Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
45
МИНИСТЕРСТВООБЩЕГО И ПРОФЕСИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра электрооборудования
к дипломному проекту по специальности 18.13.00. – «Внутризаводское электрооборудование» на тему:
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
Студент ____________________________________________________________
(фамилия, имя, отчество полностью)
группа ______________________________________________________________
(подпись студента)
Руководитель дипломного проекта _____________________________________
____________________________________________________________________
(ученое звание, степень, фамилия, имя, отчество, подпись)
Консультанты:
по _______________________________________________________________
(наименование раздела, ученое звание, степень, фамилия, имя, отчество, подпись)
____________________________________________________________________
по _________________________________________________________________
(наименование раздела, ученое звание, степень, фамилия, имя, отчество, подпись)
____________________________________________________________________
по _________________________________________________________________
(наименование раздела, ученое звание, степень, фамилия, имя, отчество, подпись)
____________________________________________________________________
Рецензент ___________________________________________________________
(ученое звание, степень, фамилия, имя, отчество, подпись)
____________________________________________________________________
Дипломный проект рассмотрен на кафедре и допущен к защите в ГАК ___
____________________________________________________________________
Заведующий кафедрой _______________________________________________
____________________________________________________________________
(ученое звание, степень, фамилия, имя, отчество, подпись)
ЗАДАНИЕ
РЕФЕРАТ
В работе рассмотрены вопросы проверочного расчета объекта электроснабжения и сравнения полученных результатов с реально существующей подстанцией «Правобережная». В специальной части рассмотрены вопросы эффективности применения устройств релейной защиты и автоматики.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время электрическая энергия является наиболее широко используемой формой энергии. Это обусловлено относительной легкостью ее получения, преобразования, передачи на большое расстояние и распределения между приемниками. Огромную роль в системах электроснабжения играют электрические подстанции — электроустановки, предназначенные для преобразования и распределения электрической энергии. В России, как и в других западных странах, для производства и распределения электрической энергии используют трехфазный переменный ток частотой 50 Гц. Применение трехфазного тока частотой 50 Гц обусловлено большей экономичностью сетей и установок трехфазного тока по сравнению с сетями однофазного переменного тока, а также возможностью применения в качестве электропривода наиболее надежных, простых и дешевых асинхронных электродвигателей.
В качестве объекта исследования выбрана подстанция «Правобережная». Данная подстанция входит в состав ОАО «Липецкэнерго – ЛЭС» и расположена в юго-западной части города Липецка. Подстанция, как объект электроснабжения, была спроектирована и построена для снабжения электрической энергией определенного количества приемников. За прошедшее время произошло изменение количества приемников, а, следовательно, и уровня нагрузок. Поэтому оборудование устарело морально и технически. На ОАО «Липецкэнерго – ЛЭС» рассматривается вопрос модернизации данной подстанции путем замены устаревшего оборудования на более новое и совершенное, а также установки новой автоматизированной системы релейной защиты, автоматизации и управления. Для этого необходим повторный расчет подстанции с учетом всех произошедших за последнее время изменений.
Для обеспечения надежной и бесперебойной работы, как подстанции, так и энергосистемы, большое значение имеют устройства релейной защиты и автоматики. Поэтому при проектировании, изготовлении и эксплуатации устройств релейной защиты и автоматики уделяется большое внимание обеспечение надежной работы данных устройств. Высокая надежность системы релейной защиты и автоматики достигается при сочетании высокой надежности отдельных элементов с надлежащим техническим обслуживанием. Основную часть устройств релейной защиты и автоматики в России составляют аналоговые электромеханические устройства. При этом надежность систем релейной защиты и автоматики достигает 99,5%. Это достигается за счет оптимальной структуры систем релейной защиты и автоматики и высоких трудозатрат персонала на техническое обслуживание. Согласно «Сводному годовому отчету о работе устройств релейной защиты и автоматики» ОАО «Липецкэнерго» количество устройств релейной защиты и автоматики, проработавших 25 лет и более, составляет около 29% от общего количества устройств релейной защиты и автоматики. Вследствие морального и физического износа устройств релейной защиты и автоматики увеличились трудозатраты персонала, которые направлены на поддержание надежности этих устройств на должном уровне.
В настоящее время в западных странах широкое распространение получили микропроцессорные системы защиты, контроля и управления, которые имеют равные или лучшие показатели надежности и меньшие трудозатраты на техническое обслуживание по сравнению с системами на аналоговых устройствах. Поэтому необходимо внедрение микропроцессорных систем релейной защиты и автоматики.
Целью данной работы является проверочный расчет объекта электроснабжения и сравнение полученных результатов с реально существующей подстанцией, рассмотрение существующей системы релейной защиты и автоматики и определение ее эффективности.
1. ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ОБЪЕКТА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
1.1. Влияние окружающей среды на работу подстанции «Правобережная»
В данном проекте в качестве объекта электроснабжения рассматриваем подстанцию «Правобережная». Она работает в системе совместно с другими подстанциями этого же класса. Работа в таком режиме позволяет осуществлять дополнительное резервирование потребителей и значительно повышает надежность их электроснабжения. Подстанция «Правобережная» получает энергию в виде трехфазного тока частотой 50 Гц по линии напряжением 220 кВ длиной 11,9 км от подстанции «Борино – 500». Затем энергия преобразуется на напряжения 110 кВ, 35 кВ и 10 кВ и распределяется соответствующим электроприемникам.
Подстанция «Правобережная» находится в юго-западной части города Липецка. Липецкая область располагается в средней полосе с умерено – континентальным климатом. Колебание температуры в течение года не очень значительны и составляют 20 – 300С. При этом среднегодовой уровень осадков в области составляет 550 – 600 мм, а количество грозовых дней в году — 40 – 60. Давление ветра в среднем не превышает 35 Н/м. Толщина ледяного покрова при обледенении проводов и других открытых конструкций составляет 3 мм. Надежность работы основного электрооборудования зависит от условий внешней среды. На работу различных электротехнических устройств оказывают влияние различные факторы: удары, вибрация, перегрузки, перепады температуры, электрические и магнитные поля, влажность, песок, вызывающие коррозию жидкости и газы, солнечная радиация. В городе расположен крупный металлургический комбинат АО «НЛМК». Работа комбината сопровождается повышенным содержанием пыли, взвешенных твердых частиц и химических примесей. Из химических примесей наибольшую концентрацию имеют окислы серы и азота. Это приводит к необходимости использования двойной изоляции и других мер по обеспечению необходимого уровня изоляции. Обслуживающему персоналу необходимо принимать ряд мер по обеспечению нормальной работы оборудования. К ним относятся: протирка керамических изоляторов, профилактика и другие операции. Поэтому при выборе основного электрооборудования необходимо принять во внимание то, что подстанция работает в непосредственной близости от крупного металлургического комбината.
1.2. Выбор месторасположения
Подстанция «Правобережная», как и любая другая подстанция, является важным звеном системы электроснабжения. Таким образом, выбор оптимального месторасположения подстанции является одним из важных этапов проектирования любой системы электроснабжения. В самом начале расчета составляется список всех объектов, которые получают энергию от данной подстанции, а затем наносится на план их расположение. Кроме того, необходимо знать графики активной и реактивной нагрузок всех приемников электрической энергии. При рациональном размещении подстанции на местности технико-экономические показатели системы электроснабжения близки к оптимальным. Это позволяет снизить затраты при эксплуатации, так как при передачи потери электрической энергии минимальны. Для определения месторасположения подстанции при проектировании системы электроснабжения строится картограмма нагрузок.
1.3. Картограмма нагрузок
Картограмма нагрузок представляет собой размещенные на плане местности окружности, причем площади, ограниченные этими окружностями, в выбранном масштабе равны расчетным нагрузкам объектов электроснабжения. Для каждого приемника электрической энергии строится своя окружность, центр которой совпадает с центром объекта. Каждый круг может быть разделен на секторы, соответствующие осветительной, силовой, низковольтной, высоковольтной нагрузкам. В этом случае картограмма нагрузок дает представление не только о величине нагрузок, но и их структуре. Центр нагрузки объекта электроснабжения является символическим центром потребления электрической энергии. Картограмма нагрузок позволяет достаточно наглядно представить распределение нагрузок по территории. Тогда, согласно [1]:
, (1.1)
где Pi – нагрузка объекта электроснабжения, кВт;
ri – радиус окружности, км;
т – масштаб для определения площади круга, кВт/км2.
Из формулы (1.1) можно легко определить радиус окружности:
. (1.2)
Подстанция «Правобережная» получает питание по двухцепной линии 220 кВ «Правобережная» длиной 11,9 км. На линии 220 кВ «Правобережная» используются провода марки АСО – 300. Провод выбран по условию обеспечения механической прочности, а также наличием в атмосфере вредных веществ. На подстанции осуществляется преобразование электрической энергии с напряжения 220 кВ до напряжений 110, 35 и 10 кВ. Преобразованная электрическая энергия передается соответствующим приемникам по воздушным и кабельным линиям. Мощность, передаваемая по воздушным и кабельным линиям, а также расстояния до приемников приведены в табл. 1.1.
Напряжение, кВ |
Приемник |
Мощность, кВА |
Расстояние, км |
|
110 |
Дон |
1898 + j339 |
70,2 |
|
Лебедянь |
156 + j220 |
72,0 |
|
|
Сухая Лубна |
613 + j284 |
30,0 |
|
|
Центролит |
55 + j18 |
6,9 |
|
|
Московская |
92 + j37 |
9,7 |
|
|
Бугор |
339 + j119 |
5,0 |
|
|
Вербилово |
587 + j0 |
32,5 |
|
|
35 |
Кирпичный завод |
5 + j4 |
1,0 |
|
ЛОЭЗ |
88 + j80 |
5,2 |
|
|
Борино |
202 + j94 |
15,3 |
|
|
Мясокомбинат |
202 + j133 |
3,0 |
|
|
10 |
КТП – 307 |
275 + j222 |
0,8 |
|
МСУ – 14 |
100 + j88 |
1,4 |
|
|
РП – 17 |
530 + j327 |
1,9 |
|
|
Брикетная |
47 + j45 |
1,0 |
|
|
База ПСМК |
204 + j170 |
1,1 |
|
|
Телецентр |
33 + j5 |
0,5 |
|
|
Сырское |
15 + j15 |
1,2 |
|
|
ГРС |
86 + j17 |
0,9 |
|
|
Подгорное |
16 + j15 |
1,6 |
|
|
Совхоз 50 лет Октября |
28 + j29 |
1,2 |
Данные по мощности приемников электрической энергии взяты на АО «Липецкэнерго – ЛЭС» по результатам контрольных замеров от 16 июня 1999 года. Определим радиус окружностей, характеризующих мощность приемников электрической энергии, по формуле (1.2):
, км;
, км.
Для остальных приемников расчет проводится аналогично. Результаты расчета сведены в табл. 1.2.
Радиусы окружностей, характеризующих активные и реактивные мощности приемников
|
Приемник |
rа, км. |
rр, км. |
|
Лебедянь |
3,151 |
3,742 |
|
Сухая Лубна |
6,247 |
4,252 |
|
Центролит |
1,871 |
1,070 |
|
Московская |
2,420 |
1,535 |
|
Бугор |
4,646 |
2,752 |
|
Вербилово |
6,113 |
0 |
|
Кирпичный завод |
0,101 |
0,505 |
|
ЛОЭЗ |
2,367 |
2,257 |
|
Борино |
3,586 |
2,446 |
|
Мясокомбинат |
3,586 |
2,910 |
|
КТП – 307 |
4,184 |
3,759 |
|
МСУ – 14 |
2,523 |
2,367 |
|
РП – 17 |
5,809 |
4,563 |
|
Брикетная |
1,730 |
1,693 |
|
База ПСМК |
3,604 |
3,290 |
|
Телецентр |
1,449 |
0,564 |
|
Сырское |
0,997 |
0,997 |
|
ГРС |
2,340 |
1,040 |
|
Подгорное |
1,009 |
0,977 |
|
Совхоз 50 лет Октября |
1,335 |
1,359 |
Теперь определим условный центр электрических нагрузок. Он необходим для выбора наиболее оптимального месторасположения объекта электроснабжения. При проведении расчета будем считать, что электрические нагрузки распределены равномерно по всей площади приемника, тогда центр электрических нагрузок совпадает с центром тяжести данной системы масс. Координаты условного центра активных и реактивных нагрузок, согласно [1], определяются по следующим общим формулам:
; (1.3)
. (1.4)
Определяем условный центр активных электрических нагрузок:
;
.
Расчет условного центра реактивных нагрузок проводится аналогично. Тогда условный центр реактивных нагрузок находится в точке с координатами х0,р. 8,3 и у0,р. 15. Как видно из расчета центр электрических нагрузок на картограмме представлен в виде стабильной точки. В реальности приемники работают с нагрузкой, которая изменяется с течением времени. Поэтому нельзя говорить о центре электрических нагрузок, как о некоторой стабильной точки на генеральном плане. В действительности можно говорить о зоне рассеяния центра электрических нагрузок, как о зоне, в которой с некоторой вероятностью должен находится объект электроснабжения.
Определим удельную (взвешенную) активную и реактивную мощность каждого приемника:
;
.
Для остальных приемников расчет проводится аналогично. Результаты расчета представлены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Удельная (взвешенная) активная и реактивная мощность каждого приемника
|
Приемник |
Р’ |
Q’ |
|
1 |
2 |
3 |
|
Лебедянь |
0,028 |
0,097 |
|
Сухая Лубна |
0,110 |
0,126 |
|
Центролит |
0,010 |
0,008 |
|
Московская |
0,017 |
0,016 |
|
Бугор |
0,061 |
0,053 |
|
Вербилово |
0,105 |
0 |
|
Кирпичный завод |
0,001 |
0,002 |
|
ЛОЭЗ |
0,016 |
0,035 |
|
Борино |
0,036 |
0,042 |
Окончание табл. 1.3
|
1 |
2 |
3 |
|
Мясокомбинат |
0,036 |
0,059 |
|
КТП – 307 |
0,049 |
0,098 |
|
МСУ – 14 |
0,018 |
0,039 |
|
РП – 17 |
0,095 |
0,145 |
|
Брикетная |
0,008 |
0,020 |
|
База ПСМК |
0,037 |
0,075 |
|
Телецентр |
0,006 |
0,002 |
|
Сырское |
0,003 |
0,007 |
|
ГРС |
0,015 |
0,008 |
|
Подгорное |
0,003 |
0,007 |
|
Совхоз 50 лет Октября |
0,005 |
0,013 |
Теперь определим параметры нормального закона распределения координат центра активных электрических нагрузок:
;
;
;
.
После нахождения закона распределения координат центра активных электрических нагрузок определим зону рассеяния. Для этого необходимо определить радиусы эллипса зоны рассеяния. При этом примем, что точка с координатами х и у попадет в этот эллипс с вероятностью Р() = 0,95. Тогда:
;
.
Зона рассеяния центра активных электрических нагрузок представляет собой эллипс. Картограмма активных нагрузок представлена на рис. 1.1. Расчет зоны рассеяния центра реактивных электрических нагрузок проводится аналогично. Результаты расчета сведены в табл. 1.4.
Таблица 1.4
Параметры нормального закона распределения координат центра реактивных электрических нагрузок
|
5,185 |
32,119 |
0,311 |
0,125 |
5,569 |
13,856 |
Зона рассеяния центра реактивных электрических нагрузок, также как и зона рассеяния центра активных электрических нагрузок, представляет собой эллипс. Картограмма реактивных нагрузок представлена на рис. 1.2.
1.4. Выбор типа, числа и мощности трансформаторов
Силовые трансформаторы, которые устанавливаются на подстанциях, предназначены для преобразования электрической энергии с одного напряжения на другое. Наиболее широкое распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12 – 15% ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20 – 25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности [3]. При расчетах рекомендуется выбирать трехфазные трансформаторы. В тех случаях, когда это невозможно, то есть нельзя изготовить трехфазный трансформатор очень большой мощности или существуют ограничения при транспортировке, допускается применение групп из двух трехфазных или трех однофазных трансформаторов. Выбор трансформаторов заключается в определении их числа, типа и мощности. К основным параметрам трансформатора относятся номинальные мощность, напряжение, ток; напряжение короткого замыкания; ток холостого хода; потери холостого хода и короткого замыкания.
Определение типа и мощности трансформаторов необходимо провести на основе технико-экономических расчетов. Выбор трансформаторов на
подстанции «Правобережная» проведем на основе сравнения двух вариантов. Расчет разделим на два этапа. На первом этапе проведем технический расчет, на втором — экономический. Экономический расчет проведем в главе .
В начале расчета необходимо определить категорию электроприемников, к которым необходимо подводить напряжение от подстанции. Подстанция «Правобережная» осуществляет электроснабжение потребителей I и II категории. Как известно, перебои в электроснабжении приемников I и II категории могут привести к тяжелым авариям с человеческими жертвами, выходу из строя оборудования, нарушению технологического цикла и как следствие экономические потери, поэтому такие перебои недопустимы. Поэтому при выборе типа и числа трансформаторов необходимо учитывать надежность электроснабжения и возможность резервирования при выходе оборудования из строя. Исходя из этого, необходимо рассматривать схему двухтрансформаторной подстанции, так как она отвечает требованиям по надежности электроснабжения. На подстанции «Правобережная» вместо силовых трансформаторов установлены автотрансформаторы. По сравнению с силовыми трансформаторами той же мощности автотрансформаторы обладают рядом преимуществ:
- меньший расход меди, стали, изоляционных материалов;
- меньшая масса, а, следовательно, меньшие габариты, что позволяет создавать автотрансформаторы больших номинальных мощностей, чем трансформаторы;
- меньшие потери и больший коэффициент полезного действия;
- более легкие условия охлаждения.
На подстанции установлены три автотрансформатора мощностью 125 МВА каждый. Проверим правильность их выбора. При этом будем считать, что работе находятся два автотрансформатора, а третий находится в резерве и используется для плавки гололеда. Для правильного выбора автотрансформаторов необходимо определить максимальную полную расчетную мощность. Эту мощность определим методом упорядоченных диаграмм. Данный метод является в настоящее время наиболее широко используемым при расчетах систем электроснабжения. Для определения максимальной полной расчетной мощности необходимо определить номинальную мощность приемников, которые получают электрическую энергию с шин 110 кВ, 35 кВ и 10 кВ подстанции «Правобережная». При проведении расчета не будем учитывать потери энергии в линиях электропередачи. Номинальная мощность всех приемников электрической энергии равна:
, кВт.
Для определения максимальной полной расчетной мощности необходимо знать коэффициент максимума и коэффициент использования. Согласно [1], примем коэффициент использования равным 0,5. Коэффициент максимума определим из графика, представленного на рис. 1.5.
.
Тогда максимальная активная расчетная нагрузка равна:
, кВт.
Средняя активная и реактивная нагрузка за наиболее загруженную смену равна:
, кВт;
, кВАр.
Максимальная реактивная расчетная нагрузка равна:
, кВАр.
Теперь, зная максимальную расчетную активную и реактивную нагрузку, определяем максимальную полную расчетную нагрузку:
, кВА.
Средняя расчетная нагрузка за наиболее загруженную смену равна:
, кВА.
При выборе типа, числа и мощности автотрансформаторов будем рассматривать два варианта. В первом варианте предусмотрим установку двух автотрансформаторов, а во втором — трех. Эти два варианта будем рассматривать одновременно. Тогда номинальная мощность, согласно [1], автотрансформатора определяется по формуле:
,
где Sн.т.п. – номинальная паспортная мощность автотрансформатора, кВА;
с.г. – среднегодовая температура, 0С.
Среднегодовая температура в городе Липецке равна 50С. следовательно, номинальная мощность автотрансформатора равна номинальной паспортной мощности. Так как подстанция «Правобережная» снабжает электрической энергией потребителей I и II категории, а также учитывая необходимость 100%-ного резервирования, номинальная мощность одного автотрансформатора для двух вариантов равна:
, кВА;
, кВА,
где n – количество рассматриваемых автотрансформаторов.
Данная номинальная мощность соответствует сегодняшнему распределению нагрузок. В действительности подстанция рассчитана на преобразование и распределение большей мощности. Выбор типа, числа и мощности автотрансформаторов проведем по сегодняшним данным. По справочнику [2] выбираем для первого варианта два автотрансформатора типа АТДЦТН – 125000/220/110, а для второго варианта — три АТДЦТН – 63000/220/110. Мощность автотрансформаторов необходимо определять с учетом его перегрузочной способности. Систематическая перегрузка характеризуется коэффициентом заполнения графика:
.
Допустимая нагрузка автотрансформатора в часы максимума для двух вариантов соответственно равны:
, кВА;
, кВА.
Тогда коэффициент загрузки равен:
;
.
Определяем коэффициент допустимой перегрузки автотрансформатора зимой:
;
.
Так как перегрузка не должна превышать 15%, то для всех вариантов примем:
.
Суммарный коэффициент кратности допустимой перегрузки равен:
;
.
Допустимая перегрузка на автотрансформаторы с учетом допустимой систематической перегрузки в номинальном режиме равна:
, кВА;
, кВА.
Из приведенного расчета следует, что оба варианта удовлетворяют поставленным условиям. По этому техническому расчету выбираем вариант, предусматривающий установку двух автотрансформаторов типа АТДЦТН – 125000/220/110. Установка трех автотрансформаторов типа АТДЦТН – 63000/220/110 технически нецелесообразна, так требует дополнительных затрат на транспортировку и монтаж. Окончательный вывод по выбору автотрансформаторов следует сделать после проведения экономического расчета.
1.5. Определение токов короткого замыкания
Определение токов короткого замыкания производится для выбора и проверки электрического оборудования подстанции, а также для проектирования устройств релейной защиты и автоматики. В электрических установках могут возникать различные виды коротких замыканий, которые сопровождаются резким увеличением тока. Все электрооборудование, которое устанавливается на объекте электроснабжения, должно быть устойчивым к токам короткого замыкания и выбираться с учетом этих токов. Согласно [3], различают следующие виды коротких замыканий:
- трехфазное, или симметричное, когда три фазы соединяются между собой;
- двухфазное — две фазы соединяются между собой;
- однофазное — одна фаза соединяется с нейтралью источника через землю;
- двойное замыкание на землю — две фазы соединяются между собой и с землей.
Короткие замыкания в сети возникают по следующим основным причинам:
- повреждение изоляции отдельных частей электроустановок;
- неправильные действия обслуживающего персонала;
- перекрытия токоведущих частей установок.
Расчет токов короткого замыкания с учетом действительных характеристик и действительного режима работы всех элементов объекта электроснабжения весьма сложен. Для решения задач, представленных в данной работе, введем ряд допущений, которые значительно упростят расчеты и не внесут существенных погрешностей. К таким допущениям можно отнести:
- принимаем, что фазы ЭДС всех генераторов не изменяются в течение всего процесса короткого замыкания;
- не учитываем насыщение магнитных систем, что позволяет считать постоянными и не зависящими от тока индуктивные сопротивления всех элементов;
- пренебрегаем током намагничивания силовых трансформаторов;
- не учитываем емкостные проводимости элементов короткозамкнутой цепи на землю;
- считаем, что трехфазная система является симметричной;
- влияние нагрузки на ток короткого замыкания учитываем приближенно.
Указанные допущения приводят к незначительному преувеличению токов короткого замыкания (погрешность не превышает 10%, что допустимо). Выбранное по этим значением оборудование, будет иметь некоторый запас по току короткого замыкания. При расчете принимаем, что система обладает неограниченной мощностью. Это позволяет принять допущения, представленные выше. Расчетная схема объекта электроснабжения представлена на рис. 1.6. Подстанция «Правобережная» получает электрическую
Рис. 1.6. Расчетная схема объекта электроснабжения
энергию напряжением 220 кВ по линии «Правобережная» длиной 11,9 км. В расчете не будем учитывать отходящие линии напряжением 110 кВ, 35 кВ и 10 кВ. Расчет проведем в относительных единицах. Выбираем базисную мощность равную Sб = 100 МВА. Весь расчет будем вести относительно этой базисной мощности. При расчете необходимо учитывать, что линия напряжением 220 кВ является двухцепной. Согласно опытным данным погонное индуктивное сопротивление линии 220 кВ равно 0,4 Ом/км. Тогда относительное базисное сопротивление линии равно:
.
Для определения индуктивного сопротивления автотрансформаторов необходимо определить напряжения короткого замыкания для каждой обмотки. Для автотрансформатора №1 эти значения равны:
;
;
.
Аналогичным образом проводим расчет для остальных автотрансформаторов. Результаты расчета представлены в табл. 1.4.
|
Автотрансформатор №2 |
Автотрансформатор №3 |
|
|
ик,в |
8,06 |
16,25 |
|
ик,с |
0,36 |
–5,05 |
|
ик,н |
40,14 |
26,25 |
Теперь определим относительное сопротивление автотрансформаторов. Согласно [4] для трансформаторов и автотрансформаторов относительное базисное сопротивление равно:
;
;
.
Аналогичным образом определяются относительные базисные сопротивления других автотрансформаторов и трансформаторов. Результаты сведены в табл. 1.5.
Относительные базисные сопротивления автотрансформаторов и трансформаторов
|
Автотрансформатор №2 |
Автотрансформатор №3 |
х*5 |
х*6 |
х*7 |
||||
|
х*3,в |
х*3,с |
х*3,н |
х*4,в |
х*4,с |
х*4,н |
|||
|
0,064 |
0,003 |
0,321 |
0,13 |
0 |
0,21 |
0,056 |
0,062 |
0,058 |
Теперь, зная относительные базисные сопротивления всех элементов, можно определить токи короткого замыкания в соответствующих точках. Схема замещения для расчета токов короткого замыкания представлена на рис. 1.7. Тогда:
.
Базисный ток Iб при базисном напряжении Uб = 230 кВ равен:
Рис. 1.7. Схема замещения для расчета токов короткого замыкания
, кА.
Тогда ток короткого замыкания в точке (к-1):
, кА;
, кА;
, МВА.
Для расчета тока короткого замыкания в точке (к-2) принимаем за базисное напряжение Uб = 10,5 кВ. Все относительные базисные сопротивления, необходимые для расчета, следует привести к этому базисному напряжению. Тогда результирующее относительное сопротивление линии электропередачи напряжением 220 кВ равно:
.
Относительное базисное сопротивление обмотки высшего напряжения автотрансформатора также необходимо привести к базисному напряжению 37 кВ. Тогда:
.
Теперь, когда все необходимые относительные базисные сопротивления приведены к расчетному сопротивлению, определяем относительное результирующее сопротивление:
Базисный ток Iб при базисном напряжении 37 кВ равно:
, кА.
Ток короткого замыкания в точке (к-2) равен:
, кА;
, кА;
, МВА.
В остальных точках ток короткого замыкания определяется аналогично. Расчет приведен в Приложении 1, а результаты сведены в табл. 1.6.
|
к-1 |
Iп(к-1) |
кА |
62,75 |
|
Iу(к-1) |
кА |
159,735 |
|
|
S(к-1) |
МВА |
24998 |
|
|
к-2 |
Iп(к-2) |
кА |
10,0 |
|
Iу(к-2) |
кА |
25,46 |
|
|
S(к-2) |
МВА |
641 |
Окончание табл. 1.6
|
к-3 |
Iп(к-3) |
кА |
45,64 |
|
Iу(к-3) |
кА |
116,18 |
|
|
S(к-3) |
МВА |
9091 |
|
|
к-4 |
Iп(к-4) |
кА |
12,19 |
|
Iу(к-4) |
кА |
31,03 |
|
|
S(к-4) |
МВА |
781 |
|
|
к-5 |
Iп(к-5) |
кА |
18,15 |
|
Iу(к-5) |
кА |
46,20 |
|
|
S(к-5) |
МВА |
330 |
1.6. Выбор и проверка электрических аппаратов
1.6.1. Проверка электрических аппаратов по номинальному току и току короткого замыкания. Надежная работа любого объекта электроснабжения обеспечивается только тогда, когда каждый выбранный аппарат соответствует как условиям номинального режима, так и условиям работы при коротких замыканиях. Поэтому электрооборудование сначала выбираем по номинальным параметрам, а затем осуществляем проверку на действие токов короткого замыкания.
1.6.1.1. Выбор и проверка выключателей высокого напряжения. На подстанции «Правобережная» применяются выключатели типа У – 220 – 10, МКП – 110 – 5, МКП – 35, ВМГ – 133 и ВМП – 10. Выключатель является основным аппаратом на подстанции, он служит для включения и отключения цепи в любых режимах: длительная нагрузка, перегрузка, короткое замыкание, холостой ход, несинхронная работа. Наиболее тяжелой операцией является отключение трехфазного короткого замыкания и включение на существующее короткое замыкание. К выключателям предъявляются следующие требования:
- надежное отключение любых токов;
- быстрота действия, то есть наименьшее время отключения;
- пригодность для быстродействующего автоматического повторного включения;
- возможность пофазного (пополюсного) управления;
- легкость ревизии и осмотра контактов;
- взрыво- и пожаробезопасность;
- удобство транспортировки и эксплуатации.
Выключатели высокого напряжения выбираются по номинальному напряжению, току, номинальному току отключения, по ударному току, по термической устойчивости. Параметры выбора выключателей представлены в табл. 1.7.
Таблица 1.7
|
Тип |
Расчетный параметр электрической цепи |
Каталожные данные оборудования |
Условие выбора |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
У – 220 – 10 |
Uном, с, кВ |
220 |
Uном,, кВ |
220 |
Uном, с Uном |
|
Iном, с, А |
1000 |
Iном, А |
2000 |
Iном, с Iном |
|
|
Iкз, р, кА |
62,75 |
Iп, кА |
26,3 |
Iкз, р Iп |
|
|
Iу, р, кА |
159,735 |
Iу, кА |
82 |
Iу, р Iу |
|
|
Sкз, МВА |
24998 |
Sотк, МВА |
10000 |
Sкз Sотк |
|
|
МКП – 110 – 5 |
Uном, с, кВ |
110 |
Uном, кВ |
110 |
Uном, с Uном |
|
Iном, с, А |
1000 |
Iном, А |
1000 |
Iном, с Iном |
|
|
Iкз, р, кА |
45,64 |
Iп, кА |
18,4 |
Iкз, р Iп |
|
|
Iу, кА |
116,18 |
Iу, кА |
52 |
Iу, р Iу |
|
|
Sкз, МВА |
9091 |
Sоткл, МВА |
3500 |
Sкз Sотк |
|
|
МКП – 35 |
Uном, с, кВ |
35 |
Uном, кВ |
35 |
Uном, с Uном |
|
Iном, с, А |
300 |
Iном, А |
600 |
Iном, с Iном |
|
|
Iкз, р, кА |
12,19 |
Iп, кА |
12,5 |
Iкз, р Iп |
|
|
Iу, кА |
31,03 |
Iу, кА |
30 |
Iу, р Iу |
|
|
Sкз, МВА |
781 |
Sоткл, МВА |
350 |
Sкз Sотк |
|
|
ВМГ – 133 |
Uном, с, кВ |
10 |
Uном, кВ |
10 |
Uном, с Uном |
|
Iном, с, А |
200 |
Iном, А |
600 |
Iном, с Iном |
|
|
Iкз, р, кА |
18,15 |
Iп, кА |
20,0 |
Iкз, р Iп |
|
|
Iу, кА |
46,20 |
Iу, кА |
52 |
Iу, р Iу |
|
|
Sкз, МВА |
330 |
Sоткл, МВА |
100 |
Sкз Sотк |
Окончание табл. 1.7
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
ВМП – 10 |
Uном, с, кВ |
10 |
Uном, кВ |
10 |
Uном, с Uном |
|
Iном, с, А |
200 |
Iном, А |
600 |
Iном, с Iном |
|
|
Iкз, р, кА |
18,15 |
Iп, кА |
19,3 |
Iкз, р Iп |
|
|
Iу, кА |
46,20 |
Iу, кА |
52 |
Iу, р Iу |
|
|
Sкз, МВА |
330 |
Sоткл, МВА |
200 |
Sкз Sотк |
На основании сравнения результатов, представленных в табл. 1.7, с параметрами реально существующего на сегодняшний день электрооборудования подстанции «Правобережная» видно, что часть оборудования не подходит по ряду параметров. Поэтому я предлагаю, на основании [1], заменить выключатели У – 220 – 10 на выключатели серии С – 220 – 25 или ВМТ – 220Б, выключатели МКП – 110 – 5 — на выключатели У – 110 – 2000 – 50.
1.6.1.2. Выбор и проверка разъединителей и отделителей. Разъединитель — это контактный коммутационный аппарат, предназначенный для отключения и включения электрической цепи без тока или с незначительным током, который для обеспечения безопасности имеет между контактами в отключенном положении изоляционный промежуток. Отделитель внешне не отличается от разъединителя, но у него для отключения имеется пружинный привод. Недостатком существующих конструкций отделителей является довольно большое время отключения (0,4 – 0,5 с). Проверка, установленный на подстанции разъединителей и отделителей, представлена в табл. 1.8.
Таблица 1.8
Параметры выбора разъединителей и отделителей
|
Тип |
Расчетный параметр электрической цепи |
Каталожные данные оборудования |
Условия выбора |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
РЛНД – 1 – 220/2000, РЛНД – 2 – 220/2000 |
Uном, с, кВ |
220 |
Uном, кВ |
220 |
Uном, с Uном |
|
Iном, с, А |
1000 |
Iном, А |
1000 |
Iном, с Iном |
|
|
Iкз, р, кА |
62,75 |
Iп, кА |
31 |
Iкз, с Iп |
|
|
Вк, кАс |
108,9 |
Iтер, кА |
15 |
Вк I2тер tтер |
|
|
tтер, с |
10 |
Окончание табл. 1.8
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
РЛНД – 1 – 110/1000, РЛНД – 2 – 110/1000 |
Uном, с, кВ |
110 |
Uном, кВ |
110 |
Uном, с Uном |
|
Iном, с, А |
1000 |
Iном, А |
1000 |
Iном, с Iном |
|
|
Iкз, р, кА |
45,64 |
Iп, кА |
31 |
Iкз, с Iп |
|
|
Вк, кАс |
52,2 |
Iтер, кА |
15 |
Вк I2тер tтер |
|
|
tтер, с |
10 |
||||
|
РЛНД – 1 – 35/600, РЛНД – 2 – 35/600 |
Uном, с, кВ |
35 |
Uном, кВ |
35 |
Uном, с Uном |
|
Iном, с, А |
300 |
Iном, А |
600 |
Iном, с Iном |
|
|
Iкз, р, кА |
12,19 |
Iп, кА |
31 |
Iкз, с Iп |
|
|
Вк, кАс |
28,8 |
Iтер, кА |
12 |
Вк I2тер tтер |
|
|
tтер, с |
10 |
||||
|
ОД – 220/1000 |
Uном, с, кВ |
220 |
Uном, кВ |
220 |
Uном, с Uном |
|
Iном, с, А |
1000 |
Iном, А |
1000 |
Iном, с Iном |
|
|
Iкз, р, кА |
62,75 |
Iп, кА |
31 |
Iкз, с Iп |
|
|
Вк, кАс |
108,9 |
Iтер, кА |
15 |
Вк I2тер tтер |
|
|
tтер, с |
10 |
Из табл. 1.8 видно, что установленное оборудование полностью подходит по условиям эксплуатации.
1.6.1.3. Выбор трансформаторов напряжения. Трансформатор напряжения предназначен для понижения высокого напряжения до стандартного значения 100 В или 100/ В и для отделения цепей измерения и релейной защиты от первичных цепей высокого напряжения. Существуют трансформаторы напряжения различного класса точности. Погрешность зависит от конструкции магнитопровода, магнитной проницаемости стали и от cos вторичной нагрузки. На подстанции «Правобережная» установлены трансформаторы напряжения НКФ – 220, НКФ – 110 и 3НОМ – 35. Трансформатор напряжения НКФ – 110 имеет двухстержневой магнитопровод, на каждом стержне которого расположена обмотка ВН, рассчитанная на половину фазного напряжения UФ/2. Так как общая точка обмотки ВН соединена с магнитопроводом, то он по отношению к земле находится под потенциалом Uф/2. Трансформаторы напряжения НКФ – 220 состоят из двух блоков, установленных один над другим, то есть имеют два магнитопровода и четыре ступени каскадной обмотки ВН с изоляцией на Uф/4. Проведем выбор и проверку трансформаторов напряжения. Результаты выбора сведем в табл. 1.9.
Таблица 1.9
Выбор трансформаторов напряжения
|
Тип электрооборудования |
Расчетный параметр электрической цепи |
Каталожные данные оборудования |
Условие выбора |
||
|
НКФ – 220 |
Uуст, кВ |
220 |
Uном, кВ |
220 |
Uуст Uном |
|
НКФ – 110 |
Uуст, кВ |
110 |
Uном, кВ |
110 |
Uуст Uном |
|
3НОМ – 35 |
Uуст, кВ |
35 |
Uном, кВ |
35 |
Uуст Uном |
1.6.1.4. Выбор сечения проводов воздушных линий. Воздушные линии предназначены для передачи и распределения электрической энергии по проводам на открытом воздухе. Провода при помощи изоляторов и арматуры прикрепляются к опорам или кронштейнам на зданиях и сооружениях. При выборе сечения проводов необходимо учитывать ряд технических и экономических факторов:
- нагрев от длительного выделения тепла рабочим телом;
- нагрев от кратковременного выделения тепла током короткого замыкания;
- падение напряжения в проводах воздушной линии от прохождения тока в нормальных и аварийных режимах;
- механическая прочность — устойчивость к механической нагрузке (собственный вес, гололед, ветер);
- «коронирование» — фактор, зависящий от величины применяемого напряжения, сечения провода и окружающая среда.
На подстанции «Правобережная» в основном применяются двухцепные линии. Это сделано для того, чтобы снизить индуктивное сопротивление линии. Уменьшение индуктивного сопротивления линии приводит к уменьшению потерь мощности при передачи электрической энергии, что улучшает экономические характеристики. Для защиты линии электропередачи от прямых ударов молнии используются грозозащитные тросы сечением 70 мм2 для линий 220 кВ и 50 мм2 для линий 110 кВ.
Выбор сечения проводов линий электропередачи проводится по экономической плотности тока. Тогда, согласно [5]:
, (1.5)
где Iрасч – максимальный расчетный ток в линии, А;
jэк – экономическая плотность тока, А/мм2.
Согласно [5], экономическая плотность тока jэк для алюминиевых проводов равна 1,0 А/мм2. Для окончательного выбора необходимо проверить провод по допустимой потери напряжения:
, (1.6)
где - активная мощность, кВт;
- реактивная мощность, кВАр;
- активное сопротивление линии, Ом;
- индуктивное сопротивление линии, Ом;
l – длина линии, км;
U – напряжение сети, кВ.
Проверим правильность выбора проводов, используемых на воздушных линиях, отходящих от подстанции «Правобережная». Марки используемых на подходящих и отходящих воздушных линиях представлены в табл. 1.10.
Таблица 1.10
Марки используемых проводов на соответствующих линиях
|
Правобережная |
Донская |
Сухая Лубна |
Центролит |
Московская |
Бугор |
Лебедянь |
Вербилово |
Кирпичный завод |
ЛОЭЗ |
Мясокомбинат |
Борино |
|
АСО – 300 |
АС – 185 |
АС – 185 |
АС – 185 |
АС – 185 |
АС – 185 |
АС – 185 |
АС – 185 |
АС – 95 |
АС – 95 |
АС – 95 |
АС – 95 |
Тогда, согласно формуле (1.6), потеря напряжения для линии «Правобережная» напряжением 220 кВ равна:
, В.
Теперь определим допустимую потерю напряжения в линии. Допускается потеря напряжения в линии не более 5%. То есть:
, В.
Из расчета видно, что потеря напряжения в линии меньше допустимых величин U Uдоп, следовательно данный провод подходит. Для остальных линий расчет проводится аналогично. Результаты расчета представлены в табл. 1.11.
Таблица 1.11
Потери напряжения в воздушные линии
|
Донская |
Сухая Лубна |
Центролит |
Московская |
Бугор |
Лебедянь |
Вербилово |
Кирпичный завод |
ЛОЭЗ |
Мясокомбинат |
Борино |
|
4278 |
2980 |
420 |
591 |
305 |
7153 |
1980 |
31,3 |
163 |
93,9 |
479 |
Теперь определим допустимые потери напряжения в линиях напряжением 110 кВ и 35 кВ. При этом допускается потеря напряжения не более 5%:
, В;
, В.
Из расчета видно, что выбранная марка провода на всех воздушных линиях, кроме линии «Лебедянь», так как падение напряжения меньше допустимого значения. Для линии «Лебедянь» необходимо выбрать провод большего сечения, либо уменьшить протекающий по проводам номинальный ток.
По условиям механической прочности на линиях электропередачи напряжением более 1000 В применяются многопроволочные провода. Необходимо выполнение условия:
. (1.7)
однако проверка по условию (1.7) для линий электропередачи напряжением выше 1000 В как правило не производится, так как в большинстве случаев значение Fмин.мех. оказываются меньше требуемых по другим условиям сечений. Условием, определяющим допустимость использования того или иного сечения проводов линий электропередачи с точки зрения экономически приемлемого уровня потерь мощности и электроэнергии на «корону», является ограничение максимальной напряженности электрического поля на поверхности проводов. В [5] приведены минимальные сечения проводов для выполнения этого условия. Выбранные выше провода для воздушных линий напряжением 220 кВ, 110 кВ и 35 кВ превосходят минимальные допустимые значения. Следовательно данные провода подходят.
1.7. Оценка уровня надежности подстанции «Правобережная»
Оценка уровня надежности электроэнергетических объектов является основным в комплексе предъявляемых к ним требований. В некоторых энергетических системах число аварий достигает нескольких десятков в год, а годовой недоотпуск электрической энергии в результате аварий — несколько миллиардов киловатт-часов. При такой высокой аварийности оценка надежности отдельных видов оборудования и установок и поиск возможных путей повышения надежности становятся первоочередными задачами. С другой стороны, оценив ущерб, нанесенный потребителям перерывом электроснабжения, убытки, вызванные аварийным ремонтом, а также расходы, связанные с повышением надежности, можно ставить вопрос об оптимальном уровне надежности электроэнергетических установок. С внедрением новой техники проблема надежности основного оборудования становится одной из главных.
Все электроприемники, которые получают электроэнергию с шин 110 кВ, 35 кВ и 10 кВ подстанции «Правобережная», по надежности электроснабжения относятся к I и II категории. Поэтому необходимо обеспечить качественное и надежное электроснабжения всех приемников. Для качественного и надежного электроснабжения необходима безотказная работа всех элементов, установленных на подстанции. Для упрощения оценки сделаем следующее допущение: одновременное появление отказов двух, а, тем более, нескольких элементов последовательного их соединения, в отношении надежности считается невозможным;
Схема замещения подстанции «Правобережная» для оценки надежности представлена на рис. 1.8. Оценка надежности будем проводить на основании классического метода расчета надежности. Данный метод выбран на основании того, что является простым и доступным для проведения расчета. Показатели надежности отдельных элементов получены на основании расчетов, представленных в [6], а также на основании данных полученных на предприятии. Показатели надежности отдельных элементов представлены в табл. 1.12 и табл. 1.13.
Таблица 1.12
Показатели надежности трансформатора и масляного выключателя
|
Трансформатор |
Внезапные отказы |
, ч. |
27097,5 |
|
Постепенные отказы |
, ч. |
45845 |
|
|
Вероятность безотказной работы |
|||
|
Восстановление |
, ч. |
0,05 |
|
|
Выключатель |
Внезапные отказы |
, ч. |
7903,6 |
|
Постепенные отказы |
, ч. |
167598 |
|
|
Вероятность безотказной работы |
|||
|
Восстановление |
, ч. |
0,04 |
|
Рис. 1.8. Схема замещения подстанции «Правобережная» относительно надежности
где 1 – линия электропередачи;
2 – разъединитель;
3 – шины;
4 – масляный выключатель;
5 – отделитель;
6 – короткозамыкатель;
7 – трансформатор.
Таблица 1.13
Показатели надежности разъединителя, отделителя, короткозамыкателя и шин
|
Разъединитель |
Отказ |
, ч. |
42434,8 |
|
Восстановление |
, 1/ч. |
0,1 |
|
|
Отделитель |
Отказ |
, ч. |
6821,8 |
|
Восстановление |
, 1/ч. |
0,33 |
|
|
Короткозамыкатель |
Отказ |
, ч. |
5141,6 |
|
Восстановление |
, 1/ч. |
0,18 |
|
|
Сборные шины |
Отказ |
, ч. |
12269,4 |
|
Восстановление |
, 1/ч. |
0,3 |
|
Так как от подстанции «Правобережная» потребители получают электрическую энергию напряжением 110 кВ, 35 кВ и 10 кВ, то необходимо определить надежность их электроснабжения. Расчет проводится на основании показателей надежности, представленных выше. Так как расчет для приемников различного напряжения проводится аналогично, то рассмотрим только схему электроснабжения приемников напряжением 35. Определим суммарную интенсивность отказов цепи:
, 1/ч.
Аналогичным образом находим суммарную интенсивность отказов остальных цепей. Результаты расчета представлены в табл. 1.14.
Таблица 1.14
Интенсивность отказов цепей схемы замещения
|
э2, 1/ч. |
э3, 1/ч. |
э4, 1/ч. |
э5, 1/ч. |
э6, 1/ч. |
|
2,0110 –5 |
1,7910 –6 |
2,9010 –6 |
2,9010 –6 |
3,5110 –6 |
Эквивалентная схема замещения системы электроснабжения приемников напряжением 35 кВ представлена на рис. 1.9. Теперь определим суммарную интенсивность отказов схемы электроснабжения потребителей напряжением 35 кВ:
, 1/ч.
Среднее время безотказной работы системы электроснабжения потребителей напряжением 35 кВ:
, ч.
Среднее время восстановления системы электроснабжения потребителей напряжением 35 кВ равно:
Рис. 1.9. Эквивалентная схема замещения системы электроснабжения приемников напряжением 35 кВ
, ч.
Коэффициент готовности системы электроснабжения потребителей напряжением 35 кВ:
.
Вероятность безотказной работы системы на интервале времени от 0 до t0:
.
Так как приемники, получающие электрическую энергию напряжением 35 кВ от подстанции «Правобережная», относятся к I и II категории по надежности, то необходимо обеспечить резервирование. Поэтому электрическая энергия на шины 35 кВ поступает с двух автотрансформаторов. Определим надежность системы электроснабжения с учетом резервирования. Система может находиться в четырех состояниях: три работоспособные и одно — отказ.
- оба элемента работоспособны;
- первый элемент отказал, второй работоспособен;
- первый работоспособен, а второй отказал;
- оба элемента отказали.
При расчете будем считать, что система состоит из двух параллельных ветвей. Из расчета, представленного выше, известно:
, 1/ч;
, ч.;
, ч.
Тогда:
;
;
;
.
Тогда коэффициент готовности системы:
.
Коэффициент простоя системы:
.
Теперь определим интенсивность отказов системы из этих резервированных элементов:
, 1/ч.
Среднее время безотказной работы:
, ч.
Из расчета видно, что при резервировании среднее время безотказной работы системы достигает 9248 лет, что значительно превышает срок службы любого оборудования.
2. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
2.1. Общие сведения
2.1.1. Назначение релейной защиты. В энергетических системах могут возникать повреждения и ненормальные режимы работы электрооборудования электростанций и подстанций, их распределительных устройств, линий электропередачи и электроустановок потребителей электрической энергии. Повреждения в большинстве случаев сопровождаются значительным увеличением тока и глубоким понижением напряжения в элементах энергосистемы. Повышенный ток выделяет большое количество тепла, вызывающее разрушения в месте повреждения и опасный нагрев неповрежденных линий и оборудования, по которым этот ток проходит. Понижение напряжения нарушает нормальную работу потребителей электроэнергии и устойчивость параллельной работы генераторов и энергосистемы в целом. Ненормальные режимы обычно приводят к отклонению величин напряжения, тока и частоты от допустимых значений. При понижении частоты и напряжения создается опасность нарушения нормальной работы потребителей и устойчивости энергосистемы, а повышение напряжения и тока угрожает повреждением оборудования и линий электропередачи. Таким образом, повреждения нарушают работу энергосистемы и потребителей электроэнергии, а ненормальные режимы создают возможность возникновения повреждений или расстройства работы энергосистемы.
Для обеспечения нормальной работы энергетической системы и потребителей электроэнергии необходимо как можно быстрее выявлять и отделять место повреждения от неповрежденной сети, восстанавливая таким путем ненормальные условия их работы и прекращая разрушения в месте повреждения. Поэтому возникает необходимость в создании и применении автоматических устройств, выполняющих указанные операции и защищающих систему и ее элементы от опасных последствий повреждений и ненормальных режимов.
Первоначально в качестве подобной защиты применялись плавкие предохранители. Затем были созданы защитные устройства, выполняемые при помощи специальных автоматов — реле, получившие название релейной защиты.
Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная и надежная работа современных энергетических систем. Она осуществляет непрерывный контроль за состоянием и режимом работы всех элементов энергосистемы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений защита выявляет и отключает от системы поврежденный участок, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения. При возникновении ненормальных режимов защита выявляет их и в зависимости от характера нарушения производит операции, необходимые для восстановления нормального режима, или подает сигнал дежурному персоналу.
2.1.2. Требования, предъявляемые к релейной защите. Эти требования делятся на две большие группы:
- требования к защите от коротких замыканий;
- требования к защитам от ненормальных режимов.
Требования к защите от коротких замыканий:
- селективность;
- быстродействие;
- чувствительность;
- надежность.
Селективность — это способность защиты отключать при коротких замыканиях только поврежденный участок сети. Таким образом, селективное отключение повреждения является основным условием для обеспечения надежного электроснабжения потребителей.
Быстродействие — это способность защиты отключать повреждения с возможно большей быстротой для ограничения размеров разрушения оборудования, повышения эффективности автоматического повторного включения линий и сборных шин, уменьшения продолжительности снижения напряжения у потребителей у потребителей и сохранения устойчивости параллельной работы генераторов, электростанций и энергосистемы в целом.
Чувствительность — это способность защиты реагировать на повреждения в минимальных режимах системы электроснабжения, когда изменение воздействующей величины, то есть величины, на которую реагирует защита, будет минимальной. Чувствительность защиты оценивается коэффициентом чувствительности. Коэффициент чувствительности есть отношение между значением воздействующей величины при повреждении защищаемой зоны и установленным на защите параметром ее срабатывания. Для защит, реагирующих на ток:
,
где Iкз.min – минимальный ток короткого замыкания;
Iс.з. – ток срабатывания защиты.
Надежность — это способность защиты выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение определенного промежутка времени.
Защиты от ненормальных режимов, так же как и защиты от коротких замыканий, должны обладать селективностью, чувствительность и надежностью. Быстродействие от этих защит, как правило, не требуется. Часто ненормальные режимы носят кратковременный характер и самоликвидируются, например кратковременная перегрузка при пуске асинхронного электродвигателя. В тех случаях, когда устранение ненормальных режимов может произвести дежурный персонал, защита от ненормальных режимов может выполняться с действием только на сигнал.
2.2. Виды релейной защиты
2.2.1. Токовая защита. Защита, для которой воздействующей величиной является ток, называется токовой защитой. Этот вид защиты в системах электроснабжения получил наибольшее распространение. Первыми токовыми защитами были плавкие предохранители. Суть защиты плавким предохранителем заключается в том, что при протекании большого тока плавкая вставка разрушается и цепь разрывается. В токовых защитах применяются электромагнитные реле максимального и минимального тока. Реле максимального тока действует при превышении воздействующей величины тока срабатывания реле, а реле минимального тока — при снижении воздействующей величины менее тока срабатывания реле. Токовые защиты делятся на максимальные токовые защиты и токовые отсечки. Токовая отсечка — это защита, которая срабатывает мгновенно.
2.2.2. Защита по напряжению. Для данного вида защиты воздействующей величиной является напряжение. Защита по напряжению, как и токовая защита, выполняется на электромагнитных реле максимального и минимального напряжения.
2.2.3. Токовая направленная защита. Направленной называется защита, которая действует при определенном направлении мощности короткого замыкания. Данный вид защиты применяется в сетях с двухсторонним питанием. Защита в этих сетях должна не только реагировать на появление тока короткого замыкания, но для обеспечения селективности должна также учитывать направление мощности короткого замыкания в защищаемой линии или, иначе говоря, фазу тока в линии относительно напряжения на шинах. Направление мощности короткого замыкания, проходящей по линии, характеризует, где возникло повреждение: на защищаемой линии или на других присоединениях, отходящих от шин данной подстанции. Это обстоятельство используется в токовой направленной защите, которая по знаку мощности определяет, на каком присоединении возникло повреждение, и действует только при коротком замыкании на защищаемом участке.
2.2.4. Дистанционная защита. Данный вид защиты применяется в сетях сложной конфигурации, например, кольцевая сеть с двухсторонним питанием. Выдержка времени дистанционной защиты зависит от расстояния между местом установки защиты и точкой короткого замыкания. При этом ближайшая к месту повреждения дистанционная защита всегда имеет меньшую выдержку времени, чем более удаленные защиты, благодаря этому автоматически обеспечивается селективное отключение поврежденного участка. Основным элементом дистанционной защиты является дистанционный орган, определяющий удаленность короткого замыкания от места установки защиты. В качестве дистанционного органа используются реле сопротивления, непосредственно или косвенно реагирующие на полное, активное или реактивное сопротивление линии.
2.2.5. Дифференциальная защита. Принцип действия дифференциальной защиты основан на сравнении величины и фазы токов в начале и конце защищаемого участка. Данная защита обеспечивает мгновенное отключение короткого замыкания в любой точке защищаемого участка и обладает селективностью при коротком замыкании за пределами защищаемой зоны. Дифференциальные защиты подразделяются на продольные и поперечные. Первые служат для защиты как одинарных, так и параллельных линий, вторые — только параллельных линий.
2.2.6. Высокочастотная защита. Высокочастотные защиты являются быстродействующими и предназначаются для линий средней и большой длины. Они применяются в тех случаях, когда по условиям устойчивости или другим причинам требуется быстрое двухстороннее отключение короткого замыкания в любой точке защищаемого участка. Удовлетворяющие этому же требованию продольные дифференциальная защита непригодна для длинных линий вследствие высокой стоимости соединительного кабеля и недопустимого увеличения его сопротивления. По принципу действия высокочастотная защита не реагирует на короткие замыкания вне защищаемого участка и поэтому, так же как и дифференциальные защиты, не имеют выдержки времени. Существует два вида высокочастотных защит:
- направленная защита с высокочастотной блокировкой, то есть с блокировкой токами высокой частоты, основанная на сравнении направлений мощности короткого замыкания по концам защищаемой линии;
- дифференциально-фазные высокочастотная защита, основанная на сравнении фаз токов по концам линии.
2.3. Элементы релейной защиты
Устройства релейной защиты, согласно [8], состоят из нескольких реле, соединенных друг с другом по определенной схеме. Реле представляет собой автоматическое устройство, которое приходит в действие при определенном значении воздействующей на него входной величины. В релейной защите применяются реле с контактами — электромеханические, бесконтактные — на полупроводниках или на ферромагнитных элементах. У первых при срабатывании замыкаются или размыкаются контакты, у вторых — при определенном значении входной величины х скачкообразно меняется выходная величина у.
Каждый комплект релейной защиты подразделяется на две части:
- реагирующая;
- логическая.
Реагирующая часть является главной, она состоит из основных реле, которые непрерывно получают информацию о состоянии защищаемого элемента и реагируют на повреждения или ненормальные режимы, подавая соответствующие команды на логическую часть защиты.
Логическая часть является вспомогательной, она воспринимает команды реагирующей части и, если их значение, последовательность и сочетание соответствуют заданной программе, происходит заранее предусмотренные операции и подает управляющий импульс на отключение выключателей. Логическая часть может выполнятся с помощью электромеханических реле или схем с использованием полупроводниковых приборов. В соответствии с этим делением защитных устройств реле также делятся на две группы:
- основные, реагирующие на повреждения;
- вспомогательные, действующие по команде первых и используемые в логической части схемы.
В качестве реагирующих реле применяют:
- токовые реле, реагирующие на величину тока;
- реле напряжения, реагирующие на величину напряжения;
- реле сопротивления, реагирующие на изменение сопротивления.
Кроме того, широкое распространение получили реле мощности, реагирующие на величину и направление мощности короткого замыкания, проходящий через место установки защиты. Для защит от ненормальных режимов, так же как и для защит от коротких замыканий, используются реле тока и напряжения. Первые служат в качестве реле, реагирующих на перегрузку, а вторые — на опасное повышение или снижение напряжения в сети. Кроме того, применяется ряд специальных реле, например, реле частоты, действующее при недопустимом снижении или повышении частоты; тепловые реле, реагирующие на увеличение тепла, выделяемое током при перегрузках.
К числу вспомогательных реле относятся:
- реле времени, служащие для замедления действия защиты;
- реле указательные, служащие для сигнализации и фиксации действия защиты;
- реле промежуточные, передающие действие основных реле на отключение выключателей и служащие для осуществления взаимной связи между элементами защиты.
В настоящее время в различных устройствах релейной защиты получили распространение интегральные транзисторно-транзисторные логические схемы [9]. Для устройств релейной защиты и автоматики широко применяются элементы интегральной высокопороговой транзисторно-транзисторной логики серии К155 и К511, предназначенных для работы в условиях повышенных электромагнитных помех.
Практика применения логических элементов показывает, что наиболее рациональным является применение в устройствах релейной защиты унифицированных логических элементов, реализующих последовательно две логические операции «ИЛИ – НЕ» и «И – НЕ». Они образуют функционально полную группу [10], то есть на основе элементов только одного из этих типов возможно построить любую заданную логическую схему. Однотипность логических элементов облегчает проектирование, изготовление и эксплуатацию устройств релейной защиты. Еще одним преимуществом унифицированных логических элементов, включающих в себя инверторы, является наличие в их схеме активного усилительного элемента, состоящего из одного или нескольких транзисторов. Это исключает возможность затухания уровня сигнала в цепочке из нескольких последовательно соединенных элементов.
При проектировании схем с интегральными логическими элементами типа К155 и К511 необходимо учитывать особенность режима работы выходных каскадов этих элементов при переходе выходного сигнала от 1 к 0 и наоборот. В момент перехода возможен кратковременный режим, когда открыты оба транзистора выходного каскада, что резко увеличивает потребляемый элементом ток. Такие броски тока могут вызвать резкие колебания напряжения питания элементов и вследствие этого сбои в работе узлов схемы. Для исключения таких сбоев непосредственно на выводах питания микросхем устанавливаются конденсаторы, с малой собственной индуктивностью, например типа КМ и КЛС.
3. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ
3.1. Причины аварий в энергосистеме
Анализ аварийности в энергосистеме является основной задачей расследования технологических нарушений. При этом под аварийностью будем понимать состояние системы, которое характеризуется числом нарушений и их последствиями за определенный период. При эксплуатации электрооборудования ежемесячно составляются сведения о числе нарушений за истекший период. На основании этого отчета определяются абсолютные и относительные изменения по сравнению с предыдущим периодом эксплуатации.
Использование методов надежности для анализа аварийности электрооборудования в энергосистеме связано с определенными трудностями. Данные методы направлены на оценку надежности и эффективности серийного оборудования. При известных параметрах надежности отдельных элементов системы эти методы позволяют оценить надежность связей между узлами системы. Однако, причинами нарушений являются не только неполадки в оборудовании, но и опасные внешние воздействия на элементы системы и ошибки человека при управлении технологическими процессами в энергосистеме. Поэтому необходимо учитывать поведение человека и влияние внешней среды существенно ограничивают применение теории надежности для целей анализа аварийности в энергосистеме. Функциональная модель возникновения аварий в энергосистеме представлена на рис. 3.1. Качественный