5 РАСЧЕТ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ ЗАДАННОГО ФРАГМЕНТА

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 кВ

5.1 Организация релейной защиты

Рисунок 8. – Организация релейной защиты.

5.1.1. Защита силовых трансформаторов Т1, Т2 типа ТДН-10000/110/6,6.

Для трансформаторов должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений и ненормальных режимов работы [1,, п. 3.2.51]:

- многофазных замыканий в обмотках и на их выводах;

- однофазных замыканий на землю в обмотке и на выводах в сетях с глухозаземленной нейтралью;

- витковых замыканий в обмотках;

- токов в обмотках, обусловленных внешними КЗ;

- токов в обмотках, обусловленных перегрузкой;

- понижения уровня масла.

Для защиты силовых трансформаторов предусматриваются следующие основные типы релейной защит:

1) Для защиты от повреждений на выводах, а также от внутренних повреждений должна быть предусмотрена продольная дифференциальная токовая защита без выдержки времени. Данную защиту выполню применением цифровых терминалов SEPAM (блок 87T).

2) Основной защитой трансформаторов от витковых замыканий и других внутренних повреждений, сопровождаемых разложением масла и выделением газа, а также от понижения уровня масла, является газовая защита. Она должна действовать на сигнал при слабом газообразовании и понижении уровня масла и на отключение при интенсивном газообразовании и дальнейшем понижении уровня масла. Эту защиту выполню применением терминала SEPAM (блок 63).

3) Резервная защита от токов в обмотках, обусловленных внешними многофазными КЗ. В качестве неё должна быть предусмотрена МТЗ (селективная токовая отсечка). При выборе тока срабатывания максимальной токовой защиты необходимо учитывать возможные токи перегрузки при отключении параллельно работающих трансформаторов и ток самозапуска электродвигателей, питающихся от трансформаторов. В моем случае эту защиту следует устанавливать [1, п. 3.2.61] со стороны основного питания. Данную

защиту выполню применением терминала SEPAM (блок 51).

4) Защиту от перегруза обеспечиваю как МТЗ SEPAM (блок 51) с действием на сигнал. Эту защиту следует устанавливать со стороны потребителей.

5) Тепловая защита трансформатора. Здесь применю цифровые терминалы SEPAM (блок 49Т), которые позволяют подключать датчики температуры. Это обеспечивает контроль температуры при работе трансформаторов. Температурная защита трансформаторов работает на сигнал. Также для защиты трансформаторов использую защиту от тепловой перегрузки (блок 49RMS).

Таким образом, защиту трансформаторов Т1 и Т2 осуществлю применением двух цифровых терминалов SEPAM Т87 с блоками 51, 49RMS, 87Т, 63, 49T, так как числа вводов одного терминала по условиям защиты недостаточно.

5.1.2. Защита кабельных линий КЛ1, КЛ2 напряжением 6 кВ.

Согласно ПУЭ отходящая от ПС линия должна иметь две ступени максимальной токовой защиты (селективную защиту с зависимой или независимой от тока выдержкой времени и мгновенную токовую отсечку) и защиту от однофазных замыканий на землю. Первые две ступени реализуются с помощью функции 51 блока Sepam S20, а защита от ОЗЗ – с помощью функции 51N. Для получения информации о токах однофазного замыкания на землю, протекающих по кабелям линии КЛ1, на каждый кабель установлено по трансформатору тока нулевой последовательности ТА4. Вторичные обмотки ТА4 соединены параллельно и подключены к входу устройства Sepam.

5.1.3. Организация релейной защиты асинхронного двигателя

В данном случае необходимо обеспечить защиту асинхронного двигателя типа АТД4 напряжением 6 кВ и мощностью 2000 кВт, подключенного с помощью кабельной линии к сборным шинам РП.

Согласно [1, п. 5.3.43], на электродвигателях должны предусматриваться следующие виды защит:

- защита от токов перегрузки,

- защита от многофазных замыканий,

- защита от однофазных замыканий на землю,

- защита минимального напряжения,

- защита от асинхронного хода.

1) Защита от перегрузки должна предусматриваться на электродвигателях, подверженных перегрузке по технологическим причинам, либо имеющих особо тяжелые условия пуска и самозапуска [1, п. 5.3.49]. Защиту от перегрузки следует предусматривать с зависимой или независимой от тока выдержкой времени, отстроенной от длительного пуска электродвигателя в нормальных условиях и самозапуска после действия АВР и АПВ.

На электродвигателях, подверженных перегрузке по технологическим причинам, защита, как правило, должна выполняться с действием на сигнал и автоматическую разгрузку механизма.

Данную защиту выполню с помощью одной из ступеней МТЗ блока 51 цифрового терминала SEPAM M81.

2) Для защиты электродвигателей от многофазных замыканий должна предусматриваться [1, п. 5.3.46] токовая отсечка без выдержки времени (мгновенная токовая отсечка), отстроенная от пусковых токов.

Данную защиту выполню с помощью одной из ступеней МТЗ блока 51 цифрового терминала SEPAM M81.

3) Защита от однофазных замыканий на землю устанавливается для электродвигателей мощностью от 2 МВт при токах замыкания на землю 5 А и более. Данная защита действует без выдержки времени на отключение. Выполню её с помощью блока 51N цифрового терминала SEPAM M81.

4) Для облегчения условий восстановления напряжения после отключения КЗ и обеспечения самозапуска электродвигателей наиболее ответственных механизмов следует предусматривать одноступенчатое отключение защитой минимального напряжения электродвигателей неответственных механизмов [1, п. 5.3.52]. Время выдержки должно выбираться на ступень больше времени действия быстродействующих защит от многофазных КЗ, а уставки по напряжению должны быть, как правило, не выше 70% от номинального напряжения.

Данную защиту выполню с помощью блока 27R цифрового терминала SEPAM M81.

5) Блок контроля температуры синхронного двигателя 49T терминала SEPAM M81 измеряет температуру статорной обмотки и подшипников с помощью датчиков, действующих на две независимых уставки: аварийная сигнализация и отключение.

Таким образом, для защиты синхронного двигателя используем блоки 51, 51N, 49T и 27R цифрового терминала SEPAM M81.

5.1.4. Организация релейной защиты сборных шин подстанции

Специальные устройства релейной защиты для одиночной секционированной и двойной систем шин 6-10 кВ понижающих подстанций, как правило, не следует предусматривать, а ликвидация КЗ на шинах должна осуществляться действием защит трансформаторов от внешних КЗ и защит, установленных на секционном или шиносоединительном выключателе. В целях повышения чувствительности и ускорения действия защиты шин мощных подстанций допускается применять защиту, включенную на сумму токов питающих элементов. При наличии реакторов на линиях, отходящих от шин подстанций, допускается защиту шин выполнять по аналогии с защитой шин электростанций.

5.2 Расчет уставок защит кабельных линий КЛ1, КЛ2

Рассчитаем уставки защит кабельных линий:

5.2.1 Селективная токовая защита с зависимой время-токовой характеристикой.

Выбор тока срабатывания защиты ведется по следующим условиям:

а) Уставка тока срабатывания должна быть отстроена от максимально возможного тока нагрузки – пикового тока I_ПИК:

где определим по формуле:

где рабочий ток кабельной линии КЛ1 принят равным длительно допустимому току двух параллельно включенных кабелей этой линии (для кабеля М-3х240 А [1, табл. 1.3.16]) :

тогда:

Коэффициент чувствительности защиты при выполнении ею основной функции определяется при двухфазном металлическом КЗ в конце защищаемой линии КЛ1 на сборных шинах РП (рис. 17.7, точка Г) в минимальном режиме [15, табл. 6.2]

Проведённые расчёты показывают, что селективная защита имеет достаточную чувствительность в своей зоне действия.

Уставка по времени срабатывания СТЗ принимается по условию селективности на ступень больше по отношению к предыдущей защите (см. рис. 1):

, с.

Рассчитаем время-токовую характеристику. Для этого сначала определим:

- А,

- с.

Далее строим характеристику SIT с учетом принятых изменений.

Используя выражение [4, выражение 15.6], рассчитываем коэффициент для кривой, проходящей через точку ( , 10 ):

Теперь, используя выражение [4, выражение 15.7]

Для кратности тока получим

Остальные расчеты сведены в табл. 12.

Таблица 12

	1	1,1	1,2	1,5	2	2,5	3	4	5	7	10
, кА	1,37	1,507	1,644	2,055	2,74	3,425	4,11	5,48	6,85	9,59	13,7
, с	–	37.05	19.3	8.68	5.06	3.82	3.18	2.51	2.16	1.78	1.5

По данным таблицы построим втх защиты кабельных линий кл1, кл2 – sepam s20 (см. Рисунок 19).

5.2.2 Мгновенная токовая отсечка.

Мгновенная токовая отсечка является быстродействующей максимальной токовой защитой. Уставка тока мгновенной токовой отсечки, защищающей линию КЛ1, определяется с учётом отстройки от максимального тока трёхфазного КЗ на сборных шинах РП (точка Г)

где К_НО - коэффициент надежности отстройки (несрабатывания) отсечки. Для микропроцессорных защит и статических реле он составляет 1,15.

Мгновенная токовая отсечка имеет независимую от тока характеристику, срабатывает без выдержки времени (t_с.мгн = 0 c) и действует на отключение кабельной линии. Но перед отключением всё равно пройдёт некоторое время, высчитываемое по следующей формуле:

t= t_рз + t_откл + t_{гор.дуги}=0,01+0,01+0,06=0,08 с ,

где t_рз – время срабатывания защиты, t_откл - собственное время отключения выключателя, t_{гор.дуги} – время горения дуги.

Чувствительность мгновенной токовой отсечки. Она должна чувствовать минимальный ток двухфазного КЗ в месте установки защиты, т.е. на сборных шинах напряжением 6 кВ ПС, от которой питается линия КЛ1 (рис. 17.7). Коэффициент чувствительности отсечки

Следовательно, мгновенная токовая отсечка не чувствительна к минимальному току двухфазного КЗ на сборных шинах ПС, поэтому её устанавливать не будем.

5.2.3. Защита от однофазных замыканий на землю.

Для защиты кабельной линии КЛ1 от ОЗЗ используется ненаправленная токовая защита нулевой последовательности с независимой от тока выдержкой времени. Защиту от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) осуществим с помощью функции 51N устройства Sepam S20.

Для выбора уставки срабатывания защиты от ОЗЗ необходимо знать собственный ток защищаемого присоединения I_С.ЗПi и суммарный ток ОЗЗ I_ОЗЗ. Собственный ток, протекающий через трансформатор тока нулевой последовательности ТА4, будет равен сумме ёмкостных токов кабельной линии

КЛ1 и всех линий, отходящих от шины 6 кВ.

= I_С.КЛ1 + I_С.ДСП + I_С.ИЛТ + I_С.РКЗ

Где токи равны:

I_С.КЛ1 = I_уд∙ L=1,30∙0,4=0,52 А [4, табл. 18.1]

, значит, I_С.ДСП = I_уд∙ L=0,46∙0,135=0,062 А

, значит, I_С.ДСП = I_уд∙ L=0,37∙0,210=0,077 А

, значит, I_С.ДСП = I_уд∙ L=0,46∙0,160=0,074 А

Ток срабатывания защиты:

,

здесь – коэффициент отстройки.

А.

Тогда суммарный ток будет равен:

А.

Проверим чувствительность выбранной защиты

Следовательно, защита от ОЗЗ кабельной линии КЛ1 имеет недостаточную чувствительность.

Рисунок 21 – Принципиальная схема релейной защиты кабельной линии КЛ1 и КЛ2

5.3 Расчет уставок защит сборных шин подстанции.

Ликвидация КЗ на шинах должна осуществляться действием защит трансформаторов от внешних КЗ и защит, установленных на секционном выключателе.

Защита, установленная на секционном выключателе, должна иметь селективную защиту с зависимой или независимой от тока выдержкой времени и мгновенную токовую отсечку – они реализуются с помощью функции 51 блока Sepam S20.

5.3.1 Селективная токовая защита с зависимой время-токовой характеристикой.

Выбор тока срабатывания защиты ведется по следующим условиям:

а) Уставка тока срабатывания должна быть отстроена от максимально возможного тока нагрузки – пикового тока I_ПИК:

где определим по формуле:

где максимальный рабочий ток секционного выключателя Q7 принят равным I_{РАБ.МАКС.Q7} = 0,7∙ вводного выключателя:

тогда:

Уставка тока селективной защиты на выключателе Q7 должна быть согласована с уставкой тока селективной токовой отсечки из максимальной нижестоящей защиты: КЛ1,ДСП,ИП,РКЗ,Эликтролиз,Электропривод и СРФ.

Коэффициент чувствительности защиты при выполнении ею основной функции определяется при двухфазном металлическом КЗ на сборных шинах ПC (рис. 17.7, точка В) в минимальном режиме [15, табл. 6.2]

Проведённые расчёты показывают, что селективная защита имеет достаточную чувствительность в своей зоне действия.

Уставка по времени срабатывания СТЗ принимается по условию селективности на ступень больше по отношению к предыдущей защите (см. рис. 1):

, с.

Рассчитаем время-токовую характеристику. Для этого сначала определим:

- кА,

- с.

Далее строим характеристику SIT с учетом принятых изменений.

Используя выражение [4, выражение 15.6], рассчитываем коэффициент для кривой, проходящей через точку ( , 10 ):

Теперь, используя выражение [4, выражение 15.7]

Для кратности тока получим

Остальные расчеты сведены в табл. 12.

Таблица 12

	1	1,1	1,2	1,5	2	2,5	3	4	5	7	10
, кА	1,781	1,959	2,137	2,671	3,562	4,452	5,343	7,124	8,905	12,467	17,81
, с	–	44.46	23.222	10.419	6.077	4.587	3.819	3.017	2.593	2.138	1.8

По данным таблицы построим ВТХ защиты сборных шин – SEPAM S20 (см. рисунок 19).

5.3.2 Мгновенная токовая отсечка.

Уставка тока мгновенной токовой отсечки, защищающей сборные шины ПС, определяется с учётом отстройки от максимального тока срабатывания защиты на сборных шинах РП (точка Г)

Определю токи срабатывания защиты для каждого присоединения. Имеются ДСП, ИП, РКЗ, Электролиз, Электропривод и СРФ. Для этого найду сначала номинальные токи:

,

,

,

Найду токи срабатывания защиты:

,

,

,

Наибольший ток срабатывания защиты оказался на присоединении Электролиза.

где К_НО - коэффициент надежности отстройки (несрабатывания) отсечки. Для микропроцессорных защит и статических реле он составляет 1,15.

Таким образом, за расчётный ток срабатывания мгновенной токовой отсечки принимаем наибольший из определённых выше токов – I_расч = кА.

Мгновенная токовая отсечка имеет независимую от тока характеристику, срабатывает без выдержки времени (t_с.мгн = 0 c) и действует на отключение кабельной линии. Но перед отключением всё равно пройдёт некоторое время, высчитываемое по следующей формуле:

t= t_рз + t_откл + t_{гор.дуги}=0,01+0,01+0,06=0,08 с ,

где t_рз – время срабатывания защиты, t_откл - собственное время отключения выключателя, t_{гор.дуги} – время горения дуги.

Чувствительность мгновенной токовой отсечки. Она должна чувствовать минимальный ток двухфазного КЗ в месте установки защиты, т.е. на сборных шинах ПC. Коэффициент чувствительности отсечки Коэффициент чувствительности отсечки

Следовательно, мгновенная токовая отсечка чувствительна к минимальному току двухфазного КЗ на сборных шинах ПC.

5.4 Расчет уставок защит силовых трансформаторов Т1, Т2

Организация релейной защиты силовых трансформаторов Т1, Т2 типа ТР ТДН-10000/110/6,6 рассмотрена в пункте 5.1.1.

Осуществим расчет уставок срабатывания защит трансформаторов.

5.4.1 Защита от перегрузок.

Ток срабатывания защиты определяется по выражению:

,

где

Тогда:

кА

Для построения на карте селективности приведем данный ток к стороне высокого напряжения:

,

Тогда:

А.

Выдержка времени срабатывания защиты от перегрузок определяется согласно принципу временной селективности. Примем: с.

5.4.2 Селективная токовая защита с зависимой время-токовой характеристикой на стороне высокого напряжения трансформатора.

На понижающих трансформаторах в качестве защиты от токов, обусловленных внешними КЗ, должна предусматриваться максимальная токовая защита (селективная токовая защита). Защита устанав­ливается со стороны источника питания с тем, чтобы включить в ее зону действия сам трансформатор.

Выбор тока срабатывания защиты:

уставка по току срабатывания защиты с учетом отстройки от максимально возможного тока:

,

где ,

тогда:

А;

согласование с селективной токовой отсечкой на секционном выключателе Q7:

где - селективная токовая отсечка на секционном выключателе Q7, приведенная к высокой стороне.

Приведем полученный ток к низкой стороне, умножив на коэффициент трансформации:

Принимаем: 2,136 кА.

Проверим чувствительность защиты к минимальному току двухфазного КЗ за трансформатором:

.

Следовательно, селективная токовая защита с зависимой выдержкой времени достаточно чувствительна к минимальному току двухфазного КЗ за трансформатором.

Уставка по времени срабатывания СТЗ принимается по условию селективности на ступень больше по отношению к предыдущей защите (см. рис. 1):

с.

Рассчитаем время-токовую характеристику. Для этого сначала определим:

- А,

- с.

Далее строим характеристику SIT с учетом принятых изменений.

Используя выражение [4, выражение 15.6], рассчитываем коэффициент для кривой, проходящей через точку ( , 10 ):

Теперь, используя выражение [4, выражение 15.7]

Для кратности тока получим