АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Методические указания к расчетно-графическим работам №1,2 для студентов всех форм обучения специальности 050718-Электроэнергетика

Алматы 2008

СОСТАВИТЕЛИ: М.В. Башкиров, К.М. Асанова. Релейная защита электрических станций. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ №1,2 для студентов всех форм обучения специальности 050718-Электроэнергетика. - Алматы: АИЭС, 2008.- 16с.

Даная работа включает задания и методические указания к выполнению расчетно-графических работ №1,2, а также список необходимой литературы.

Содержание

Введение……………………………………………………………………...	4
1. Методические указания…………………………………………………..	4
1.1 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы №1. Расчет защиты генератора от внутренних повреждений…………………………………………………………………	5
1.2 Защита генераторов от внутренних повреждений. Продольная дифференциальная защита………………………………………………….	5
1.3 Задание к выполнению расчетно-графической работы №2. Расчет защиты генератора от внутренних повреждений… ….…………...	8
2. Методические указания к выполнению расчетно-графической работы №2. Расчет продольной дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора………………………………………………………………	10
2.1 Задание к выполнению расчетно-графической работе №2. Расчет продольной дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора……… …………………………………………………...…	15
Список литературы…………………………………………………………..	16

Введение

Согласно учебному плану, студенты, обучающиеся по специальности 050718- Электроэнергетика, изучают курс «Релейная защита электрических станций», в котором предусмотрены две расчетно-графические работы, предполагающие закрепление студентами пройденных разделов дисциплины.

К сдаче экзамена по курсу студенты допускаются после успешного выполнения и защиты расчетно-графических работ.

1 Методические указания

При расчетах токов короткого замыкания 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 [5]. Для определения полных токов, а также составляющих отдельных последовательностей токов и напряжений в месте короткого замыкания пользуются следующими расчетными выражениями:

а) при трехфазных замыканиях полный ток фазы равен току прямой последовательности [6]

, (1.1)

где x₁_S - результирующее сопротивление прямой последовательности, приведенное к точке КЗ;

б) при двухфазных замыканиях полный ток поврежденной фазы равен

; (1.2)

в) при однофазном повреждении на землю полный ток поврежденной фазы равен

. (1.3)

Ток при трехфазном к.з. на выводах генератора рассчитывается по формуле

, (1.4)

1.1 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы №1. Расчет защиты генератора от внутренних повреждений.

Пользуясь ПУЭ и Руководящими указаниями по релейной защите [15] необходимо указать полный перечень защит от повреждений и ненормальных режимов работы генераторов. Дать краткое описание принципа действия устанавливаемых защит:

а) от многофазных замыканий в обмотке статора, обусловленных внешними КЗ;

б) от однофазных замыканий на землю в обмотке статора СГ и на его выводах и от двойных замыканий на землю, одно из которых возникло в обмотке статора, а второе — во внешней сети;

в) от сверхтоков в обмотке статора, обусловленных внешними КЗ;

г) от токов в обмотке статора, обусловленных симметричной перегрузкой;

д) от появления второго замыкания на корпус в цепи возбуждения турбогенераторов;

е) от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения (для гидрогенераторов);

ж) от повышения напряжения на зажимах гидрогенератора при внезапных сбросах нагрузки.

1.2 Защита генераторов от внутренних повреждений. Продольная дифференциальная защита.

Вследствие большой опасности междуфазных к.з. защита от этого вида повреждения должна иметь высокие быстродействие и чувствительность. Этим требованиям удовлетворяет дифференциальный принцип. Он и сегодня является наиболее совершенным способом защиты от междуфазных к. з. в обмотке статора, на фазных и нулевых выводах и соединении генератора со сборными шинами (до выключателя) или трансформатором связи.

Для повышения чувствительности и улучшения отстройки защиты от I_нб в отечественной практике получили широкое применение две разновидности дифференциальных реле с насыщающимися трансформаторами тока (НТТ): реле с улучшенной отстройкой от апериодической составляющей серии РНТ и реле с магнитным торможением серии ДЗТ. Для повышения чувствительности и улучшения отстройки защиты от I_нб в отечественной практике получили широкое применение две разновидности дифференциальных реле с насыщающимися трансформаторами тока (НТТ): реле с улучшенной отстройкой от апериодической составляющей серии РНТ и реле с магнитным торможением серии ДЗТ.

У реле РНТ НТТ подмагничивается до глубокого насыщения апериодической составляющей переходного тока небаланса. При этом уменьшается трансформация переменного тока во вторичную цепь, где установлен исполнительный орган (реле РТ-40), для срабатывания которого требуется больший первичный переменный ток НТТ. Происходит автоматическое загрубление защиты.

С использованием реле серии РНТ-565 выполняются схемы дифференциальной продольной защиты в трехфазном трехрелейном исполнении для генераторов мощностью (60…100) МВт (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Схема дифференциальной продольной защиты в трехфазном трехрелейном исполнении

Ток срабатывания продольной дифференциальной защиты должен быть больше максимального тока небаланса в переходном режиме при внешнем к.з.:

где - коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,3. Максимальный ток небаланса определяется по выражению

(1.5)

где - коэффициент, учитывающий переходный режим, для реле РНТ =1, а для РТ-40 =2;

- коэффициент однотипности трансформаторов тока (ТТ);

=0,5 для однотипных ТТ с одинаковыми коэффициентами трансформации и мало отключающимися нагрузками вторичных цепей; =1 в остальных случаях;

ε - погрешность ТТ, принимаемая 0,1;

-максимальный ток, проходящий через генератор при внешнем трехфазном к.з.

Расчетная точка для определения этого тока находится на выводах генератора. Кроме того, при выполнении схемы следует учитывать, что обрыв соединительного провода плеча защиты нарушает баланс токов в реле и вызывает ложное её срабатывание в нормальном режиме и при сквозном к.з.

Для исключения этого применяются два способа.

В схемах с реле РТ-40 первичный ток срабатывания защиты выбирается больше номинального тока генератора

где - 1,3 ... 1,4 - коэффициент отстройки. Это условие для двухфазных схем является расчетным. Выбор приводит к снижению чувствительности защиты, что недопустимо для генераторов средней и большой мощности.

Принципиально возможно выполнить продольную дифференциальную защиту с реле РНТ-565. не работающую при обрыве токовых цепей, но имеющую ток срабатывания при этом меньше номинального. Это достигается специальной схемой включения реле РНТ: в нулевой провод дифференциальной цепи последовательно включаются уравнительные обмотки всех трех реле РНТ. Причем дифференциальные и уравнительные обмотки в каждом реле включаются встречено.

Число витков уравнительных обмоток выбирается по условию отстройки от номинального тока генератора по выражению

(1.6)

где - намагничивающая сила срабатывания реле; для РНТ-565=100;

- коэффициент трансформации ТТ.

Число витков дифференциальной обмотки подсчитывается при условии (1.7)

При обрыве соединительного провода одного из ТТ распределение токов в схеме будет таково, что в двух реле неповрежденных дифференциальных цепей ток будет протекать только по уравнительным обмоткам (реле не срабатывает), в третьем - по дифференциальной и уравнительной. С учетом полярности обмоток результирующий магнитный поток и последнем реле пропорционален . Это реле также не работает, так как в соответствии с (1.6) и (1.7) .

Ток срабатывания защиты в этом случае может быть принят равным

(1.8)

Поскольку защиты с РТ-40 и РНТ-565 не срабатывают при обрыве токовой цепи одной из фаз, в схемах предусматривается устройство контроля (реле РТ-40), действующее на сигнал в случае неисправности токовых цепей. Включается реле в нулевой провод дифференциальной защиты, ток срабатывания его принимается

Определение параметра срабатывания реле дифференциальной защиты сводится к расчету тока срабатывания реле (для РТ-40 и РНТ-565) и числа витков дифференциальной обмотки РНТ по выражениям

. (1.9)

Округляя до ближайшего целого числа в меньшую сторону, принимают окончательное значение (если число витков рабочей обмотки меньше расчетного, то используется последовательное соединение рабочей и уравнительной обмоток).

Чувствительность продольной дифференциальной защиты оценивается коэффициентом чувствительности , значение которого, согласно ПУЭ, должно быть не менее 2

(1.10)

где — ток металлического замыкания между двумя фазами на выводах генератора для одиночно работающего генератора.

Коэффициент чувствительности дифференциальной защиты определяется при двухфазном к.з. у выводов в зоне защиты одиночно работающего генератора на холостом ходу при синхронизации. При этом , и ток при двухфазном к.з.

Коэффициент чувствительности вычисляется по формуле (1.10):

1.3 Задание к выполнению расчетно-графической работы №1. Расчет защиты генератора от внутренних повреждений

Студенты выбирают номер варианта задания по двум признакам: последней и предпоследней цифрам номера зачетной книжки.

Необходимо рассчитать продольную дифференциальную защиту генератора с реле РНТ-565 (рисунок 1.2).

Основные параметры к заданию приведены в таблице 1.1

В расчетах не учитывать, возможность обрыва соединительного провода плеча защиты.

По формулам (1.5) и (1.8) определяется I_сз за расчетное принимается большее значение.

Расчетное число витков дифференциальной обмотки определяется по (1.9).

Коэффициент чувствительности дифференциальной защиты определяем при двухфазном к.з. у выводов в зоне защиты одиночно работающего генератора на холостом ходу при синхронизации. Коэффициент чувствительности вычисляется по формуле (1.10).

Рисунок 1.2 - Электрическая схема

Т а б л и ц а 1.1 - Исходные данные к расчетно-графическим работам №1, №2

Последняя цифра шифра	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Тип генератора	Т-20-2У3	Т-20-2У3	ТВС-32У3	ТВС-32У3	ТВС-32Т3	ТВФ-63-2ЕУ3	ТВФ-63-2У3	ТВФ-63-2У3	ТВФ-110-2У3	ТВФ-120-2У3
Напряжение, кВ	6,3	10,5	6,3	6,3	10,5	10,5	6,3	10,5	10,5	10,5
Номинальный ток генератора, А	2295	1375	3670	2200	1718	4330	7210	4330	7560	6875
Номинальная мощность генератора, МВА	25	25	40	40	31,5	78,75	78,75	78,75	137,5	125

Продолжение таблицы 1.1

Предпоследняя цифра шифра	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
cosj_ном	0,81	0,82	0,83	0,82	0,83	0,81	0,81	0,82	0,83	0,82
Х^”,Ом	0,135	0,137	0,143	0,153	0,13	0,136	0,203	0,153	0,189	0,192
Х₂, Ом	0,165	0,168	0,174	0,187	0,159	0,166	0,248	0,186	0,23	0,234
Мощность КЗ системы S_КЗ, МВА	1000	1100	1200	1100	1000	2100	2200	2300	2000	2000
Мощность трансформатора Т, МВА	16	16	25	25	25	63	63	63	125	125
Напряжение U_ВН трансформатора	110	110	110	110	110	110	110	110	110	110
К_Т трансфор-маторов тока в цепи генератора	3000/5	2000/5	4000/5	3000/5	2000/5	5000/5	8000/5	5000/5	8000/5	8000/5

2. Методические указания к выполнению расчетно-графической работы №2. Расчет продольной дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора

Для защиты от повреждений на выводах трансформаторов, а также от внутренних повреждений (КЗ между фазами, на землю и замыкания витков одной фазы) широко применяется дифференциальная защита [16].

Принцип действия продольной дифференциальной защиты основывается на сравнении токов в начале и в конце защищаемой зоны. В соответствии с принципом действия этой защиты, трансформаторы тока устанавливаются с обеих сторон трансформатора. Их вторичные обмотки соединяются так, чтобы при нагрузке и внешних КЗ в реле протекала разность вторичных токов [6,9].

I_р = I_I_в - I_II_в (2.1)

тогда при КЗ в зоне защиты ток в реле будет равен сумме вторичных токов

I_р = I_I_в + I_II_в. (2.2)

При этом, если I_р > I_c_.р., то реле приходит в действие и отключает трансформатор. Если обеспечить равенство вторичных токов I_I_В и I_II_В , то при токах нагрузки и при внешних КЗ ток через реле протекать не будет и защита не срабатывает, так как

I_р = I_I_в - I_II_в = 0. (2.3)

При выполнении дифференциальной защиты трансформаторов необходимо учитывать неравенство первичных токов разных обмоток трансформаторов и несовпадение этих токов в общем случае по фазе. Компенсация сдвига тока по фазе достигается соединением вторичных обмоток трансформаторов тока в треугольник в том случае, если с данной стороны обмотки силового трансформатора соединены в звезду. Трансформаторы тока, расположенные на стороне треугольника силового трансформатора, соединяются в звезду, т.е. на трансформаторах тока собирают группу, обратную силовому трансформатору.

Компенсация неравенства первичных токов силовых трансформаторов достигается подбором коэффициентов К_ТА_I и К_ТА_II трансформаторов тока дифференциальной защиты и параметров, специально устанавливаемых для этой цели трансформаторов.

Коэффициенты трансформации трансформаторов тока К_ТА_I и К_ТА_II подбираются с таким расчетом, чтобы вторичные токи в плечах защиты при нагрузке и внешних КЗ были равны. При соединении обмоток по схеме U/D

(2.4)

где К_т - коэффициент трансформации силового трансформатора.

Задаваясь, например, коэффициентом трансформации К_ТА_II, можно найти расчетное значение второго К_ТА_I, принимая ближайшее стандартное значение.

Исходные данные для расчета дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора принимаются из таблиц задания 1.1, 1.2, в соответствии со справочными данными на трансформаторы.

Порядок расчета следующий:

1. Определяются первичные номинальные токи на сторонах трансформатора (I_ном1 и I_ном2) и коэффициенты трансформации трансформаторов тока

. (2.5)

2. Определяются вторичные номинальные токи в плечах дифференциальной защиты

; . (2.6)

По большему значению i_В принимается основная сторона дифференциальной защиты и все расчеты приводятся к основной стороне.

3. Выбирается ток срабатывания защиты из условия отстройки:

а) от броска тока намагничивания

I_с.з. = К_отс I_ном.тр._ВН (2.7)

где К_отс = 1,3 для реле РНТ-565;

К_отс = 1,2-1,5 для реле ДЗТ-11;

I_ном.тр._ВН - номинальный ток трансформатора приведенный к основной стороне;

б) от максимального тока небаланса

I_с.з. = К_н×I_{нб.макс.} (2.8)

где К_н = 1,3 для РНТ.

I_{нб.макс.} = I¢_нб. + I²_нб. + I²¢_нб. (2.9)

где I¢_нб.- составляющая тока небаланса, обусловленная погрешностью (ток намагничивания) трансформаторов тока.

I¢_нб. = К_а × К_одн.× f_i× I⁽³⁾_к.макс. (2.10)

где К_одн.- коэффициент однотипности принимается равным 1,0, если на всех сторонах трансформатора имеется не более одного выключателя;

К_а - коэффициент, учитывающий переходный режим, для реле с БНТ К_а = 1;

f_i- коэффициент, учитывающий 10 % погрешность трансформаторов тока, f_i= 0,1;

I⁽³⁾_к.макс. - максимальное значение тока КЗ за трансформатором, приведенное к основной стороне трансформатора;

I²_нб. - составляющая тока небаланса обусловленная регулированием

напряжения защищаемого трансформатора

, (2.11)

где DN_т - половина диапазона регулирования напряжения его среднего значения, так при диапазоне регулирования ±10 %, DN_т = 0,1;

I²¢_нб. - составляющая тока небаланса, обусловленная неточностью установки на коммутаторе реле расчетного числа витков уравнительных обмоток.

, (2.12)

где W_{1неосн.рас.} и W_{1неосн.уст.} - соответственно расчетное и установленное число витков обмоток РНТ для неосновной стороны;

I⁽³⁾_к.макс. - максимальное значение тока КЗ за трансформатором, приведенное к основной стороне трансформатора.

На первом этапе расчета уставки дифференциальной защиты I²¢_нб. не учитывается, тогда

. (2.13)

За расчетную величину тока срабатывания защиты принимается большее значение, определенное по формулам (2.8) и (2.9).

4. Производится предварительная проверка чувствительности защиты при повреждениях в зоне её действия

(2.14)

где I_к.мин. - минимальное значение тока КЗ (обычно двухфазное КЗ в зоне защиты).

Если коэффициент чувствительности больше двух (К_ч ³ 2), то расчет можно продолжать.

5. Определяется ток срабатывания, отнесенный к стороне с большим током в плече (основной стороне)

, (2.15)

где К_ТА и К_СХ берутся для основной стороны.

6. Определяется расчетное число витков обмотки реле с основной стороны

, (2.16)

где F_ср - магнитодвижущая сила, для реле РНТ-565 F_ср=100.

Выбирается установленное число витков основной стороны W _I_{диф.уст.}

Если W_I_{диф.рас.}получается дробным, то, как правило, принимается ближайшее меньшее число витков W_I_{диф.уст.}, которое можно установить на реле.

7. Определяется число витков обмоток реле для неосновной стороны из условия, чтобы в режиме нагрузки или внешнего КЗ ток реле отсутствовал

(2.17)

где i_1в - вторичный номинальный ток основной стороны;

i_2в - вторичный номинальный ток другого плеча защиты.

8. Выбираются установленные числа витков неосновной стороны

W_II_{неосн.уст.} (ближайшее меньшее).

В случае, когда числа витков получаются дробными, принимаются ближайшие целые числа витков, которые можно установить на уравнительной

обмотке реле.

9. Определяется ток небаланса с учетом I^III_нб. по (2.12).

10. Повторно определяется первичный ток срабатывания защиты и вторичный ток срабатывания реле.

Если I_с.з. окажется больше полученного ранее, нужно принять новое значение числа витков дифференциальной обмотки (W_диф.), ближайшее меньшее от расчетного. Затем дальнейший расчет повторяется.

11. После повторно найденных чисел витков дифференциальной обмотки определяют число витков уравнительной обмотки для схемы включения обмоток реле РНТ по рисунку 2.1

, (2.18)

12. Затем вновь проверяется чувствительность защиты по формуле 2.14.

Рисунок 2.1 - Схема включения обмоток реле РНТ

2.1 Задание к выполнению расчетно-графической работе №2. Расчет продольной дифференциальной защиты двухобмоточного трансформатора

Исходные данные взять из таблицы 1.1 (рисунок 1.2). Рассчитать ток КЗ в точках К1 и К2. За расчетное принять большее значение тока КЗ. По (2.5) и (2.6) определить основную сторону для расчетов. Значение тока КЗ привести к основной стороне.

По формулам (2.7-2.18) провести расчет продольной дифференциальной защиты трансформатора Т1. Начертить схему включения РНТ для полученных расчетов.

Список литературы

1. Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. Релейная защита электроэнергетических систем./ Под ред. А.Ф. Дьякова.- М.: Изд. МЭИ, 2002.- 295 с.

2. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. "Релейная защита энергетических систем: Учебное пособие для техникумов".- М.: Энергоатомиздат, 1998.

3. Байтер И.И., Богданова Н.А. Релейная защита и автоматика питающих элементов собственных нужд тепловых электростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 113с.

4. Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем. – Москва: “Издательство НЦ ЭНАС”, 2000.-503с.

5. Овчаренко Н.И. «Цифровые аппаратные и программные элементы микропроцессорной релейной защиты и автоматики энергосистем». - М.: НТФ «Энергопрогресс», 2006. -51с.

6. Шабад М.А. Расчеты РЗ и А распределительных сетей: Монография.- СПб.: ПЭИПК, 2003.- 350с.

7. Шабад М.А. Защита генераторов малой и средней мощности.-М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001. - 96с.: ил. (Библиотечка электротехника, приложение к журналу «Энергетик». Вып. 4(28).

8. Овчинников В.В. Защита электрических сетей 0,4-35кВ. - ч.1,ч.2. –М.: Издательство редакции журнала “Энергетик”, 2002.

9. Александров В.Ф., Езерский В.Г. «Цифровые устройства частотной разгрузки ». - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик»,2005.-78с.

10. Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем: - М.: Энергия, 1992. - 560 с.

11. Вавин В.Н. Релейная защита блоков турбогенератор- трансформатор.- М.: Энргоиздат, 1982.- 256с.

12. Беркович М.А., Семенов В.А. Основы техники и эксплуатации релейной защиты. - М.: Энергия, 1991.- 432 с.

13. Авербух А.М. Релейная защита в задачах с решениями и примерами. - М.: Энергия, 1975. - 416 с.

14. Справочник по наладке вторичных цепей электростанций и подстанций /Под ред. Э.С. Мусаэляна. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

15. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 1. Защита генераторов, работающих на сборные шины. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961.-68 с.

16. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13А. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ: Схемы.- М.: Энергоатомиздат, 1985.- 112 с.

17. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 13Б. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов 110-500 кВ: Расчеты. - М.: Энергоатомиздат, 1985.- 96 с.