Выбор защиты минимального напряжения для отделения синхронных двигателей

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения»

Тема: «Проектирование РЗиА системы электроснабжения предприятия»

Вариант №25

Выполнил:

студент гр. ЭС-12-3бзу

Соколков В.М.

Проверил:

доцент каф. МСА

Ромодин А.В

Пермь 2015

Аннотация

Данный курсовой проект содержит в себе расчёты уставок релейной защиты и автоматики для питающей станции 35/6 кВ на базе микропроцессорного устройства релейной защиты «Сириус-2-МЛ». Основной задачей расчёта является надежное обеспечения питания потребителей электроэнергией, а так же закрепление теоретических навыков практическими.

Содержание.

ВВЕДЕНИЕ. 5

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ. 6

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ. 6

1. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА.. 7

1.1 Анализ особенностей энергосистемы.. 7

1.2 Расчёт уставок РЗ. 8

1.3 Релейная защита электродвигателей. 10

1.4 Максимальная токовая защита. 12

1.5 Токовая отсечка. 17

1.6 Защита силовых трансформаторов. 20

1.7 Дифференциальная защита трансформаторов. 21

1.8 Защита от перегрузок. 24

1.9 Требования к защитам от замыканий на землю в сетях 6-35 кВ.. 25

2. АВТОМАТИКА ЭНЕРГОСИСТЕМЫ.. 28

2.1 Выбор устройств автоматики, устанавливаемых на оборудовании подстанции 28

2.2 Выбор типа АПВ. Расчет параметров срабатывания пусковых и контрольных органов АПВ.. 29

2.3 АВР на трансформаторах подстанции. Расчет параметров срабатывания пусковых органов АВР. 31

Вывод по проделанной работе. 36

Список литературы.. 37

Приложения. 38

Список используемых сокращений

РЗиА – релейная защита и автоматика;

СД – синхронный двигатель;

АД – асинхронный двигатель;

РЗ – релейная защита;

ВЛ – воздушная линия;

КЛ – кабельная линия

АПВ – автоматика повторного включения;

МТЗ – максимальная токовая защита;

ПС – питающая станция;

ТО – токовая отсечка;

АВР – автоматический ввод резерва;

КЗ – короткое замыкание;

ТТ – трансформатор тока;

ТН – трансформатор напряжения;

КТП – комплектная трансформаторная подстанция;

ЛЭП – линия электропередач;

РПН – регулировка по напряжению;

ОЗЗ – однофазное замыкание на землю;

ПУЭ – правила устройства электроустановок;

МПС – микропроцессорные средства

ВВЕДЕНИЕ

Для производственных потребителей крайне важно постоянное питание производства электроэнергией. Но в системе электроснабжения довольно часто возникают различные возмущения (например, короткие замыкания). Чтобы уменьшить последствия от возникших отклонений системы, необходимо выбрать релейную защиту, обладающую правильно выбранными уставками срабатывания. Необходимо обеспечить селективность срабатывания релейной защиты и автоматики.

Данный курсовой проект является актуальным, так как рассчитывает релейную защиту реально существующей подстанции. Но основной его целью является обучение практическим навыкам молодых специалистов.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Исходные данные к курсовому проекту представлены в виде схемы электроснабжения участка, схем замещения, данных по расчёту токов короткого замыкания в минимальном режиме работы энергосистемы и параметров оборудования.

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Для данной схемы электроснабжения объекта следует спроектировать и рассчитать устройства РЗиА следующих элементов: трансформаторов ГПП, распределительных линий, СД и АД, батарей статических конденсаторов, трансформаторных подстанций, воздушных линий, питающих ГПП. Необходимо выполнить следующее:

– определить типы защит от возможных повреждений каждого из вышеперечисленных элементов схемы;

– наметить места установки защит и выбрать исполнение схемы каждой из защит;

– на основании данных по токам короткого замыкания рассчитать уставки срабатывания защит;

– выбрать измерительные трансформаторы тока и напряжения;

– выбрать типы реле для схемы РЗ и рассчитать их параметры для каждого типа РЗ;

– составить карту селективности действия выбранных типов защит;

– выбрать защиту от понижения напряжения для электродвигателей при необходимости;

– выбрать тип и схему автоматики элемента схемы электроснабжения, дать обоснование выбранной схемы;

1. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА

1.1 Анализ особенностей энергосистемы

Система, данная в курсовой работе, представляет из себя подстанцию, питающуюся от двух ВЛ на 35 кВ. На ПС установлены два силовых трансформатора ТМН-6300/35/6,3, два трансформатора собственных нужд ТМ-40,защищенных предохранителями ПК-6 кВ. Также имеются две секции шин на 6 кВ, от которых запитано 15 ячеек. Фидера №9, №13, №15 находятся в резерве. Фидера №12 и №1 являются питающими для секций шин. На фидерах №11 и №2 установлены измерительные трансформаторы НТМИ-6, защищенные предохранителями ПКТ-6. Фидер №7 содержит секционный выключатель СМВ-6. Все линии, отходящие от ПС, являются воздушными. В общей сложности ПС питает 13 КТП различной мощности. На стороне высшего напряжения установлен секционный выключатель СМВ-35 для осуществления резервирования питания по одной из линий 35 кВ. Фидера №4 и №8 питают РУ-6 кВ №1. РУ-6 кВ №1 содержит две секции шин 6 кВ, от которых питается 12 ячеек. Ячейки №1, №11, №12 находятся в резерве, от ячеек №4 и №9 питаются измерительные трансформаторы НТМИ-6. Ячейка №6 представляет собой секционный выключатель СМВ-6. К ячейкам №2, №5, №8 через КЛ подключены синхронные двигатели СТД-1600. На подходах к секциям шин РУ-6 кВ №1 установлены трансформаторы собственных нужд мощностью 250 кВА. Фидера №5 и №10 ПС питают РУ-6 кВ №2. РУ-6 кВ №2 также содержит две секции шин, от которых питаются 18 ячеек. Ячейки №1, №3, №6, №8, №9, №11, №14 находятся в резерве. Ячейки № 5 и №10 являются питающими. Подходы к РУ-6 кВ №2 выполнены кабелем ААБ 3х95 длиной 210 метров. На ячейках №7 и №12 установлены измерительные трансформаторы НТМИ-6. Ячейки №2 и №15 содержат разрядные устройства РВ-6. Ячейка № 18 представляет собой секционный выключатель СМВ-6. От ячеек №4 и №13 питаются трансформаторы собственных нужд мощностью 630 кВА.

На ПС на фидерах №3, №4, №5, №8, №10, №14, а так же в РУ-6 кВ №2 на ячейках №4 и №13 устанавливаем МТЗ и ТО, а также АПВ, на фидере №7 ПС и в РУ на секционных выключателях – МТЗ и АВР, на питающих фидерах № 1 и №12 – МТЗ и АПВ. Для двигателей устанавливаем защиту от перегруза (вместе с ней защиту от выпадения из синхронизма), защиту от ОЗЗ и ТО. Защиту от замыканий на землю для фидеров выполняем по напряжению нулевой последовательности. Для линий, питающих двигатели, а так же для линий, выполненных кабелем, дополнительно по току нулевой последовательности. На вводах подстанции устанавливаем МТЗ. На секционном выключателе по высокой стороне напряжения устанавливаем МТЗ и АВР.

1.2 Расчёт уставок РЗ

Расчёт релейной защиты заключается в выборе рабочих параметров срабатывания (рабочих уставок) микропроцессорного устройства защиты «Сириус-2-МЛ».

Выбор рабочих характеристик и уставок РЗА производится в расчёте на «наихудший случай», учитывая что неправильное действие РЗА может привести к нарушению электроснабжения. И даже при том, что действие было оформлено как заранее допущенное, ущерб от неселективного срабатывания и, тем более, от отказа РЗА может вызвать непредвиденные тяжелые последствия и для потребителей, и для электроснабжающего предприятия.

Для выполнения расчёта релейной защиты (выбор рабочих характеристик и уставок) прежде всего необходимы полные и достоверные местные исходные данные, к которым относятся:

- первичная схема защищаемой сети и режимы ее работы (с указанием, как создаются рабочие и ремонтные режимы – автоматически или неавтоматически);

- сопротивление и ЭДС (или напряжения) питающей системы для максимального и минимального режимов ее работы (или мощности КЗ);

- режимы заземления нейтралей силовых трансформаторов;

- параметры линий, трансформаторов, реакторов и т.д.;

- значения максимальных рабочих токов линий, трансформаторов и т.п. в рабочих, ремонтных и послеаварийных режимах;

- характеристики электроприемников (особенно крупных электродвигателей);

- типы выключателей;

- типы и параметры измерительных трансформаторов тока и трансформаторов напряжения с указанием мест их установки в схеме сети;

- типы и параметры срабатывания (уставки) существующих устройств защиты и автоматики на смежных элементах (как питающих, так и отходящих);

- типы и принципиальные схемы устройств релейной защиты и автоматики, подлежащих расчету.

Для обеспечения селективности РЗ рабочие уставки защит с относительной селективностью на смежных элементах (линиях, трансформаторах) должны быть согласованы между собой. Для максимальных токовых защит речь идет о согласовании по току (чувствительности) и по времени.

Поэтому выбор уставок следует производить, как правило, не для одного элемента, а для участка сети, причем «попарно». В каждой паре одна, например, линия и её защита будут называться «предыдущими» или нижестоящими, а другая линия (защита), расположенная ближе к источнику питания – «последующей» или вышестоящей. В течение производства расчета пары и названия элементов будут изменяться, т.е. та РЗ, которая была вышестоящей (последующей) может стать предыдущей в паре с РЗ питающей линии (трансформатора). Выбор уставок в такой сети ведется от наиболее удаленного элемента по направлению к источнику питания.

При необходимости расчета уставок защиты одного вновь включаемого элемента надо согласовать выбранные уставки с уставками существующих защит, по возможности не изменяя последних.

В общем случае релейная защита не должна ограничивать возможности полного использования основного электрического оборудования сети. Однако, при разработке режимов работы сети, в свою очередь, должны учитываться и технические возможности типовых устройств релейной защиты. Не исключено, что по результатам расчета уставок некоторые редкие режимы могут быть запрещены.

Необходимо комплексное рассмотрение вопросов релейной защиты и противоаварийной автоматики сети (АПВ, АВР).

1.3 Релейная защита электродвигателей

Согласно ПУЭ, на двигателях напряжением выше 1000 В должны устанавливаться следующие устройства релейной защиты:

- защита от междуфазных коротких замыканий;

- защита от замыканий на землю;

- защита от двойных замыканий на землю;

- защита от перегрузки.

Применяемые для этой цели виды защиты зависят от мощности электродвигателей: В качестве защиты от междуфазных КЗ при мощности двигателей до 5000 кВт применяется токовая отсечка. Она может применяться и для двигателей большей мощности, не имеющих фазных выводов со стороны нейтрали двигателя.

Таким образом, согласно ПУЭ, на двигателях мощностью менее 5000 кВт можно иметь токовую отсечку, токовую защиту от замыканий на землю, защиту от перегрузки.

Токовую отсечку для двигателей будем рассчитывать по пусковому току (кратность пускового тока для данных двигателей равна 4,5 из справочных данных). Защиту от замыканий на землю выполняем на отключение, отстраиваем от емкостных токов. Защиту от перегрузки выполняем на отключении, отстраиваем от номинального тока двигателя по формуле:

, (1)

где k_н – коэффициент надёжности, k_в – коэффициент возврата.

Номинальный ток синхронного двигателя рассчитывается по формуле:

, (2)

где Р_ном – номинальная мощность двигателя, cosφ_дв – коэффициент мощности двигателя (из справочных данных).

Для двигателя №2 на РУ-6 кВ №1 по формулам (1) и (2):

А;

А.

Время срабатывания защиты от перегруза принимаем t_сз=20 сек (по рекомендациям из литературы).

Токовая отсечка и защита от замыканий на землю рассчитаны ниже. Поскольку установленные двигатели идентичны, то параметры защиты для них будут одинаковыми.

Выбор защиты минимального напряжения для отделения синхронных двигателей

Как правило, синхронный двигатель, не допускает подачи несинхронного напряжения в случае, если возбуждение его включено. Поэтому при исчезновении напряжения или его посадке, синхронные двигатели должны отключаться от сети, а после восстановления напряжения могут включаться вновь, если их включение необходимо, и они имеют схему автоматического пуска. Возможен также их перевод в асинхронный режим отключением возбуждения, и подачей возбуждения после появления напряжения.

С целью предотвращения подачи напряжения на возбужденные синхронные двигатели, автоматика, которая подает напряжение на шины, должна выполняться с контролем отсутствия напряжения. Недопустимо, например, выполнение АВР только по признаку отключения питающего ввода. Защита минимального напряжения для синхронного двигателя выбирается как 1-я ступень минимального напряжения для асинхронных двигателей.

, т.е. В.

t_сз = 0,5 с.

Для обеспечения устойчивой работы двигателя и связанного с ним механизма, необходимо не допускать подключения к секции шин, откуда питаются синхронные двигатели, посторонней нагрузки. Если это невозможно, то посторонние фидера должны иметь отсечку без выдержки времени. В ряде случаев применяется специальная отсечка по напряжению, с уставкой, равной уставке защиты минимального напряжения, без выдержки времени. Уставка по напряжению отсечки и защиты минимального напряжения в этом случае обычно принимается равной 0,6 U _ном.

1.4 Максимальная токовая защита

Максимальная токовая защита линий получила наибольшее распространение в радиальных сетях с одним источником питания. Селективность максимальной токовой защиты обеспечивается соответствующим выбором тока и времени срабатывания. В радиальной сети с односторонним питанием защиты устанавливаются на каждой линии. Защита наиболее удалённой от источника питания линии имеет наименьший ток срабатывания и наименьшую выдержку времени. Защита каждой последующей линии имеет выдержку времени больше выдержки времени предыдущей защиты.

Ток срабатывания защиты выбирается больше максимального рабочего тока защищаемой линии. При этом защита обычно чувствительна к коротким замыканиям на предыдущих участках сети.

Параметрами срабатывания максимальной токовой защиты являются ток I_сз и время t_сз срабатывания защиты.

Время срабатывания (выдержка времени) защиты i -й линии в общем случае выбирается на ступень селективности Δ t больше наибольшей выдержки времени t _{с.з(i- 1)max}– предыдущих защит:

. (3)

В зависимости от используемых аппаратов (выключателей и реле), Δ t может иметь различные значения. При использовании вторичных реле косвенного действия Δ t не превышает 0,2-0,6 с. При использовании менее точных реле прямого действия Δ t может достигать 0,8-1 с.

Ток срабатывания максимальной токовой защиты (I_сз) – это минимальный ток в фазах линии, при котором приходит в действие пусковой орган защиты. Ток I_сз выбирается больше максимального рабочего тока защищаемой линии с учётом необходимости возврата защиты после отключения КЗ защитой предыдущего участка сети. I_сз должен быть меньше I_кз.

Важным условием является обеспечение несрабатывания МТЗ при максимальных токах (I_maxнагр.) и пусковых токов (I_пуск.) нагрузки. Для этого необходимо выполнение следующих условий:

1) I _сз>I_{maxнагр .}– пусковые органы защит не должны приходить в действие при максимальном рабочем токе нагрузки;

2) пусковые органы защиты, пришедшие в действие при внешнем КЗ, должны вернуться в исходное состояние после его отключения и снижения до I_{maxнагр .}. Для выполнения этого условия ток возврата защиты I_вз, – это наибольший первичный ток, при котором пусковой орган возвращаются в исходное состояние, – должен удовлетворять требованию:

I _вз >k_сзI_{max нагр .}, (4)

где k_сз≥ 1,1÷1,3 – коэффициент самозапуска двигательной нагрузки, учитывает возрастание рабочего тока (I_maxнагр.) за счёт одновременного пуска всех тех электродвигателей, которые затормозились при снижении напряжения во время КЗ.

Токи I_сз и I_вз связаны коэффициентом возврата k_в:

, (5)

где k _в<1, для аналоговых МТЗ РТ-40, 80, 90 0,8 0,85 k _в=0,8÷0,85, РТВ k_в =0,6÷0,7; для микропроцессорных защит k _в =0,935÷0,96 (в зависимости от типа МПС РЗиА).

Следовательно, при выполнении условия 2 всегда выполняется условие 1, поэтому выражение для определения I_сз можно записать следующим образом:

I_вз =k_нk_сзI_maxнагр, (6)

где k_н – коэффициент надёжности, учитывает погрешность в определении I_вз (для МПС РЗиА: k_н =1,1 для реле SEPAM, SPAC, SPAM; k_н =1, 2 – MICOM; k_н =1,3 – REF; для аналоговых электромеханических реле РТ-40, 80, 90 k_н =1,1÷1, 2 и РТВ – k_н =1,2÷1, 4).

. (7)

Зная величину I_сз, можно определить I_ср – ток срабатывания реле, как ток I_сз, пересчитанный на вторичную обмотку ТТ:

, (8)

где – коэффициент схемы, зависящий от схемы соединения ТТ и обмоток реле, и равный отношению тока в реле ко вторичному току ТТ, k_сх = 3 при соединении вторичных обмоток ТТ треугольником и k_сх =1 – при соединении обмоток звездой; k_ТТ – коэффициент трансформации ТТ. По рассчитанному значению I_ср определяют I_уст – ток уставки. У части токовых реле I_уст регулируется плавно (реле РТ-40), у других – ступенчато (реле РТ-80), при этом округление I_ср до I_уст производится в большую сторону.

Коэффициент чувствительности (k_ч) защиты характеризует отношение величины контролируемого параметра в режиме КЗ к величине порога срабатывания защиты, т.е. k_ч

определяет, во сколько раз минимальный ток КЗ больше I_сз:

, (9)

где k_ч≥1,5 для основных защит, и k_ч≥1,2 для резервной защиты.

В том случае, когда от отходящей линии подключено несколько потребителей, которые получают питание через понижающие трансформаторы, то для расчёта I_сз встаёт задача определения максимального тока нагрузки в линии. Так как на практике такие данные часто отсутствуют, ток нагрузки выбирают приближённо по сумме всех номинальных токов потребителей с учётом коэффициента загрузки (k_загр), при этом k_загр выбирается равным 1,4.

Если линия электропередач питает нефтепромысловую нагрузку, состоящую из КТП 6(10)/0,4 кВ, то расчёт предлагается выполнять по формуле:

, (10)

где − суммарная номинальная мощность всех КТП, кВА; U _тр – номинальное напряжение высокой стороны КТП, кВ.

Согласование защит по чувствительности производится таким образом, чтобы предыдущая защита не срабатывала, если не работает последующая:

, (11)

где k_н.с − коэффициент надёжности согласования. Значение данного коэффициента зависит от типа токовых реле и принимаются в пределах от 1,1 (при согласовании МПС РЗиА между собой и с реле РТ-40) и до 1,3≥1,4 (при согласовании МПС РЗиА с реле типа РТВ); k_р − коэффициент токораспределения, который учитывается только при наличии нескольких источников питания, при одном источнике питания равен 1; − наибольшая из геометрических сумм токов срабатывания максимальных токовых защит параллельно работающих предыдущих элементов n; − геометрическая сумма максимальных значений рабочих токов всех предыдущих элементов (N), за исключением тех, с защитами которых производится согласование (n). При примерно однородной нагрузке допустимо арифметическое сложение вместо геометрической суммы, что создаст некоторый расчётный запас.

Рассчитаем МТЗ для фидера №4.

Для начала необходимо рассчитать МТЗ на вводе РУ №1. Ток срабатывания этой МТЗ по формуле (11) будет отстраиваться от максимального тока срабатывания МТЗ на одном из фидеров РУ №1, а так е от суммы рабочих токов остальных фидеров РУ №1. Поскольку РУ №1 питает только двигатели, то необходимо рассчитать уставку МТЗ для двигателей. Она рассчитывается, исходя из пускового тока двигателя (расчет номинального тока двигателя см. выше):

А;

А;

А;

А,

где А - рабочий ток ТСН.

Ток срабатывания реле по формуле (8):

А,

где k_сх=1 для соединения обмоток звезда-звезда, k_TT=60 – коэффициент трансформации трансформатора тока на 4 фидере.

Коэффициент чувствительности по формуле (9):
,

где А – двухфазный ток короткого замыкания ТСН.

Коэффициент чувствительности для основных защит по требования ПУЭ должен удовлетворять условию . Данная защита соответствует этому требованию.

Время срабатывания защиты по формуле (3) принимаем t_сз4=Δt=0.3сек., где Δt=0.3ек. – ступень селективности для микропроцессорных защит.

Расчёты МТЗ для остальных фидеров и вводов подстанции сведены в таблицу 3 (см. приложение 1), а для РУ №1 и №2 в таблицы 4 и 5 (см. приложения 2 и 3).

1.5 Токовая отсечка

Токовые отсечки (ТО) являются разновидностью токовой защиты. Используются в качестве первых ступеней токовых защит. Различают ТО без выдержки времени (мгновенного действия) и с выдержкой времени.

Дата добавления: 2015-08-09