Расчёт релейной защиты и автоматизация электроэнергетических систем

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

НАО Северо-Казахстанский университет им. М. Козыбаева

Факультет инженерии и цифровых технологий

Кафедра «Энергетика и радиоэлектроника»

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему: «Расчёт релейной защиты и автоматизация электроэнергетических систем»

по дисциплине «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем»

Выполнил:

Студент группы ээ-20 Доля Д.Н

Проверил:

Научный руководитель

Доцент,PhD Латыпов С.И

г. Петропавловск, 2023 г



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Расчет токов КЗ для схем электроснабжения

2. Защита кабельных линий 6-10 кВ и асинхронного электродвигателя

3. Максимальная токовая защита отходящих воздушных линий

4. Токовая отсечка отходящих воздушных линий

5. Расчет дифференциальной защиты

6. Автоматические повторное включение воздушных линий

Заключение

Список использованных источников

релейная защита замыкание воздушная линия



ВВЕДЕНИЕ

Разработка курсовой работы направлено на предоставление базового представления о ключевых аспектах и задачах, связанных с обеспечением безопасности, надежности и эффективности работы электроэнергетических систем. Эта область инженерии является важной частью современной энергетики, поскольку она фокусируется на разработке и внедрении средств защиты и автоматизации для предотвращения аварийных ситуаций, обеспечения стабильности энергосистем и оптимизации их работы.

Защита и автоматизация электроэнергетических систем ставят перед собой задачи обнаружения и локализации неисправностей, быстрого вмешательства для предотвращения распространения сбоев, а также оптимизации процессов управления с целью повышения эффективности использования ресурсов.

Релейная защита играет ключевую роль в обнаружении аномалий в электроэнергетических сетях и их изоляции. Это включает в себя использование различных типов реле, основанных на токовых, напряженных.

Автоматизация включает в себя внедрение систем, которые позволяют эффективное управление процессами в электроэнергетике. Это может включать в себя автоматическое регулирование параметров системы, прогнозирование изменений в нагрузке, и использование современных технологий, таких как цифровые системы и искусственный интеллект.

При выполнении данной курсовой работы является важным компонентом подготовки специалистов в области энергетики, обеспечивая им необходимые знания и навыки для эффективной работы в сфере электроэнергетики и поддержания стабильности энергосистем.



1. РАСЧЕТ ТОКОВ КЗ ДЛЯ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Составим упрощенную расчетную схему и указать необходимо для расчета тоски КЗ

Рисунок 1.1 - Упрощенная расчетная схема СЭС для определения токов КЗ

В соответствии с упрощенной расчетной схемой составить схему замещения

Рисунок 1.2 - Схема замещения СЭС

Схема замещения приводится к наиболее простому - эквивалентному виду. Система (эквивалентный генератор ), характеризующаяся значением ЭДС, должна быть связана с точкой КЗ одним эквивалентным (результирующим) сопротивлением.

Рисунок 1.3 - Эквивалентная схема замещения СЭС

Поскольку в рассматриваемой СЭС имеется несколько уровней напряжения то расчет ТКЗ целесообразно выполнять в относительных единицах.

Таблица 1.1 - Исходные данные

Вариант	МВА	кВ	Х, Ом	, Ом	, МВА	кВ, кВт
8	1150/760	35/6	6.4/1.12/1.4	1.04	10	310/120/630

В соответствии с заданной энергосистемой максимальной мощностью КЗ на шинах «Системы» базисное значение мощности принимается равным .

Принимаем соответствующие базисное условия:

;

.

Рассчитать соответствующие базисные токи:

Вычислить сопротивления элементов схемы замещения в относительных единицах по формулам.

Сопротивление системы соответственно для максимального и минимального режимов системы:

Сопротивление ВЛ 35 кВ:

где

Сопротивление силового трансформатора 35/6:

где - напряжение короткого замыкания силового трансформатора со стороны обмотки напряжения 10 кВ;

Сопротивление участков ВЛ 10 кВ:

где ;

Полное сопротивление кабельной линий (КЛ) 6 кВ:

Рассчитать токи трехфазного КЗ соответственно для максимального и минимального режимов системы.

В точке К1:

где =1,0 - ЭДС на шинах «Системы» 110 кВ в относительных единицах;

В точке К2:

В точке К4:

В точке К5:

В точке К3:

Рассчитать двухфазных ТКЗ для максимального режима энергосистемы:

В точке К1:

В точке К2:

В точке К4:

В точке К5:

В точке К3:



Рассчитать двухфазных ТКЗ для минимального режима энергосистемы:

В точке К1:

В точке К2:

В точке К4:

В точке К5:

В точке К3:

Результаты расчетов сведены в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 - Результаты расчета токов КЗ.

Точка КЗ	, кА	, кА	, кА	, кА
К1	2,81	2,6	2,43	2,25
К2	7,02	6,79	6,07	5,88
К3	2,33	2,308	2,017	1,99
К4	2,22	2,19	1,92	1,89
К5	1,197	1,1902	1,036	1,03

2.ЗАЩИТА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6-10 КВ И АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Токовая отсечка (или токовая защита) - это мера, принимаемая в электрических системах для защиты оборудования и сетей от опасных электрических условий, таких как короткое замыкание или перегрузка. Она представляет собой систему, которая автоматически отключает электрическое оборудование при превышении установленных пределов тока.

В случае кабельных линий напряжением 6-10 кВ и асинхронных электродвигателей токовая отсечка может реализовываться с использованием реле тока, которые мониторят текущий электрический поток и отключают оборудование, если текущий ток превышает установленный порог. Это особенно важно для предотвращения перегрева оборудования и предотвращения повреждения системы.

Определяем номинальный ток АД:

где n - номинальный КПД;

- номинальный коэффициент мощности;



Пусковой ток АД рассчитывается по формуле:

где - кратность пускового тока

Первичный ток срабатывания токовой отсечки выбирается по условию отстройки от пускового тока электродвигателя по формуле:

где = 1,4 - коэффициент надежности, учитывающий ошибку реле и наличие апериодической составляющей в электродвигателя;

Выбор трансформатора тока осуществляется в соответствии с требованиями:

- по номинальному первичному току:

где - номинальный первичный ток ТТ

- классу точности ТТ или вторичной обмотки (для защиты) - 5Р;

- номинальной предельной кратности вторичной обмотки для защиты

Первоначально выбирается ТТ с коэффициентом трансформации:

Для защиты от междуфазных КЗ применяется токовая отсечка

Ток срабатывания реле токовой отсечки определяется по формуле:

где = 1 - коэффициент, учитывающий схему соединения ТТ защиты, при включении реле в неполную звезду на фазные токи;

Чувствительность токовой отсечки проверяется при двухфазном КЗ на выводах АД в минимальном режиме питающей сети:

Чувствительность токовой отсечки обеспечена.



3. МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА ОТХОДЯЩИХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

Максимальная токовая защита определяется номинальным током отходящей линии и её характеристиками.

Воздушные линии обычно имеют номинальные токи, соответствующие их конструкции, размерам проводов и условиям эксплуатации. Размер проводов, тип изоляции, расстояние между проводами, и другие факторы влияют на номинальный ток. В нормальных условиях номинальный ток линии не должен превышаться, и токовая защита обычно выбирается с учетом этого значения.

Принцип селективности также важен. Это означает, что защита должна быть спроектирована так, чтобы при возникновении короткого замыкания отключалась только та часть линии, где произошла неисправность, минимизируя тем самым воздействие на другие участки сети.

Для МТЗ 1 на головном участке ВЛ 2.1 расчетный ток определяется нагрузками и

где = 0,9 - коэффициент одновременности;

Для участка сети с одним потребителем :

Ток срабатывания МТЗ 1 определяется по формуле:

где - рабочий максимальный ток защищаемой лини;

= 1,2 - коэффициент надежности, учитывающий погрешности реле;

- коэффициент самозапуска, который зависит от параметров нагрузки, от схемы и параметров питающей сети;

Для МТЗ 2 на втором участку ВЛ 2.2:

Для схемы МТЗ 1 на головном участке линии ВЛ 2.1 выбираются трансформаторы тока с литой изоляцией катушечные ТЛК-10-150/5.

Для схемы МТЗ 2 на втором участке линии ВЛ 2.2 выбираются трансформаторы тока с литой изоляцией катушечные ТЛК-10-75/5.

Ток срабатывания реле РСТ-80 определяется по формуле:

Для МТЗ 1 на головном участке ВЛ 2.1 минимальное значение двухфазного тока короткого замыкания в конце защищаемого участка в точках

К4 и К5.

Чувствительность МТЗ определяется коэффициентом чувствительности

Для МТЗ 1 на участке ВЛ 2.1:

Для МТЗ 2 на участке ВЛ 2.2:

Для обеспечения селективности действия последовательно включенных МТЗ 1 и МТЗ 2 на участках ВЛ 2.1 и ВЛ 2.2 необходимо задать соответствующее время срабатывания каждой из защит.

Максимальное время срабатывания МТЗ 2 принято

При этом время срабатывания защиты МТЗ 1 должно быть определено по формуле:

Рисунок 2.1 - Временные характеристики МТЗ на участках ВЛ 2.1

4. ТОКОВАЯ ОТСЕЧКА ОТХОДЯЩИХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

Токовая отсечка (или защита) для отходящих воздушных линий обеспечивает безопасную и эффективную работу электрических сетей, предотвращая перегрузки, короткие замыкания и другие аномалии в токе. Вот основные элементы токовой отсечки для отходящих воздушных линий:

- Реле тока;

- Номинальный ток;

- Время срабатывания;

- Селективность.

Ток срабатывания защиты ТО определяется по формуле:

Эффективность ТО сводиться к проверке чувствительности при двухфазном КЗ в точке К2

Чувствительность ТО обеспечена.

Зоны действия токовой отсечки определяется графически, как показано на рисунке 2,5. Для этого вычисляются токи КЗ, проходящие по линии ВЛ 2.1 при КЗ в ее начале и конце, а также на расстояниях 0,25, 0,5 и 0,75 длины от начала.

Таблица 4.1 - Расчет параметров для определения зон действия токовой отсечки

Параметр	Расчетная точка
	К2	0,25L	0,5L	0,75L	К4
	0	0,35	0,7	1,05	1,4
	0	7,1	14,1	21,2	28,2
	13,5	20,6	27,06	35	42
	6,8	4,5	3,4	2,6	2,2

Продолжение таблицы 4.1 - Расчет параметров для определения зон действия токовой отсечки.

	5,9	3,9	2,9	2,3	2,53
	2,53

Рисунок 4.1 - Определение зоны действия токовой отсечки на линии ВЛ 2.1

Из точки проводится горизонтальная линия до пересечения линий определяют максимальную (защита от трехфазных ТКЗ) и минимальную (защита от двухфазных ТКЗ) зоны и действия токовой отсечки. Отсечка действует в зоне, где ток КЗ превышает ток срабатывания.

Время срабатывания ТО . Временные характеристики совместного действия МТЗ и ТО на участках ВЛ 2.1 приведены на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Временные характеристики совместного действия МТЗ и ТО на участках ВЛ 2.1

5. РАСЧЕТ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ

Дифференциальная защита представляет собой важный элемент системы защиты в электроэнергетических сетях. Основная задача дифференциальной защиты -- обнаружение разности токов входа и выхода из области защиты. Если эта разность превышает установленный порог, срабатывает защита, что может свидетельствовать о наличии короткого замыкания или другой неисправности.

Вот основные характеристики и элементы дифференциальной защиты:

- Трансформаторы тока - дифференциальная защита часто использует трансформаторы тока для измерения тока на входе и выходе защищаемой области. Трансформаторы тока преобразуют ток в измеряемые значения;

- Уставка определяет уровень разности токов, при котором срабатывает дифференциальная защита. Это значение настраивается в соответствии с характеристиками защищаемой линии.

Дифференциальная защита применяется для защиты передачи электроэнергии по линиям и трансформаторам от коротких замыканий.

Определение номинальных токов трансформатора для стороны высшего и низшего напряжения:

Определение базисных токов (коэффициентов) - отношения номинального тока СТ к номинальному току ТТ.

Сторона ВН (ТА1-100/5):

Сторона НН (ТА2-1500/5):

Выбор уставки первой ступени дифференциального тока. Согласно паспортным данным она составляет 35% от номинального тока, защищаемого СТ:

Вторичный ток срабатывания (расчетный) в относительных единицах находится по формуле:

Таблица 5.1 - Уставки устройства ДТЗ МПТ

Наименование уставки	Условное обозначение	Пределы усиавки	Шаг уставки	Уставка
Номинальная частота		50 - 60 Гц	-	50 Гц
Номинальный вторичный ток ТТ		1-5 А	-	3
Номинальный первичный ток ТТ1 110 кВ		10-10000 А	-	100
Номинальный первичный ток ТТ1 10 кВ		10-10000 А	-	1500
Полярность ТА	-	Нормальная, инверсивная	-	Нормальная
сторона 110 кВ		0,1-1000 МВ	-	20
сторона 10 кВ		0,1-1000 МВ	-	20
110 кВ		0,1-500 кВ	-	115
10 кВ		0,1-500 кВ	-	10,5
Группа соединений силового трансформатора	Группа	-	-	11
Базисный ток		ОЕ	-	1,05
Базисный ток		ОЕ	-	0,77

Минимальная уставка, которая может быть выполнена на реле, равна 0,15. Принимаем минимальную уставку и получаем, что уставка первой ступени дифференциального тока (вторичный ток ТТ 5 А) составляет:

Выбор угла наклона характеристики (коэффициента торможения) первого участка, который находится в зоне малых токов от 0 до 2,5 трансформаторов тока:

где = 1,2 - коэффициент запаса;

= 5% - погрешность трансформаторов тока, принимается для малых токов;

= 20% - диапазон регулирования коэффициента трансформации защищаемого трансформатора в %, равный суммарному диапазону сторон, на которых выполняется регулирование;

Пределы выставления уставки 20-50% с шагом 1%, поэтому принимается m1=30%

Выбираем угол наклона характеристики (коэффициент торможения) второго участка, который находится в зоне больших токов:

где - коэффициент, учитывающий рост погрешности за счет апериодической составляющей;

- погрешность трансформаторов тока, принимается для больших токов;

Пределы выставления уставки 40-100% с шагом 1%, поэтому принимается m2=42%

Выбираем ток срабатывания второй ступени дифференциального тока (отсечки):

где = - ток КЗ за трансформатором (на стороне 10 кВ) в максимальном режиме;

- коэффициент, учитывающий рост погрешности за счет апериодической составляющей

,2

По условию отстройки от броска тока намагничивания:

Выбираем наиболее из двух значений для установки на микропроцессорном терминале:

Принимается значение 2,61 (пределы выставления уставки (1-30) с шагом 0,1 )

Проверка чувствительность первой ступени продольной дифференциальной защиты при минимальном токе двухфазного КЗ в минимальном режиме ( ) за трансформатором:

Проверка чувствительность второй ступени продольной защиты при минимальном токе двухфазного КЗ за трансформатором:

Чувствительность защиты удовлетворяет требованиям ПУЭ.

Результаты выбора уставок защиты трансформатора на реле ДЗТ МПТ сведены в таблицу 5.2.

Таблица 5.2 - Уставки реле ДТЗ МПТ защиты СТ

Уставки ДЗТ трансформатора
Уставка по току (1 ступень)		0,15-1,5	0,01	0,15
Угол 1 наклона характеристики	m1	20-50%	1%	30%
Угол 2 наклона характеристики	m2	40-100%	1%	42%
Уставка по току (2 ступень)		(1-30)	0,1	2.61

6. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ПОВТОРНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

Автоматическое повторное включение воздушных линий представляет собой технологию, которая автоматически пытается восстановить подачу электроэнергии после временного отключения, например, в результате срабатывания защиты из-за короткого замыкания или другой неисправности.

Хотя автоматическое повторное включение может обеспечивать эффективное восстановление энергоснабжения после временных событий, таких как кратковременные короткие замыкания, важно соблюдать меры предосторожности и стандарты безопасности, чтобы избежать возможности повторного включения в условиях, представляющих реальную угрозу для системы.

Выдержка времени должна быть больше времени готовности привода выключателя:

где - время готовности привода может составлять 0,2-1 с для различных типов приводов;

= 0,3-0,5 с - время запаса, учитывающее погрешности реле времени АПВ, принимается равным 0,3-0,5 с;

Для успешного повторного включения необходимо, чтоб за время от момента отключения ЛЭП до момента повторного включения и подача напряжения не только погасла электрическая дуга в месте КЗ, но и восстановились изоляционные свойства воздуха (произошла его денониция).

Следовательно, выдержка времени АПВ на повторное включение должна быть больше времени денониции:

где = 0,1-0,3 с - время денонизации;

При выборе уставок из двух вариантов принимается большее значение времени, из полученных по выражениям (6.1) и (6.2):



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы по дисциплине была проведена глубокая аналитическая работа, направленная на исследование современных методов и технологий в области релейной защиты и автоматизации.

На протяжении исследования были рассмотрены ключевые принципы работы релейных защитных устройств, включая их назначение, функциональные характеристики и методы настройки.

Особое внимание уделено вопросам селективности и координации релейных защитных устройств, что является ключевым аспектом обеспечения стабильной и надежной работы электроэнергетических систем. Выполнено сравнение различных методов и подходов, а также предложены практические рекомендации для оптимальной настройки и использования защитных устройств.

В рамках работы были решены конкретные задачи, связанные анализом систем релейной защиты для определенного объекта. Это позволило применить полученные теоретические знания на практике и оценить их эффективность в конкретных условиях.

Работа также включила в себя обзор современных тенденций в области релейной защиты и автоматизации, что способствовало расширению общего представления о развитии этой области.

Выполненная работа служит примером успешного интегрирования теоретических и практических аспектов в области релейной защиты и автоматизации электроэнергетических систем.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Александровская, А.Н. Автоматика: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / А.Н. Александровская. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 256 c.

2 Киреева, Э.А. Релейная защита и автоматика электроэнергетических систем: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Э.А. Киреева, С.А. Цырук. Энергетика).. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 288 c

3 Федосеев А. М., Федосеев. М. А. Релейная защита электроэнергетических систем: учеб. для вузов. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М.: Энергоатомиздат, 1992.

4 Чернобровов Н. В. Релейная защита: учеб. пособие для техникумов. -- 5-е изд., перераб. и доп. -- М.: Энергия, 1974.

5 Беркович М. А., Молчанов В. В., Семенов В. А. Основы техники релейной защиты. -- 6-е изд., перераб. и доп. -- М.: Энергоатомиздат, 1984.

6 Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- Л.: Энергия, 1976.

7 Шабад М. А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. -- СПб.: ПЭИПК, 2008.

Размещено на Allbest.ru

...