Расчёт токов короткого замыкания, релейной защиты и автоматики для кабельной линии

КОСТРОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

Факультет электрификации и автоматизации сельского хозяйства

Кафедра “ Электроснабжение "

Курсовая работа

По дисциплине “Релейная защита”

Выполнил:

студент 4 курса 6 группы

факультета электрификации

и автоматизации с.-х.

Цветков Д.М.

Принял:

Смирнов Л.А.

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Расчет токов короткого замыкания

2.1 Определение сопротивлений элементов сети

2.2 Определение токов КЗ

2.2.1 Расчет токов к. з. в точке К1

2.2.2 Расчет токов к. з. в точке К2

2.2.3 Расчет токов к. з. в точке К3

2.2.4 Расчет токов к. з. в точке К4

2.2.5 Расчет токов к. з. в точке К5

2.2.6 Расчет токов к. з. в точке К6

3. Выбор комплектных трансформаторных подстанций и распределительных устройств

3.1 Из [Л2 - 532] выбираем КТП - 630 – 2500

3.2 Номинальный ток трансформатора на стороне 10 кВ равен

3.3 Номинальный ток трансформатора на стороне 0.4 кВ определяем по формуле

4. Выбор устройств РЗ и А для элементов системы электроснабжения

4.1 Составляем разнесённую схему релейной защиты

5. Расчет параметров релейной защиты

5.1 Рассчитываем МТЗ и отсечку выполненную на реле РТ-85

5.2 Принимаем схему МТЗ не полная звезда с реле типа РТ85 на переменном оперативном токе

5.3 Определяем ток уставки реле РТ85/1

5.4 Рассчитаем ток срабатывания отсечки

5.5 Определяем коэффициент чувствительности отсечки

6. Расчет селективности действия защит

7. Выбор и описание работы устройства АРВ

Список использованной литературы

Введение

При проектировании и эксплуатации любой электроэнергетической системы приходится считаться с возможностью возникновения в ней повреждений и ненормальных режимов работы. Наиболее распространёнными и в то же время опасными видами повреждений являются короткие замыкания. Одним из основных видов ненормальных режимов работы являются перегрузки.

Повреждения и ненормальные режимы работы могут приводить к возникновению в системе аварий, под которыми обычно понимаются вынужденные нарушения нормальной работы всей системы или её части, сопровождающиеся определённым недоотпуском энергии потребителям, недопустимым ухудшением её качества или разрушением основного оборудования.

Предотвращение возникновения аварий или их развитие при повреждениях в электрической части энергосистемы может быть обеспечено путем быстрого отключения повреждённого элемента, для этого применяется релейная защита и автоматика.

Основным назначением РЗ является автоматическое отключение повреждённого элемента (как правило кз) от остальной, неповреждённой части системы при помощи выключателей. Таким образом, она является одним из видов противоаварийной автоматики систем. Важность этого вида автоматики определяется тем, что без неё вообще невозможна бесперебойная работа электроэнергетических установок.

1. Исходные данные

Рис.1. Исходная схема для расчета.

Объектом проектирования является кабельная линия 10 кВ.

Сеть 0.4 кВ имеет длину L=250 м и выполнена проводом А70

Установлен автоматический ввод резерва (АВР) на низшем напряжении.

Коэф. загрузки трансформаторов подстанций = 1.

Коэф. загрузки линий =0.8

Линия 0.4 загружена на 25% от мощности ТП.

Коэф. мощности =0.8 для всех видов потребителей.

2. Расчет токов короткого замыкания

Составляем схему замещения для расчета токов короткого замыкания.

Рис 2. Схема замещения.

2.1 Определение сопротивлений элементов сети

Определяем сопротивление генератора №1.

; (2.1)

где: Xd -сверхпереходное сопротивление генератора; принимаем равным 0,125 Ом, согласно задания.

Uн - номинальное напряжение, принимаем 10 кВ.

Sн - номинальная мощность генератора

Ом

Определяем сопротивление генератора №2.

; (2.2)

Ом

Определяем полное сопротивление генератора:

(2.3)

Ом

Определяем сопротивление линии 10 кВ.

Ом

Ом

Ом

где: R₀ - активное сопротивление линии, [Л9 - 75]

для проводника АС-120 принимаем R₀₁₀ = 0.25 Ом/км

X₀ - индуктивное сопротивление линии, [Л9 - 75]

для проводника АС-120 принимаем X₀₁₀ = 0.38 Ом/км

L₁₀ - длина линии 10 кВ, км

Ом

Ом

Ом

Так как имеем две воздушные линии 10кВ с одинаковым сечением и длины, следовательно, их сопротивления равны. Данные линии соединены параллельно, то их можно представить в виде результирующего сопротивления Zл10.

Ом

Таблица 1. Технические данные реактора.

Определяем сопротивление реактора

Ом

где: Xр% - относительное сопротивление реактора; Xр = 6% - согласно задания;

Iнр - номинальный ток реактора, кА; Iнр = 0.63 кА согласно задания;

Uср - среднее напряжение линии,

; Ом

Определяем сопротивление кабельной линии.

Индуктивное сопротивление на 1 км кабеля мало зависит от сечения и для кабелей напряжением 10 кВ Х₀ можно принять 0,08 Ом/км [Л1 стр.185]. Активное сопротивление для кабеля сечением 150 мм принимаем равным R₀ =0.194 Ом/км [Л2 стр.185]

; Ом, ; Ом

Ом, Ом

Ом

; Ом

Определяем сопротивление трансформатора.

;

где: Uk% - напряжение короткого замыкания трансформатора,%

Uk = 5.5% - -согласно заданию.

Sном. т - номинальная мощность трансформатора, кВА

; Ом

Определяем активное сопротивление трансформатора:

; Ом

Таблица 2. Каталоговые данные трансформатора.

; Ом

Определяем индуктивное сопротивление трансформатора:

Ом

Ом

Определяем сопротивление линии 0.4 кВ.

Ом, Ом

Ом

где: R₀ - активное сопротивление линии, [Л9 - 75]

для проводника А-35 принимаем R₀ = 0.85 Ом/км

X₀ - индуктивное сопротивление линии, [Л9 - 75]

для проводника А-35 принимаем X₀ = 0.35 Ом/км

L_0,4 - длина линии 0,4 кВ, км

; Ом

; Ом

; Ом

Составляем схему замещения с учетом выполненных упрощений.

2.2 Определение токов КЗ

2.2.1 Расчет токов к. з. в точке К1

Рис.3. Схема замещения для расчета КЗ в т. К1

Определяем полное сопротивление до точки К1

Z1=Zг+Zвл10

Zп1=0.92+0.00008=0.92008 Ом

Ток трёхфазного к. з. в т. К1., равен:

, кА

Ток двухфазного к. з. в т. К1., равен:

, , кА

2.2.2 Расчет токов к. з. в точке К2

Рис.4. Схема замещения для расчета КЗ в т. К2

Определяем полное сопротивление до точки К2

Zп2=Zп1+Zр

Zп2=0.9201+0.55=1.47 Ом

Ток трёхфазного к. з. в т. К2. равен:

кА

Ток двухфазного к. з. в т. К2., равен:

кА

2.2.3 Расчет токов к. з. в точке К3

Рис.5. Схема замещения для расчета КЗ в т. К3.

Определяем полное сопротивление до точки К3

Zп3=Zп2+Zкл, Zп3=1.47+0.314=1.784 Ом

Ток трёхфазного к. з. в т. К3. равен:

, кА

Ток двухфазного к. з. в т. К3., равен:

, кА

2.2.4 Расчет токов к. з. в точке К4

Рис.6. Схема замещения для расчета КЗ в т. К4.

Для расчета токов КЗ в именованных единицах сопротивление всех элементов расчетной схемы приводим к той ступени напряжения на которой вычисляется ток КЗ. Приведение осуществляется через квадрат коэффициента трансформации.

Определяем приведенное сопротивление трансформатора

;

; Ом

Определяем приведенное сопротивление КЛ.

; ; Ом

Определяем приведенное сопротивление реактора

;

; Ом

Определяем приведенное сопротивление линии 10 кВ по формуле

; Ом

Определяем приведенное сопротивление генератора

;

; Ом

Определяем полное приведенное сопротивление до т. К4.

;

; Ом

Рассчитываем Iкз ⁽³⁾ в точке К4., по формуле

;

; кА

Рассчитываем Iкз ⁽²⁾ в точке К4., по формуле

; ; кА

2.2.5 Расчет токов к. з. в точке К5

Рис.7. Схема замещения для расчета КЗ в т. К5.

Находим полное сопротивление до т. К5

Ом

Рассчитываем Iкз ⁽³⁾ в точке К5

;

; кА

Рассчитываем Iкз ⁽²⁾ в точке К4., по формуле (3.5)

;

; кА

2.2.6 Расчет токов к. з. в точке К6

Рис.8. Схема замещения для расчета КЗ в т. К6.

Определяем номинальный ток двигателя

(А)

По допустимому нагреву принимаем кабель сечением 16 [Л5-табл 1.3.16].

X₀ - индуктивное сопротивление линии, принимаем равным 0.08 Ом/км [Л9 - 75]

R₀ = активное сопротивление линии

-удельная проводимость провода, для алюминия =32 [Л6-132].

S - сечение проводника,

R₀ = Ом

Ом

Определяем полное сопротивление до точки К3

Zп6=Zп3+Zкл, Zп3=1.784+1,9=3,684Ом

Ток трёхфазного к. з. в т. К3. равен:

, кА

Ток двухфазного к. з. в т. К3., равен:

, кА

3. Выбор комплектных трансформаторных подстанций и распределительных устройств

3.1 Из [Л2 - 532] выбираем КТП - 630 – 2500

Sном. т =2500кВА; тип силового трансформатора ТМН-2500/10;

тип шкафа на стороне 10 кВ - ШВВ5, на стороне 0.4 кВ - ШЛН5М; тип коммутационного аппарата: на 10 кВ ВНРу-10, на отходящих линиях 0.4 кВ - А3736Ф, А3794Б, Э06В, Э16В; габариты 1200´1400´2510; габариты шкафов 0.4 кВ - 1100´1500´2200. Некоторые элементы шкафа можно заменять по просьбе заказчика на заводе изготовителе.

Для установки в КТП необходимо выбрать: предохранители в комплекте с выключателем нагрузки на высокой стороне для защиты трансформатора и автоматические выключатели на низкой стороне, для защиты линии

3.2 Номинальный ток трансформатора на стороне 10 кВ равен

А

Условие выбора плавких предохранителей:

I_вст³ I_{ном. вн}

К установке принимаем предохранитель типа ПКТ104-10-20, У3 [Л3-221]:

Таблица 2. Основные технические данные предохранителей

3.3 Номинальный ток трансформатора на стороне 0.4 кВ определяем по формуле

, кА

К установке принимаем автоматический выключатель "Электрон"

с полупроводниковым реле РМТ на напряжение до 660 кВ.

[Л11 - табл.21]

Таблица 3. Технические данные автоматического выключателя:

Условия выбора автоматических выключателей:

1. Uн. в≥Uр 0.66≥0.4 кВ

2. Iн. расц≥Iр 4000≥3600 А

3. Iс. о=К Iн. б

Iс. о=1,6*4000=6400 А

Где: Uн. в - номинальное напряжение выключателя

Uр, Iр - рабочий ток напряжение линии

Iн. расц - номинальный ток расцепителя

Iс. о - ток срабатывания отсечки

К - уставка п/п реле РМТ, принимаем К =1,6 [Л11 - 91]

Iн. б - номинальный базовый ток МТЗ, А

4. Проверяем автоматический выключатель по чувствительности:

где: I_кз ⁽²⁾ - минимальный ток короткого замыкания в месте установки автоматического выключателя

т.к. k_ч > 1.5, следовательно автомат по чувствительности проходит. [Л11-93]

Выбор автоматических выключателей на отходящих линиях.

Так как от КТП по низкой стороне может отходить до 8 линий 0.4 кВ, то принимаем 6 отходящих линий.

Следовательно, ток, проходящий по каждой из линий будет равен:

, А

К установке принимаем автоматический выключатель "Электрон"

с полупроводниковым реле РМТ на напряжение до 660 кВ.

[Л11 - табл.21]

Таблица 4. Технические данные автоматического выключателя:

Условия выбора автоматических выключателей:

1. Uн. в≥Uр 0.66≥0.4 кВ

2. Iн. расц≥Iр 630≥600 А

3. Iс. о=К Iн. б

Iс. о=1,6*630=1008 А

4.

т.к. k_ч > 1.5, следовательно автомат по чувствительности проходит. [Л11-93]

4. Выбор устройств РЗ и А для элементов системы электроснабжения

Из [Л5 - 3.2.91] для линий в сетях с изолированной нейтралью (в том числе и с нейтралью, заземлённой через дугогасительный реактор) должны быть предусмотрены устройства РЗ от многофазных замыканий и от однофазных замыканий на землю.

Из [Л5 - 3.2.92] Защиту от многофазных замыканий следует предусматривать в двухфазном исполнении и включать в одни и те же фазы по всей сети данного напряжения для обеспечения отключения в большинстве случаев двойных замыканий на землю только одного места повреждения.

Защита должна быть выполнена в одно-, двух - или в трехрелейном исполнении.

4.1 Составляем разнесённую схему релейной защиты

Рис.8. Разнесенная схема релейной защиты.

Принимаем следующие виды защит на линии:

Предохранители

Автоматические выключатели

МТЗ и отсечка, выполненная на реле РТ-85

5. Расчет параметров релейной защиты

5.1 Рассчитываем МТЗ и отсечку выполненную на реле РТ-85

Т. к. на линии установлен реактор с I_р = 600 А, а по заданию по линии протекает ток 0.8×I_{ном. нагр} = 0.8×600 = 480 А, то из [Л5 - табл.1.3.6] выбираем кабель с током I_ном= 500 А и сечением 185 мм²

Из [Л6 - 18.10] выбираем два трансформатора тока типа ТПЛ10-500/5-0.5/Р, которые в свою очередь проверяются на 10% -ную погрешность.

Если в результате проверки будет установлено, что трансформаторы тока не проходят по условиям 10% -ной погрешности (e_расч > e_доп), то принимают следующие меры:

снижают вторичную нагрузку, увеличив площадь соединения соединительных проводов;

для встроенных трансформаторов тока применяют схему последовательного включения 2^х трансформаторов тока в одну фазу;

если реле включены на разность токов двух фаз, переходят на схему неполной звезды;

выбирают для эксплуатации трансформаторы тока с большим коэффициентом трансформации или заменяют встроенные трансформаторы тока выносными.

5.2 Принимаем схему МТЗ не полная звезда с реле типа РТ85 на переменном оперативном токе

Реле типа РТ-85 или РТ-86 с мощными переключающими контактами и ограниченно зависимой выдержкой времени. Предназначено для дешунтирования отключающих катушек выключателей.

Рис.9. Схема МТЗ не полная звезда с реле РТ-85

В этой схеме в фазах А и С стоят реле тока КА1 и КА2. Они имеют по одному контакту. При нормальном режиме ток по электромагнитам YAT и КА1.1 и КА2.1 не протекает.

При к. з. ток протекает по обоим токовым реле, которые в свою очередь замыкают свои контакты КА1.1 и КА2.1 в цепях электромагнитов отключения.

Использование переходного контакта исключает разрыв цепи трансформатора тока при срабатывании защиты.

5.3 Определяем ток уставки реле РТ85/1

;

где: k_н = 1.2 - коэффициент надежности;

k_в = 0.85 - коэффициент возврата (для реле РТ-85);

k_сх = 1 - коэффициент схемы (т.к схема неполная зведа);

коэффициенты берём из [Л7 - стр.230]

n_т = 60 - коэффициент трансформации трансформаторов тока;

I_нагр - ток нагрузки проходящий по кабельной линии.

А

Принимаем ток установки реле 7 А.

5.4 Рассчитаем ток срабатывания отсечки

где: I_{k. max -} трёхфазный ток к. з. в точке К2.

А

т.к установка отсечки реле РТ-85 равна 2¸8, а ток установки 10 А, то следовательно принимаем установку реле 5 на наибольший ток срабатывания отсечки 50 А.

По расчетам установка 5 проходит.

5.5 Определяем коэффициент чувствительности отсечки

где: I_{k. min -} двухфазный ток к. з. в точке К2.

Следовательно, защита удовлетворяет требованиям чувствительности.

6. Расчет селективности действия защит

Для определения действия селективности защит строим их характеристики друг относительно друга.

1. Автоматический выключатель ВА 53-41

2. Автоматический выключатель "Электрон" с полупроводниковым реле РМТ.

Предохранители типа ПКТ103-10-80-12.5У3

МТЗ с отсечкой, выполненное на реле типа РТ-85.

Для удобства построения приводим характеристики всех защит к одному напряжению 10 кВ.

Для РТ-85 ток срабатывания защиты будет равен:

(7.1)

А

Кратность тока срабатывания к току срабатывания защиты будет равна:

(7.2)

Принимаем установку 6.

Из построенных зависимостей видно что выбранная аппаратура по селективности проходит. Следовательно, расчет произведен верно.

7. Выбор и описание работы устройства АРВ

Рис.10. Схема АВР двухстороннего действия для двухтрансформаторной п/с

а) - поясняющая схема; б) - схема АВР и управления выключателем Q1 (аналогично Q2); в) - схема АВР для секционного выключателя.

Данная схема применяется на сельских 2^х -трансформаторных п/с 110…35/10 кВ, где все выключатели оборудованы пружинными приводами. Секционный выключатель Q3 нормально отключен и включается устройством АВР при отключении выключателей ввода напряжением 10 кВ Q1 или Q2 или исчезновение напряжения на шинах 6 (10) кВ секций I или II в результате отключения питающей линии электропередачи W1 или W2. Особенность схемы АВР - при восстановлении напряжения на питающей линии автоматически восстанавливается нормальная схема п/с.

Пусковой орган схемы АВР состоит из двух реле времени KT1 и KT2, Выполняющих одновременно роль органов минимального напряжения и выдержки времени. При снижении или исчезновении напряжения реле при возврате якоря обеспечивают заданную выдержку времени. Обмотки реле подключаются к разным трансформаторам: KT1 - к трансформатору собственных нужд (ТСН1), а КТ2 - к измерительному трансформатору (ТН1). При этом исключается возможность ложной работы пускового органа при неисправностях в цепях напряжения.

На рис.10 контакты выключателей и реле показаны для рабочего положения: выключатели Q1 и Q2 включены, в результате чего имеется напряжение на шинах 6 (10) кВ подстанции; приводы всех выключателей подготовлены для операции включения; реле положения выключателей "Включено" KQC находятся под напряжением и их контакты замкнуты. Напряжение на шинки обеспеченного питания (ШОП) подается ТСН1 и ТСН2.

При повреждении, например, трансформатора Т1 под действием релейной защиты отключается выключатель Q1, замыкается его вспомогательный контакт SQ1.3 в цепи включения секционного выключателя Q3 и последний включается, т.е. происходят АВР без выдержки времени и восстановление напряжения на секции I. Однократность действия АВР обеспечивается тем, что при отключении выключателя Q1 реле KQC теряет питание и размыкает свой контакт KQC.2 в цепи автоматической подготовки привода выключателя Q3. Схема АВР перестаёт действовать при отключении контактной перемычки (накладки) XB2.

Схема работает в другом аварийном режиме - при отключении, например, питающей линии W1 - с помощью пускового органа минимального напряжения. При исчезновении напряжения со стороны линии W1 реле КТ1 и КТ2 возвращается в исходное состояние, с выдержкой времени замыкаются их контакты КТ1.2 и КТ2.2 в цепях отключения выключателя Q1. Выключатель Q1 отключается, и далее схема АВР действует на включение выключателя Q3 так же, как описано ранее. Напряжение на шинах секции I восстанавливается, якорь реле КТ2 втягивается, и его контакт КТ2.1 замыкается, а контакт КТ2.2 размыкается. Реле КТ1 по-прежнему находится в исходном состоянии, и его контакт КТ1.1 разомкнут. В данном случае реле КТ1 используют для контроля за появлением напряжения со стороны питающей линии. Пусковым же органом восстановления нормальной предварительной схемы п/с служит реле времени КТ3, срабатывающее при подаче напряжения.

Если напряжение о стороны линии W1 появилось, то срабатывает реле КТ1 и замыкает свой контакт КТ1.1 При этом начинает работать реле КТ3, которое своим проскальзывающим контактом КТ3.2 (замыкается на 1…1.5 с) создаёт цепь на включение выключателя Q1, а конечным контактом КТ3.3 - цепь на отключение секционного выключателя Q3. Таким образом, восстанавливается нормальная схема п/с с отключенным выключателем Q3 который автоматически подготавливается к будущему действию устройства АВР. [Л1 - стр.368]

Список использованной литературы

1. Будзко И.А., Лещинская Т.Б. Электроснабжение сельского хозяйства - М: Колос, 2000. - 536 с.

2. Неклепаев Б.Н. Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. - М: Энергоатомиздат, 1989. - 608 с.

3. Руководящие материалы по проектированию электроснабжения с.-х. - М: РАО "ЕЭС России" АО РОСЭП, 2001. - 74 с.

4. Нормы технологического проектирования электрических сетей с.-х. назначения НТПС-88 - М: АО РОСЭП, 1997.

5. Правила устройств электроустановок.6 издание. - М.: Госэнергонадзор 2000. - 608 с.

6. Федоров А.А. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. - М.: Энергоатомиздат. - 1987 - 592 с.

7. Каганов И.Л. Курсовое и дипломное проектирование. - М.: Агропромиздат, 1990. - 351 с.

8. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения - М.: Высш. шк., 1991. - 496 с.