Расчет устройств релейной защиты и автоматики системы электроснабжения

Целью данного курсового проекта является расчет устройств РЗ и А системы электроснабжения. При работе элементов систем электроснабжения возможно возникновение ненормальных и аварийных режимов. К ним относятся короткие замыкания, перегрузки, понижение уровня напряжения, частоты и другие.

Повреждения и ненормальные режимы должны быть устранены, и это является основным назначением устройств релейной защиты и системной автоматики.

К устройствам релейной защиты предъявляются следующие требования: селективность, необходимое быстродействие, чувствительность и надежность. Перечисленные требования удовлетворяются правильным выбором устройств релейной защиты, схем соединения устройств РЗ, расчётом установок срабатывания.

1. Расчет токов короткого замыкания

Расчет токов короткого замыкания проводим в относительных единицах. Все полученные величины приведены к базовым условиям. Базовую мощность принимаем равной:  = 1000 МВА.

Схема замещения приведена на рисунке 1.1:

Рис. 1.1. Схема замещения

Определим сопротивления схемы замещения:

Сопротивление системы согласно (l.стр. 131):

,                                                                                   (1.1)

где SK3 - мощность короткого замыкания системы.

.

Определим параметры линий 110 кВ (нагрузкой являются трансформаторы Т1 и Т2) с учетом допустимой перегрузки трансформатора согласно (1,стр.213):

,                                                                              (1.2)

где  - номинальная мощность трансформатора, кВА, - номинальное напряжение трансформатора кВ.

 А

Выбор сечения проводов проводим по экономической плотности тока (1, стр.232).

                                                                                     (1.3)

где  - экономическая плотность тока, при ч для сталеалюминиевых проводов, = 1 (3, стр.266); I, A –ток на участке сети.

Принимаем провод АС-70/11 сечением 70 ; с удельными сопротивлениями:  Ом/км и реактивным сопротивлением  Ом/км. (3, стр.577).

Сопротивление ЛЭП согласно (1, стр.131):

                                                                         (1.4)

где  - среднее значение напряжения на шинах в месте короткого замыкания,

l – длина ЛЭП.

Определяем параметры линий 35 кВ. Нагрузкой линии 35 кВ, при простое второй будут трансформаторы Т7, Т8, Т9 и Т10. Так как параметры трансформаторов Т7 и Т8 не даны, принимаем для расчета нагрузку этих трансформаторов – четыре синхронных двигателя:

                                                          (1.5)

где , ,  - параметры синхронного двигателя ( табл. 1 )

 А

Выбор сечения питающего кабеля проводим по экономической плотности тока.

При ч для кабелей с бумажной пропитанной изоляцией с алюминиевыми жилами = 1,4  (3, стр.266).

Принимаем 2 кабеля ААБ-35-(3×185) общим сечением 370 ; с удельными сопротивлениями  Ом/км и  Ом/км. (2, стр.421).

Сопротивление трансформаторов согласно (1, стр.131):

                                                                    (1.6)

где  - номинальная мощность трансформатора;  - напряжение короткого замыкания;

Для трансформатора мощностью 10МВА соотношение x/r составляет порядка 10.

Исходя из этого, принимаем:

для трансформатора блока 2 МВт принимаем (1, стр.613)

Для трансформатора мощностью 2,5 МВА соотношение x/r составляет порядка 6.

Исходя из этого, принимаем:

Для трансформатора мощностью 2,5 МВА соотношение x/r составляет порядка 6.

Исходя из этого, принимаем:

Сопротивление генераторов согласно (1, стр.131):

                                                                           (1.7)

для генератора мощностью 2 МВА соотношение x/r составляет порядка 15. Исходя из этого, принимаем:

Расчет токов КЗ для точки К1

Упростив схему замещения относительно точки К1 получаем схему, представленную на рис 1.2.

Рис. 1.2. Упрощенная схема замещения

Базовый ток согласно (1, стр.142):

                                                                         (1.8)

где  - среднее значение напряжения в месте короткого замыкания (115 кВ).

 кА .

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания согласно (1, стр.137):

                                                                                 (1.9)

где  - ЭДС источника в относительных единицах (1, стр.130).

Значение периодической составляющей тока короткого замыкания по ветвям:

Ветвь энергосистемы ( сопротивление ветви составляет 1,76 отн. ед.):

 кА

Ветвь генератора G2 ( сопротивление ветви составляет 41,89 отн. ед.):

 кА

Общий ток:

 кА

Определим величину ударного тока (1, стр.148):

                                                                       (1.10)

где  - ударный коэффициент:

                                                                (1.11)

где:  - угол между векторами тока и напряжения в момент короткого замыкания;

                                                                             (1.12)

- постоянная времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания;

                                                                     (1.13)

 - угловая частота;

                                                                                   (1.14)

Ветвь энергосистемы:

 кА

Ветвь генератора G2:

 кА.

Суммарный ударный ток короткого замыкания в точке К1:

 кА .

Определим величину апериодической составляющей тока короткого замыкания.

Согласно (1, стр.151):

                                                                     (1.15)

                                                                                (1.16)

 - время действия релейной защиты ( принимаем  = 0,01 с );

 - собственное время отключения выключателя.

При установке выключателя ВВБК-110Б-50, собственное время отключения выключателя составит = 0,045 с (1, стр.630):

Тогда t= 0,01+0,045 = 0,055 с .

Ветвь энергосистемы:

Ветвь генератора G2:

 кА

Суммарная апериодическая составляющая тока короткого замыкания в точке К1 в момент времени t = 0,055 с:

кА .

Определим величину периодической составляющей тока короткого замыкания для момента времени t = 0,055 с .

Периодическая составляющая тока короткого замыкания от энергосистемы в любой момент времени неизменна:

 кА .

Ветвь генератора G2:

Так как генератор значительно удален от точки короткого замыкания ( за двумя ступенями трансформации), принимаем:

 кА .

Общая величина периодической составляющей тока короткого замыкания в точке К1 в момент времени t = 0,055 с составит:

 кА .

Расчет несимметричных токов короткого замыкания

Для упрощения расчетов принимаем величины сопротивления обратной последовательности всех элементов схемы, (включая синхронные генераторы) равными величинам сопротивлений прямой последовательности:

                                                                                    (1.17)

Схема замещения нулевой последовательности представлена на рисунке 2.1:

Рис. 2.1. Схема замещения нулевой последовательности.

Согласно (1, стр.160): справедливо соотношение  для одноцепных ЛЭП со стальным тросом, заземлённым с одной стороны. Тогда:

                                                                               (1.18)

Величины сопротивлений нулевой последовательности остальных элементов схемы, равны величинам соответствующих сопротивлений прямой последовательности (1, стр.160).

Двухфазное короткое замыкание.

                                                                    (1.19)

Значение периодической составляющей тока короткого замыкания по ветвям:

Ветвь энергосистемы ( = 1,76 отн. ед. ):

 кА

Ветвь генератора G2 ( = 41,89 отн. ед. ):

 кА

Общий ток:

 кА

Определим величину ударного тока:

Ветвь энергосистемы:

 кА

Ветвь генератора:

 кА .

Суммарный ударный ток короткого замыкания в точке К1:

 кА .

Определим величину апериодической составляющей тока короткого замыкания:

Ветвь энергосистемы:

Ветвь генератора G2:

 кА

Суммарная апериодическая составляющая тока короткого замыкания в точке К1 в момент времени t = 0,055 c :

 кА .

Величину периодической составляющей тока короткого замыкания в точке К1 в момент времени t = 0,055 с считаем неизменной:

 кА .

Двухфазное короткое замыкание на землю.

Преобразуем схему замещения нулевой последовательности относительно точки К1.

отн. ед.

Результирующее сопротивление согласно (1, стр.168):

                                                        (1.20)

отн. ед.

отн. ед.

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания согласно (1, стр.168):

    (1.21)

 кА

Определим величину ударного тока:

 кА

Величина апериодической составляющей тока короткого замыкания для момента времени: t = 0,055 с.

Величина периодической составляющей тока короткого замыкания для момента времени: t =0,055 с.

 кА .

Однофазное короткое замыкание на землю.

Результирующее сопротивление согласно (1, стр.168):

                                                            (1.22)

отн. ед.

Начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания согласно (1, стр.168):

                                                                         (1.23)

 кА

Определим величину ударного тока:

 кА

Расчеты токов КЗ для других точек аналогичны расчётам для точки К1. Результаты расчётов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Сводная таблица результатов расчёта токов короткого замыкания

Точка КЗ	Вид повреждения	Источник	кА	кА
КЛ (ВЛ 110 кВ)	Трехфазное КЗ	Система:	2,85	4,7
		Генератор G2:	0,13	0,3
		Итого:	2,98	5
	Двухфазное КЗ	Система:	2,47	4,06
		Генератор G2:	0,11	0,25
		Итого:	2,58	4,31
	Однофазное КЗ на землю	Итого:	0,89	1,75
К2 (РУ 35 кВ)	Трехфазное КЗ	Итого:	1,84	4,17
	Двухфазное КЗ	Итого:	1,6	3,63
К3 (Сторона ВН ГПП)	Трехфазное КЗ	Итого:	1,75	3,87
	Двухфазное КЗ	Итого:	1,52	3,35
К4 (РУ 0,4 кВ)	Трехфазное КЗ	Итого:	40,9	91,5
	Двухфазное КЗ	Итого:	35,42	79
	Однофазное КЗ на землю	Итого:	44,68	99,8
К5 (РУ 6 кВ)	Трехфазное КЗ	Итого:	2,6	4,1
	Двухфазное КЗ	Итого:	2,25	5,03

2. Выбор тока плавкой вставки предохранителей для защиты асинхронного электродвигателя

При выборе предохранителей для защиты асинхронных двигателей руководствуемся рекомендациями, изложенными в (4, стр.98-стр.116).

Условия выбора предохранителя:

                                                      (2.2)

где  - номинальный ток плавкой вставки, А;  - номинальный ток двигателя, А;  - коэффициент, учитывающий условия пуска двигателя;  = 1,6 ÷ 2,0 при тяжелом пуске;  = 2,5 при легком пуске;  - пусковой ток двигателя, А.

                                                                         (2.3)

                                                      (2.4)

где  - кратность пускового двигателя ( 5÷7 );  - номинальные величины мощности, напряжения, коэффициента мощности и КПД двигателя.

Для двигателя М1:

 А

 А

 А

Принимаем к установке предохранитель типа: НПН2;  = 63 А;  = 25 А; (2, стр.371).

Для остальных двигателей расчеты аналогичны. Результаты расчетов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Результаты выбора предохранителей

Двигатель	кВт	, А	, А	, А	Предохранитель
					Тип	, А	, А
М1	5	10,27	51,35	20,54	НПН2	63	25
М2	60	123,27	616,35	246,54	ПН2	250	250
М3	7,5	15,41	77,05	30,82	НПН2	63	32
М4	5,5	11,3	56,5	22,6	НПН2	63	25
М5	4	8,22	41,1	16,44	НПН2	63	20
М6	15	30,82	154,1	61,64	НПН2	63	63

Предохранитель FU3, от которого запитана группа электродвигателей, выбирается согласно следующих условий:

,                                                                          (2.5)

,                                                  (2.6)

где  и  -пусковой и номинальный ток максимального по мощности двигателя, питающегося от выбираемого предохранителя, А;  - коэффициент спроса для этого двигателя (так как не дано иное, принимаем =1);  - расчетный ток двигателей, питающихся от выбираемого предохранителя, А.

                                                                      (2.7)

 А

 А .

Принимаем к установке предохранитель типа ПН2; = 400 А;  = 355 А; (2, стр.371).

Для обеспечения селективности действия защиты для предохранителя FU2 принимаем плавкую вставку с номинальным током: = 630 А.

Предохранитель типа: ПН2;  = 630 А; = 630 А; (2, стр.371).

3. Выбор установок автоматов

При выборе автоматов для защиты асинхронных двигателей руководствуемся рекомендациями, изложенными в (4, стр.98-стр.116).

Условия выбора:

                                                 (3.1)

                                                                     (3.2)

где - номинальный ток уставки теплового расцепителя автомата, А;

 - номинальный ток уставки электромагнитного расцепителя автомата, А;

Автомат для двигателя М1:

 А

 А

Выбираем автомат типа АЕ 2023М, =12,5 А, = 87,5 А, без выдержки времени (t = 0 с.).

Для остальных двигателей выбор производится аналогично. Результаты приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Результаты выбора автоматического выключателей

Двигатель	, А	, А	,А	Предохранитель
				Тип	, А	,А
М1	10,27	51,35	64,19	АЕ 2023	12,5	87,5
М2	123,27	616,35	770,44	АЕ 2063 М	160