Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Институт энергетики и транспортных систем

Кафедра «Электроснабжение и электротехнология»

Курсовая работа

по курсу: «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем»

Выполнил:

Зюзин М.

Проверил:

Степанов С.Ф.

Саратов 2017



РЕФЕРАТ

Курсовая работа содержит 25 страниц, шесть рисунков, 15 таблиц и 4 источника.

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА, КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ, ПЕРЕГРУЗКА, АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ, ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ, СЕЛЕКТИВНОСТЬ, БЫСТРОДЕЙСТВИЕ, ВЫБОР АППАРАТОВ, ПРОВЕРКА АППАРАТОВ, ЭНЕРГОСИСТЕМА, ТРАНСФОРМАТОР, НАГРУЗКА, КАБЕЛЬНАЯ ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, ШИНОПРОВОД

В данной курсовой работе рассмотрен вариант сети 0,4 кВ, для которой был выполнен расчет релейной защиты.

По итогам работы был выполнен расчет защиты от токов перегрузки и токов коротких замыканий и проведен выбор защитной аппаратуры.



ВВЕДЕНИЕ

Электроэнергетические системы часто подвергаются ненормальным режимам работы, которые приводят к повышенному разрушающему действию на элементы энергосистемы. Наиболее распространенными из них являются короткие замыкания и перегрузки.

Чтобы минимизировать разрушающее действие ненормальных режимов применяют релейную защиту и автоматику электроэнергетических систем. Назначение релейной защиты выявить место возникновения аварийного режима и максимально быстро отключить электрооборудование, работающее в аварийном режиме или/и подать предупредительный сигнал дежурному персоналу. Требования к релейной защите:

1) быстродействие - свойство релейной защиты максимально быстро отключить поврежденное электрооборудование или участок сети;

2) селективность - свойство релейной защиты выявить место повреждения и отключить поврежденный участок ближайшим выключателем;

3) чувствительность - свойство релейной защиты надежно срабатывать при минимальных токах короткого замыкания в конце защищаемого участка в минимальном режиме работы системы;

4) надежность - свойство релейной защиты надежно срабатывать в течение всего цикла эксплуатации электрооборудования.

В данной курсовой работе произведен расчет и выбор предохранителей и автоматических выключателей для защиты электрооборудования в сетях с номинальным напряжением 0,4 кВ.



1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Работа содержит расчет и выбор защитных аппаратов и их проверке по условиям чувствительности и селективности. Выбранные защитные аппараты можно не проверять на термическую и динамическую стойкость токам короткого замыкания. Если выбранные защитные аппараты не удовлетворяют требованиям селективности или чувствительности, можно изменять сечения проводов и кабелей, изменять схему электроснабжения потребителей, т. е. принимать все необходимые меры для обеспечения селективности и чувствительности защиты. Электродвигатели принять асинхронные, с короткозамкнутым ротором. Двигатели управляются (включаются и отключаются) магнитными пускателями. Главные контакты пускателей включены в начале линий. Если линии или электродвигатели защищаются плавкими предохранителями, то в качестве коммутационного аппарата принимаются рубильники. Трансформаторы тока установлены на выводах 0,4 кВ питающего трансформатора. Номинальный первичный ток трансформаторов тока соответствует номинальной мощности силовых трансформаторов. Номинальное напряжение силовых трансформаторов принято равным 10/0,4 кВ.

Согласно заданию на курсовую работу принимается вариант 2.3.6.

Таблица 1 - Выбираемые защитные аппараты согласно варианту

Вариант	Выбираемые защитные аппараты
3	F1, FA3, F5, F4

Таблица 2 - Расчетные данные двигателей согласно варианту

Двигатель	Pном, кВт	cos	, %	kп	tп
М1	34	0,91	90,5	6	10
М2	22	0,89	88	6,5	4
М3	37,5	0,87	87,5	6,5	3
М4	11	0,85	87	6	7



Рисунок 1 - Расчетная схема силовых цепей варианта 2.3.6

Таблица 3 - Силовые линии и линии освещения согласно варианту

	Л1	Л2	Л3	Л4	Л5	Л6	Шинопровод
Сечение, мм2	3х16	3х24	3х6	3х50+ +1x16	3х16	3х10+ +1х6	ШРА73 (50х5)
Длина, м	40	16	28	42	16	15	L1	L2	L3
							27	73	10

Силовые кабели - с алюминиевыми жилами, пластмассовой изоляцией, с пластмассовой оболочкой. В качестве нулевого провода для трехжильных кабелей принята стальная полоса сечением 404 мм2.

Таблица 4 - Нагрузка освещения, параметры трансформатора и системы согласно варианту

ЛО4 - ЛОn	Трансформатор Т1	Система Хс/Хт
Число линий n	Нагрузка на одну линию, кВт	Длина линии, м	Сечение, мм2	Sоом, кВА	uк, %	Pк, кВт	Схема соединения обмоток
4	2,5	30	2(16)	630	5,5	7,6	0	0,1

Осветительная нагрузка - лампы накаливания - одинакова для все линий ЛО4 - ЛОn. Длины линий ЛО4 - ЛОn одинаковы. Линии ЛО4 - ЛОn выполняются двухжильными или двумя одножильными проводами с алюминиевыми жилами, с пластмассовой изоляцией, проложенными в непроводящих трубах. Материал жил проводов и кабелей, включая и четырехпроводные - алюминий.

2. РАСЧЕТ НАГРУЗКИ ЛИНИЙ

Расчет нагрузки линий необходим для выбора аппаратов защиты и отстройки токовой защиты от токов нагрузки и пиковых токов [1].

Для асинхронного двигателя потребляемый ток будет вычисляться по формуле (1) [2], например для М1:

где Pном - номинальная мощность двигателя, кВт;

cos - коэффициент активной мощности двигателя;

- КПД двигателя, %;

Uн - номинальное напряжение двигателя, кВ.

Потребляемый ток для линии освещения, выполненной лампами накаливания, вычисляется по формуле (2):

где PОС - мощность линий освещения, кВт;

UФ - фазное напряжение линии, равное 0,22 кВ.

Пусковые токи вычисляются только для электродвигателей по формуле (3), например для М1:

где kП - кратность пускового тока электродвигателя.

Результаты расчета токов нагрузки представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Расчет токов нагрузки

Нагрузка	Iнагр, А	IП, А
М1	62,80	376,80
М2	42,73	277,74
М3	74,93	487,07
М4	22,63	135,76
Нагрузка ЛО4-ЛОn	11,36	-

На шинах и сборках токи нагрузки складываются.

Пиковый ток для узла вычисляется по формуле (4), например для шинопровода:

где IУузла - суммарный ток узла, к которому подключена нагрузка, А;

IМ.max - ток, потребляемый самым мощным электродвигателем, поключенным к этому узлу, А;

IП.max - пусковой ток самого мощного электродвигателя, подключенного к этому узлу, А.

Таблица 6 - Токовая нагрузка линий

Линия	Iнагр, А	Iпик, А
Л1	62,8	376,8
Л2	42,73	277,74
Л3	74,93	487,07
Л4	30,23	143,37
Л5	22,63	135,76
Л6	7,61	7,61
ШМА	180,46	592,59
ЛО4-ЛО7	11,36	11,36
Ввод трансформатора	210,69	622,83

3. СОСТАВЛЕНИЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ И РАСЧЕТ ЕЁ ЭЛЕМЕНТОВ

Для выбора устройств защиты укажем токи КЗ и точки КЗ, для которых надо произвести расчет [3]:

1) максимальный ток КЗ, проходящий через аппарат защиты: ток трехфазного металлического КЗ в начале защищаемой линии ;

2) минимальный ток КЗ, проходящий через аппарат защиты: ток двухфазного дугового КЗ в конце защищаемого участка , ток однофазного дугового КЗ в конце защищаемого участка .

Для расчета токов и (через который рассчитывается ) используются одни и те же сопротивления линий, поэтому для их расчета можно составить одну схему замещения с указанием точек КЗ для каждого. Для расчета необходимо составить отдельную схему замещения.

В схему замещения входят только те линии, по которым проходят токи КЗ. Нагрузка на схеме замещения не показывается.

Схемы замещения представлены на рисунках 2 и 3.

Сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности трансформаторов принимаем равными справочным [3], так для трансформатора мощностью 630 кВА и схемы соединения обмоток /0:

- активное сопротивление трансформатора, приведенное к напряжению UНН=0,4 кВ;

- реактивное сопротивление трансформатора, приведенное к напряжению UНН=0,4 кВ.

Рисунок 2 - Схема замещения для расчета и

Рисунок 3 - Схема замещения для расчета

Реактивное сопротивление системы:

где - реактивное сопротивление трансформатора. Сопротивление системы высчитывается через приведенное к UНН=0,4 кВ , а значит его приводить не нужно.

Сопротивления линий рассчитывается по формулам (6), (7), например для линии Л1: освещение трансформатор токовой предохранитель

где rл - активное сопротивление линии, мОм;

xл - реактивное сопротивление линии, мОм;

rуд - удельное активное сопротивление линии, мОм/м;

xуд - удельное реактивное сопротивление линии, мОм/м;

L - длина линии, м.

Для расчета вычисляется геометрическая сумма полных сопротивлений току однофазного КЗ питающей энергосистемы, трансформатора и переходных сопротивлений (8) и сопротивление петли «фаза-ноль» , по которой проходит (9) (например для линии Л1) [3]:

где RП - переходное сопротивление дуги и контактов, равное 15 мОм;

- полное удельное сопротивление петли «фаза-ноль» i-го проводника.



Таблица 7 - Сопротивления кабелей линий

Линия	Кабель или шинопровод	Длина, м	rуд, мОм/м	xуд, мОм/м	, мОм/м	rл, мОм	xл, мОм	, мОм
Л1	3х16	40	2,4	0,078	4,02	96	3,12	160,8
Л4	3х50+1х16	42	0,769	0,066	3,06	30,76	2,64	122,4
Л6	3х10+1х6	15	3,84	0,088	9,88	153,6	3,52	395,2
Л5	3х16	16	2,4	0,078	4,02	96	3,12	160,8
ШМА	50х5	27	0,13	0,075	1,15	5,2	3	46

В процессе расчета выяснено, что время срабатывания предохранителя F4 для минимальных токов КЗ более 4 секунд, что недопустимо [4]. Увеличим сечение кабеля линии Л5.

Таблица 8 - Измененные сопротивления кабелей линий

Линия	Кабель	Длина, м	rуд, мОм/м	xуд, мОм/м	, мОм/м	rл, мОм	xл, мОм	, мОм
Л5	3х50	16	0,769	0,06	2,52	30,76	2,4	100,8

4. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Ток трехфазного металлического КЗ в начале защищаемой линии по формуле (10) [3], например для линии Л4:

где UЛ.МАКС - максимальное линейное напряжение сети, 400 В;

- сумма всех активных сопротивлений на пути тока КЗ, мОм;

- сумма всех реактивных сопротивлений на пути тока КЗ, мОм.



Таблица 9 - Максимальные токи трехфазного металлического КЗ

Аппарат защиты	Участок сети	, мОм	, мОм	, кА
F1	Л1	8,6	16,64	12,35
FA3	Л4	3,4	13,64	16,45
F5	Л6	34,16	16,28	6,11
F4	Л5	34,16	16,28	6,11

Ток двухфазного дугового КЗ в конце защищаемого участка рассчитывается по формуле (11), например для линии Л4:

где UЛ.СР - среднее линейное напряжение сети, 380 В;

RП - переходное сопротивление дуги, 15 мОм.

Таблица 10 - Минимальные токи двухфазного КЗ в конце защищаемого участка

Аппарат защиты	Участок сети	, мОм	, мОм	, кА
F1	Л1	119,6	19,76	1,57
FA3	Л4	49,16	16,28	3,68
F5	Л6	202,76	19,80	0,93
F4	Л5	51,68	18,68	3,47

Ток однофазного дугового КЗ в конце защищаемого участка по формуле (12), например для линии Л4:



где UФ.СР - среднее фазное напряжение сети, 220 В.

Таблица 11 - Минимальные токи однофазного КЗ в конце защищаемого участка

Аппарат защиты	Участок сети	, мОм	, кА
F1	Л1	229,67	0,96
FA3	Л4	145,27	1,51
F5	Л6	540,47	0,41
F4	Л5	246,07	0,89

5. ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Выбор предохранителей производится по следующим условиям [3]:

1) Номинальное напряжение предохранителя, например для F4:

UНОМ?Uсети=0,4 кВ

2) Номинальный ток плавкой вставки, для F4:

а) для активной и малоиндуктивной нагрузки:

Iном.плавк.?kн•Iраб.макс.=1,25•22,63=28,28 А (14)

где kн - коэффициент надежности, равный 1,25;

б) для электродвигателей:

где kП.Т. - коэффициент отстройки тепловых расцепителей предохранителей и автоматических выключателей от пусковых токов: при tп ? 4 с kП.Т.=2,5; при tп >4 с kП.Т.=1,7; для сварочных аппаратов kП.Т.=1,6.

3) Максимальный отключаемый ток:

Iоткл?I(3) max.=6,11 кА

Выбираем предохранитель ПН2-100 UНОМ=0,4 кВ, Iном=100 А, Iоткл=100 кА.

Таблица 12 - Выбор предохранителей

Обозначение аппарата	F5	F4
Расчетные характеристики	Uсети, кВ	0,4	0,4
	kн•Iраб.макс, А	9,51	28,28
	, А	-	135,76
	, А	-	79,86
	I(3) max., кА	6,11	6,11
Характеристики защиты	UНОМ, кВ	0,4	0,4
	Iном, А	10	100
	Iоткл, кА	10	100
Тип предохранителя	НПН2-60-10	ПН2-100

Номинальный ток плавкой вставки предохранителя F1:

Предохранитель на номинальный ток плавкой вставки 250 А и более проверим на время срабатывания:



Рисунок 4 - Время-токовые характеристики предохранителей ПН2 (сплошные линии) и НПН2 (прерывистые линии)

Из рисунка 4 видно, что плавкая вставка на ток 250 А при минимальном токе КЗ =0,96 кА разомкнет цепь через 15 секунд после момента КЗ. Предохранитель F1 на номинальный ток плавкой вставки 250 А и более не обеспечивает необходимое время срабатывания (tср<4 с), поэтому принято решение заменить его на автоматический выключатель FA5.

6. ВЫБОР АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Выбор автоматических выключателей производится по следующей методике [3]:

1) Номинальное напряжение автоматического выключателя: по формуле (17), для выключателя FA3:

UНОМ?Uсети=0,4 кВ

2) Номинальный ток расцепителя должен удовлетворять условию (18) [3], для выключателя FA3:

Iном.?kн•Iраб.макс=1,25•30,23=37,79 А



где kн - коэффициент надежности, равный 1,25.

3) Ток срабатывания расцепителя защиты от перегрузки [2], для FA3:

где kП.Т. - коэффициент отстройки тепловых расцепителей предохранителей и автоматических выключателей от пусковых токов: при tп ? 4 с kП.Т.=2,5; при tп >4 с kП.Т.=1,7; для сварочных аппаратов kП.Т.=1,6.

4) Ток срабатывания расцепителя токовой отсечки [3], для FA3:

где kн.п - коэффициент надежности срабатывания расцепителя токовой отсечки.

5) Максимальный отключаемый ток, для FA3:

Iоткл?I(3) max=16,45 кА

6) Выбираем в качестве аппарата защиты автоматический выключатель А3734С с параметрами: UНОМ=0,4 кВ, Iном=160 А, IC.З.П.=200 А, IC.Т.О=320 А, Iоткл= 50 кА.

Таблица 13 - Выбор автоматических выключателей

Обозначение аппарата	FA3	FA5
Расчетные характеристики	Uсети, кВ	0,4	0,4
	kн•Iраб.макс, А	37,79	78,5
	, А	143,37	376,8
	, А	84,33	221,65
		215,055	471
	I(3) max., кА	16,45	12,35
Характеристики защиты	UНОМ, кВ	0,4	0,4
	Iном, А	160	200
	, А	200	250
	, А	320	600
	Iоткл, кА	50	50
Тип выключателя и тип его защитной характеристики	А3734С	А3724Б
kн.п	1,5	1,5

Для линии Л4, отходящей от шин ТП выберем селективные выключатели А3734С с выдержкой времени t=0,25 с. Это необходимо для того, чтобы аппараты защиты низших уровней электроснабжения срабатывали селективно с выключателями высших уровней.

Выбранные выключатели подходят по всем условиям.

7. ПРОВЕРКА РАСЦЕПИТЕЛЕЙ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ТОКАМ КЗ

Все выбранные аппараты проверяются на чувствительность к минимальным токам КЗ.

Для проверки расцепителей токовой отсечки автоматических выключателей используется условие:

Принимаем минимальный коэффициент чувствительности отсечки равным 1,3, как для ступенчатых токовых защит [4].

Для проверки тепловых расцепителей автоматических выключателей и предохранителей используется условие:

Принимаем минимальный коэффициент чувствительности равным 3 [3].

Для выключателя FA3:

;

FA3 проходит проверку на чувствительность к минимальным токам КЗ.

Таблица 14 - Проверка аппаратов на чувствительность

		1,1•kч.от		1,1•kч.з.п
FА5	1,60	1,43	3,83	3,3
FA3	4,73	1,43	7,57	3,3
F5	40,70	1,43	40,70	3,3
F4	8,94	1,43	8,94	3,3

Все аппараты проходят проверку на чувствительность.



8. ПРОВЕРКА АППАРАТОВ НА СЕЛЕКТИВНОСТЬ

Для проверки на селективность построены карты селективности для последовательно соединенных аппаратов защиты. По ним определяется время срабатывания каждого из аппаратов и выдержка времени между срабатыванием последовательно соединенных аппаратов. Для выключателей серии А3700 селективность обеспечивается при разнице во времени срабатывания аппаратов Дt = 0,1- 0,15 с [3].

Рисунок 5 - Карта селективности FA3 и F4



Рисунок 6 - Карта селективности FA3 и F5



Таблица 15 - Время срабатывания и проверка на селективность аппаратов защиты

Время срабатывания аппарата	При	При
tFA3, c	0,25	0,25
tF4, c	0,1	0,02
ДtFA3-F4, с	0,15	0,23
tFA3, c	0,25	0,25
tF5, c	0,04	0,01
ДtFA3-F5, с	0,21	0,24

Разница во времени срабатывания всех выключателей более 0,15 с, следовательно все последовательно соединенные пары выключателей работают селективно.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения курсовой работы был выполнен расчет токовых защит линий электропередачи 0,4 кВ:

1) исходя из задания на курсовую работу, рассчитаны токи нагрузок;

2) рассчитаны токи коротких замыканий на линиях, для которых установлены аппараты защиты;

3) рассчитаны параметры аппаратов и выбраны автоматические выключатели для защиты линий;

4) выбранные аппараты проверены по условиям чувствительности и селективности.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения: Учебник для вузов/В.А. Андреев. - 5-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2007. - 639 с.

[2] Орлов Ф.П. Электроснабжение промышленных объектов: Учеб. пособие/Ф.П. Орлов - Саратов. Амирит: 2016. - 116 с.

[3] Беляев А.В. Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4 кВ/А.В. Беляев - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 176 с.

[4] Библия электрика: ПУЭ (шестое и седьмое издания); ПОТ; ПТЭ. - Новосибирск: Норматика, 2017. - 672 с.

Размещено на Allbest.ru

...