Релейная защита. УМК. Релейная защита. Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения учебнометодический комплекс

• Название: Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения учебнометодический комплекс
• Анкор: Релейная защита. УМК.doc
• Дата: 28.04.2017
• Размер: 12.1 Mb.
• Имя файла: Релейная защита. УМК.doc
• Тип: Учебно-методический комплекс; #6200
• страница: 8 из 16

Раздел 5. Защита трансформаторов и электродвигателей

В разделе рассматриваются две темы:

- защиты трансформаторов;

- защиты электродвигателей.

Для закрепления теоретического материала по темам этого раздела предусмотрено практическое занятие «Расчет защит трансформатора»

В процессе изучения материалов этого раздела следует выполнить вторую часть курсовой работы – расчет защит трансформатора.

После проработки теоретического материала следует ответить на вопросы тренировочного теста № 5. Правильные ответы на вопросы тренировочных тестов приведены на с. 217. При появлении затруднений по тестовым заданиям следует обратиться к теоретическому материалу [1] или проконсультироваться у преподавателя.

При эффективной проработке материала данного раздела можно набрать 15 баллов из 100 возможных.
5.1. Защиты трансформаторов

ПУЭ в разделе «Защита трансформаторов (автотрансформаторов) с обмоткой высшего напряжения 3 кВ и выше и шунтирующих реакторов 500 кВ» содержит требования к устройствам релейной защиты трансформаторов (автотрансформаторов), которая должна предусматриваться от следующих видов повреждений и ненормальных режимов:

1) многофазных замыканий в обмотках и на выводах;

2) однофазных замыканий на землю в обмотке и на выводах, присоединенных к сети с глухозаземленной нейтралью;

3) витковых замыканий в обмотках;

4) токов в обмотках, обусловленных внешними КЗ;

5) токов в обмотках, обусловленных перегрузкой;

6) понижения уровня масла;

7) частичного пробоя изоляции вводов 500 кВ;

8) однофазных замыканий на землю в сети 3-10 кВ с изолированной нейтралью, если трансформатор питает сеть, в которой отключение однофазных замыканий на землю необходимо по требованиям безопасности.

Для защиты от повреждений на выводах, а также от внутренних повреждений должны быть предусмотрены:

1. Продольная дифференциальная токовая защита без выдержки времени на трансформаторах мощностью 6,3 МВ·А и более, на шунтирующих реакторах 500 кВ, а также на трансформаторах мощностью 4 МВ·А при параллельной работе последних с целью селективного отключения поврежденного трансформатора.

2. Токовая отсечка без выдержки времени, устанавливаемая со стороны питания и охватывающая часть обмотки трансформатора, если не предусматривается дифференциальная защита.

Дифференциальная защита может быть предусмотрена на трансформаторах меньшей мощности, но не менее 1 МВ·А, если:

- токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 0,5 с;

- трансформатор установлен в районе, подверженном землетрясениям.

Указанные защиты должны действовать на отключение всех выключателей трансформатора.

Более подробно о требованиях и защитах трансформатора рассматривалось в дисциплине «Электроэнергетика. Часть 2».

В распределительных сетях широко применяются одно- и двухтрансформаторные понизительные подстанции.

Рассмотрим кратко расчет защит трансформатора на однотрансформаторной подстанции. Трансформатор двухобмоточный, высшее напряжение 10 кВ, низшее 0,4 кВ. Мощность трансформатора 4 МВ·А.

В соответствии с требованиями ПУЭ на таком трансформаторе должны быть установлены следующие виды защит:

- максимальная токовая защита;

- токовая отсечка;

- газовая защита.

Схема подстанции показана на рис. 5.1,а. МТЗ и ТО установлены на стороне 10 кВ. ТО – это защита от внутренних повреждений трансформатора, ток срабатывания ее отстраивается от тока КЗ в точке K1. В зону действия этой защиты входит не весь трансформатор, в некоторых случаях только первичная обмотка. Защита мгновенного действия. Ток срабатывания ТО

,

где K_н = 1,25…1,3 – коэффициент надежности;

I⁽³⁾_{КЗ maxK1} – ток трехфазного КЗ в точке K1, приведенный к напряжению 10 кВ, в максимальном режиме системы.



а) б)

Рис. 5.1. Схема подстанции (а) и схема подключения защиты (б)
МТЗ – это защита от внешних междуфазных КЗ и от КЗ в трансформаторе в зоне, не охваченной токовой отсечкой. Эта защита является резервной защитой шин 0,4 кВ на случай отказа в работе автомата QF. Ток срабатывания МТЗ отстраивается от максимального рабочего тока трансформатора со стороны 10 кВ.

I_сз=,

где K_н = 1,2 – коэффициент надежности;

K_{с зап} – коэффициент самозапуска электродвигателей;

K_в – коэффициент возврата реле тока;

I_{раб max} – максимальный рабочий ток трансформатора со стороны 10 кВ, равный

I_{раб max}=К_пI_{т ном1},

где K_п – коэффициент перегрузки; для однотрансформаторной подстанции K_п = 1, для двухтрансформаторной подстанции K_п > 1;

I_{т ном1} – номинальный первичный ток трансформатора.

Для двухтрансформаторной подстанции возможна перегрузка в случае отключения второго трансформатора. Коэффициент перегрузки определяется видом трансформатора (масляный или сухой), его мощностью и условиями работы трансформатора по ГОСТ 14209-97 «Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов».

Выдержка времени МТЗ по условиям эксплуатации, а не по требованию селективности выбирается на ступень выше времени срабатывания автомата при КЗ в точке K1.

t_сз = t_a + Δt,

где t_a – время срабатывания автомата при КЗ в точке K1;

Δt – ступень селективности.

Газовая защита в соответствии с требованиями ПУЭ на трансформаторах такой мощности устанавливается и действует при межвитковых замыканиях в обмотках трансформатора.

Современные цифровые защиты трансформаторов осуществляют полную защиту и реализуют множество других функций.

Рассмотрим на примере цифровой защиты Sepam фирмы SheneiderElectricметодику расчета продольной дифференциальной защиты трансформатора.

Цифровая дифференциальная защита трансформаторов обычно выполняется с торможением, характеристика такой защиты обычно состоит из трех участков: горизонтального, следующего за ним наклонного (с малым углом наклона) и наклонного с большим углом наклона.

Фирмы-изготовители цифровых защит придерживаются примерно одинаковой идеологии. Разработки фирмы SheneiderElectric в этой части являются типичными, их можно рассматривать как некое обобщение вопросов выполнения и расчета дифференциальных защит.

В соответствии с материалами по защите Sepamизложим основные сведения о дифференциальной защите трансформатора (код ANSI87T).

На рис. 5.1,б показана схема подключения защиты к защищаемому трансформатору, там же даны обозначения токов двух сторон трансформатора, трансформаторы тока на каждой стороне трансформатора включены в схему звезды.

Принцип действия защиты основан на формировании дифференциального тока в виде абсолютного значения геометрической суммы токов сторон трансформатора

,

где x = 1, 2, 3 – номера фаз; I_dx – дифференциальный ток защиты;

, – векторы токов фаз с обеих сторон трансформатора откорректированные.

Как известно, дифференциальный ток действует в сторону срабатывания защиты, а тормозной препятствует срабатыванию.

Откорректированные значения токов – это результат коррекции, т. е. в соответствии с дифференциальным принципом сравниваемые токи плеч защиты должны быть в идеальном случае одинаковыми по амплитуде и совпадающими по фазе (или в противофазе). Это и есть коррекция – изменение токов по амплитуде и фазе. Защита выполняет коррекцию, о чем будет сказано ниже.

Тормозной ток .

В данной защите тормозной ток есть результат выбора максимального значения модуля вектора тока с одной или другой стороны трансформатора.

Функции защиты показаны на структурной схеме, которая демонстрирует логику и алгоритм ее действия (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Структурная схема защиты
Корректировка токов в аппаратуре Sepamвыполняется на основании данных о номинальной мощности трансформатора и напряжении обмоток. По этим данным вычисляется коэффициент трансформации и ведется корректировка токов по модулю (амплитуде) и фазе. Группа соединения обмоток используется для корректировки токов по фазе.

Корректировка токов обмотки W1 (рис. 5.3) производится всегда одинаково с учетом того, что это обмотка трансформатора с глухозаземленной нейтралью. В такой обмотке могут возникать токи нулевой последовательности, которые вызовут срабатывание дифзащиты. Корректировка имеет цель исключить токи нулевой последовательности. Это приведет к тому, что защита станет нечувствительной к внешним замыканиям на землю. Скорректированный ток вычисляется по формуле

,

где I_n1 – номинальный ток обмотки 1;

x = 1, 2, 3 – номера фаз (A, B, C).

Корректировка осуществляется в цифровом виде, является важнейшей функцией цифровой защиты и поясняется схемой рис. 5.3.


Рис. 5.3. Корректировка токов обмоток
Схема защиты трансформатора показана на рис.5.4.

В дифзащите Sepam предусматрена определенная установка параметров и характеристик датчиков фазного тока (в частности, трансформаторов тока).

Номинальный первичный ток трансформаторов тока должен удовлетворять неравенству для обмотки 1 и обмотки 2


Рис. 5.4. Схема базового блока Sepam цифровой защиты трансформатора
;

,

где I_ТТn1, I_ТТn2 – номинальные первичные токи трансформаторов тока обмоток 1 и 2; U_n1, U_n2 – номинальные напряжения обмоток 1 и 2;

S_т.ном – номинальная мощность трансформатора.

Тормозная характеристика защиты является процентной, т. е. по осям отложены относительные значения дифференциального и тормозного токов (рис. 5.5). Первый участок характеристики – горизонтальная линия – характеризуется постоянным током срабатывания I_ds. В этой зоне трансформаторы тока не насыщаются, и поэтому осуществляется точное торможение.



Рис. 5.5. Тормозная характеристика защиты
Второй участок имеет малый наклон и малую протяженность. Здесь происходит некоторое насыщение трансформаторов тока и увеличение их погрешности. Поэтому приходится увеличивать ток срабатывания.

Третий участок имеет большой наклон, по рекомендации фирм – 70%. В этой зоне происходит сильное насыщение трансформаторов тока, поэтому ток срабатывания быстро растет.
Пример расчета дифзащиты (взят из фирменных материалов)

Исходные материалы:

двухобмоточный трансформатор (рис. 5.6) номинальной мощности S_тном = 2,5 МВ·А, номинальные напряжения обмоток 1 и 2 U_n1 = 20,8 кВ, U_n2 = 420 В; пиковый пусковой ток I_in2 = 9,6I_n; трансформатор имеет РПН с диапазоном регулирования х = ±15% от номинального напряжения обмотки 2.



Рис. 5.6. Трансформатор с датчиками тока
Расчет. Выбор датчиков

Номинальные токи обмоток трансформатора

А;

кА.

Датчики тока допускают перегрузку 115% при работе РПН

А;

кА.

Основное условие для датчиков тока:

; .

; .

В соответствии с этими двумя ограничениями выбираем значения:

I_TTn1=100; I_TTn2=4 кА.

Пусковые токи обмоток

А; кА.

Определяем кратности токов

; .

Для датчика тока обмотки 1 предельная кратность

K_1пред = 3·6,7 = 20;

для датчика тока обмотки 2

K_2пред = 3·8,2 = 24,6.

Ближайшее нормальное значение – 30.

Выбираем датчики:

для обмотки 1: 100 А/1 А, тип 5Р20,

для обмотки 2: 4 кА/1 А, тип 5Р30.

В обозначении типа датчика тока (трансформатора тока) 20 и 30 – это величины предельной кратности.

Настройка процентной характеристики и уставки дифференциальной отсечки

Дифференциальный ток, возникающий при изменении коэффициента трансформации под действием РПН, будет

,

где x = 0,15 – половина диапазона регулирования РПН.

Погрешность датчика тока , погрешность реле .

Таким образом, минимальный ток срабатывания в первой зоне при допустимом пределе

.

Принимаем I_ds=34 %. По рекомендации фирмы наклон второго участка характеристики принимается также равным 34%.

Третий участок по рекомендации фирмы должен иметь наклон 70%, начиная с 6I_n1.

Уставка дифференциальной отсечки выбирается больше пускового тока

.

Схема базового блока цифровой защиты трансформатора Sepam приведена на рис. 5.4.
5.2. Защиты электродвигателей

ПУЭ требует для асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ установки защиты от многофазных замыканий и в определенных случаях – защиты от однофазных замыканий на землю, защиты от токов перегрузки и защиты минимального напряжения. На синхронных электродвигателях должна предусматриваться защита от асинхронного режима, которая может быть совмещена с защитой от токов перегрузки.

Для защиты от многофазных замыканий могут применяться предохранители или должна устанавливаться:

1. Токовая однофазная отсечка без выдержки времени отстроенная от пусковых токов при выведенных пусковых устройствах с реле прямого или косвенного действия, включенным на разность токов двух фаз – для электродвигателей мощностью менее 2 МВт.

2. Токовая двухрелейная отсечка без выдержки времени, отстроенная от пусковых токов при выведенных пусковых устройствах с реле прямого или косвенного действия – для электродвигателей мощностью 2 МВт и более, имеющих действующую на отключение защиту от однофазных замыканий на землю, а также для электродвигателей мощностью менее 2 МВт, когда защита по п.1 не удовлетворяют требованиям чувствительности.

3. Продольная дифференциальная токовая защита для электродвигателей мощностью 5 МВт и более, а также менее 5 МВт, если токовые отсечки не обеспечивают требуемой чувствительности.

Защита электродвигателей мощностью до 2 МВт от однофазных замыканий на землю при отсутствии компенсации должна предусматриваться при токах замыкания на землю 10 А и более, а при наличии компенсации – если остаточный ток в нормальных условиях превышает это значение. Такая защита для электродвигателей мощностью более 2 МВт должна предусматриваться при токах 5 А и более.

Защита от перегрузки должна предусматриваться на электродвигателях, подверженных перегрузке по технологическим причинам и при тяжелых условиях пуска (длительность прямого пуска 20 с и более).

В настоящее время в связи с расширяющимся применением цифровых защит получили распространение специфические (профилактические) защиты: от тепловой и токовой перегрузки, от нарушения режима пуска, от несимметрии напряжения питающей сети.

Защита минимального напряжения является общей для всех электродвигателей секции и устанавливается в релейном отсеке КРУ трансформатора напряжения. Защита выполняется трехступенчатой по напряжению и выдержкам времени.

Первая ступень – уставка по напряжению 0,7U_ном, выдержка времени 0,51 с, действует на отключение неответственных электродвигателей для обеспечения самозапуска электродвигателей ответственных механизмов.

Вторая ступень – уставка по напряжению 0,5U_ном, выдержка времени 39 с, действует на отключение электродвигателей ответственных потребителей в случае, когда длительно отсутствует напряжение или при запрещенном самозапуске.

Третья ступень – уставка по напряжению 0,25U_ном, выдержка времени равна выдержке времени защиты питающего секцию ввода, действует как пусковой орган АВР.

Расчет уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей

1. Токовая отсечка от междуфазных коротких замыканий

В цифровых защитах отсечка выполняется в трехрелейном виде. Ток срабатывания отсечки рассчитывается по формуле

,

где К_отс – коэффициент отстройки, учитывающий погрешность реле и наличие апериодической составляющей в пусковом токе электродвигателя (для цифровых защит К_отс =1,5);

I_расч – расчетный ток, принимается большим из значений I_{нс вкл} и I_пуск.

Ток несинхронного включения

,

где U_с и x_с – напряжение и сопротивление системы;

E_ад – ЭДС асинхронного электродвигателя. Ее величина может быть определена по формуле

,

где U₀ – напряжение электродвигателя до момента снятия напряжения, кВ;

cosφ_ном – номинальный коэффициент мощности;

I₀ – ток до момента снятия напряжения, кА;

x_ад – сопротивление электродвигателя, Ом.

,

где K_пуск – кратность пуска;

U_{ном д}, S_{ном д} – номинальные напряжение и мощность электродвигателя.

Пусковой ток электродвигателя , где I_{ном д} – номинальный ток электродвигателя.

Чувствительность токовой отсечки определяется при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя в минимальном режиме системы и должен быть

.

Время срабатывания токовой отсечки t≈ 0,1 с.

2. Продольная дифференциальная токовая защита.

В цифровых терминалах обычно предусматривается дифференциальная защита универсального применения, например, реле типа SPAD346Cфирмы ABBпредназначено для защиты двухобмоточных трансформаторов мощностью 12 МВт и двигателей напряжением более 1 кВ.

SPAD346Cсостоит из трех модулей:

- модуль дифференциального реле SPCD3D53;

- модуль реле защиты от замыканий на землю SPCD2D55;

- модуль максимального реле тока и реле замыкания на землю SPCJ4D28.

Рассмотрим в качестве примера модуль дифференциального реле SPCD3D53.

Дифзащита содержит две части: чувствительную защиту с торможением и блокировкой по 2-й и 5-й гармоникам и грубую – без торможения и блокировки.

Тормозная характеристика содержит три участка:

- горизонтальный;

- первый наклонный с регулируемым углом наклона;

- второй наклонный с постоянным углом наклона, равным 100%, т.е. изменение тормозного тока равно изменению дифференциального тока.

Дифференциальный ток , тормозной ток , где , – векторы токов плеч защиты со стороны выводов обмоток статора электродвигателя – фазного и нулевого.

Дифференциальный и тормозной токи на тормозной характеристике – это относительные значения этих токов (по отношению к номинальному току реле).

Порядок расчета дифференциальной защиты аналогичен тому, что приводится в разделе о защите трансформатора.

3. Защита от замыкания на землю в обмотке статора.

Первичный расчетный ток срабатывания защиты от замыкания на землю в обмотке статора электродвигателя определяется по условию отстройки от броска собственного емкостного тока присоединения при внешнем замыкании на землю

,

где К_отс =1,8 – коэффициент отстройки;

К_б – коэффициент, учитывающий бросок собственного емкостного тока присоединения в начальный момент внешнего замыкания на землю; – для цифровой защиты, но эту величину следует уточнить по инструкции фирмы-изготовителя;

I_c – утроенное значение собственного емкостного тока присоединения.

,

где I_{c дв} – емкостной ток электродвигателя;

I_{c л} – емкостной ток кабельной линии.

4. Защита от перегрузки

Защита от перегрузки на цифровых защитах выполняется либо по току, либо по нагреву.

Методика расчета излагается в материалах фирмы-изготовителя защиты.

Принципиальная электрическая схема цифровой защиты электродвигателя мощностью до 5000 кВт на примере защиты ТЭМП 2501-4Х показана на рис. 2.16. Это комплектное устройство защиты и автоматики электродвигателей напряжением 6-10 кВ. Устройство может применяться для асинхронных и синхронных электродвигателей и реализует полный набор функций защиты и автоматики, кроме дифференциальной защиты.