Релейная защита и автоматика СЭС

Релейная защита и автоматика СЭС

Введение

Системы электроснабжения являются сложными производственными объектами кибернетического типа, все элементы которых участвуют в едином производственном процессе, основными особенностями которого являются быстротечность явлений и неизбежность повреждений аварийного характера. Поэтому надёжное и экономичное функционирование систем электроснабжения возможно только при автоматическом управлении ими.

Распределительные электрические сети являются важным звеном в системе производства, передачи и потребления электрической энергии. Большое значение для надёжной работы электросетей имеет правильное выполнение и настройка устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА) и в том числе правильный выбор рабочих параметров срабатывания (рабочих уставок) аппаратуры РЗА.

Курсовая работа по дисциплине «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения промышленных предприятий» является одной из важнейших составных частей общего курса РЗА. В процессе выполнения данной работы выбираются защиты и рассчитываются уставки для цеховых (заводских) распределительных сетей, производится согласование защит для обеспечения надёжности, максимального быстродействия и селективности.

1. Выбор кабелей системы электроснабжения

1.1 Выбор кабеля W6', питающего трансформатор T5

На основе данных выбираем трансформатор Т5 типа ТСЗ-160/10 ([6], табл.3.3).

В нормальном режиме работы длительный ток нагрузки составит:

 А.

Примем коэффициент загрузки трансформатора в режиме длительной нагрузки и ПАР равным 1, так как отсутствует резерв. Следовательно Iн=Iн.max=Iном.Т5=14.663 А.

Выбираем кабель на 6 кВ марки ААГ-3×10 для прокладки в канале (температура окружающей среды +350 С).

Iдоп.ном=42 А ([1], табл. 1.3.18).

Расчетный длительный ток кабеля:

Iдоп=Кс.н.·Кср·Iдоп.ном=1·0.85·42=35.7 А,

где: Кс.н=1 ([1], табл. 1.3.26); Кср=0.85 ([1], табл. 1.3.3).

Условие выполняется:

Iн.max=14.663 А < Iдоп=35.7 А.

Определим экономически целесообразное сечение:

 мм2 > 10 мм2,

где: Jэ=1.4 (А/мм2) для Tmax=4000 ч ([1], табл. 1.3.36 ).

Увеличиваем сечение кабеля до q=16 мм2.

Iдоп.ном=50 А ([1], табл. 1.3.18).

Расчетный длительный ток кабеля:

Iдоп=Кс.н.·Кср·Iдоп.ном=1·0.85·50=42.5 А,

где: Кс.н=1 ([1], табл. 1.3.26); Кср=0.85 ([1], табл. 1.3.3).

Условие выполняется:

Iн.max=24.06 А < Iдоп=42.5 А.

Допустимый ток термической стойкости кабеля для времени действия 0.1 с основной релейной защиты (МТО) на Q14 равен:

 кА,

где: С=94 А·с2/мм2 – для кабелей с алюминиевыми однопроволочными жилами;

tс.з.=0.1 с – предполагаемое время действия основной релейной защиты;

to.Q=0.1 c – полное время отключения выключателя КЛЭП;

τа=0.01 с – постоянная времени апериодической составляющей тока КЗ.

1.2 Выбор кабеля линии W6

На основе данных выбираем трансформаторы Т3 и Т4 марки ТСЗ-160/10 ([6], табл.3.3).

В нормальном режиме работы, при коэффициенте загрузки трансформатора Т4 равном 0.7, а трансформатора Т5 – 1, ток нагрузки будет равен:

 А.

Максимально возможный ток нагрузки (ток в ПАР) равен:

 А.

Выбираем кабель на 6 кВ марки ААГ-3×10 для прокладки в канале (температура среды +350С).

 А ([1], табл. 1.3.18).

Расчётный длительно допустимый ток кабеля:

 А,

где:  ([1], табл. 1.3.26);  ([1], табл.1.3.3).

Условие не выполняется: Iн.max=35.191 А > Iдоп=33.201 А, следовательно выбираем кабель сечением 16 мм2.

 А ([1], табл. 1.3.18).

Расчётный длительно допустимый ток кабеля:

 А,

где:  ([1], табл. 1.3.26);  ([1], табл.1.3.3).

Условие выполняется:

Iн.max=35.191 А < Iдоп=39.525 А

Определим экономически целесообразное сечение:

 мм2 < 16 мм2,

где: Jэ=1.4 (А/мм2) для Tmax=4000 ч ([1], табл. 1.3.36).

Допустимый ток термической стойкости кабеля для предполагаемого времени действия 0.1 с основной релейной защиты (МТО) на Q14 равен:

 кА.

1.3 Выбор кабеля линии W5, питающей трансформатор Т3

Кабель питает трансформатор мощностью 160 кВА. В нормальном режиме работы, при коэффициенте загрузки трансформатора Т3 равном 0.7, ток нагрузки будет равен:

А.

Максимально возможный ток нагрузки (ток в ПАР) равен:

А.

Выбираем кабель на 6 кВ марки ААГ-3×10 для прокладки в канале (температура среды +350С).

 А ([1], табл. 1.3.18).

Расчётный длительно допустимый ток кабеля:

 А,

где:  ([1], табл. 1.3.26);  ([1], табл.1.3.3).

Условие выполняется:

Iн.max=20.528 А < Iдоп=33.201 А.

Определим экономически целесообразное сечение:

 мм2 < 10 мм2,

где: Jэ=1.4 (А/мм2) для Tmax=4000 ч ([1], табл. 1.3.36).

Допустимый ток термической стойкости кабеля для предполагаемого времени действия 0.1 с основной релейной защиты (МТО ) на Q13 равен:

 кА.

1.4 Выбор кабелей, питающих асинхронные двигатели (АД) М1 и М2, М3 и М4

Номинальный ток АД серии АТД исполнения 2АЗМ1-800/6000УХЛ4 ([6], табл. 4.6):

 А,

где: кВт – номинальная активная мощность АД ([6], табл. 4.6);

 кВ – номинальное напряжение АД ([6], табл. 4.6);

 – коэффициент мощности ([6], табл. 4.6);

 – номинальный коэффициент полезного действия АД ([6], табл. 4.6).

Выбираем кабель на 6 кВ марки ААГ-3×70 для прокладки в канале (температура среды +350 С).

А ([1], табл.1.3.18).

Расчётный длительно допустимый ток кабеля:

 А.

Условие выполняется: Iном.М=89.283 А < Iдоп=114.75 А.

Определяем экономически целесообразное сечение:

мм2 < 70 мм2.

При использовании кабеля со сплошными жилами допустимый ток термической стойкости для предполагаемого времени действия 0.1 с основной релейной защиты (МТО) равен:

 кА.

1.5 Выбор кабелей линий W3 и W4

Линия питает трансформатор Т3 мощностью 160 кВА и АД М3 мощностью 800 кВт. В нормальном режиме работы ток в линии равен:

Iн.W3=Iн.W5+Iном.М3=24.927+89.283=114.21 А.

Максимально возможный ток нагрузки (ток в ПАР) равен:

Iн.max=2·Iн.W3+Iн.W6'=2·114.21+14.663= 243.083 А.

Определяем допустимый ток кабеля :

 А,

где: Кп=1.35, принимая коэффициент загрузки линии в нормальном режиме Кз=0.6 и время ликвидации аварии равным 3 ч ([1], табл.1.3.2);

Кс.н.=0.93, принимая прокладку кабелей к РП в одной траншее (земле), лежащих рядом на расстоянии 300 мм ([1], табл.1.3.26);

Кср=1.0, для нормальной температуры среды (+150 С) ([1], табл.1.3.3).

Выбираем кабель на 6 кВ марки ААШв-3×95 для прокладки в земле (температура среды +150 С).

 А ([1], табл. 1.3.16).

Условие выполняется:

Iдоп.ном =225 А > Iдоп=193.6 А.

Определим экономически целесообразное сечение:

 мм2 < 95 мм2,

где: Jэ=1.4 (А/мм2) для Tmax=4000 ч ([1], табл. 1.3.36).

Допустимый ток термической стойкости кабеля для предполагаемого времени действия 1.2 с основной релейной защиты (МТЗ) на Q3 равен:

 кА.

1.6 Выбор сечения провода воздушной линии питающей РУ

Питание РУ осуществляется по двум ВЛЭП длиной 0.75 км. В свою очередь РУ питает 2 трансформатора ТM-6300/10. Номинальный ток трансформатора равен:

 А.

Максимально возможный ток (ток в ПАР) равен:

Iн.max=2·Iном.Т=2·364=728 А.

Выбираем провод марки АС сечением 330 мм2 – Iдоп=730 А ([1], табл. 1.3.29).

2. Предварительный расчет токов КЗ

Исходная схема электроснабжения и схема замещения для расчёта токов КЗ представлены на рис. 2 и рис. 3 соответственно.

Выбранные кабели проверим на термическую стойкость при КЗ (для одиночных кабелей при КЗ в начале кабеля или при КЗ за пучком кабелей при их параллельном соединении). Расчет токов проведем для 3х точек: К-1, К-2 и К-3. Расчёт токов КЗ производится в именованных единицах.

2.1 Определение сопротивления элементов схемы замещения, приведённые к напряжению Uб = 6.3 кВ

1) Сопротивление системы:

 Ом,

где: кВ - среднее напряжение на котором находится система.

2) Сопротивление воздушной линии 10 кВ:

Ом,

где: Ом/км - удельное сопротивление линии.

3) Сопротивление трансформаторов Т1 и Т2 ТM-6300/10:

Ом.

4) Активное и реактивное сопротивления кабельных линий W3 и W4:

Ом;

Ом,

где: xуд, rуд - удельные сопротивления кабеля ([5], табл. 3.5).

5) Сопротивление асинхронных двигателей М1, М2, M3 и М4 (Рном.М1 =800 кВт) при номинальной нагрузке:

Ом.

6) Активное и реактивное сопротивления линии W5:

Ом;

Ом.

7) Активное и реактивное сопротивления линии W6:

Ом;

Ом.

2.2 Расчет тока КЗ в точке К-1

Суммарное сопротивление от энергосистемы до точки К-1 равно:

Ом.

Начальное значение периодической составляющей тока в месте КЗ со стороны системы:

кА.

Начальное значение периодической составляющей тока в месте КЗ со стороны асинхронных двигателей М1 и М2:

кА.

Определяем необходимость учета подпитки от АД:

,

что больше 2 и подпитка от АД учитывается.

Суммарное значение периодической составляющей тока в точке К-1 (в начале КЛЭП W3):

 кА < кА.

Таким образом, кА < кА.

Вывод: Для обеспечения прохождения периодической составляющей тока КЗ в точке КЗ К-1 кабель сечением 95 мм2 подходит.

2.3 Расчет тока КЗ в точке К-2

Результирующее сопротивление со стороны энергосистемы для точки К-2:

Ом.

Токи трёхфазного КЗ на шинах РП со стороны энергосистемы и двигателей при включенном секционном выключателе QB2:

кА;

кА.

Определяем необходимость учета подпитки от АД:

,

что больше 2 и подпитка от АД учитывается.

Суммарное значение периодической составляющей тока в точке К-2 (в начале КЛЭП W5 и W6):

 кА > кА.

Ток термической стойкости кабеля W6 равен IтерW6=3.282 кА, а кабеля W5 – IтерW5=2.051. Следовательно сечение этих кабелей увеличим до q=35 мм2, тогда:

кА.

Заново считаем:

Ом;

Ом,

где  – новые удельные сопротивления кабелей ([5], табл. 3.5).

Таким образом, кА < кА.

Вывод: Для обеспечения прохождения периодической составляющей тока КЗ в точке КЗ К-2 сечение кабелей W5 и W6 мы вынуждены увеличить до 35 мм2.

2.4 Расчет тока КЗ в точке К-3

Результирующее сопротивление со стороны энергосистемы для точки К-3:

Ом

Начальное значение периодической составляющей тока в месте КЗ:

кА > кА.

Увеличиваем сечение кабеля отходящего от РП: мм2, тогда:

кА.

Заново считаем:

Ом;

Ом,

где  – новые удельные сопротивления кабеля ([5], табл. 3.5).

Таким образом кА < кА.

3. Уточненный расчет токов КЗ

Исходная схема распределительной сети представлена на рис. 4.

В дальнейшем на всех схемах замещения, начиная со схемы на рис. 4, в скобках указаны сопротивления элементов схемы в именованных единицах в минимальном режиме для определения минимальных значений токов КЗ, а без скобок - в максимальном режиме.

3.1 Расчет тока КЗ в точке К-1

1) Рассчитаем реактивные сопротивления силового трансформатора ГПП с учётом работы устройства РПН.

Напряжения, соответствующие крайним ответвлениям:

кВ;

кВ,

где: ΔUрпн=10 % – ступень регулирования трансформатора ([13] табл. П1.2).

Сопротивления трансформаторов в максимальном и минимальном режимах:

Ом;

Ом,

где: Uk%T1max=6.9 – максимальное сопротивление короткого замыкания трансформатора ([13] табл. П1.2);

Uk%T1min=6.2 – минимальное сопротивление короткого замыкания трансформатора ([13] табл. П1.2).

Определим наименьшее и наибольшее сопротивления трансформатора, отнесенные к стороне 6.3 кВ:

Ом

Ом

2) Результирующее сопротивление от системы до точки К-1 максимальном и минимальном режимах:

Ом;

Ом.

3) Максимальное и минимальное значения тока при металлическом трёхфазном КЗ в точке К-1:

кА;

кА.

4) Минимальный ток двухфазного КЗ в точке К-1:

кА.

3.2 Расчет тока КЗ в точке К-2

1) Максимальное и минимальное значения тока при металлическом трёхфазном КЗ в точке К-2:

кА;

кА.

2) Минимальный ток двухфазного КЗ в точке К-2:

кА.

3.3 Расчет тока КЗ в точке К-3

1) Результирующее сопротивление от системы до точки К-3 максимальном и минимальном режимах:

Ом;

Ом.

2) Максимальное и минимальное значения тока при металлическом трёхфазном КЗ в точке К-3:

кА;

кА.

3) Минимальный ток двухфазного КЗ в точке К-3:

кА.

3.4 Расчет тока КЗ в точке К-4

1) Результирующее сопротивление от системы до точки К-4 максимальном и минимальном режимах:

2) Максимальное и минимальное значения тока при металлическом трёхфазном КЗ в точке К-4:

кА;

кА.

3.5 Расчет тока КЗ в точке К-5

1) Расчет результирующего сопротивления от системы до точки К-5 в максимальном режиме. Определим полное сопротивление трансформатора Т3, приведенное к стороне ВН:

Ом.

Активное сопротивление трансформатора Т3, приведенное к стороне ВН:

Ом.

Индуктивное сопротивление трансформатора Т3, приведенное к стороне ВН:

Ом.

Результирующее полное сопротивление от системы до точки К-5 в максимальном режиме:

2) Максимальное значение тока при металлическом трёхфазном КЗ в точке К-5 приведенное к стороне ВН (Uвн=6.3 кВ):

кА.

Максимальное значение тока при металлическом трёхфазном КЗ в точке К-5 приведенное к стороне НН (Uнн=0.4 кВ):

кА.

3) Определим суммарное полное сопротивление цепи КЗ, приведенное к стороне НН:

Суммарное активное сопротивление цепи КЗ, приведенное к стороне НН:

мОм,

где: мОм – активное сопротивление от системы до цехового трансформатора отнесенное к стороне НН;

Ом – активное сопротивление от системы до цехового трансформатора отнесенное к стороне ВН;

мОм – активное сопротивление цехового трансформатора, приведенное к стороне НН;

мОм – активное сопротивление шинопровода типа ШРА73 (250 А) от трансформатора до секции шин 0.4 кВ, протяженностью 10 м ([12] табл. П2.3);

гкв=0.65 мОм – активное сопротивление токовых катушек и контактов автоматического выключателя QF3 с номинальным током 400 А (рис. 1) ([12] табл. 2.4);

rк=1 мОм – активное сопротивление контактов коммутационных аппаратов цепи КЗ;

rп=15 мОм – активное переходное сопротивление дуги в разделке кабеля, отходящего от секции шин 0.4 кВ ([12] табл. П2.2).

Суммарное индуктивное сопротивление цепи КЗ, приведенное к стороне НН:

мОм,

где: мОм – индуктивное сопротивление от системы до цехового трансформатора в минимальном режиме приведенное к стороне НН;

мОм – индуктивное сопротивление от системы до цехового трансформатора в минимальном режиме приведенное к стороне ВН;

мОм – индуктивное сопротивление цехового трансформатора, приведенное к стороне НН;

мОм – индуктивное сопротивление шинопровода типа ШРА73 (250 А) от трансформатора до секции шин 0.4 кВ, протяженностью 10 м ([12] табл. П2.3);

xкв=0.17 мОм – индуктивное сопротивление токовых катушек и контактов автоматического выключателя QF3 с номинальным током 400 А (рис. 1) ([12] табл. 2.4).

4) Минимальное значение тока трехфазного КЗ вблизи секции шин 0.4 кВ с учетом активного сопротивления дуги:

кА.

Минимальное значение тока трехфазного КЗ в точке К-5, отнесенное к стороне ВН:

кА.

3.6 Расчет тока КЗ в точке К-6

1) Расчет результирующего сопротивления от системы до точки К-6 в максимальном режиме. Определим полное сопротивление трансформатора Т5, приведенное к стороне ВН:

Ом.

Активное сопротивление трансформатора Т5, приведенное к стороне ВН:

Ом.

Индуктивное сопротивление трансформатора Т5, приведенное к стороне ВН:

Ом.

Результирующее полное сопротивление от системы до точки К-6 в максимальном режиме:

2) Максимальное значение тока при металлическом трёхфазном КЗ в точке К-6 приведенное к стороне ВН (Uвн=6.3 кВ):

кА.

Максимальное значение тока при металлическом трёхфазном КЗ в точке К-6 приведенное к стороне НН (Uнн=0.4 кВ):

кА.

3) Определим суммарное полное сопротивление цепи КЗ, приведенное к стороне НН:

Суммарное активное сопротивление цепи КЗ, приведенное к стороне НН:

мОм,

где: мОм – активное сопротивление от системы до цехового трансформатора отнесенное к стороне НН;

Ом – активное сопротивление от системы до цехового трансформатора отнесенное к стороне ВН;

мОм – активное сопротивление цехового трансформатора, приведенное к стороне НН;

мОм – активное сопротивление шинопровода типа ШРА73 (250 А) от трансформатора до секции шин 0.4 кВ, протяженностью 10 м ([12] табл. П2.3);

rкв=0.65 мОм – активное сопротивление токовых катушек и контактов автоматического выключателя QF3 с номинальным током 400 А (рис. 1) ([12] табл. 2.4);

rк=1 мОм – активное сопротивление контактов коммутационных аппаратов цепи КЗ;

rп=15 мОм – активное переходное сопротивление дуги в разделке кабеля, отходящего от секции шин 0.4 кВ ([12] табл. П2.2).

Суммарное индуктивное сопротивление цепи КЗ, приведенное к стороне НН:

мОм,

где: мОм – индуктивное сопротивление от системы до цехового трансформатора в минимальном режиме приведенное к стороне НН;

Ом – индуктивное сопротивление от системы до цехового трансформатора в минимальном режиме приведенное к стороне ВН;

мОм – индуктивное сопротивление цехового трансформатора, приведенное к стороне НН;

мОм – индуктивное сопротивление шинопровода типа ШРА73 (250 А) от трансформатора до секции шин 0.4 кВ, протяженностью 10 м ([12] табл. П2.3);

xкв=0.17 мОм – индуктивное сопротивление токовых катушек и контактов автоматического выключателя QF3 с номинальным током 400 А (рис. 1) ([12] табл. 2.4).

4) Минимальное значение тока трехфазного КЗ вблизи секции шин 0.4 кВ с учетом активного сопротивления дуги:

кА.

Минимальное значение тока трехфазного КЗ в точке К-5, отнесенное к стороне ВН:

Таблица 2.1.

4. Приближенное определение токов самозапуска промышленной нагрузки

4.1 Расчет тока самозапуска отходящей от РП линии W5

Сопротивление обобщенной нагрузки, отнесенное к номинальной мощности трансформатора и среднему значению междуфазного напряжения стороны ВН:

Ом,

где: x*н=0.35 – сопротивление обобщенной нагрузки [12].

В соответствии со схемой замещения (рис. 4), эквивалентное сопротивление при самозапуске равно:

Ток самозапуска:

А.

Коэффициент самозапуска:

,

где: А – номинальный ток трансформатора Т3.

4.2 Расчет тока самозапуска линии W6'

Сопротивление обобщенной нагрузки, отнесенное к номинальной мощности трансформатора и среднему значению междуфазного напряжения стороны ВН:

Ом,

В соответствии со схемой замещения (рис. 4), эквивалентное сопротивление при самозапуске равно:

Ток самозапуска:

А.

Коэффициент самозапуска:

,

где: А – номинальный ток трансформатора Т5.

4.3 Расчет тока самозапуска отходящей от РП линии W6

Ток самозапуска равен:

А.

Эквивалентное сопротивление нагрузки при самозапуске:

Ом.

В соответствии со схемой замещения (рис. 4), эквивалентное сопротивление при самозапуске равно:

Ом

Ток самозапуска:

А.

Коэффициент самозапуска:

,

где: Iн.сум.W6= Iном.T4+ Iном.T5=14.663+14.663=29.326 А – номинальный ток линии W6.

4.4 Расчет тока самозапуска смешанной нагрузки линии W3, питающей РП

Пусковой суммарный ток:

А,

где: kп=5.2 – кратность пускового двигателя асинхронного электродвигателя М3 ([6] табл. 4.6).

Эквивалентное сопротивление нагрузки при самозапуске:

Ом.

В соответствии со схемой замещения (рис. 4), эквивалентное сопротивление при самозапуске равно:

Ом.

Ток самозапуска:

А.

Коэффициент самозапуска:

,

где: А – номинальный суммарный ток двигателя и остальной нагрузки.

4.5 Расчет тока самозапуска смешанной нагрузки линии W4, питающей РП.

Пусковой суммарный ток:

А,

где: kп=5.2 – кратность пускового двигателя асинхронного электродвигателя М4([6] табл. 4.6).

Эквивалентное сопротивление нагрузки при самозапуске:

Ом.

В соответствии со схемой замещения (рис. 4), эквивалентное сопротивление при самозапуске равно:

Ом.

Ток самозапуска:

А.

Коэффициент самозапуска:

,

где:А номинальный суммарный ток двигателя и остальной нагрузки линии.

5. Расчет установок релейной защиты

5.1 Расчёт установок релейной защиты асинхронных двигателей М3 и М4 марки 2АЗМ-800/6000УХЛ4

На асинхронных электродвигателях напряжением выше 1000 В устанавливают защиту от следующих видов повреждений и ненормальных режимов [1]: многофазных КЗ в обмотке статора и на ее выводах; замыканий на землю в обмотке статора; токов перегрузки; потери питания. Защиту от многофазных замыканий устанавливают на всех АД, она действует на отключение АД.

5.1.1 Защита от междуфазных повреждений

В качестве основной защиты от междуфазных КЗ предусматриваем токовую отсечку с использованием реле РТ-80. Составляющая сверхпереходного тока от электродвигателя, протекающая через трансформатор тока при внешнем КЗ при условии, что до КЗ электродвигатель работал с номинальной нагрузкой:

Страницы: 1, 2