Министерство образования и науки Российской Федерации
Южно-Уральский государственный университет
Кафедра "Системы электроснабжения"
658.2(07)
Е804
А.М. Ершов
Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения
Часть 1
ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Учебное пособие
Челябинск
Издательский центр ЮУрГУ
2011
УДК [658.26; 621.31](075.8)
Е804
Одобрено
учебно-методической комиссией энергетического факультета
Рецензенты:
Б.И. Заславец, Г.П. Корнилов, М.К. Кальвияйнен
Ершов, А.М.
Е804 Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения. Часть 1: Токи короткого замыкания: учебное пособие / А.М. Ершов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. – 168 с.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 140211 – «Электроснабжение» при изучении дисциплины «Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения».
Изложенный теоретический, нормативный и справочный материал, а также рассмотренные примеры расчета способствуют развитию практических навыков при проектировании устройств релейной защиты и автоматики, применяемых в системах электроснабжения.
Пособие может быть использовано при изучении теоретического материала, подготовке к практическим и семинарским занятиям, курсовом и дипломном проектировании.
УДК [658.26; 621.31](075.8)
© Издательский центр ЮУрГУ, 2011
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Релейная защита систем электроснабжения 1.1. Назначение релейной защиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Элементы, функциональные части и органы устройств релейной защиты и автоматики систем электроснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Принципы построения электрических сетей и режимы нейтрали 2.1. Принципы построения электрических сетей . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Режимы нейтрали электрических сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Пять способов заземления нейтрали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Критерии выбора режима нейтрали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Электрическая сеть с изолированной нейтралью . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Электрическая сеть с резистивным заземлением нейтрали . . . . . . 2.2.5. Электрическая сеть с компенсированной нейтралью . . . . . . . . . . 2.2.6. Электрическая сеть с глухо заземленной нейтралью . . . . . . . . . . 2.2.7. Электрическая сеть с эффективно заземленной нейтралью . . . . . . 2.2.8. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Токи коротких замыканий 3.1. Виды коротких замыканий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Короткие замыкания на выводах низшего напряжения понижающего трансформатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Расчет токов короткого замыкания в электрических сетях напряжением 0,38–6–10–110 кВ 4.1. Особенности расчетов токов короткого замыкания для релейной защиты в электрических сетях напряжением выше 1 кВ . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Схемы замещения трансформаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Особенности определения сопротивления трансформатора с РПН . . . 4.1.3. Расчеты токов трехфазного короткого замыкания . . . . . . . . . . . . 4.2. Пример расчета токов КЗ в электрических сетях напряжением выше 1 кВ 4.2.1. Исходные данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Расчет сопротивлений элементов схемы замещения . . . . . . . . . . . 4.2.3. Расчет токов КЗ в максимальном режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4. Расчет токов КЗ в минимальном режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Расчет токов короткого замыкания в электрических сетях напряжением до 1 кВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Особенности расчетов трехфазного и однофазного КЗ за трансформатором 6–10/0,4 кВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Основные положения расчета токов трёхфазного КЗ методом симметричных составляющих . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Расчет сопротивлений различных элементов системы электроснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4. Пример расчеты токов трехфазного КЗ в электрической сети напряжением до 1 кВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5. Расчет токов однофазного КЗ на землю в сетях до 1 кВ методом симметричных составляющих . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.6. Пример расчета токов однофазного КЗ на землю . . . . . . . . . . . . . 4.3.7. Расчет токов однофазного КЗ на землю методом «петли фаза-нуль» . . 5. Источники оперативного тока 5.1. Источники оперативного тока на распределительных подстанциях . . . 5.2. Постоянный оперативный ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Переменный оперативный ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Схемы с дешунтированием электромагнитов управления . . . . . . . . 5.3.2. Предварительно заряженные конденсаторы и зарядные устройства . . 5.3.3. Схемы питания оперативных цепей защиты на выпрямленном токе . . 6. Трансформаторы тока 6.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Схемы соединения трансформаторов тока и цепей тока измерительных органов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2. Схема соединения трансформаторов тока и измерительных органов в полную звезду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3. Схема соединения трансформаторов тока и измерительных органов в неполную звезду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4. Схема соединения трансформаторов тока в полный треугольник, а измерительных органов – в полную звезду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.5. Схема с двумя трансформаторами тока и одним измерительным органом, включенным на разность токов двух фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.6. Трёхтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности . . 6.2.7. Однотрансформаторный первичный фильтр токов нулевой последовательности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.8. Последовательное и параллельное соединение трансформаторов тока 6.2.9. Датчики фазного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Оценка чувствительности устройства защиты . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1. Коэффициент чувствительности защиты . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2. Оценка чувствительности защиты линии электропередачи . . . . . . . 6.3.3. Оценка чувствительности защиты силовых трансформаторов напряжением 35–110–220/6–10 кВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4. Оценка чувствительности защиты силовых трансформаторов напряжением 6–10/0,4 кВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.5. Области применения разных схем соединения ТТ и ИО . . . . . . . . . 6.4. Выбор трансформаторов тока и определение их допустимой нагрузки в схемах релейной защиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Трансформаторы напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Приложения Приложение П1. Справочные данные для расчета токов короткого замыкания Приложение П.2. Трансформаторы тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
5
7
12
15 21 21 23 24 26 27 29 30 30
32
36
46 46 48 50 51 51 54 57 58
59
59
61
63
68
73 75 77
79 79 81 81 83 85
88
91 91
93
96
98
99 100
101 102 103 105 105 108
111
113 116
119 123 129
131 153 |
Посвящаю моему Учителю Олегу Александровичу Петрову
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящем учебном пособии рассматриваются теоретические положения и методы расчета устройств релейной защиты и автоматики, построенных на основе микропроцессорной техники. Оно ориентировано на подготовку инженеров-электриков, выпускаемых по специальности «Электроснабжение», которые должны работать на промышленных предприятиях в подразделениях главного энергетика, в городских или сельских электрических сетях, обслуживая электроустановки напряжением от 380 В до 110–220 кВ.
В сложившейся отечественной литературе основное внимание уделяется релейной защите электроустановок напряжением 6–10 кВ и выше. Традиционно в курсе изучаются элементная база (это реле различного вида, трансформаторы тока и напряжения), принципы построения релейной защиты и рассматриваются защиты конкретных элементов систем электроснабжения – линий, трансформаторов и т.д.
В 2007 г. заведующим кафедрой «Системы электроснабжения» д.т.н., профессором Ю.В. Хохловым была поставлена задача переработки курса «Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения» с учетом специфики подготовки инженеров по специальности, современного уровня развития устройств защиты и автоматики, технологий их построения.
В учебном пособии изменен подход к изучению курса «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения» – сделан переход от изучения отдельных принципов выполнения защит и аналитических методов расчета, во-первых, к осмысливанию организации и анализу построения защиты электрических сетей, во-вторых, к комплексному расчету защит объектов системы электроснабжения с использованием аналитических и графических методов. Уделяется больше внимания физике процессов, протекающих в системе электроснабжения в нормальных и аварийных режимах работы, а не только полученным в результате расчетов цифрам. Физика остается в голове надолго, а цифры вылетают мгновенно без остатка.
Учитывая специфику специальности «Электроснабжение», в данном учебном пособии рассмотрение релейной защиты условно «смещено вниз» по системе электроснабжения и начинается с защиты отдельных электроприемников напряжением 380 В (освещение, электродвигатели, …), постепенно «поднимается вверх» по системе электроснабжения, охватывая трансформаторные подстанции напряжением 6–10/0,4 кВ, электроприемники и распределительные электрические сети напряжением 6–10 кВ, и заканчивается силовыми трансформаторами с первичным напряжением 35–110–220 кВ. Защиты линий электропередачи напряжением 35–110–220 кВ рассмотрены в упрощенном варианте, поскольку данные защиты подробно изучаются по специальности «Электрические сети и системы»
При рассмотрении организации и расчетах релейной защиты объектов систем электроснабжения наряду с аналитическими методами расчета в учебном пособии уделено углубленное внимание графическим методам построения время-токовых характеристик защищаемого объекта и устройств защиты. Такой подход широко применяется в зарубежной практике расчета устройств релейной защиты и, в частности, компанией Schneider Electric.
Рассмотрение время-токовых характеристик, рассчитанных с использованием традиционных аналитических методов расчета, во-первых, показывает наглядность работы устройств защит, повышает понимание рассматриваемых процессов, во-вторых, существенно повышается качество согласования селективности срабатывания смежных защит, поскольку характеристики всех устройств располагаются на одном графике, в-третьих, повышается качество расчетов и, соответственно, качество работы устройств защиты системы электроснабжения.
В качестве примера построения релейной защиты объектов на разных уровнях системы электроснабжения выбрано силовое электрооборудование и микропроцессорные устройства защиты и автоматики компании Schneider Electric. Выбор такого решения был основан тем, что компания, во-первых, производит широкий спектр силового оборудования для распределительных электрических сетей, начиная от автоматических выключателей напряжением 380 В до распределительных устройств напряжением 35 кВ, и микропроцессорных устройств защиты и автоматики, во-вторых, компания, предлагая своё оборудование, хорошо обеспечивает его информационную поддержку, и, самое главное, доступность этой информации.
Поскольку микропроцессорные устройства защиты и автоматики, выпускаемые большим количеством производителей, превышающим 100, должны соответствовать нормам Международной электротехнической комиссии (МЭК), адаптация будущих специалистов к соответствующим устройствам других компаний не должна представлять трудности.
Автор выражает искреннюю благодарность заместителю начальника службы релейной защиты Челябинского Регионального диспетчерского управления В.М. Тарасенко за внимательное, творческое и тщательное редактирование рукописи и сделанные им замечания и пожелания, которые были учтены при окончательной подготовке рукописи к печати.