АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электроснабжения промышленных  предприятий 

 

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ РЕЛЕ И СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ

ЗАЩИТЫ СЕТЕЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

 

Методические указания к выполнению расчетно-графических работ №1,2 для студентов всех форм обучения специальности 050718-Электроэнергетика 

 

Алматы 2008 

 

СОСТАВИТЕЛИ: М.В. Башкиров, Н.Н. Арыстанов.

Микропроцессорные реле и современные системы защиты сетей высокого напряжения. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ №1,2 для студентов всех форм обучения специальности 050718-Электроэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2008. - 32 с.

 

Методические указания соответствуют курсу «Микропроцессорные реле и современные системы защиты сетей высокого напряжения», включают задания на выполнение расчетно-графических работ №1,2, исходные данные, указания и перечень рекомендуемой литературы.

Методические указания предназначены для студентов очного и заочного обучения. 

 

Содержание

Введение ……………..……………….……………………..............………4

1       Методические указания и задания на расчетно-графическую работу .….4

2       Методические указания к расчету дистанционной защиты линии …...…7

2.1    Расчет параметров схемы замещения ………….……………...………..….7

2.2    Расчет первичных сопротивлений дистанционной защиты ….……….….8

2.2.1  Расчет сопротивления первой ступени ………………………..……….….8

2.2.2  Расчет сопротивления второй ступени ……………………..…………...…9

2.2.3  Расчет сопротивления третьей ступени ………………………………….12

2.3    Расчет вторичных сопротивлений дистанционных защит ....….…….….14

2.4    Построение карты селективности дистанционной защиты .…...……….15

3       Методические указания по расчету токовой защиты нулевой

последовательности ………………………………………………..……...17

3.1    Расчет параметров комплексной схемы ………………………….…..….17

3.2    Расчет ТЗНП …………………………………………………….…………19

3.2.1  Расчет первой ступени ТЗНП ………………………………………….....19

3.2.2  Расчет второй ступени ТЗНП ………………………………………….…21

3.2.3  Расчет третьей ступени …………………………………...………………28

3.2.4  Расчет токов срабатывания реле ступеней ТЗНП ……………………….30

3.2.5  Построение карты селективности ТЗНП ………………………………...30

Список литературы ………………………..………………….……..…….32

Введение 

Согласно учебному плану, студенты, обучающиеся по специальности 050718- Электроэнергетика, изучают курс «Микропроцессорные реле и современные системы защиты сетей высокого напряжения», 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 и задания к расчетно-графической работе

В расчетно-графической работе №1 студенты должны произвести расчет дистанционной защиты линии, а также начертить карту селективности дистанционных защит.

Основные параметры к заданию №1 приведены в таблицах 1 и 2 (по последней и предпоследней цифрам номера зачетной книжки), а место расположение защиты указано в таблице 3 (защита А или Б, по первой букве фамилии студента). Схема электрической сети показана на рисунке 1.

В расчетно-графическую работу №1 входит пояснительная записка объемом 10-15 страниц с расчетными схемами и картой селективности защит. 

В расчетно-графической работе №2 студенты должны произвести расчет токовой защиты нулевой последовательности линии (ТЗНП), а также начертить карту селективности ТЗНП.

Основные параметры к заданию №2 приведены в таблицах 1 и 2 (по последней и предпоследней цифрам номера зачетной книжки), а место расположение защиты указано в таблице 3 (защита А или Б, по первой букве фамилии студента). Схема электрической сети показана на рисунке 1.

В расчетно-графическую работу №2 входит пояснительная записка объемом 10-15 страниц с расчетными схемами и картой селективности защит. 

 

Т а б л и ц а 1

Последняя цифра зачетной книжки

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sкз, МВА

Система 1

max

1250

1200

1150

1100

1050

1000

950

900

1300

1350

min

1150

1100

1000

1050

900

900

700

800

1150

1250

Система 2

max

950

900

1300

1350

1150

1100

1050

1250

1200

1150

min

700

750

1200

1250

1000

950

900

1100

1050

1000

Sном.тр., МВА

Т1

6,3

10

16

6,3

16

10

16

6,3

10

16

Т2

10

16

10

6,3

16

16

6,3

6,3

10

16

Т3

16

10

6,3

10

10

6,3

6,3

10

10

16

Т4

6,3

6,3

6,3

16

10

6,3

10

16

10

16

Длина линий, км

Л1

10

23

32

28

27

23

16

28

17

12

Л2

15

28

26

34

22

11

13

18

32

16

Л3

20

32

18

36

32

28

22

33

22

27

Л4

13

19

10

18

18

35

31

30

37

35

Л5

18

15

35

32

12

19

10

19

27

30

 

Рисунок 1 

 

Т а б л и ц а 2

Предпоследняя цифра зачетной книжки

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uкз.тр., %

Т1

РПН

+16%

8,7

9,8

9,84

9,77

9,59

10,84

8,9

9,2

9,56

9,4

Т2

РПН

+16%

9,84

9,77

8,7

9,4

9,8

8,7

9,2

9,59

8,9

9,84

Т3

РПН

+16%

8,52

8,8

9,02

9,62

9,9

10,34

10,84

9,4

9,56

9,59

Т4

РПН

+16%

10,84

9,4

9,84

9,77

9,59

9,59

8,9

9,2

9,56

8,9

Удельное сопротивление линий, Ом/км

Л1

Х1

0,35

0,36

0,37

0,38

0,39

0,4

0,41

0,42

0,43

0,44

Х0

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

1,4

1,45

1,5

1,55

Л2

Х1

0,4

0,41

0,42

0,43

0,44

0,35

0,36

0,37

0,38

0,39

Х0

1,25

1,3

1,35

1,4

1,45

1,5

1,55

1,1

1,15

1,2

Л3

Х1

0,37

0,38

0,39

0,4

0,41

0,42

0,43

0,44

0,35

0,36

Х0

1,35

1,4

1,45

1,5

1,55

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

Л4

Х1

0,42

0,43

0,44

0,37

0,38

0,39

0,4

0,41

0,35

0,36

Х0

1,35

1,4

1,45

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,5

1,55

Л5

Х1

0,39

0,4

0,41

0,44

0,35

0,36

0,37

0,38

0,42

0,43

Х0

1,45

1,5

1,55

1,2

1,25

1,3

1,35

1,4

1,1

1,15

 

Т а б л и ц а 3

Первая бук-ва фамилии

А,Б,В,Г

Д,Е,Ж,З

И,К,Л,М

Н,О,П,Р

С,Т,У,Ф

Х,Ц,Ч,Ш

Щ,Э,Ю,Я

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор релейной защиты

А

Б

А

Б

А

Б

А

Iраб.max, А

600

550

500

450

400

350

300

φРАБ ,градус

35

33

30

27

25

23

20

φМЧ ,градус

85

80

75

70

65

75

85

 

2 Методические указания к расчету дистанционной защиты линии

 Расчет приведен для дистанционной защиты линии Л2 (защита А).

Исходные данные:

SКЗ.С1.МАХ = 1187 МВА; SКЗ.С1.MIN = 993 МВА;

SКЗ.С2.МАХ = 1089 МВА; SКЗ.С2.MIN = 926 МВА;

Л1: 13,5 км; Х1УД = 0,36 Ом/км;

Л2: 19,2 км; Х1УД = 0,41 Ом/км;

Л3: 27,7 км; Х1УД = 0,39 Ом/км;

Л4: 22,9 км; Х1УД = 0,37 Ом/км;

Л5: 9,5 км; Х1УД = 0,38 Ом/км;

Т2: SНОМ.ТР. = 10 МВА; UКЗ.(+РПН) = 8,27% .

IРАБ.МАХ = 555 А, φРАБ = 310 φМЧ = 830.

 

2.1 Расчет параметров схемы замещения 

Расчет можно провести в относительных или именованных единицах. Используем метод именованных единиц. Для этого, все элементы схемы должны быть приведены к одному базисному напряжению, за базисное напряжение принимаем UБАЗ = 115 кВ. 

Фазное напряжение систем

ЕС1.Ф. = UС1 ´ UБАЗ / ( Ö3 ´ UСР ) = 115 ´ 115 / Ö3 ´ 115 = 66,40 кВ

где UС1 – заданное напряжение системы 1 (примем UС1 = 115 кВ);

UСР = 115 кВ – среднее напряжение элемента (системы 1);

ЕС2.Ф. = 66,40 кВ. 

ХС1.МАХ = UБАЗ2 / SКЗ.С1.МАХ = 1152 / 1187 = 11,14 Ом.

ХС1.MIN = UБАЗ2 / SКЗ.С1.MIN = 1152 / 993 = 13,32 Ом. 

ХС2.МАХ = UБАЗ2 / SКЗ.С2.МАХ = 1152 / 1089 = 12,14 Ом.

ХС2.MIN = UБАЗ2 / SКЗ.С2.MIN = 1152 / 926 = 14,28 Ом. 

ХЛ1 = Х1УД ´ L ´ UБАЗ2 / UСР2 = 0,36 ´ 13,5 ´ 1152 / 1152 = 4,86 Ом,

ХЛ2 = 0,41 ´ 19,2 ´ 1152 / 1152 = 7,87 Ом,

ХЛ3 = 0,39 ´ 27,7 ´ 1152 / 1152 = 10,80 Ом,

ХЛ4 = 0,37 ´ 22,9 ´ 1152 / 1152 = 8,47 Ом,

ХЛ5 = 0,38 ´ 9,5 ´ 1152 / 1152 = 3,61 Ом

где UСР = 115 кВ – среднее напряжение линии.

 

ХТ2 (+РПН) = UКЗ.(+РПН) ´ UБАЗ2 a(+РПН)2 / (100 ´ SНОМ.ТР.)

где a(+РПН) – коэффициент учитывающий положение РПН (+16 %).

a(+РПН) = 1- DUРПН = 1 – 0,16 = 0,84

где DUРПН = 0,16 – полдиапазона регулирования РПН.

ХТ2(+РПН) = UКЗ.(+РПН) ´ UБАЗ2 a(+РПН)2 / (100 ´ SНОМ.ТР.) =

= 8,27 ´ 1152 ´ 0,842 / (100 ´ 10) = 77,17 Ом.

 

Схема замещения приведена на рисунке 2.

 

Рисунок 2

 

2.2 Расчет первичных сопротивлений дистанционной защиты 

В расчетах дистанционных защит используют полные сопротивления Z, но в данной расчетно-графической работе вместо полных сопротивлений можно использовать реактивные Х, так как в сетях выше 1000 В активные сопротивления значительно меньше реактивных. 

2.2.1 Расчет сопротивления первой ступени 

Сопротивление первой ступени выбирается из условия отстройки от 3-ф КЗ на шинах противоположной подстанции, в данном случае ток КЗ не рассчитывается, а используется сопротивление линии Л2

ZIЛ2 = ZЛ2 / (1 + b + d) = 0,85 ´ ZЛ2 = 0,85 ´ 7,87 = 6,69 Ом

где b = 0,05 – коэффициент учитывающий погрешность трансформаторов напряжения и реле сопротивления, d = 0,1 – коэффициент учитывающий погрешность расчетов первичных электрических величин.

Первая ступень работает без выдержки времени. 

2.2.2 Расчет сопротивления второй ступени 

Вторая ступень должна согласовываться с быстродействующими защитами смежных присоединений линии Л2, то есть имеется три условия:

1) первая ступень дистанционной защиты линии Л3 – ZIЛ3 ;

2) первая ступень дистанционной защиты линии Л5 – ZIЛ5 ;

3) релейная защита трансформатора Т2. 

По первому условию необходимо рассчитать сопротивление первой ступени линии Л3

ZIЛ3 = ZЛ3 / (1 + b + d) = 0,85 ´ ZЛ3 = 0,85 ´ 10,80 = 9,18 Ом.

Вторая ступень линии Л2

ZIIЛ2 = (ZЛ2 + (1 – a) ´ ZIЛ3 / КТ.Л3) / (1 + b + d) = 0,85 ´ ZЛ2 + 0,66 ´ ZЛ3 / КТ.Л3

где a = 0,1 – коэффициент учитывающий погрешность трансформаторов тока;

КТ.Л3 – коэффициент токораспределения.

Коэффициент токораспределения КТ.Л3 учитывает влияние возможной подпитки тока КЗ на смежной линии Л3.

КТ.Л3 = II / I3

где II и I3 – токи КЗ протекающие через комплекты защит линий Л2 и Л3 соответственно, точка КЗ в конце линии Л3 (смотреть рисунок 3), при максимальном режиме энергосистемы.

 

Рисунок 3

 

Для нахождения токов II и I3 составляем требуемую схему в программе-симуляторе, амперметры устанавливаем в местах расположения защит линий Л2 и Л3 (смотреть рисунок 4).

 

66,40
 

I3
 

1,915 к
 

1,915 к
 

66,40
 

Рисунок 4

 

КТ.Л3 = II / I3 = 1,915 / 1,915 = 1

ZIIЛ2 = (ZЛ2 + (1 – a) ´ ZIЛ3 / КТ.Л3) / (1 + b + d) = 0,85 ´ ZЛ2 + 0,66 ´ ZЛ3 / КТ.Л3 =

= 0,85 ´ 7,87 + 0,66 ´ 10,80 / 1 = 13,82 Ом. 

         По второму условию необходимо рассчитать сопротивление первой ступени линии Л5

ZIЛ5 = ZЛ5 / (1 + b + d) = 0,85 ´ ZЛ5 = 0,85 ´ 3,61 = 3,07 Ом.

Вторая ступень линии Л2

ZIIЛ2 = (ZЛ2 + (1 – a) ´ ZIЛ5 / КТ.Л5) / (1 + b + d) = 0,85 ´ ZЛ2 + 0,66 ´ ZЛ5 / КТ.Л5 .

Коэффициент токораспределения КТ.Л5 учитывает влияние возможной подпитки тока КЗ на смежной линии Л5.

КТ.Л5 = II / I5 ,

где II и I5 – токи КЗ протекающие через комплекты защит линий Л2 и Л5 соответственно, точка КЗ в конце линии Л5 (смотреть рисунок 5), при максимальном режиме энергосистемы.

 

Рисунок 5

 

         Для нахождения токов II и I5 составляем требуемую схему в программе-симуляторе, амперметры устанавливаем в местах расположения защит линий Л2 и Л5 (смотреть рисунок 6).

 

66,40 kV
 

I5
 

3,866 к
 

2,197 к
 

66,40
 

Рисунок 6

 

КТ.Л5 = II / I5 = 2,197 / 3,866 = 0,57

ZIIЛ2 = (ZЛ2 + (1 – a) ´ ZIЛ5 / КТ.Л5) / (1 + b + d) = 0,85 ´ ZЛ2 + 0,66 ´ ZЛ5 / КТ.Л5 =

= 0,85 ´ 7,87 + 0,66 ´ 3,61 / 0,57 = 10,87 Ом.

 

         По третьему условию вторая ступень защиты линии Л2 отстраивается от КЗ за трансформатором Т2 на шинах 10 кВ

ZIIЛ2 = (ZЛ2 + ZТР2 / КТ.ТР.2) / (1 + b + d) = 0,85 ´ (ZЛ2 + ZТР2 / КТ.ТР.2).

Коэффициент токораспределения КТ.ТР.2 учитывает влияние возможной подпитки тока КЗ за трансформатором Т2.

КТ.ТР.2 = II / IТР.2

где II и IТР.2 – токи КЗ протекающие через комплекты защит линии Л2 и трансформатора Т2 соответственно, точка КЗ за трансформатором Т2 (смотреть рисунок 7), при максимальном режиме энергосистемы.

 

Рисунок 7

 

         Для нахождения токов II и IТР.2 составляем требуемую схему в программе-симуляторе, амперметры устанавливаем в местах расположения защит линии Л2 и трансформатора Т2 (смотреть рисунок 8).

 

66,40 kV
 

Itr.2
 

731,5
 

415,8
 

66,40 kV
 

Рисунок 8

 

КТ.ТР.2 = II / IТР.2 = 415,8 / 731,5 = 0,57

ZIIЛ2 = (ZЛ2 + ZТР2 / КТ.ТР.2) / (1 + b + d) = 0,85 ´ (ZЛ2 + ZТР2 / КТ.ТР.2) =

= 0,85 × (7,87 + 77,17 / 0,57) = 121,77 Ом.

 

         Из трех условий выбираем наименьшее сопротивление

ZIIЛ2 = 10,87 Ом.

 

         Проверка чувствительности второй ступени защиты линии Л2

КЧ = ZIIЛ2 / ZЛ2 = 10,87 / 7,87 = 1,38 > 1,25

Значение сопротивления второй ступени удовлетворяет требованиям по чувствительности.

 

Выдержка времени второй ступени принимается равной ступени селективности

tIIЛ2 = Dt.

Обычно Dt » 0,35 ¸ 0,5 с.

 

2.2.3 Расчет сопротивления третьей ступени

 

ZIIIЛ2 = ZРАБ.MIN / (КН × КЗАП × КВОЗ) =

= UРАБ.MIN / (√3 × КН × КЗАП × КВОЗ × IРАБ.МАХ × cos(φМЧ – φРАБ) )

где ZРАБ.MIN – минимальное сопротивление подведенное к реле защиты при максимальном рабочем режиме линии;

КН = 1,2 – коэффициент надежности;

КЗАП = 1,5 – коэффициент самозапуска;

КВОЗ = 1,05 ÷ 1,1 – коэффициент возврата реле защиты;

UРАБ.MIN = (0,9 ÷ 0,95) × UНОМ – минимальное рабочее напряжение;

IРАБ.МАХ – максимальный рабочий ток;

φМЧ – угол максимальной чувствительности реле защиты;

φРАБ – угол между током и напряжением при режиме максимальной нагрузки.

         Коэффициент возврата КВОЗ зависит от применяемого в дистанционной защите реле сопротивления, примем КВОЗ = 1,05.

ZIIIЛ2 = ZРАБ.MIN / (КН × КЗАП × КВОЗ) =

= UРАБ.MIN / (√3 × КН × КЗАП × КВОЗ × IРАБ.МАХ × cos(φМЧ – φРАБ) ) =

= 0,9 × 110000 / (√3 × 1,2 × 1,5 × 1,05 × 555 × cos(830 - 310) ) = 88,51 Ом.

 

         Проверяем чувствительность третьей ступени.

Третью ступень дистанционной защиты проверяют по двум условиям:

1) КЗ в конце защищаемой линии,

2) КЗ в конце зоны резервирования, то есть третья ступень должна надежно чувствовать КЗ в конце самой длиной смежной линии.

 

         По первому условию коэффициент чувствительности

КЧ = ZIIIЛ2 / ZЛ2 = 88,51 / 7,87 = 11,25 > 1,5.

Значение сопротивления третьей ступени удовлетворяет требованиям по чувствительности первого условия.

 

         По второму условию коэффициент чувствительности проверяется при КЗ в конце линии Л3 (27,7 км), так как она больше линии Л5 (9,5 км).

КЧ = ZIIIЛ2 / ZЗАЩ.МАХ ≥ 1,2

где ZЗАЩ.МАХ – максимальное значение подводимого к реле третьей ступени сопротивления, при КЗ в конце самой длиной смежной линии Л3.

ZЗАЩ.МАХ рассчитывается для минимального режима энергосистемы с учетом коэффициента токораспределения.

ZЗАЩ.МАХ = ZЛ2 + ZЛ3 / КТ.MIN .

Коэффициент токораспределения учитывает возможную подпитку тока КЗ на линии Л3.

КТ.MIN = II.MIN / IЛ3.MIN

где II.MIN и IЛ3.MIN – токи КЗ протекающие через комплекты защит линий Л2 и Л3 соответственно, точка КЗ в конце линии Л3 (смотреть рисунок 9), при минимальном режиме энергосистемы.

 

Рисунок 9

 

         Для нахождения токов II.MIN и IЛ3.MIN составляем требуемую схему в программе-симуляторе, амперметры устанавливаем в местах расположения защит линий Л2 и Л3 (смотреть рисунок 10).

 

66,40 kV
 

1,802 к
 

1,802 к
 

66,40 kV
 

Рисунок 10

 

КТ.MIN = II.MIN / IЛ3.MIN = 1,802 / 1,802 = 1

ZЗАЩ.МАХ = ZЛ2 + ZЛ3 / КТ.MIN = 7,87 + 10,80 / 1 = 18,67 Ом

КЧ = ZIIIЛ2 / ZЗАЩ.МАХ = 88,51 / 18,67 = 4,74 ≥ 1,2.

Значение сопротивления третьей ступени удовлетворяет требованиям по чувствительности второго условия.

 

         Выдержку времени третьей ступени принимают по встречно-ступенчатому принципу (аналогично МТЗ) на ступень селективности больше выдержки времени третьей ступени смежной линии. Если смежных линий несколько, то в расчет берется та линия, у которой третья ступень защиты имеет наибольшее время срабатывания. Линия Л2 имеет две смежные линии Л3 и Л5. Л5 заканчивается трансформатором Т4, а за линией Л3 идет Л4 и далее система, в которой могут быть линии, поэтому выдержка третьей ступени Л3 по встречно-ступенчатому принципу будет больше. Так как данных о выдержках времени нет, принимаем:

         выдержка времени третьей ступени Л4 tIIIЛ4 = 0,8 с;

         выдержка времени третьей ступени Л3 tIIIЛ3 = tIIIЛ4 + Dt = 0,8 + 0,5 = 1,3 с;

         выдержка времени третьей ступени Л2 tIIIЛ2 = tIIIЛ3 + Dt = 1,3 + 0,5 = 1,8 с.

 

2.3 Расчет вторичных сопротивлений дистанционных защит

 

         Реле сопротивления подключается к защищаемой линии через трансформаторы тока и напряжения, поэтому уставки срабатывания реле сопротивления должны задаваться во вторичных сопротивлениях.

 

         Вторичное сопротивление первой ступени

zI = ZIЛ2 × nTA / nTV

где nTA и nTV – коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения соответственно.

nTA можно выбрать по заданному максимальному рабочему току линии IРАБ.МАХ = 555 А, выбираем nTA = 600 / 5 = 120.

         Для сети 110 кВ nTV = 110000 / 100 = 1100.

zI = ZIЛ2 × nTA / nTV = 6,69 × 120 / 1100 = 0,73 Ом.

 

         Вторичное сопротивление второй ступени

zII = ZIIЛ2 × nTA / nTV = 10,87 × 120 / 1100 = 1,19 Ом.

 

         Вторичное сопротивление третьей ступени

zIII = ZIIIЛ2 × nTA / nTV = 88,51 × 120 / 1100 = 9,66 Ом.

 

2.4 Построение карты селективности дистанционной защиты

 

Карта селективности показывает относительную селективность релейных защит сети, их согласование, возможность резервного действия.

Карта селективности дистанционных защит показана на рисунке 11.

Карту лучше начинать строить с координат Z в Омах, на оси Z отмечаются сопротивления линий, зоны срабатывания ступеней дистанционных защит. Далее по координатам t отмечаются времена срабатывания ступеней. У первых ступеней t = 0 , но для наглядности нужно сделать по координате t небольшой отступ. Затем прорисовываются сплошные жирные линии показывающие ступени защит. Если смежных линий несколько, то изображения их ступеней защит могут накладываться друг на друга, поэтому можно часть этих защит изображать вниз по координате t. После этого, координаты сопротивлений линий и трансформаторов переносятся штриховыми линиями верх, и рисуется схема сети, совпадающая по масштабу с координатами Z. Если сопротивления трансформаторов очень большие их условные изображения на схеме сети можно указывать с разрывом.

 

Рисунок 11

 

3 Методические указания по расчету токовой защиты нулевой последовательности

 

Расчет приведен для токовой защиты нулевой последовательности (ТЗНП) линии Л3 (защита Б).

 

Исходные данные:

SКЗ.С1.МАХ = 1187 МВА; SКЗ.С1.MIN = 993 МВА;

SКЗ.С2.МАХ = 1089 МВА; SКЗ.С2.MIN = 926 МВА;

         Л1: 13,5 км; Х1УД = 0,36 Ом/км, Х0УД = 1,02 Ом/км;

Л2: 19,2 км; Х1УД = 0,41 Ом/км, Х0УД = 1,41 Ом/км;

Л3: 27,7 км; Х1УД = 0,39 Ом/км, Х0УД = 1,50 Ом/км;

Л4: 22,9 км; Х1УД = 0,37 Ом/км, Х0УД = 1,11 Ом/км;

Л5: 9,5 км; Х1УД = 0,38 Ом/км, Х0УД = 1,55 Ом/км;

Т1: SНОМ.ТР.=10 МВА; UКЗ.(+РПН) =8,27%; схема соединения обмоток /D;

Т2: SНОМ.ТР.=16 МВА; UКЗ.(+РПН) =9,12%; схема соединения обмоток /D;

Т3: SНОМ.ТР.=6,3 МВА; UКЗ.(+РПН)=8,56%; схема соединения обмоток /D;

Т4: SНОМ.ТР.=10 МВА; UКЗ.(+РПН) =9,25%; схема соединения обмоток /D.

 

3.1 Расчет параметров комплексной схемы

 

ТЗНП рассчитывается по току 3I0 , а для расчета нулевых токов необходимо применять комплексные схемы однофазного и двухфазного КЗ на землю. Комплексные схемы включают в себя схемы замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Расчет можно провести в относительных или именованных единицах. Используем метод именованных единиц. Для этого, все элементы схемы должны быть приведены к одному базисному напряжению, за базисное напряжение принимаем UБАЗ = 115 кВ.

 

Схема замещения прямой последовательности

 

         Фазное напряжение систем

ЕС1.Ф. = UС1 ´ UБАЗ / ( Ö3 ´ UСР ) = 115 ´ 115 / Ö3 ´ 115 = 66,40 кВ,

где UС1 – заданное напряжение системы 1 (примем UС1 = 115 кВ);

UСР = 115 кВ – среднее напряжение элемента (системы 1);

ЕС2.Ф. = 66,40 кВ.

 

ХС1.МАХ = UБАЗ2 / SКЗ.С1.МАХ = 1152 / 1187 = 11,14 Ом.

ХС1.MIN = UБАЗ2 / SКЗ.С1.MIN = 1152 / 993 = 13,32 Ом.

 

ХС2.МАХ = UБАЗ2 / SКЗ.С2.МАХ = 1152 / 1089 = 12,14 Ом.

ХС2.MIN = UБАЗ2 / SКЗ.С2.MIN = 1152 / 926 = 14,28 Ом.

 

ХЛ1 = Х1УД ´ L ´ UБАЗ2 / UСР2 = 0,36 ´ 13,5 ´ 1152 / 1152 = 4,86 Ом,

ХЛ2 = 0,41 ´ 19,2 ´ 1152 / 1152 = 7,87 Ом,

ХЛ3 = 0,39 ´ 27,7 ´ 1152 / 1152 = 10,80 Ом,

ХЛ4 = 0,37 ´ 22,9 ´ 1152 / 1152 = 8,47 Ом,

ХЛ5 = 0,38 ´ 9,5 ´ 1152 / 1152 = 3,61 Ом

где UСР = 115 кВ – среднее напряжение линии.

 

ХТ1 (+РПН) = UКЗ.(+РПН) ´ UБАЗ2 a(+РПН)2 / (100 ´ SНОМ.ТР.)

где a(+РПН) – коэффициент учитывающий положение РПН (+16 %).

a(+РПН) = 1 - DUРПН = 1 – 0,16 = 0,84

где DUРПН = 0,16 – полдиапазона регулирования РПН.

ХТ1(+РПН) = UКЗ.(+РПН) ´ UБАЗ2 a(+РПН)2 / (100 ´ SНОМ.ТР.) =

= 8,27 ´ 1152 ´ 0,842 / (100 ´ 10) = 77,17 Ом.

 

ХТ2(+РПН) = UКЗ.(+РПН) ´ UБАЗ2 a(+РПН)2 / (100 ´ SНОМ.ТР.) =

= 9,12 ´ 1152 ´ 0,842 / (100 ´ 16) = 53,19 Ом.

 

ХТ3(+РПН) = UКЗ.(+РПН) ´ UБАЗ2 a(+РПН)2 / (100 ´ SНОМ.ТР.) =

= 8,56 ´ 1152 ´ 0,842 / (100 ´ 6,3) = 126,79 Ом.

 

ХТ4(+РПН) = UКЗ.(+РПН) ´ UБАЗ2 a(+РПН)2 / (100 ´ SНОМ.ТР.) =

= 9,25 ´ 1152 ´ 0,842 / (100 ´ 10) = 86,32 Ом.

 

         В схемах замещения для проверки чувствительности релейных защит ХТ(+РПН) должны заменятся на ХТ( - РПН) . Но в данной расчетно-графической работе при проверке чувствительности можно оставить значения ХТ(+РПН) .

 

         Схема замещения обратной последовательности

 

         Так как параметры для расчета сопротивлений обратной последовательности элементов сети не заданы можно приравнять ХПРЯМ. = ХОБРАТ. для всех элементов.

 

         Схема замещения нулевой последовательности

 

Х0Л1 = Х0УД ´ L ´ UБАЗ2 / UСР2 = 1,02 ´ 13,5 ´ 1152 / 1152 = 13,77 Ом,

Х0Л2 = 1,41 ´ 19,2 ´ 1152 / 1152 = 27,07 Ом,

Х0Л3 = 1,50 ´ 27,7 ´ 1152 / 1152 = 41,55 Ом,

Х0Л4 = 1,11 ´ 22,9 ´ 1152 / 1152 = 25,42 Ом,

Х0Л5 = 1,55 ´ 9,5 ´ 1152 / 1152 = 14,73 Ом,

где UСР = 115 кВ – среднее напряжение линии.

 

Сопротивления нулевой последовательности трансформаторов равны сопротивлениям прямой последовательности Х0ТР. = ХПРЯМ.ТР.

 

Нулевые сопротивления систем приравниваем прямой последовательности

Х0С1.МАХ = ХС1.МАХ

Х0С1.MIN = ХС1. MIN

Х0С2.МАХ = ХС2.МАХ

Х0С2.MIN = ХС2. MIN

 

3.2 Расчет ТЗНП

 

3.2.1 Расчет первой ступени ТЗНП

 

Ток срабатывания первой ступени защиты без выдержки времени выбирается по условиям отстройки от 3I0 , проходящего в месте установки защиты при КЗ на землю на шинах противоположенной подстанции (смотреть рисунок 12) в максимальном режиме энергосистемы

IIЛ3 = КН ´ 3 ´ I0

где КН = 1,3 – коэффициент надежности.

 

Рисунок 12

 

         КЗ на землю может быть двух видов: однофазное КЗ на землю и двухфазное КЗ на землю, соответственно появляются два условия

IIЛ3 = КН ´ 3 ´ I(1)0 ,

IIЛ3 = КН ´ 3 ´ I(1,1)0 .

 

         Для определения нулевых токов применяем метод прямого моделирования с использованием программы-симулятора. Необходимо составить комплексные схемы, которые состоят из схем замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей. Амперметр размещается в месте установки защиты в схеме нулевой последовательности. Комплексные схемы показаны на рисунках 13 и 14.

         При составлении комплексных схем, обратите внимание на следующее:

а) началом схемы замещения последовательности является общая точка объединяющая генерирующие нейтрали, а в схеме нулевой последовательности к ним также присоединяются сопротивления трансформаторов со стороны Δ;

б) концом схемы замещения является точка КЗ.

 

341,9
 

66,40 kV
 

66,40 kV
 

Рисунок 13 – Однофазное КЗ.

 

-327,2
 

66,40 kV
 

66,40 kV
 

Рисунок 14 – Двухфазное КЗ.

 

Результаты моделирования:

I(1)0 = 341,9 A,

I(1,1)0 = -327,2 A = 327,2 А

если получается отрицательное число, то берется его модуль.

         Из двух условий выбирается наибольший ток I0 , и для этого значения рассчитывается ток срабатывания первой ступени

IIЛ3 = КН ´ 3 ´ I0 = 1,3 ´ 3 ´ 341,9 = 1333,41 А.

 

3.2.2 Расчет второй ступени ТЗНП

 

         Вторая ступень должна отстраиваться от быстродействующих защит смежных присоединений, то есть получаются два условия:

         а) отстройка от первой ступени ТЗНП линии Л2;

         б) отстройка от первой ступени ТЗНП линии Л5.

 

         Отстройка от релейной защиты трансформатора Т2 не делается, так как трансформатор со схемой /D не имеет ТЗНП со стороны  , а КЗ на землю за трансформатором невозможно (со стороны D сеть с изолированной нейтралью) и не будет протекать ток I0 .

         По первому условию необходимо рассчитать ток срабатывания первой ступени линии Л2 – IIЛ2 , затем найти конец зоны срабатывания IIЛ2 , смоделировать в этой точке КЗ на землю и определить какой ток I0 протекает через комплект защиты линии Л3, по этому значению рассчитать ток срабатывания второй ступени линии Л3

IIIЛ3 = КН ´ 3 ´ I0

где КН = 1,2 – коэффициент надежности.

 

         IIЛ2 определяется аналогично IIЛ3 , комплексная схема составляемая в программе-симуляторе показана на рисунках 15 и 16.

 

66,40 kV
 

66,40 kV
 

 

495,4
 

Рисунок 15 – Однофазное КЗ

 

 

-465,7
 

66,40 kV
 

66,40 kV
 

Рисунок 16 – Двухфазное КЗ на землю

 

IIЛ2 = 1,3 × 3 × 495,4 = 1932,06 А.

 

         Ток 3I0 протекающий в месте установки защиты линии Л3 при КЗ в конце первой ступени защиты линии Л2 можно определить с помощью моделирования.

Для этого составляется комплексная схема в программе-симуляторе. При этом вместо резистора  в качестве сопротивления линии Л2 используется потенциометр . Средняя точка потенциометра используется как перемещающаяся точка КЗ. Производится подбор сопротивления участка от начала линии Л2 до конца зоны первой ступени. Изменяя сопротивление потенциометра контролируются показания амперметра, установленного в начале линии Л2. Когда средняя точка потенциометра встанет в конце первой зоны защиты линии Л2 амперметр должен показывать ток равный IIЛ2 / 3. После этого можно фиксировать показание амперметра установленного в начале линии Л3 и это будет искомый ток I0, далее рассчитывается IIIЛ3 .

IIIЛ3 = КН ´ 3 ´ I0 = 1,2 ´ 3 ´ 212,9 = 766,44 А.

Схема собираемая в программе-симуляторе показана на рисунке 17.

         В данной схеме сопротивление линии Л2 разбито на две части – потенциометр и резистор. Это сделано для более точного моделирования. Суммарно они равны сопротивлению XЛ2 , резистор составляет 60 %, а потенциометр – оставшиеся 40 %. Обратите внимание на то, что это соотношение должно быть одинаковым во всех схемах последовательностей. Соотношение резистора и потенциометра, заменяющих линию, не всегда должно быть 60/40, а выбирается для каждого случая.

 

212,9
 

644
 

Рисунок 17

 

По второму условию расчет выполняется аналогично, необходимо рассчитать ток срабатывания первой ступени линии Л5 – IIЛ5 , затем найти конец зоны срабатывания IIЛ5 , смоделировать в этой точке КЗ на землю и определить какой ток I0 протекает через комплект защиты линии Л3, по этому значению рассчитать ток срабатывания второй ступени линии Л3.

        

IIЛ5 определяется аналогично IIЛ3 , комплексная схема составляемая в программе-симуляторе показана на рисунках 18 и 19.

 

 

825
 

Рисунок 18 – Однофазное КЗ

 

-740
 

Рисунок 19 – Двухфазное КЗ

 

IIЛ5 = 1,3 × 3 × 825 = 3217,5 А.

 

Комплексная схема для определения тока I0 протекающего в месте установки защиты линии Л3 при КЗ в конце зоны первой ступени защиты линии Л5 показана на рисунке 20, только для случая двухфазного КЗ на землю.

 

Рисунок 20

 

         После моделирования получаем I0 = 275,7 А.

IIIЛ3 = КН ´ 3 ´ I0 = 1,2 ´ 3 ´ 275,7 = 992,52 А.

 

Из двух условий выбирается наибольшее

766,44 < 992,52.

Принимаем

IIIЛ3 = 992,52 А.

 

Проверка чувствительности второй ступени

 

         Чувствительность второй ступени ТЗНП проверяется по однофазному КЗ в конце защищаемой линии в минимальном режиме энергосистемы.

         Коэффициент чувствительности

КЧ = 3I(1)0 / IIIЛ3 ≥ 1,5

         Ток 3I(1)0 – это ток протекающий через комплект защиты линии Л3 при КЗ в конце линии Л3.

         Этот ток определяется с помощью комплексной схемы на модели.

По результатам замеров получаем I(1)0.Л3 = 341 А.

3 I(1)0.Л3 = 1023

КЧ = 3I(1)0 / IIIЛ3 = 1023 / 992,52 = 1,03 < 1,5.

Чувствительность не удовлетворительная, это означает что вторая ступень ненадежно защищает конец линии Л3, поэтому следующая ступень ТЗНП должна отстраиваться от второй ступени смежной линии.

В данной расчетно-графической работе даже если коэффициент чувствительности второй ступени неудовлетворительный расчет продолжать далее, поэтому переходим к выбору выдержки времени.

 

         Выдержка времени второй ступени

 

Выдержка времени второй ступени принимается равной ступени селективности

tIIЛ2 = Dt.

Обычно Dt » 0,35 ¸ 0,5 с.

 

3.2.3 Расчет третьей ступени

 

         Третья ступень отстраивается от тока небаланса возникающего в фильтре 3I0 , к которому подключается ТЗНП. Наибольшее значение ток небаланса имеет при протекании тока трехфазного КЗ, точка КЗ берется за трансформатором на противоположной подстанции.

         В данном расчете точка КЗ за трансформатором Т2. Составляется схема замещения прямой последовательности для трехфазного КЗ, амперметр размещается в месте установки защиты линии Л3. Схема собираемая в программе-симуляторе показана на рисунке 21.

 

429,5
 

Рисунок 21

 

IIIIЛ3 = КН ´ IНБ

где КН = 1,25 – коэффициент надежности;

IНБ – ток небаланса.

IНБ = IКЗ ´ e ´ КА ´ КОДН = 429,5 ´ 0,1 ´ 1 ´ 0,5 = 21,48 А

где e = 0,1 – погрешность трансформаторов тока;

КА = 1 – коэффициент апериодической составляющей;

КОДН = 0,5 – коэффициент однотипности трансформаторов тока.

IIIIЛ3 = КН ´ IНБ = 1,25 ´ 21,48 = 26,85 А.

 

         Коэффициент чувствительности

КЧ = 3I(1)0 / IIIIЛ3

где I(1)0 – ток протекающий через комплект защиты при однофазном КЗ в конце зоны резервирования.

         Третья ступень должна надежно чувствовать КЗ на землю в конце всех смежных линий, проверку производят по самой длинной смежной линии.

         Самая длинная смежная линия Л2 – 19,5 км. Составляется комплексная схема для однофазного КЗ в конце линии Л2. Амперметр располагается в месте установки ТЗНП Л3. Энергосистема в минимальном режиме. Схема в программе-симуляторе показана на рисунке 22.

        

163,9
 

Рисунок 22

 

         В результате моделирования получаем

I(1)0 = 163,9

3I(1)0 = 491,7

КЧ = 3I(1)0 / IIIIЛ3 = 491,7 / 26,85 = 18,31 > 1,2.

Чувствительность удовлетворительная.

        

Выдержку времени третьей ступени принимают по встречно-ступенчатому принципу (аналогично МТЗ) на ступень селективности больше выдержки времени третьей ступени смежной линии. Если смежных линий несколько, то в расчет берется та линия, у которой третья ступень защиты имеет наибольшее время срабатывания. Линия Л3 имеет две смежные линии Л2 и Л5. Л5 заканчивается трансформатором Т4, а за линией Л2 идет Л1 и далее система, в которой могут быть линии, поэтому выдержка третьей ступени Л3 по встречно-ступенчатому принципу будет больше. Так как данных о выдержках времени нет, принимаем:

         выдержка времени третьей ступени Л1 tIIIЛ1 = 0,8 с;

         выдержка времени третьей ступени Л2 tIIIЛ2 = tIIIЛ1 + Dt = 0,8 + 0,5 = 1,3 с;

         выдержка времени третьей ступени Л3 tIIIЛ3 = tIIIЛ2 + Dt = 1,3 + 0,5 = 1,8 с.

 

3.2.4 Расчет токов срабатывания реле ступеней ТЗНП

 

         ТЗНП подключается к линии через фильтр 3I0 собранный из трансформаторов тока, поэтому уставки срабатывания реле ТЗНП должны задаваться во вторичных токах.

iIС.Р. = IIЛ3 / nTA

где nTA - коэффициент трансформации трансформаторов тока.

nTA можно выбрать по заданному максимальному рабочему току линии IРАБ.МАХ = 555 А, выбираем nTA = 600 / 5 = 120.

iIС.Р. = IIЛ3 / nTA = 1333,41 / 120 = 11,11 А.

iIIС.Р. = IIIЛ3 / nTA = 992,52  / 120 = 8,27 А.

iIIIС.Р. = IIIIЛ3 / nTA = 26,85 / 120 = 0,22 А.

 

3.2.5 Построение карты селективности ТЗНП

 

         Карта селективности показывает относительную селективность релейных защит сети, их согласование, возможность резервного действия.

         Карта селективности ТЗНП показана на рисунке 23.

         Перед построением карты селективности необходимо рассчитать кривые 3I0 линий Л3, Л2 и Л5. Для этого, в схеме модели сопротивления этих линий заменяются потенциометрами, в начале каждой устанавливается амперметр. Перемещая среднюю точку потенциометра фиксируют показания амперметров и строят кривые токов 3I0. После построения кривых 3I0 откладываются токи срабатывания защит. Точки пересечения кривых и токов срабатывания показывают где заканчиваются зоны действия ступеней. Вниз от этих точек опускаются перпендикуляры на график выдержек времени защит, и прочерчиваются ступени ТЗНП. Первые ступени не имеют выдержек времени, но для наглядности их изображают с небольшим отступом от оси. Карту селективности можно построить на миллиметровой бумаге.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 23 

 

Список литературы 

1. Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. – М.: Энергоатомиздат, 1998.

2. Дистанционная защита линий 35-330 кВ. Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 7. – М-Л.: Энергия, 1966.

3. Токовая защита нулевой последовательности от замыканий на землю линий 110-500 кВ. Расчеты. Руководящие указания по релейной защите. Выпуск 12. – М.: Энергия, 1980.