МЕТОИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ: РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА

Контрольная работа 1.1 Релейная защита воздушной ЛЭП 10 кВ от коротких замыканий и ненормальных режимов Задание: Выбрать схемы защит, тип реле и источник оперативного тока для релейных защит воздушной ЛЭП (Л3) (рис 2.) от коротких замыканий и ненормальных режимов, (МТЗ, ТО, защита от замыкания на землю). Рассчитать токи срабатывания защит и выдержки времени. Проверить чувствительность защит, рассчитав токи к.з. для характерных точек (К1, К2). Расчетная электрическая схема приведена на рис. 2. Исходные данные – Sкз системы, Л1, Л2, Л3, РM1, SН1 взять из таблицы №1, номер варианта соответствует номеру в списке учебной группы студентов Рис. 2. Схема для расчета тока к.з. Содержание пояснительной записки при оформлении контрольной работы 1. Введение: 2. Короткие замыкания в сети 10 кВ (6 кВ). Краткая характеристика. Провести расчет токов к.з. в т. К1 и К2 (Рис.2). 3. Структурная схема релейных защит. Дать краткое пояснение по содержанию и назначению структурных элементов. Измерительные и вспомогательные реле; типы, назначение, включение в контролируемую сеть. 4. Токовые защиты: максимальная токовая защита (МТЗ) и токовая отсечка (ТО): их схемное исполнение, принцип работы, настройки (Iср.рз и tср.рз, kчув.). Схемы соединения трансформаторов тока и реле в измерительной части защит. 5. Выбор трансформаторов тока для измерительной части МТЗ по номинальной нагрузке ЛЭП и определение коэффициентов трансформации трансформаторов тока. 6. Расчет МТЗ ЛЭП–10 кВ для своих исходных данных, определение Iср.МТЗ и tср.МТЗ, kчув. 7. Определение тока срабатывания токовой отсечки (ТО) ЛЭП 10 кВ. 8. Схемное исполнение принятых защит (МТЗ и ТО). Спецификация применяемых реле. 9. Общий контроль изоляции при замыкании фазы на землю в распределительной сети 10 кВ (схемное исполнение). Фильтры тока и напряжения нулевой последовательности (ФТНП, ФННП). Прибор «Спектр» и его применение. Блок-схема цифровой защиты ЛЭП. Примечание: пример расчета МТЗ ЛЭП приведен далее. Примерный порядок расчета тока к.з. в точке К2 (Рис. 2) В схеме замещения учитываем только индуктивное сопротивление элементов (Рис. 2а). Рис. 2а. За базисное напряжение лучше взять высокое напряжение Uб = Uср.вн = 115 кВ. Сопротивление элементов в именованных единицах находим по классическим формулам: система (задана мощностью к.з. на шинах системы) Xс = ୙б మ ୗк.з.с. ൌ ଵଵହమ ୗк.з.с. (ОМ); ЛЭП – 110 кВ Xл1 = X0ꞏ?1 (ОМ), X0 = 0,4 ОМ/км, l1 - длина ЛЭП - 110 (км); трансформатор Xт = ୙к.з.ср. ଵ଴଴ ꞏ ୙б మ ୗном.т (ОМ); ЛЭП – 10 кВ Xл3 = (X0ꞏl3)ꞏN2 ሺсопротивление приведённое к Uб ൌ 115 кВሻ, где N ൌ Uвн. Uнп ൌ ଵଵ଴ ଵ଴ ൌ 11 െ коэффициент трансформации трансформатора. Результирующее сопротивление в точке К2 с U б = 115 кВ будет равно Xрез.= Xc+Xл1+Xт+Xл3.. Находим величину тока к.з. в точке К2 с Uб ൌ 115 кВ Iк.з.б.= ୙б √ଷ൉ଡ଼рез. ൌ ଵଵହ √ଷ൉ଡ଼рез. (кА). Находим реальный ток к.з. в точке К2 на шинах 10 кВ, Iк.з.к2 = Iк.з.б.ꞏN. Этот ток к.з. будет минимальным для МТЗ ЛЭП – 10кВ и использован при определении чувствительности защиты Кчув.= ୍к.з.кమ ୍ср.МТЗ ሺпервичныйሻ ൒ ሾ1.5ሿ Примерный расчет МТЗ ЛЭП 10 кВ Защита элементов системы электроснабжения (генераторы, трансформаторы, линии электропередач (ЛЭП), сборные шины, электродвигатели и др.) от аварийных и ненормальных режимов выполняется в соответствии с требованиями Правил устройств электроустановок (ПУЭ). Вид применяемых защит зависит от класса напряжения электрической сети, величины мощности электрооборудования, режима работы нейтрали, требований по быстродействию и ряду других особенностей. Чтобы лучше разобраться в схемном исполнении, принципе работы, расчете и настройке любой релейной защиты нужно первоначально изучить структурную схему защиты, её составляющие, их назначение и исполнение. Структурная схема всех видов защит и любой сложности одинакова (рис. 3.). Рис. 3. Общая структурная схема релейной защиты Измерительная часть состоит из основных (измерительных) реле. В зависимости от вида защиты это могут быть реле тока (KA), реле напряжения (KV), реле сопротивления (KZ) и реле мощности (KW). Их задача контролировать электрические параметры защищаемого элемента (ток, напряжение, сопротивление, мощность), сравнивая их с заданными и выдавать соответствующий сигнал логической части. В логическую часть входят вспомогательные реле – времени (KT), промежуточные (KL), сигнальные (KH). Реализуя элементарные логические функции «ИЛИ», «И», «НЕ», «Выдержка времени», логическая часть релейной защиты приводит в действие исполнительный орган. При повреждениях (к.з.) происходит отключение выключателя Q, при ненормальных режимах появляется сигнал (звуковой, световой). Оперативные цепи релейной защиты должны иметь надежный самостоятельный источник питания независящий от состояния электроустановки, где находится защищаемый элемент. В схемах релейной защиты источником оперативного питания может быть аккумуляторная батарея. Это самый надежный источник, но он требует постоянного технического ухода и значительных финансовых затрат. Применяется на всех электростанциях и мощных трансформаторных подстанциях с постоянным обслуживающим персоналом. На подстанциях без постоянного обслуживающего персонала в качестве источников оперативного питания (как на постоянном токе, так и на переменном) находят применение блоки питания (БП), электрическая энергия к которым подается от трансформаторов напряжения (TV) и трансформаторов тока (TA), установленных на подстанции; трансформаторы собственных нужд (ТСН) подстанции; специальные батареи конденсаторов (БК). Информация о токе и напряжении защищаемого элемента поступает к измерительной части релейной защиты от трансформаторов тока (TA) и трансформаторов напряжения (TV). Распределительная электрическая сеть 6-10 кВ работает с изолированной нейтралью и в ней возможны лишь междуфазные короткие замыкания (К(3) и К(2)). Замыкание одной фазы на землю не приводит к аварийному режиму и электроснабжение приемников не нарушается. Появление этого режима неблагоприятно для самой трехфазной распределительной сети (повышение напряжения и появление электрической дуги) и опасность поражения электрическим током людей и животных, находящихся вблизи места замыкания. Поэтому ЛЭП этого класса имеют самостоятельную защиту от коротких замыканий, как правило, на базе токовых защит (МТЗ и ТО) и защиту от замыкания фазы на землю. [Л – 1, 2, 3] В нашем примере ЛЭП 10кВ является радиальной (простой). Устанавливается релейная защита в начале ЛЭП относительно источника питания, сразу за высоковольтным выключателем, рис. 4. Схемное исполнение и работа МТЗ Максимальная токовая защита может применяться для защиты от токов короткого замыкания на всех элементах СЭС (генераторы, трансформаторы, двигатели и ЛЭП). На защищаемой ЛЭП защита ставиться в начале линии относительно источника питания. Защита работает с выдержкой времени. Один из схемных вариантов МТЗ для защиты ЛЭП 10 кВ представлен на рис. 4. Эта схема выполнена в так называемом разнесенном виде – измерительная часть (рис. 4, а) и логическая часть с исполнительной (рис. 4, б) отделены. Так вычерчиваются, как правило, все защиты в целях лучшей наглядности и удобства. Рис. 4. Разнесенная схема МТЗ ЛЭП: а) – измерительная схема МТЗ, б) – логическая и исполнительная часть МТЗ ТА1, ТА2 – трансформаторы тока; KА1, KА2 – реле тока; KТ – реле времени; KL – промежуточное реле; KH – сигнальное реле; YAT – катушка отключения Измерительная часть состоит из двух трансформаторов тока и двух токовых реле, включенных в так называемую «неполную звезду». Данная схема позволяет контролировать все виды коротких замыканий в ЛЭП 10 кВ. Может применяться схема включения трансформатора тока и токовых реле на «разность токов». [Л – 1,2] В сетях с глухозаземленной нейтралью, чтобы контролировать и однофазные к.з. трансформаторы тока и токовые реле включаются по схеме «полная звезда» или «треугольник». В нормальном режиме работы ЛЭП ток в измерительной схеме Iр, проходящий через реле тока KA1 и KA2 меньше тока срабатывания этих реле Iср и реле не действует, в этом случае контакты их в логической части защиты разомкнуты, обмотка привода выключателя YAT не получает питания и вся схема МТЗ бездействует. При коротких замыканиях на ЛЭП ток через реле Iр возрастает. Он становится больше тока срабатывания Iр>Iср. Реле KA1 и KA2 срабатывают, замыкают свои контакты в логической части и с выдержкой времени tМТЗ получает питание обмотка отключения YAT. Выключатель отключает поврежденную ЛЭП. 1.2 Расчет максимальной токовой защиты ЛЭП – 10 кВ Для расчета МТЗ ЛЭП 10 кВ используются следующие данные: ЛЭП -10 кВ воздушная; длина L3= 8 км; х0 = 0,4 ОМ/км. Мощность к.з. системы SК.З.С.=10000 МВА; Длина ЛЭП 110 кВ L1=L2=20 км; х0 = 0,4 ОМ/км. Мощность нагрузки SН1=3,0 МВА (спокойная нагрузка); Мощность двигателя SМ1=1,6 МВА (асинхронный высоковольтный двигатель АД, kпуск=6); В измерительной части МТЗ используем статические реле на интегральных микросхемах РСТ-11. Основное требование при настройке МТЗ чтобы ток срабатывания МТЗ IсрМТЗ был больше максимального тока нагрузки в нормальном режиме Iраб.max. Нагрузка для ЛЭП будет состоять (см. рис. 2) из асинхронного электродвигателя М1 и нагрузки электроприемников Н1: SнЛЭП  S Н1  S М 1 , номинальный ток от нагрузки Н1 165,15 , 3 10,5 3000 3 1 1 А U S I Н Н      номинальный ток двигателя 88 , 3 10,5 1600 3 1 1 А U S I М М      пусковой ток электродвигателя при kпуск=6 будет равен 88 6 528 , I пуск  I ном.М 1  k пуск    А величина номинального рабочего тока ЛЭП будет равна 165,15 88 253,15 , I раб  I Н1  I М 1    А далее выбираем трансформаторы тока и определяем коэффициент их трансформации 5 1 I Т  . Величина тока I1 принимаем равным 300А. Тогда 60 5 300 5 1    I Т где I1 – ближайшая наибольшая величина стандартного первичного тока трансформатора тока. При настройке МТЗ ЛЭП 10 кВ необходимо выполнить условие срМТЗ раб ЛЭП I I  .max Рабочий максимальный ток ЛЭП Iраб.maxЛЭП будет состоять из тока нагрузки электроприемников IН1 и пускового тока электродвигателя Iпуск М1 I раб.max  I Н1  Iпуск 165,15  528  693,15А Зная рабочий максимальный ток в ЛЭП (с учетом пускового тока двигателя) определяем вторичный ток срабатывания МТЗ. [1, 3] воз Т Н раб сх ср МТЗ k n k I k I     .max . где kН – коэффициент надежности; из-за наличия пускового тока АД принимается равным 1,4 для реле РСТ-11(ПУЭ); где kсх=1 («неполная звезда» - схема соединения трансформаторов тока); kвоз=0,95 (для реле РСТ-11). nТ – коэффициент трансформации трансформаторов тока. Тогда величина вторичного тока срабатывания МТЗ будет равна А k n k I k I воз Т Н раб сх ср МТЗ 17 0,95 60 .max 1,4 693,15 1 .          Находим время срабатывания МТЗ 0,8 0,6 1,4 . . . t t t сек ср МТЗ  ср РЗ      где tср.РЗ – выдержка времени на последующей защите; Δt – ступень селективности с реле РСТ-11,принимаем Δt равным 0,6 сек. (ПУЭ). Проверяем защиту на чувствительность 1,58 1,5 17 1612 / 60 . min( 2)     ср МТЗ k К ч I I k где Ikmin(K2) – ток к.з. в конце ЛЭП 10 кВ (Рис. 2) из расчета по методике приведенной на стр. 36 (Ikmin(K2) = 1612 А). Вывод: максимальная токовая защита воздушной ЛЭП проходит по чувствительности. Цифровое исполнение защиты ЛЭП представлено на Рис. 5. Рис. 5. Структурная схема цифровой защиты ЛЭП Принцип и алгоритм работы МТЗ можно представить в виде алгебры логики (DW, DT) (Рис. 6.). Рис. 6. Логическая схема МТЗ, где КА1, КА2, КА3 – реле тока, DW – логический элемент ИЛИ, DT – логический элемент выдержки времени