.
Списоклитературы
1. Шахнин В.А. Релейная защита и автоматизация системэлектроснабжения. Пособие к курсовому проектированию. Владимир, ВлГУ, 2003, 80 с.
2. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая частьстанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломногопроектирования. М., Энергоатомиздат, 1989, 608 с.
3. Баумштейн И.А., Бажанов С.А. Справочник поэлектрическим установкам высокого напряжения. М., Энергоатомиздат, 1989, 768 с.