9.3.Защита электродвигателей

Для синхронных и асинхронных двигателей напряжением выше 1 кВ должна предусматриваться релейная защита от следующих поврежде­ний и ненормальных режимов работы:

- многофазных замыканий в обмотке статора и, на ее выводах;

-замыканий на землю в обмотке статора:

- токов перегрузки

-снижения и исчезновения напряжения.

Для синхронных двигателей предусматривается, кроме того, защита от асинхронного режима и замыкания в цепи, возбуждения.

В табл.9.2 приведены основные требования ПУЭ по объему устройств релейной защиты для различных двигателей напряжением выше 1 кВ.

Рассмотрим некоторые особенности выполнения и расчетов ука­занных защит.

Токовая отсечка. При построении схем токо­вых отсечек для двигателей следует ориентироваться на применение переменного оперативного тока.

Ток срабатывания отсечки выбирается из условия отстройки от, наибольших пусковых токов. Для защит, выполненных на реле РТ-40

где коэффициенты надежности Кн=1.2 и возврата Кв=0,85.

Реле РТ-80 имеет коэффициент возврата электромагнитного элемента, Кв= 0,3 - 0,4. Поэтому, сработав при броске пускового тока, реле не может вернуться в исходное положение после затуха­ния ' апериодической составляющей. Ток срабатывания защиты, выпол­ненной на реле типа РТ-80 выбирается из условия:

где 1,8- коэффициент, учитывающий действие апериодической сос­тавляющей пускового тока.

Коэффициент надежности Кн=1.2.

Токи срабатывания реле определяются с- учетом коэффициента схемы соединений трансформаторов тока и обмоток реле Ксх и коэф­фициента трансформации трансформаторов тока :

Коэффициент чувствительности:

Таблица 9.2

Объем и виды защит электродвигателей напряжением выше 1 кВ

Вид повреждения или ненормального режима	Вид защиты	Мощность двигателя, кВт
1	2	3
1.многофазные КЗ в двигателе и на его выводах 2.Замыкания на землю 3.Перегрузка 4.Снижение или исчезновение напряжения 5.Асинхронный режим (для синхронных двигателей)	Токовая отсечка с одним реле, включенным на разность токов двух фаз, действие на отключение, t=0. Токовая отсечка с двумя реле, включенными на фазные токи, действие на отключение, t=0. Продольная дифференциальная с тремя реле, действие на отключение, t=0. Продольная дифференциальная с двумя или одним реле, действие на отключение, t=0. Максимальная токовая нулевой последовательности с действием на отключение, t=0. Однофазная или двухфазная МТЗ с действием на сигнал, технологическую разгрузку или отключение, t0 Защита минимального напряжения с действием на отключение, t0 Защита от асинхронного режима	до 2000 свыше 2000 свыше 5000 до 5000 при наличии шести выводов, если то не удовлетворяет требованиям чувствительности до 2000 кВт при Iз  10 А При Рном  2000 кВт и токе замыкания Iз  5 А Для двигателей, подверженным технологическим перегрузкам Для двигателей, не работающих в режиме самозапуска Для всех двигателей

Продольная дифференциальная за­щита может быть выполнена для двигателей, имеющих шесть выв­одов. Эта защита имеет большую чувствительность по сравнению с токовой отсечкой, так как броски тока, обусловленные внешними КЗ. токами пуска и самозапуска электродвигателей оказываются сбалан­сированными. Продольные дифференциальные защиты для электродвига­телей могут применяться в двухфазном или трехфазном исполнении.

Ток срабатывания защиты при условии идентичности трансфор­маторов тока и выбора их по кривым 10%-ной кратности принимается равным:

Где Iном- номинальный ток двигателя.

Коэффициент (1,5 - 2) учитывает отстройку от токов неба­ланса при внешних коротких замыкания при пуске самозапуске и двигателей.

Чувствительность защиты оценивается коэффициентом чувстви­тельности

где I к. мин - ток двухфазного КЗ на выводах двигателя.

Защита от замыканий на землю в обмотке статора предусматривается при токах замыкания не менее 10А для двигателей мощностью до 2000 кВт и не менее 5 А для дви­гателей, мощность которых равна или более 2000 кВт. Защита выпол­няется с помощью трансформаторов тока нулевой последовательности и действует на отключение двигателя от сети без выдержки времени.

Защита от перегрузки устанавливается в случаях, когда возможны перегрузки двигателя по технологическим Причинам или имеются тяжелые условия пуска и самозапуске. Защита выполняется с действием на сигнал, автоматическую разгрузку меха­низма или отключение.

В качестве защиты от перегрузки применяется МТЗ с выдержкой времени. Ток срабатывания реле

где Кн - коэффициент надежности (отстройки); для защиты, действующей на

сигнал Кн=1.1 - 1,2 ; для защиты, действую щей на отключение Кн=

1,5- 1,75

Кв - коэффициент возврата': для реле рт-40 Кв-0.85, для реле РТ-80 Кв=

0,8 ;

п_гд - коэффициент трансформации трансформаторов тока;

Iном - номинальный ток двигателя.

Защита от снижения напряжения устанавливается с целью предотвратить самозапуск или повторный пуск двигателя после короткого замыкания или отключения напряже­ния в сети, если это недопустимо по технологии производства, или правилам техники безопасности, а также для обеспечения успешного самозапуска двигателей ответственных механизмов за счет отключе­ния, части других двигателей.

Защита от снижения напряжения выполняется одно- или двухсту­пенчатой. Выдержка времени отстраивается от отсечек двигателей и устанавливается равно 0.5 - 1.5 с. Выдержка времени на отклю­чение ответственных, двигателей принимается равной 10-15 с [18].

Защита синхронных двигателей от асинхронного режима действует с выдержкой времени на запуск системы ресинхронизации, автоматическую разг­рузку механизма до такой степени, чтобы двигатель вошел в синхро­низм.

Тип защиты - максимальная токовая в однофазном однорелейном исполнении. Если на двигателе установлена защита от перегрузки, то ее следует совмещать с защитой от асинхронного хода. Для двигателей с тяжелыми условиями пуска предусматривают вывод этой защиты на время пуска и самозапуска.

9.4. ЗАЩИТА ВОЗДУШНЫХ И КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

В соответствии с требованиями ПУЭ объем устройств релейной защиты линий электропередачи определяется уровнем номинальных напряжений.

Для линий 6-35кВ с изолированной нейтралью предусматриваются защиты от многофазных замыканий и от однофазных замыканий на землю. Защиту от многофазных замыканий выполняют в двухфазном исполнении (фазы А, С).

На одноцепных линиях с односторонним питанием устанавливают двухступенчатую защиту: I степень - токовая отсечка. II сту­пень - МТЗ. Максимальная токовая защита может выполняться одно-, двух- или трехрелейной в зависимости от требований чувствитель­ности и надежности.

МТЗ отстраивается от максимального тока нагрузки с учетом возможного его увеличения, обусловленного самозапуском электрод­вигателей. Ток срабатывания защиты

где Кн - коэффициент надежности, учитывает погрешности ре­ле, принимается

Кн=1.1 - 1.2;

Кв - коэффициент возврата, для реле токовых защит

Кв=0,8- 0,85;

Кз - коэффициент запуска Кз= 2 - 3;

Iн.макс - ток нагрузки максимальный.

Ток срабатывания реле:

где Ксх - коэффициент схемы;

- коэффициент трансформации трансформатора тока. Максимальный ток нагрузки определяется с учетом возможного увеличения нагрузки, возникающего в результате нарушения нормаль­ной схемы сети, например, отключение параллельной линии и т. п.

Ток срабатывания, выбранный по условию отстройки от нагрузки, проверяется по условию чувствительности защиты. Коэффициент чувствительности

где - минимальный ток двухфазного КЗ в конце защищаемой линии.

Значение коэффициента чувствительности принимается для основ­ных защит

Кч=1.5, для резервных защит Кч=1,2.

Зона действия МТЗ должна охватывать защищаемую линию и сле­дующий за ней второй участок сети.

Селективность действия смежных МТЗ достигается путем согласо­вания их срабатывания во времени по ступенчатому принципу. На практике ступень времени или ступень селективности для защит с независимой выдержкой времени может быть принята 0,35 - 0,6 с, для защит с зависимой или ограниченно-зависимой выдержкой време­ни - 0.6 - 1,0 с U5].

Токовые отсечки подразделяются на отсечки мгновенного дейст­вия и отсечки с выдержкой времени (0,3 - 0,6 с.).

Селективность токовых отсечек достигается за счет ограничения зоны их действия. Применение отсечки считав; я эффективным, 'если ее рабочая зона охватывает не менее 20% длины защищаемой линии

Ток срабатывания отсечки

где Кн - коэффициент надежности;

Iк.макс - максимально возможный ток КЗ в начале смежного участка сети.

Чувствительность отсечки характеризуется коэффициентом чувст­вительности

где 1к.мин - минимальный ток КЗ в начале защищаемого участка.

На линиях, защищенных от перенапряжений трубчатыми разрядни­ками, отсечка может ложно срабатывать при их действии. Для исклю­чения возможности ложного срабатывания в схему отсечки включает­ся промежуточное реле, время действия которого составляет 0,06 - 0.08 с.

Из рассмотренного ваш. можно заключить, что отсечка без вы­держки времени защищает только часть линии. ;Чтобы выполнить защи­ту всей линии, совместно с мгновенной отсечкой применяется токо­вая отсечка с выдержкой времени. Такой комплект носит название двухступенчатой защиты.

Двухступенчатая защита обладает тем недостатком, что она не резервирует защиту смежного участка по всей длине. Для обеспече­ния резервирования двухступенчатую защиту дополняют на каждом участке максимальной токовой защитой, которая согласуется по сту­пенчатому графику. Такой комплект защит носит название трех­ступенчатой защиты. Она удовлетворяет всем тре­бованиям резервирования и во многих случаях успешно заменяет бо­лее сложные защиты.

На линиях с двухсторонним питанием, а также на линиях, вхо­дящих в кольцевую сеть применяют те же защиты, а при необходимос­ти их выполняют направленными.

Если указанные защиты не удовлетворяют требованиям чувстви­тельности или условиям применения, то для защиты от многофазных замыканий могут быть установлены дистанционная или дифференциаль­ная защита. В этом случае в качестве резервной устанавливают мак­симальную токовую защиту.

Защита от однофазных замыканий на землю выполняется, как правило, с использованием трансформаторов тока нулевой последова­тельности, и действует от емкостного тока на сигнал. Защита на отключение (вторая ступень) применяется только в тех случаях, когда это необходимо по технике безопасности и на предприятиях нефтяной и газовой промышленности не применяется.

Линии напряжением 110 кВ и выше выпол­няются с заземленной нейтралью. Для линий 110-500 кВ должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от многофазных замыканий и от замыканий на землю.

В качестве основных защит от многофазных КЗ одиночных линий с односторонним питанием применяют, как правило, отсечки по току и напряжению без выдержки и/и с выдержкой времени, а в качестве резервных - НТЗ. согласованные во времени по ступенчатому принци­пу селективности со смежными защитами.

Указанные защиты рекомендуется применять также в радиальных сетях с двухсторонним питанием и кольцевых сетях. При недостаточ­ной чувствительности и селективности отсечек по току и напряже­нию в сложных сетях в качестве основных применяют дистанционные зашиты. В этом случае дополнительной защитой является токовая от­сечка.

Если указанные защиты не удовлетворяют требованиям быстро­действия, то в качестве основной могут применяться высокочастот­ная или продольная и поперечная дифференциальные защиты.

Защита от однофазных КЗ может быть осуществлена основными токовыми защитами от многофазных замыканий. В тех случаях, когда требуется повысить чувствительность или уменьшить выдержки време­ни отключения, предусматривается максимальная токовая защита ну­левой последовательности.

Время действия защиты выбирается по ступенчатому принципу и нарастает от конца линии в сторону расположения головной питаю­щей подстанции.

9.5. ЗАЩИТА СБОРНЫХ ШИН

Несмотря на высокую надежность выполнения сборных шин под­станций и редкость возникновения на них коротких замыканий, необ­ходимо учитывать, что повреждение сборных шин связано с перерывом электроснабжения всех потребителей, подключенных к данным шинам. Размеры повреждений во многом зависят от того, насколько быстро произведено отключение Сорных шин от сети при возникновении на них короткого замыкания.

Защита сборных шин электростанций и подстанций в сетях с заземленной нейтралью выполняется от междуфазных замыканий, одно­фазных и многофазных замыканий на землю, а в сетях с изолирован­ной нейтралью - от междуфазных замыканий, двойных замыканий на землю и двухфазных -замыканий на землю в одной точке [10].

Защита одиночных секционированных шин напряжением 6 - 10 кВ осуществляется при помощи максимальной токовой защиты трансформа­торов, реагирующих на сквозные КЗ. По условиям согласования с защитами отходящих фидеров указанные защиты должны работать с вы­держкой времени, что является недостатком.

Если МТЗ трансформатора не в состоянии обеспечить необходи­мое быстродействие или селективность, то применяют дифференциаль­ные защиты шин без выдержки времени. На рис.9.5 приведена схема полной дифференциальной защиты шин, которая применяется в распре­делительных устройствах напряжением 35 кВ и выше.

Рис.9.5. Схема полной дифференциальной защиты шин

Трансформаторы тока устанавливают на всех присоединениях и имеют одинаковые коэффициенты трансформации независимо от мощнос­ти присоединения. В качестве реле тока используют дифференциаль­ные реле типа РНТ-567 имеющие встроенные быстронасыщающиеся тран­сформаторы.

В сетях с изолированной нейтралью (35 кВ) защита устанавли­вается в двух фазах, в сетях с заземленной нейтралью (110 кВ и выше) - в трех фазах.

Во избежание ложных отключений при обрывах вторичных цепей трансформаторов тока в схеме предусматривается МТЗ которая бло­кирует действие дифференциальной защиты при обрыве вторичных це­пей.

Ток срабатывания дифференциального реле РНТ выбирается по двум условиям:

а) по условию отстройки от тока небаланса при сквозных ко­ротких замыканиях

где Iнб.расч - расчетный ток небаланса, определяется с учетом влияния апериодической составляющей, погрешностей трансформаторов тока и величины сквозного тока КЗ (раздел 9.2), допускается принимать Iнб.расч =0,1 1к.макс [161: Кн - коэффициент надежности, Кн=1,5 ;

б) по условию отстройки от рабочего тока наиболее мощного присоединения (на случай - обрыва вторичных цепей трансформаторов тока)

где Кн - коэффициент надежности, Кн=1,2.

За расчетное принимается большее из полученных значений тока срабатывания защиты.

Коэффициент чувствительности

где Iк.мин - наименьший из возможных токов КЗ на сборных шинах.

Шины подстанций 6 - 10 кВ. питающие потребителей по кабель­ным линиям с реакторами, можно защищать токовой отсечкой, вклю­ченной со стороны источника питания. Отсечка выполняется по двух­фазной двухрелейной схеме.

Для повышения надежности электроснабжения предприятий нефтя­ной и газовой промышленности в схемах широко используют автомати­ческое включение резервного источника питания (АВР), автомати­ческое повторное включение (АПВ), автоматическую разгрузку по частоте (АЧР) и току (APT).

10. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КУСТОВОЙ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ (КНС)

10.1. Технология поддержания пластового давления. Исходные данные для проекта.

Добыча нефти производится двумя способами: фонтанным (на эта­пе освоения) и насосным.

Фонтанный способ добычи нефти осуществляется за счет внутрипластового давления. По мере выработки нефтяной залежи вследствие падения пластового давления эксплуатация месторождения осуществ­ляется с помощью системы поддержания пластового давления (ПГЩ). Добыча нефти при этом производится с помощью штанговых глубинных и электропогружных центробежных насосов.

Для поддержания пластового давления предусмотрены блочные кустовые насосные станции (БКНС). Вода от водозаборных скважин, оборудованных центробежными насосами, поступает по низконапорным водоводам в емкости узла сепарации КНС для разгазирования и отде­ления механических примесей. Далее из узла сепарации вода подает­ся в насосный блок. При выходе из насосов замеряется расход и вода по напорному коллектору подается на кусты к нагнетательным скважинам. В зависимости от глубины залегания нефтеносного пласта давление на устье нагнетательной скважины колеблется от 14 до 19 МПа. Количество закачиваемой в нефтеносные пласты воды зависит от объема добычи нефти, причем на один кубический метр добытой нефти (жидкости) закачивается 1,8-2 кубических метра воды.

Исходными данными для проекта электроснабжения КНС являются объемы закачиваемой вода в пласт (табл.10.1), источник электро­энергии и его параметры.

Таблица 10.1

Объем закачки воды в пласт

Давление, МП	15,0	19,0
Объем закачки, куб.м/сут.: -нефтеносный пласт С1	5485	5840
нефтеносный пласт С2	1362	1120

Источником электроэнергии является главная понизительная под-станция напряжением 110/35/6 кВ с двумя трансформаторами мощ­ностью по 25 MB А. Ток трехфазного короткого замыкания на шинах высшего напряжения подстанции - 9 кА.

10.2.Выбор технологического Оборудования

Для нагнетания воды в пласт при давлении 15 и 19 МПа примем центробежные насосы типа ЦНС - 180-1900 с параметрами:

подача Q - 180 куб.м/ч;

напор Н - 1900 м.

Необходимое количество насосных агрегатов для обеспечения за­данного объема закачки воды определяете из выражения:

где V_сут - общий объем воды, закачиваемой в пласт в сутки; при определённом давлении, куб.м;

Q - подача насоса, куб.м/ч.

.Напор или давление, создаваемое насосом, зависит от его пода­чи. Согласно паспортной характеристике насоса ЦНС-180-1900 при напоре Н=15 МПа подача Q составляет 240 куб.м/ч. при напоре 19 МПа - 170 куб.м/ч.

Требуемое количество агрегатов при давлении Р=15 МПа

Примем два рабочих насосных агрегата. Для создания технологического резерва на случай аварии целесообразно предусмотреть еще один резервный агрегат.

Количество насосных агрегатов при давлении Р=19 МПа

Примем два рабочих насосных агрегата для обеспечения требуе­мого объема закачки и один для создание резерва. Общая технологи­ческая схема насосов КНС: 4+2, т.е. 4 в работе 2 в резерве.

10.3. Выбор мощности и типа электродвигателей

Необходимая мощность для привода насоса определяется выражением

Где Q - подача насоса, куб.м/с; Н - напор, м;

- плотность жидкости, кг/куб,м; - КПД насоса; - коэффициент запаса (1.1 - 1,15) учитывающий возможность работы насоса при Q. и Н, отличающихся от расчетных. Данные расчета представлены в табл. 10.2 Для привода технологических механизмов средней и большой мощности в нефтяной и газовой промышленности широко используются синхронные двигатели. Они позволяют регулировать режим двигателя по реактивной мощности. Работа синхронного двигателя в режиме пе­ревозбуждения обеспечивает генерирование реактивной мощности в орть и, как следствие, повышение коэффициент мощности.

Таблица 10.2

Расчет мощности электродвигателей насосов

Тип насоса	Подача, куб. м/c	Напор, м	КПД	Плотность жидкости, кг/куб.м	Расчетная мощность, кВт
ЦНС-180-1900 ЦНС-180-1900	0,067 0,047	1500 1900	0,73 0,73	1000 1000	1553 1380

Для привода насосов выбираем синхронные двигатели типа СТД -1600-2 (табл. 10.3)

Таблица 10.3

Техническая характеристика синхронных двигателей

СТД-1600-2

Номинальная мощность		Номинальное напряжение, кВ	КПД, %	Кратность пускового тока	Номинальный ток статора фазный, А	Время пуска из холодного состояния, с
кВт	кВ А
1600	1850	6	96,9	6,79	178	6,8

Режим работы насосной станции можно регулировать путем изме­нения подачи центробежных насосов и создаваемого ими напора. Это достигается изменением числа одновременно работающих насосов к применением регулирующих задвижек на их выходе.