Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование релейной защиты и автоматики. Учебное пособие
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В.А. Шелест
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону
ДГТУ
2023
2
УДК 621.311
ББК 31.27
Ш42
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Н.И. Цыгулев
(Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)
имени М.И. Платова);
доктор педагогических наук, профессор И.А. Гурина
(Северо-Кавказская государственная академия)
Ш42
Шелест, Владимир Александрович.
Проектирование релейной защиты и автоматики : учебное
пособие / В.А. Шелест ; Донской государственный технический
университет. – Ростов-на-Дону : ДГТУ, 2023. – 73 с.
ISBN 978-5-7890-2164-4
Рассмотрены современные методы расчетов основных видов релейной защиты линий электропередач. Излагаемый материал ориентирован как на электромеханические устройства, так и на современные
терминалы релейной защиты и автоматики, внедряемые в электроэнергетику в рамках ее цифровизации. По проектируемой релейной защите
и автоматике представлена типовая справочная информация.
Предназначено для обучающихся по направлению подготовки
13.03.02 Электроэнергетика и электротехника всех форм обучения.
УДК 621.311
ББК 31.27
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Донского государственного технического университета
ISBN 978-5-7890-2164-4
© Шелест В.А., 2023
© Донской государственный
технический университет, 2023
3
Предисловие
Настоящее учебное пособие соответствует Государственному образовательному стандарту по направлению «Электроэнергетика и электротехника». Содержание учебного пособия построено в соответствии с
учебной дисциплиной «Проектирование релейной защиты и автоматики»
и максимально ориентировано на приобретение обучающимися требуемых компетенций.
Методы проектирования релейной защиты и автоматики (РЗиА)
начали развиваться с середины прошлого века. Были разработаны специальные документы по расчетам релейной защиты, что способствовало созданию в нашей стране надежных и эффективных устройств
РЗиА [1, 2], обеспечивающих стабильную работу всей энергетики.
Особо следует отметить большие заслуги профессора Новочеркасского
политехнического института Платонова В.В. в разработке методов проектирования РЗиА.
Автор при написании учебного пособия использовал опыт отечественных и зарубежных ученых в области релейной защиты и автоматики, таких, как: В.А. Андреев, Г.И. Атабеков, В.К. Ванин, Ю.А. Гаевенко,
Я.С. Гельфанд, В.Г. Дорогунцев, А.Д. Дроздов, А.Ф. Дьяков, А.С. Засыпкин, В.Е. Казанский, С.Л. Кужеков, Н.О. Овчаренко, В.В. Платонов,
Э.В. Подгорный, И.М. Сирота, Б.С. Стогний, Е.М. Ульяницкий, В.Л. Фабрикант,
А.М. Федосеев, Н.В. Чернобровов, М.А. Шабад, Э.М. Шнеерсон, В.Г. Шуляк,
A.R. Warrington, M.S. Sachdev, F.G. Phadken, J.S. Thorp.
В учебном пособии отражены теоретические вопросы по проектированию релейной защиты и автоматики. Рассмотрены рекомендации
по расчету параметров для выбора, настройки и оценки надежности
функционирования защитных и автоматических устройств. К основным
параметрам относятся уставки срабатывания реле по току, напряжению,
частоте и времени, с последующим определением коэффициентов чувствительности. Приобретение и закрепление практических знаний осуществляется при выполнении обучающимися курсовых и выпускных
квалификационных работ.
При подготовке бакалавров вопросу проектирования уделяется
большое внимание, так как эти методы необходимы не только в проектных институтах, но и при эксплуатации объектов энергетики.
4
Многие расчеты РЗиА выполняют при анализе аварий. Молодые специалисты должны быть готовы к решению задач по РЗиА при широкой
цифровизации энергетики.
При учебном проектировании основными материалами являются
«Руководящие указания по релейной защите» (выпуски 1–13) и типовые проекты по выполнению релейной защиты и автоматики элементов
электроэнергетических систем. Эти материалы выпускаются проектными и научно-исследовательскими институтами для специалистовпроектировщиков и характеризуются детальной проработкой широкого
круга специальных вопросов. Освоение этих материалов обучающимися затруднено из-за большого объема и сложности рассматриваемых
технических решений. Целью учебного пособия является облегчение
освоения нового материала.
В настоящем учебном пособии методически обобщены основные
проектные материалы и руководящие указания по РЗиА электроэнергетических систем. Прослеживается взаимосвязь с предшествующими
курсами электротехнических дисциплин.
Обучающимся предлагается использовать доступные компьютерные программы ускорения проектирования и обеспечения хорошей повторяемости расчетов. Такую работу можно выполнять как в аудитории, так и в домашних условиях. Излагаемый материал позволяет
в учебном процессе использовать элементы научно-исследовательского
характера.
Учебное пособие содержит 8 разделов, охватывающих теоретический материал по различным видам проектирования РЗиА линий электропередач.
Автор выражает благодарность коллегам кафедры за помощь при
подготовке учебного пособия к изданию.
5
1. ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ
РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
И РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
1.1. Структура, классификация и основные проектные требования
к устройствам релейной защиты и автоматики
По характеру изменения параметра защиты разделяются на макси-
мальные и минимальные. Защиты, реагирующие на симметричные составляющие электрических величин I, I2, I0, U2, U0, возрастающие
в условиях короткого замыкания (КЗ), называются максимальными.
Защиты, реагирующие на величины U, Z, снижающиеся при КЗ, называются минимальными.
По назначению, в зависимости от степени ответственности и по-
рядка действия при КЗ, защиты классифицируют как основные, резервные и дополнительные.
Основной называется защита, обеспечивающая первоочередное от-
ключение повреждений в любой точке защищаемого участка.
Резервной называют защиту, обеспечивающую отключение повре-
жденного участка при отказе в работе основной защиты или выключателя.
Дополнительной называется защита, обеспечивающая частичное
дублирование основной защиты и действующая в этом случае одновременно с ней.
При проектировании релейной защиты основными требованиями
являются: быстродействие, избирательность (селективность), чувствительность, надежность и наличие устройств сигнализации.
Быстродействующей считается защита, обеспечивающая подачу
командного импульса на отключение в течение не более 0,1 с с момента
возникновения нарушения.
Избирательной считается защита, обеспечивающая отключение
только поврежденного элемента энергосистемы. Необходимая избирательность достигается отстройкой с помощью коэффициента запаса кз
от величин подводимых к защите параметров (I, I0, I2, U2, U0, U, Z), при
которых защита данного элемента не должна действовать. Для максимальных защит кз >1, для минимальных – кз <1.
Кроме того, для обеспечения избирательности и резервирования
защиты содержат много ступеней. Предусмотрено согласование со ступенями смежных защит (для вторых и последующих ступеней).
6
Напомним, что функцию избирательности выполняют реле направления мощности и реле сопротивления.
На рис. 1.1 показан принцип выполнения многоступенчатой защиты.
Рис. 1.1. Пример определения избирательности многоступенчатой защиты
Первая ступень защищает основной объект и отстраивается от расчетных параметров при КЗ за выключателем смежного участка (в точке КЗ).
Напомним, что при расчетах ток защиты одинаков в точках К1, К2, К3
и поэтому иногда говорят, что первая ступень отстраивается от КЗ в
конце линии (точка К1), хотя имеется в виду точка К3. Вторая ступень
резервирует первую и полностью защищает свой объект и часть смежного. Она отстраивается от первых (или вторых) ступеней защиты
смежных линий. Третья ступень резервирует защиты своей и смежной
линий (частично), отстраивается от вторых (третьих) ступеней защит
смежных линий, а также от нормального и перегрузочного режимов.
Чувствительной считается защита, обеспечивающая надежное от-
ключение защищаемого элемента при его повреждениях. Надежность
отключения характеризуется коэффициентом чувствительности.
Для максимальных защит коэффициент чувствительности определяется как отношение наименьшей величины электрического параметра,
подводимого к защите при КЗ в конце защищаемой линии, к уставке
срабатывания.
Для минимальных защит коэффициент чувствительности определяется как отношение уставки срабатывания к наибольшей величине
электрического параметра, подводимого к защите при КЗ в конце защищаемой линии.
Надежной считается защита, обеспечивающая ее устойчивое
функционирование в различных режимах. Различают аппаратную
и эксплуатационную надежность.
Q 2
Q 1
Q 3
Q 4
К 1
К 2
УРЗ
ТА
I ступень
II ступень
Q 5
III ступень
К 3
ПА ПБ
ПВ
7
Исходная схема сети представляет собой однолинейную электрическую схему проектируемого района, на которой указывают:
1. Схему с номинальными напряжениями, длинами линий, марками
проводов, наличием заземляющих тросов и их материала.
2. Схему электрических соединений электростанций и подстанций
с параметрами трансформаторов, автотрансформаторов.
3. Приведенные к шинам подстанций защищаемой сети величины
сопротивлений прямой (обратной) и нулевой последовательностей других частей системы, соответствующие максимальному и минимальному
режимам работы.
4. Места установки, типы и коэффициенты трансформации датчиков информации (в основном трансформаторов тока и напряжения).
По уровню загрузки системы режимы разделяют на максимальный
(в работе находятся все элементы энергосистемы) и минимальный, ко-
гда часть генераторов и линий отключены.
Нейтрали всех автотрансформаторов всегда заземляются наглухо.
Должны быть заданы режимы работы нейтралей трансформаторов
электроостанций и понизительных подстанций.
1.2. Расчет токов короткого замыкания
При расчетах токов КЗ для релейной защиты и автоматики определяют действующее значение периодической слагающей для момента
времени t = 0, полагая, что ЭДС всех генераторов совпадают по величине и фазе.
Порядок составления схемы замещения прямой (обратной) последовательности:
1. Первоначально вычисляют сопротивления элементов схемы замещения
:
)1.1(;
г
г
2
.''нcp
d
Р
сosU
xх
г
(1.1)
)2.1(;
100
)1.1(;
(АТ)
2
.
г
г
2
.
''
Т
нcp
к
нcp
d
S
U
U
x
Р
сosU
xх
т
г
(1.2)
)3.1(,
3
100
2
.%
номном
нcpр
р
IU
Uх
х
(1.3)
где xг, хт, хр – сопротивления генератора, трансформатора и реактора в
именованных единицах;
''
d
х
– сверхпереходное сопротивление
8
генератора мощностью Рг; U
ср.н
– среднее номинальное напря-
жение; φг – угол между напряжением и током генератора;
Uk – напряжение короткого замыкания обмотки трансформатора
(автотрансформатора), отнесенное к мощности S
Т(АТ)
данной об-
мотки; хр% – индуктивное сопротивление одной фазы реактора,
отнесенное к номинальным параметрам реактора U
ном
, I
ном
, %.
2. Для линий 110 кВ и выше активное сопротивление проводов не
учитывается и для всех линий принимается одинаковое удельное сопротивление прямой последовательности:
х
1у
= 0,4 Ом/км, а х1Л = х1у .l.
При напряжении 330 кВ и выше обычно учитывают емкостную
проводимость линий, а х1у = 0,32 Ом/км.
3. По вычисленным сопротивлениям элементов сети составляется
схема замещения прямой последовательности. При расчете защит сетей
схема замещения обратной последовательности принимается такой же,
как и схема замещения прямой последовательности.
Порядок составления схемы замещения нулевой последовательности:
1. Для трансформаторов и автотрансформаторов схема замещения
нулевой последовательности составляется на основе схемы замещения
прямой последовательности. Правило: сопротивления обмоток, соединенных в треугольник, подключают к земле; сопротивления обмоток, соединенных в звезду, включают последовательно в схему c заземленной
нейтралью и размыкают цепь обмотки при изолированной нейтрали
(рис. 1.2 и 1.3).
Исходная схема
Схема замещения прямой
последовательности
Схема замещения нулевой
последовательности
Сторона I
III
II
I
II
III
x
0III
=x
1
III
III
x0I=x
1
I
II
I
x
0III
=x
1
III
III
II
I
x
1
I
x
1
II
x
1
III
II
III
I
x
0II
=x
1
II
x
0II
=x
1
II
x0I=x
1
I
Рис. 1.2. Пример составления схемы замещения трехобмоточного трансформатора
и автотрансформатора (сторона ВН-I, СН-II, НН-III)
9
x
SIII
=x
III
x
SI
=x
I
I
0A
I
0B
I
0C
I
0D
S
S
x
а) б)
Рис. 1.3. Пример распределения токов нулевой последовательности
в трехфазном трансформаторе (а) и схема замещения (б) фазы трансформатора
2. При практических расчетах сопротивления нулевой последовательности линии х0Л определяют в зависимости от ее сопротивления токам прямой последовательности х1Л (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Сопротивление линии токам нулевой последовательности
Параметры линии
Линии
Одноцепная
Двухцепная
Без грозозащитного троса
Со стальным тросом
С хорошо проводящим тросом
3,5 х
1Л
3,0 х
1Л
2,0 х1Л
5,5 х
1Л
4,7 х
1Л
3,0 х1Л
Для расчета параметров аварийного режима в энергосистемах и се-
тевых предприятиях широко применяется комплекс программ
ТКЗ-3000. Комплекс позволяет рассчитывать электрические величины в
трехфазной симметричной сети любого напряжения при однократной
продольной или поперечной несимметрии и выбирать уставки защит от
замыканий на землю.
С помощью комплекса можно получать токи, напряжения, отноше-
ния токов к напряжениям (сопротивления) как в виде симметричных
составляющих, так и в виде полных фазных или междуфазных величин.
Подсистема сетевого хозяйства позволяет перенумеровать узлы сети, создавать новую сеть путем слияния двух сетей, производить сверку сетей.
10
Подсистема эквивалентирования позволяет сворачивать сеть к лю-
бому числу узлов, а также строить новую сеть на основе полученного
эквивалента.
Предельные возможности комплекса: объем сети – до 3000 узлов и
7500 ветвей; общее число индуктивно связанных ветвей – 2500; количество ветвей в одной группе индуктивно связанных ветвей – 20.
1.3. Моделирование токов короткого замыкания
Комбинированное применение программ Multism и MS Excel позволяет оптимально разделить решение задачи на моделируемые и расчетные части.
Электрические системы в модели представляются источником переменного напряжения (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Фрагмент модели схемы замещения прямой последовательности
Чтобы исключить переходные процессы, в модели вместо индуктивностей выбираются резисторы.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]