Производство, распределение и потребление электрической энергии обеспечивается совокупностью элементов – генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и т.п. называемых электроэнергетической системой (ЭС).

В процессе функционирования ЭС могут возникать короткие замыкания (к.з.), сопровождаемые увеличением токов через отдельные элементы ЭС. Без принятия специальных мер могут возникнуть режимы, способные повредить элементы ЭС и нарушит электроснабжение потребителей.

Под необходимыми мерами в этом случае следует понимать отключение к.з., переключение потребителей на другие цепи питания, автоматические повторные включения ранее отключенных элементов и т.п. Т.к. все процессы, связанные с электрическим током скоротечны, необходимо использовать автоматические устройства. В качестве которых в электроэнергетике используются устройства релейной защиты и автоматики.

Данный курсовой проект представляет собой задание, в процессе выполнения которого необходимо произвести расчёт токов к.з., выбор и обоснование вариантов защит и автоматик в соответствии с заданием.

1. Определение вариантов защит и каналов связи

1.1 Определение вариантов защит

Согласно главе 3.2 ПУЭ для ВЛ в сетях 110-500 кВ с эффективно заземленной нейтралью должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от многофазных замыканий и от замыканий на землю.

При выборе типа защит, устанавливаемых в линиях 110-220 кВ, должно быть учтено следующее:

1. Должны учитываться требования к сохранению устойчивости работы ЭС;

2. Повреждения, отключение которых с выдержкой времени может привести к нарушению работы ответственных потребителей, должны отключаться без выдержки времени;

3. При необходимости осуществления быстродействующего АПВ на линии должна быть установлена быстродействующая защита, обеспечивающая отключение повреждённой линии без выдержки времени с обеих сторон.

4. При отключении с выдержкой времени повреждений с токами, в несколько раз превосходящими номинальный, возможен недопустимый перегрев проводников;

5. Допускается применение быстродействующих защит в сложных сетях если это необходимо для обеспечения селективности.

По данным пункта 2 задания можно следующим образом характеризовать рассматриваемые линии:

1. W3D, W6D – одиночные линии напряжение 220 кВ, имеют питание с двух сторон (входят в кольцо 220 кВ «ПСЕ-ПС3-ПСД-ПСВ»), с выключателями на обоих концах;

2. W3C, W4C – параллельные линии 110 кВ, имеющие питание с двух сторон.

Для линий W3D, W6D, W3C, W4C от многофазных замыканий в качестве основной защиты необходимо принимать к установке продольную дифференциальную защиту линий; в качестве резервной - трёхступенчатую дистанционную защиту; от замыканий на землю – ступенчатую токовую направленную защиту нулевой последовательности.

Выбор в качестве основной защиты ДЗЛ можно обосновать тем, что это защита с абсолютной селективностью. Она обеспечивает отключение защищаемого объекта только при «внутреннем» к.з., не реагируя на «внешние» к.з. Принцип действия защиты основан на сравнении тока (геометрической разности) в начале и конце защищаемой линии. На примере продольной дифференциальной защиты линии W3C: с двух сторон линии установлены трансформаторы тока с одинаковыми коэффициентами трансформации. Условные положительные направления первичных токов каждой стороны приняты от шин, где установлена защита, в линию. Измерительный орган тока защиты включен на геометрическую сумму вторичных токов трансформаторов тока. В нормальном режиме, внешних к.з. и в режиме качаний сумма вторичных токов измерительных трансформаторов будет равна «0» (т.к. вторичные токи по модулю и противоположны по фазе ток в измерительном органе: ). При к.з. в защищаемой линии в общем случае токи по концам линии будут не равны и в измерительном органе защиты появится отличный от ноля ток, что приведет к срабатыванию защиты.

В качестве автоматических устройств на линиях W3C, W4C необходима установка АПВ, а на линияхW3D, W6D – ОАПВ. Учитывая установку ОАПВ защиты линий W3D, W6D должны выполняться так, чтобы:

1. При замыканиях на землю одной фазы было обеспечено отключение только одной фазы (с последующим её автоматическим повторным включением);

2. При неуспешном повторном включении на повреждения, указанные в п. 1, производилось отключение одной или трёх фаз в зависимости от того, предусматривается длительный неполнофазный режим работы линии или не предусматривается;

3. При других видах повреждения защита действовала на отключение трёх фаз[1] .

1.2 Выбор каналов связи между полукомплектами защит

Для работы абсолютно селективных защит, которые должны достоверно различать к.з. внутри защищаемого объекта и вне его, необходима информация о значениях электрических величин одновременно во всех присоединениях элемента к системе. Поэтому абсолютно селективные защиты используют специальные каналы связи, объединяющие все стороны защищаемого объекта. В качестве каналов связи используются проводные, высокочастотные, радиоканалы, а также оптоволоконные каналы связи[2] .

В проекте в качестве каналов связи между полукомплектами установленных на линиях защит принимаем оптоволоконные каналы связи. Данный выбор можно обосновать (не беря во внимание высокую стоимость) тем, что ВОЛС (волоконно-оптические линии связи) не подвержены внешним электромагнитным воздействиям (в отличии от проводных линий связи и радиоканалов), что, например, сводит к минимуму возможность ложного срабатывания защиты от воздействий коммутационных и атмосферных перенапряжений.

В качестве схемы подключения терминалов защиты к ВОЛС примем двухконцевую схему подключения. Схема представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 Двухконцевая схема подключения терминалов к ВОЛС[3]

1.3 Выбор терминалов защиты для рассматриваемых линий, архитектура комплекса защит и автоматик

Шкаф продольной дифференциальной защиты линии ШДЗЛ 110 кВ на базе терминалов серии «siprotec» фирмы Siemens AG[4]

Назначение

Шкаф предназначен для выполнения защиты от коротких замыканий воздушных и кабельных линий, с односторонним и многосторонним питанием в радиальных, кольцевых или сложных системах, с любым типом заземления нейтрали.

Шкаф обладает универсальными функциями, которые позволяют реализовать требуемую защиту линии электропередачи напряжением 35 – 220 кB и может использоваться в качестве основной быстродействующей защиты.

Основным преимуществом функции дифференциальной защиты является мгновенное отключение в случае короткого замыкания в любой точке введенной защищаемой зоны.

Внешний вид терминала защиты представлен на рисунке 1.3

Рисунок 1.3 Внешний вид терминала дифференциальной защиты линии ШДЗЛ

Дифференциальная защита линии выполнена на терминале серии «siprotec» с использованием следующих функций:

1. Продольная дифференциальная токовая защита (основной комплект) c использованием канала связи ВОЛС (вне зависимости от типа заземления нейтрали).

2. Внешнее прямое и удаленное отключения;

3. Максимальная токовая защита с выдержкой времени;

4. Быстродействующая защита максимального тока без выдержки времени при включении на повреждение;

5. АПВ;

6. УРОВ;

7. Защита от термической перегрузки.

Особенности:

· защита от всех типов коротких замыканий в системе вне зависимости от типа заземления нейтрали;

· надежное различие между условиями перегрузки и коротких замыканий, даже в случае повреждений с большим сопротивлением и малыми токами;

· высокая чувствительность в условиях слабой нагруженности, высокая устойчивость к скачкам нагрузки и качаниям мощности;

· благодаря пофазным измерениям чувствительность срабатываний не зависит от типа повреждения;

· нечувствительность к броскам токов и зарядным токам — даже при наличии трансформаторов в защищаемой зоне — и высокочастотным переходным процессам;

· высокая устойчивость при различной насыщенности трансформатора тока;

· адаптивная стабилизация, которая получается автоматически на основе замеряемых величин и сконфигурированных данных трансформатора тока;

· небольшая зависимость от частоты благодаря частотному слежению;

· связь между терминалами с помощью определенных подключений (в основном оптоволоконных) или системы коммуникаций;

· связь возможна через ISDN-сети или двухпроводные телефонные подключения (приблизительно до 8 км);

· быстрое пофазное отключение даже слабых или нулевых вводов;

· устойчивый контроль линий связи и сигнализация с выдержкой времени при автоматической подрегулировке;

· автоматическая замена линий связи в случае их повреждения или нарушении передачи;

· отключение терминалов на удаленных концах от внутренних функций защиты или внешнего устройства через бинарный вход;

· передача замеряемых величин от всех концов защищаемого объекта;

· передача до 4 быстрых команд на все удаленные концы защищаемого объекта;

· передача до 24 дополнительных бинарных сигналов на все удаленные концы защищаемого объекта.

Дополнительно в терминале предусмотрены:

1. Измерение режимных параметров;

2. Осциллографирование переходных процессов и регистрация аварийных событий.

2. Зоны контроля и действия защит

Зоны контроля и действия защит должны распространяться на весь защищаемый объект. Защищаемыми объектами выбранных защит являются линии, т.е. основные зоны действия защит распространяются на участки линий: W3D, W6D, W3C, W4C.

Также защиты должны обладать свойством дальнего резервирования, т.е. обеспечивать резервирование основной защиты ближайшего присоединения. Если рассматривать принятый к установке вид защиты (шкаф ДЗЛ), то в нём функцию дальнего резервирования будет играть максимальная токовая защита с выдержкой времени, именно она обеспечит отключение при длительном протекании тока к.з. (либо недопустимой перегрузки) в случае отказа защиты присоединения. В качестве примера линий, подпадающих под резервирование установленных защит, будут являться:

1. Для комплекта линии W3D – линия W1D;

2. Для комплекта линии W6D – линия W7D;

3. Для комплекта линии W3С – линия W1С;

4. Для комплекта линии W4С – линия W2С.

3. Определение мест расстановки измерительных трансформаторов

3.1 Места установки измерительных трансформаторов тока

Трансформаторы тока, как и трансформаторы напряжения, служат для разделения первичных и вторичных цепей, а также для приведения величин тока и напряжения к значению, удобному для измерения.

Для обеспечения выбранных защит всеми необходимыми данными по току в защищаемых линиях необходимо установить измерительные трансформаторы тока в цепи распределительных устройств 110-220 кВ за выключателями отходящих линий.

Для обеспечения работы защит основного оборудования подстанции измерительные трансформаторы также необходимо установить в следующих местах:

1. В цепи секционных выключателей рабочих шин 110-220 кВ – для автоматического управления секционными выключателями;

2. В цепи трансформаторов со стороны РУ 110 кВ и РУ 220 кВ – для обеспечения защиты трансформаторов.

3.2 Места установки измерительных трансформаторов напряжения

микропроцессор трансформатор ток релейное

Для обеспечения защит требуемыми данными по напряжению достаточно установки трансформаторов напряжения на каждую секцию РУ 110-220 кВ.

Требуемые места расстановки измерительных трансформаторов тока и напряжения представлены на полной схеме ПС Е формата А₁ курсового проекта.

4. Распределение функций релейной защиты и автоматических устройств по измерительным трансформаторам

Распределение функций защит и автоматик по измерительным трансформаторам наглядно иллюстрирует рисунок 4. На рисунке в качестве примера приведена одна рабочая система шин с отходящей линией.

Распределение функций задано в табличной форме где изображены: название функции защиты (автоматики) и её номер по международному стандарту IEEE.

Рисунок 4 Распределение функций релейной защиты и автоматики по измерительным трансформаторам

5. Объём и места снятия информации в автоматизированную систему управления подстанции

Автоматизированная система управления (АСУ-ТП) является универсальной системой, позволяющей производить автоматический контроль режимов работы всего оборудования подстанции, как основного силового, так и вторичных цепей РЗА и оперативного тока.

Необходимой информацией для АСУ-ТП является:

· Информация о положениях коммутационных устройств во вторичных цепях РЗА;

· Информация о положении автоматов оперативного тока;

· Информация о положении блок контактов всех выключателей ПС, а также разъединителей;

· Показания напряжения и тока с измерительных трансформаторов;

· Информация о перетоках мощности по подходящим (отходящим) линиям и загрузки трансформаторов.

Информация в АСУ-ТП поступает: от измерительных трансформаторов напряжения, установленных на рабочих секциях; счетчиков электрической энергии, установленных на подходящих линиях; непосредственно с блок-контактов выключателей и т.п.

6. Адреса действия защит и автоматик

Адреса действия защиты разделяются на два режима работы схемы, при которых защита должна работать.

1. Нормальный рабочий режим (секционные выключатели со стороны 110-220 кВ включены, выключатели в цепи трансформаторов и отходящих линий включены, линии в работе):

· Основные и резервные комплекты действуют на отключение выключателя отходящей линии и на пуск сигнала передачи телеотключающего импульса на противоположный конец ЛЭП;

· При отказе выключателя УРОВ действует через дифференциальную защиту ошиновки на отключение секционного выключателя и отключение автотрансформатора со стороны возникновения повреждения;

· АПВ (ОАПВ для случая ВЛ 220 кВ) с заданной выдержкой действует на повторное включение выключателя отходящей линии;

· Подаётся сигнал на сохранение отслеживаемой информации, записываемой автоматикой регистрации аварийных событий.

2. Ремонтный режим (секционные выключатели со стороны 110 (220) кВ отключен, выключатели в цепи трансформаторов и отходящих линий включены, линии в работе):

· Основной и резервный комплексы защит действуют аналогично нормальному режиму;

· УРОВ действует только на отключение выключателя автотрансформатора;

· Работа АПВ аналогична нормальному режиму работы;

7. Расчёт токов короткого замыкания

Расчёт токов к.з. необходимо производить для правильной настройки релейной защиты. Настройку РЗ необходимо производить по максимальному и минимальному току к.з. в данном пункте надо рассчитать токи трёхфазного к.з: .

7.1 Выбор линий и трансформаторов, расчёт параметров линий и трансформаторов

Для расчёта к.з. в зоне действия установленных защит необходимо произвести выбор автотрансформаторов, установленных на ПС Е, трансформаторов ПС Д и ПС К, а также всех линий.

На ПСЕ в качестве силового трансформатора необходимо установить автотрансформатор, т.к. основное назначение ПС – связь двух систем напряжениями 110 и 220 кВ.

Для выбора проводов и трансформаторов произведём потокораспределение максимальной мощности в режимах, при которых отключены линии W3D и W4D. Потокораспределение будем производить из условия максимальной загрузки линий W1С и W2С.

Потокораспределение мощности при отключении линии W3D представлено на рисунке 7.1.1.

Рисунок 7.1.1 Потокораспределение мощности при отключении линии W3D

Потокораспределение мощности при отключении линии W4D представлено на рисунке 7.1.2.

Рисунок 7.1.2 Потокораспределение мощности при отключении линии W4D

Расчёт проводов ЛЭП сведён в таблицу 1

Таблица 1 Расчёт проводов ЛЭП

	Линия						Тип провода
115	W1C, W2C	109	0,85	128,24	608	610	АС-240/39
115	W3C, W4C	75	0,85	88,24	420	610	АС-240/39
230	W1D, W2D	210	0,85	247,06	586	945	АС-500/64
	W3D	334	0,85	392,94	933	945	АС-500/64
	W4D	334	0,85	392,94	933	945	АС-500/64
	W5D	212	0,85	249,41	592	690	АС-300/48
	W6D	301	0,85	354,12	840	860	АС-400/69
	W7D, W8D	122	0,85	143,53	341	610	АС-240/39

Расчётные параметры проводов представлены в таблице 2.

Таблица 2 Расчётные параметры проводов

Линия	Тип провода
W1C, W2C	АС-240/32	65	0,118	0,405	7,67	26,33
W3C	АС-240/32	51	0,118	0,405	6,02	20,66
W4C	АС-240/32	49	0,118	0,405	5,78	19,85
W1D, W2D	АС-500/64	60	0,059	0,413	3,54	24,78
W3D	АС-500/64	85	0,059	0,413	5,02	35,11
W4D	АС-500/64	25	0,059	0,413	1,48	10,33
W5D	АС-300/48	110	0,096	0,429	10,56	47,19
W6D	АС-400/69	38	0,073	0,42	2,77	15,96
W7D, W8D	АС-240/32	51	0,118	0,435	6,02	22,19

Выбор трансформаторов:

Приняв за всех потребителей получим:

К установке принимаем автотрансформатор типа: АТДЦТН-63000/220/110/0,4. Автотрансформатор специально предназначен для связи электрических сетей напряжением 220 и 110 кВ и питания собственных нужд ПС мощностью 0,63 и 1,25 МВА напряжением 0,4 кВ.[5] .

Проверка по коэффициенту загрузки:

Данный автотрансформатор к установке на ПС Е подходит.

Номинальные данные автотрансформаторов представлены в таблице 3.

Таблица 3 Номинальные данные автотрансформатора АТДЦТН-63000/220

Тип	Пределы регулирования				Каталожные данные

		ВН	СН	НН		ВН- СН	ВН- НН	СН- НН
АТДЦТН-63000/220/110/0,4		230	121	0,4	145	11	--	--	315

К установке на ПСК и ПСД принимаем трёхфазные трёхобмоточные трансформаторы типа ТРДН-63000/220, номинальные данные трансформатора представлены в таблице 4.

Таблица 4 Номинальные данные трансформатора ТРДН-63000/220

Тип		Рег. напряж.
			ВН	НН
ТРДН-63000/220	63		230	11/11	11,5	82	504	3,9	96,7

7.2 Расчёт параметров схемы замещения в относительных единицах

Расчёт производим с использованием относительных единиц с приближённым приведением параметров схемы замещения. Активными сопротивлениями элементов схемы пренебрегаем.

Принимаем следующие базисные величины:

;

ЭДС системы:

Сопротивление системы:

Где

где

Сопротивление воздушных линий определяется по формуле:

Для энергосистемы 110 кВ:

Для энергосистемы 220 кВ:

Сопротивление трансформаторов определяется по формуле:

7.3 Расчёт максимального тока трёхфазного короткого замыкания

Максимальных ток к.з. рассчитывается при условии работы всех элементов (трансформаторов и линий) схемы. По условию ток к.з. рассчитываем по обоим концам защищаемых линийсм. рисунок 7.3.1.

Рисунок 7.3.1 Схема замещения к расчёту тока к.з.

Расчёт тока в точке

где:

Расчёт тока в точке

де:

Расчёт тока в точке

где:

Расчёт тока в точке

Для расчёта тока к.з. в точке необходимо преобразовать в эквивалентную звезду образованный линиями треугольник сопротивлений, см. рисунок 7.3.2.

Рисунок 7.3.2 Схема замещения для расчёта тока к.з. в точке

где:

Тогда:

где:

Расчёт тока в точке

где:

Результаты расчёта максимального тока к.з. сведён в таблицу 5.

Таблица 5 Результаты расчёта максимального тока к.з.

Точка к.з.			, кА	, кА
	1,058	0,08	0,502	6,64
	1,042	0,096	0,502	5,48
	1,022	0,074	0,251	3,48
	1,019	0,086	0,251	2,98
	1,012	0,047	0,251	5,405

7.4 Расчёт минимального тока трёхфазного короткого замыкания

Минимальный ток к.з. для точек рассчитываем из условия вывода в ремонт линии W3D, что обеспечит наибольшее эквивалентное сопротивление схемы, для точки - из условия отключения W1C.

Схема замещения для расчёта минимального тока к.з. представлена на рисунке 7.3.1 с учётом вывода из схемы соответствующих линий.

Расчёт выполняем аналогично предыдущему пункту. Расчёт сведён в таблицу 6.

Таблица 6 Расчёт минимального тока к.з.

Точка к.з.			, кА	, кА
	1,065	0,0891	0,502	5,996
	1,05	0,1154	0,502	4,57
	1,035	0,1153	0,251	2,25
	1,03	0,124	0,251	2,08
	1,008	0,0497	0,251	5,094

8. Выбор системы оперативного тока

Оперативный ток на подстанциях служит для питания вторичных устройств, к которым относятся оперативные цепи защиты, автоматики и телемеханики, аппаратура дистанционного управления, аварийная и предупредительная сигнализация.

Т.к. на ПС Е в качестве основного силового автотрансформатора установлен автотрансформатор типа АТДЦТН-63000/220/110/0,4[6] , с дополнительной обмоткой 0,4 кВ для питания собственных нужд, целесообразно использовать на ПС систему питания переменного оперативного тока.

На подстанциях с переменным оперативным током питание цепей автоматики, управления и сигнализации производится от шин собственных нужд через стабилизаторы напряжения.

Стабилизаторы напряжения предназначены для:

1) поддержания необходимого напряжения оперативных цепей при работе АЧР, когда возможно одновременное снижение частоты и напряжения;

2) разделения оперативных цепей и остальных цепей собственных нужд подстанции (освещение, вентиляция, сварка и т.д.), что существенно повышает надежность оперативных цепей.

Заключение

В процессе выполнения курсового проекта был произведён выбор микропроцессорных терминалов продольной дифференциальной защиты линий, определены места установки измерительных трансформаторов тока и напряжения.

В качестве системы связи между полукомплектами защит по концам линий в проекте предусмотрено применение ВОЛС.

Для точной настройки тока срабатывания защит был произведён расчёт максимального и минимального тока к.з.

По произведённым расчётам к установке в качестве основной защиты принят терминала дифференциальной защиты линии ШДЗЛ (параметры которого описаны в пункте 1.3); в качестве резервной защиты к установке (согласно ПУЭ) принимаем трёхступенчатую дистанционную защиту; от замыканий на землю – ступенчатую токовую направленную защиту нулевой последовательности.

Полная схема ПС Е представлена на формате А1 проекта. На чертеже также обозначены значения токов к.з.

Список использованной литературы

1. Справочник по проектированию электрических сетей/И.А. Карапетян, Д.Л. Файбисович, И. М. Шапиро.- 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЭНАС, 2007.- 352 с.: ил.

2. 16581 тм. Разработка типовых структурных схем микропроцессорных устройств РЗА на объектах ОАО «ФСК ЕЭС», ООО «Экспертэнерго». Новосибирск 2006.-131 с.

3. Релейная защита электроэнергетических систем/ Э.И.Басс, В.Г.Дорогунцев.- Второе изд.,стереотип. – М.: издательский дом МЭИ, 2006.- 296 с.

4. 278 тм. «Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35-750 кВ».

5. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) (6-е изд., перераб., дополн., с изм.), 2004 г.

[2] Релейная защита электроэнергетических систем. Под ред. А. Ф. Дьякова.

[3] Современные средства релейной защиты и автоматики электросетей. В. Г. Головацкий, И. В. Пономарёв.

[4] Терминал выпускается научно-производственным предприятием «Электро-Универсал»

[5] Справочник по проектированию электрических сетей. Под. Редакцией Д. Л. Файбисовича.

[6] См. пункт 8.1, стр. 18.