Релейная защита и автоматика

Введение………………………………………………………………………………3
Задание………………………………………………………………………………..4
1. Общее описание процесса нефтеперекачки……………………………………..6
1.1. Нефтеперекачивающие станции…………………………………………….6
1.2. Технологические режимы работы НПС………………………………………..8
2. Расчёт электрических нагрузок………………………………………………….10
3. Расчёт токов короткого замыкания…………………………………………..…19
4. Выбор оборудования…………………………………………………………….29
4.1 Выбор ячеек КРУ-10 кВ………………………………………………………..29
4.2 Выбор шин………………………………………………………………………30
4.3 Выбор выключателей………………………………………………………...…35
4.4 Выбор разъединителей…………………………………………………………37
4.5 Выбор трансформаторов тока………………………………………………….39
4.6 Выбор трансформаторов напряжения…………………………………………40
4.7 Выбор ограничителей перенапряжения……………………………………….40
5. Выбор и расчет релейной защиты……………………………………………….42
5.1 Выбор релейной защиты……………………………………………………….42
5.2 Функции блока БМРЗ-КН………………………………………………….......43
5.3 Назначение и область применения БМРЗ-КН………………………………..43
5.4 Резервирование при отказе выключателя (УРОВ)…………………………...45
5.5 Технические характеристики…………………………………………………..45
5.6 Технические возможности……………………………………………………..47
5.7 Токовая отсечка………………………………………………………………...48
5.8 Максимальная токовая защита………………………………………….……..49
5.9 Дифференциальная защита…………………………………………………….50
5.10 Газовая защита трансформатора……………………………………………..52
5.11 Защита от перегрузки…………………………………………………………54
Заключение………………………………………………………………………….55
Список использованной литературы……………………………………………....57

1. Содержание задания на курсовой проект:
1. Рассчитать электрические нагрузки на стороне высшего напряжения трансформаторной подстанции 110/10 кВ при НПС и выбрать мощность и тип силовых трансформаторов. Потребитель I категории.
2. Выполнить расчёт токов короткого замыкания, выбрать необходимое оборудование и типовые ячейки КРУ-10 кВ, к которому относятся: высоковольтные выключатели с приводом, разъединители, трансформаторы тока и напряжения, ограничители перенапряжений, сборные шины.
3. Выбрать и рассчитать защиты оборудования согласно своему варианту. Выбрать источники оперативного тока, начертить принципиальные схемы этих защит, выбрать для них трансформаторы тока, необходимые реле, или комплекты защиты, рассчитать уставки, оценить чувствительность защит.

Введение

Релейная защита предназначена для автоматической ликвидации разного рода повреждений и аварийных режимов в системах электроснабжения. Она является наиболее важной системой автоматики, которая обеспечивает устойчивую и надёжную работу энергосистем.
Для выполнения расчёта релейной защиты необходимо выбрать рабочие параметры срабатывания (или «уставок») как обособленных реле, так и общесистемных устройств релейной защиты с учетом требований чувствительности и селективности.
От устройств релейной защиты и автоматики требуется обеспечивать максимально быстрое время отключения участка сети с коротким замыканием в целях обеспечения бесперебойной работы остальной (неповреждённой) части электросистемы, а также минимизация степени повреждения элементов электрических цепей.
...

1.1. Нефтеперекачивающие станции

Нефтеперекачивающие станции (далее по тексту - НПС) – это комплекс сооружений, которые обеспечивают перекачку по нефтепроводу нефти. По принципу работы НПС можно подразделить на головные и промежуточные. Головные станции нефтеперекачки обеспечивают прием нефти из цехов нефтегазодобывающих управлений (это установки по подготовке нефти, товарные парки и пр.) либо магистральных нефтепроводов. Тут (на станции) определяют общее количество нефти, а также ее качество. Здесь же берет свое начало основной технологический процесс – перекачка нефти по трубопроводу до следующей станции.
...

1.2. Технологические режимы работы НПС

В целях обеспечения нормального протекания технологического процесса перекачки нефти НПС при проектировке закладываются строго определенные режимы эксплуатации:
• “из насоса в насос”,
• “через резервуары”,
• “с подключенными резервуарами”.
Режим работы “из насоса в насос” обычно применяется на промежуточных НПС магистральных нефтепроводов. В этом режиме весь поступающий поток нефти передается на прием основных насосов, поэтому на этих станциях нет резервуаров и подпорных насосов. Таким образом, снижается стоимость проектирования, строительства и эксплуатации нефтеперекачивающей НПС. Крупные нефтепроводные трассы, на которых применяются трубопроводах значительных диаметров, используют мощные насосы, которые требуют существенного подпора. Данное обстоятельство приводит к уменьшению пропускной способности нефтепровода.
...

2. Расчёт электрических нагрузок
Расчёт электрических нагрузок высоковольтных потребителей будем выполнять по методике, разработанной институтом Гипротюменнефтегаз.
При расчёте электрических нагрузок на стороне высшего напряжения будем учитывать только мощности электродвигателей основных насосных агрегатов. Нормальный режим работы схемы электроснабжения - раздельная работа трансформаторов Т1 и Т2.

Расчетная схема электроснабжения

Рис. 2.1 - Расчетная схема электроснабжения

Расчет нагрузок
Расчетная активная мощность высоковольтных электродвигателей определяем следующим образом:
(2.1)
РР = М, при С > 0,75М (2.2),

где С = Рс = (2.3)
(2.4)
Рномi - номинальная активная мощность единичного электрического приемника.

1. Вычисляем среднюю мощность.
В нашем случае на НПС применяются синхронные электродвигатели. Коэффициент включения и коэффициент загрузки для данного типа электроприёмника составляет соответственно Кв=0,84 и Кз =0,84,.
МВт

3. Расчёт токов короткого замыкания

Электрооборудование, которое устанавливается в системах электроснабжения должно быть устойчивым к токам короткого замыкания (далее по тексту КЗ) и его выбирают с учетом токов КЗ.
В штатном режиме все секционные вакуумные выключатели находятся в отключенном состоянии, силовые трансформаторы работают раздельно на отдельные секции шин. Наиболее тяжелый режим работы наступает при КЗ в момент перевода нагрузки с одного силового трансформатора на другой, т.е. когда секционный выключатель Q5 выключен. Этот режим и примем за расчетный.
Преобразовывать сложные схемы при помощи именованных единиц не совсем удобно. В этом случае все величины выражают в относительных единицах, сравнивая их с базисными. В качестве базисных величин принимают, как правило, базисную мощность Sб и базисное напряжение Uб. За базисную мощность принимают суммарную мощность генераторов, мощность трансформатора, а чаще число, кратное 10, например 100 МВА.
...

4. Выбор оборудования

4.1 Выбор ячеек КРУ-10 кВ

В качестве распределительного устройства на 10 кВ выбираем закрытое распределительное устройство (далее по тексту ЗРУ). ЗРУ конструктивно состоит из отдельных ячеек разного назначения.
Для компоновки ЗРУ-10 кВ выбираем малогабаритные ячейки КРУ серии КВ-02-10 (производятся ОАО «Электрон», г. Чебоксары). Выбранные ячейки отвечают самым современным требованиям по эксплуатации. Кроме того, они оснащены двухсторонний коридор для обслуживания и выкатными тележками с вакуумными выключателями. Все это в комплексе обеспечивает безопасный доступ в процессе эксплуатации и ремонта к любому элементу КРУ. Кабельный и релейный отсеки конструктивно отделены от отсека с коммутационными аппаратами металлическими перегородками. Все рабочие коммутации выполняются исключительно при закрытой наружной двери, так же имеются функциональные блокировки.
...

4.2 Выбор шин

Для сборных силовых шин нам подходят алюминиевые шины прямоугольного сечения размером 40х5 мм. Длительно допустимый ток при одной полосе на фазу для выбранном типоразмера шин составляет Iдоп = 540А.
Проверим данную шину на выполнение условия выбора:
; (4.1)

Проверим выбранные шины на электродинамическую стойкость к токам коротких замыканий.
Для этого шину, установленную на изоляторах рассмотрим как обычную многопролетную балку.
Максимальное напряжение в металле при изгибе определяется по формуле:

, (4.2)

где М – изгибающий момент, который создается ударным током КЗ, Нм;
W – момент сопротивления, м3.
Изгибающий момент для равномерно нагруженной многопролетной балки определяется выражением:

(4.3)

где F-сила взаимодействия между проводниками находящимися под воздействием ударного тока короткого замыкания, Н;
– расстояние между опорными изоляторами шины,
В нашем случае
Силу взаимодействия будем рассчитывать по формуле:
, (4.
...

4.3 Выбор выключателей

Высоковольтные выключатели подбираются по номинальному току и номинальному напряжению, а также конструктивному исполнению. Проверка выполняется по параметрам отключения, а также на электродинамическую и термическую стойкость. Выбор высоковольтных выключателей производится на основе сравнения справочных данных с соответствующими расчетными параметрами.
В качестве высоковольтных выключателей Q1 и Q2 выбираем выключатели марки 100-SFMT-40SE.
Параметры выбранных выключателей:
• номинальный ток отключения I∞=20 кА;
• номинальная продолжительность тока tп=3 с.
Произведем расчет теплового импульса тока при коротком замыкании по формуле:

, (4.13)

где I - действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания, кА;
tоткл – время от начала короткого замыкания до его отключения.
tоткл=tз+tвык, (4.14)
где tз – время действия релейной защиты, для МТЗ tз = 0,5-1с. Примем максимальное значение tз =1 с.
...

4.4 Выбор разъединителей

Разъединители подбирают по:
• номинальному току Iном;
• по номинальному напряжению Uном;
• месту монтажа (наружная или внутренняя);
• по конструктивному исполнению.
Как и в случае с выключателями разъединители проверяют на электродинамическую и термическую стойкость. Выбор разъединителей осуществляем на основе сравнения расчетных и справочных данных, для чего составим таблицу:

Таблица 4.
...

4.5 Выбор трансформаторов тока

Для выбора трансформаторов тока сформируем таблицу данных (табл. 4.3).
Осуществим проверку трансформаторов тока, смонтированные внутри помещения на электродинамическую стойкость при коротких замыканиях:

, (4.16)

где kt – кратность термической устойчивости, приводится в каталогах, kt = 50;
t – время термической устойчивости, приводится в каталогах, t=1 с;
tпр – приведенное время короткого замыкания, tпр=0,805 с;
I∞ – действующее значение периодической составляющей тока короткого замыкания, I∞ = 0,975 кА.
Проверим трансформаторы тока, устанавливаемые внутри помещения на термическую стойкость при КЗ

(4.17)

Из расчета следует, что выбранные трансформаторы тока ЗРУ удовлетворяют условиям выбора.

Таблица 4.
...

4.7 Выбор ограничителей перенапряжения

Ограничители перенапряжений нелинейные с полимерной внешней изоляцией предназначены для защиты от коммутационных и атмосферных перенапряжений изоляции электрооборудования подстанций и сетей переменного тока. Ограничители перенапряжений монтируются в сетях переменного тока с частотой 50 Гц и изолированной нейтралью. Они включаются параллельно объекту защиты.
Выбираем ограничители перенапряжений марки: ОПНп-110 УХЛ1, ОПН-РВ-10. Они конструктивно выполнены в виде блока последовательно соединенных оксидно-цинковых варисторов, размещенных в полимерной покрышке.
Технические параметры ограничителей перенапряжений представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4

Наименование
изделия
Класс напряж. сети, кВ
Наибольш. рабочее напряж., кВ действ.
Остающееся напряжение при волне импульсного тока 8/20 мкс с амплитудой, кВ
Масса, кг

250 А
500 А
2500 А
5000 А
10000А

ОПНп-110 УХЛ1
110
100
-
-
-
222
-
17
ОПН-РВ-10
10
12.6
-
-
-
43
-
0,75

5.1 Выбор релейной защиты

В соответствии с Правилами эксплуатации установок электропотребителей для силовых трансформаторов должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих повреждений и нештатных режимов:
• от однофазных замыканий на выводах и в обмотках в сетях с глухозаземлённой нейтралью;
• от многофазных замыканий в обмотках и на выводах;
• от межвитковых замыканий в обмотках;
• от внешних коротких замыканий;
• от перегрузок на выходе;
• от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью, если отключение необходимо по требованиям безопасности (торфоразработки, шахты и пр.).
Защита от однофазных замыканий и многофазных замыканий на землю, а также межвитковых замыканий в обмотках трансформаторов выполняют с помощью продольной дифференциальной защитой (выбирается в зависимости от мощности трансформатора). Названные защиты работают без выдержки времени на отключение всех выключателей.
...