Рачёт продольной дифференциальной токовой защитытрансформатора собственных нужд электрической станции

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

А.В. Углов, М.Б. Углова

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПОВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭКСПЛУАТАЦИЯ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ» ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПОДГОТОВКИ 13.04.02 «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА» ПРОФИЛЯ «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ»

РАЧЁТ ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫТРАНСФОРМАТОРА СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

 

Севастополь

2018 год

621.316.9(075.8)

У 254

УДК 621.316.9.189(075.8)

 

Углов А.В., Углова М.Б.

У 254             Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Эксплуатация релейной защиты электрооборудования электрических станций» для направления подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электрические станции». Расчёт продольной дифференциальной токовой защиты трансформатора собственных нужд электрической станции: Учеб. пособие. – Севастополь: СГУ, 2018. - 50 с.

Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Эксплуатация релейной защиты электрооборудования электрических станций» на тему «Расчёт продольной дифференциальной токовой защиты трансформатора собственных нужд электрической станции» предназначены для магистров первого года обучения Института ядерной энергии и промышленности (дневной и заочной форм обучения), обучающихся по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электрические станции». В методических указаниях приведена методика расчёта продольной дифференциальной токовой защиты как для рабочих, так и для резервных трансформаторов собственных нужд, а, также, все необходимые для производства расчётов справочные данные.

 

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ И РАСЧЁТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ЗАЩИЩАЕМОГО ТРАНСФОРМАТОРА

 

Первоначально в качестве базисного принимается одно из напряжений энергоблока (В данном случае принята сторона высокого напряжения энергоблока). Значения параметров электрооборудования берётся из приложений А ¸И и исходных данных, приведённых в задании на курсовой проект (Приложение Л для рабочего ТСН или приложение М для резервного ТСН).

Индуктивная составляющая сопротивления сети в максимальном режиме, приведённая к стороне высшего напряжения:

Индуктивная составляющая сопротивления сети в минимальном режиме, приведённая к стороне высшего напряжения:

Значение индуктивной составляющей сопротивления трансформатора энергоблока, приведённое к стороне высшего напряжения:

Значение индуктивной составляющей сопротивления трансформатора собственных нужд энергоблока, приведённое к стороне высшего напряжения:

Значение индуктивной составляющей сопротивления генератора энергоблока, приведённое к стороне высшего напряжения:

Номинальное значение первичного тока на стороне высокого напряжения трансформатора собственных нужд:

Номинальное значение первичного тока на стороне низкого напряжения трансформатора собственных нужд:

Примечание: Для трансформаторов с расщеплёнными обмотками величина тока соответствует суммарному току двух расщеплённых обмоток.

 

В учебных целях на стороне высокого напряжения номинальное значение вторичного тока у трансформатора тока принимается равным 1,0 А, а на стороне низкого напряжения – 5,0 А. В соответствии с величинами номинальных значений первичных токов трансформатора со сторон высокого и низкого напряжений трансформатора собственных нужд выбираются соответствующие коэффициенты трансформации трансформаторов тока. Типы и коэффициенты трансформации соответствующих трансформаторов тока выбираются из приложения К.

Вторичный ток в плече защиты на стороне высокого напряжения, соответствующий номинальной мощности защищаемого трансформатора, составляет:

Вторичный ток в плече защиты на стороне низкого напряжения, соответствующий номинальной мощности защищаемого трансформатора, составляет:

Примечание: Для трансформаторов с расщеплёнными обмотками трансформаторы тока на стороне низкого напряжения включаются параллельно.

 

Исходное значение сквозного тока, проходящего через защищаемый трансформатор, выбирается из следующих условий:

– для рабочего трансформатора собственных нужд это максимальное значение первичного тока, приведённое к стороне высокого напряжения энергоблока, проходящего через защищаемый трансформатор при трёхфазном металлическом коротком замыкании на выводах одной из расщеплённых обмоток, определяемое по формуле:

Примечание: Значение «2» при определении сопротивлении трансформатора собственных нужд применяется для трансформаторов с расщеплёнными обмотками, так как ток короткого замыкания определяется на одной из расщеплённых обмоток, мощность которой соответствует половинной мощности трансформатора.

 

– для резервного трансформатора собственных нужд это максимальное значение первичного тока, приведённое к стороне высокого напряжения, проходящего через защищаемый трансформатор при трёхфазном металлическом коротком замыкании на выводах одной из расщеплённых обмоток, определяемое по формуле:

Примечание: Значение «2» при определении сопротивлении трансформатора собственных нужд применяется для трансформаторов с расщеплёнными обмотками, так как ток короткого замыкания определяется на одной из расщеплённых обмоток, мощность которой соответствует половинной мощности трансформатора.

 

– или максимальное значение первичного тока для режима несинхронного автоматического включения резервного питания (суммарный ток для двух расщеплённых обмоток) определяемое по формуле:

где:  - сопротивление системы в максимальном режиме;

 - сопротивление трансформатора собственных нужд;

 - сопротивление двигательной нагрузки, подключённой к одной из расщеплённых обмоток трансформатора в режиме самозапуска и определяется по выражению:

где  – номинальное напряжение двигательной нагрузки;

 - коэффициент нагрузки. Для рабочих трансформаторов собственных нужд принимается равным 1,0, а для резервных трансформаторов собственных нужд - 1,5;

 - кратность пускового тока, принимается равной 5,6;

 - номинальный первичный ток стороны низкого напряжения трансформатора собственных нужд.

 

Примечание: Выбирается большее из двух значений.

 

При этом учитываются все факторы, влияющие на увеличение сквозного тока короткого замыкания, а именно:

– вид короткого замыкания (трёхфазное короткое замыкание);

– точка короткого замыкания (наиболее приближённая к источнику электрической энергии, но за пределами защищаемой зоны – выводы одной из расщеплённых обмоток после выключателя ввода рабочего (резервного) питания или несинхронное автоматическое включение резервного питания для резервного трансформатора собственных нужд;

– величина мощности энергосистемы в максимальном режиме работы – ;

– положение автоматического регулятора напряжения трансформатора собственных нужд, соответствующее минимальному значению сопротивления обмоток трансформатора.

 

Для определения коэффициента чувствительности защиты требуется минимальное значение тока короткого замыкания внутри защищаемой зоны. При этом учитываются все факторы, влияющие на ограничение тока короткого замыкания, а именно:

– вид короткого замыкания (двухфазное короткое замыкание);

– точка короткого замыкания (наиболее удалённая от источника электрической энергии – выводы одной из расщеплённых обмоток до выключателя ввода рабочего (резервного) питания;

– величина мощности энергосистемы в минимальном режиме работы – ;

– положение автоматического регулятора напряжения трансформатора собственных нужд, соответствующее максимальному значению сопротивления обмоток трансформатора;

– кроме того, для рабочего трансформатора собственных нужд режим его работы: подпитка точки короткого замыкания или только от генератора или только от энергосистемы.

 

Для рабочего трансформатора собственных нужд:

– в режиме работы генератора на собственные нужды:

– в режиме работы ТСН при вводе или выводе генератора:

Примечание: В качестве расчётного принимается меньшее из полученных значений.

 

Для резервного трансформатора собственных нужд:

ПОРЯДОК РАСЧЁТА

ПРОДОЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ

ЗАЩИТЫ ТРАНСФОРМАТОРА,

ВЫПОЛНЕННОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ТИПА ДЗТ-21.

 

Рассчитываются вторичные токи в плечах защиты:

где  - коэффициент схемы, равный 1,0 при соединении вторичных обмоток трансформаторов тока в звезду или  при соединении обмоток в треугольник;

 - коэффициент трансформации трансформаторов тока.

 

Если значения  для какого-либо плеча выходят за пределы номинальных токов трансреактора реле ДЗТ-21 (2,5...5,0 А) более, чем на 0,5 А, то в этом плече необходим установка согласующих автотрансформаторов тока (АТ-31 для стороны с  и АТ-32 для стороны с ).

Для расчёта защиты любая из сторон защищаемого трансформатора принимается в качестве основной (в качестве примера принята сторона высокого напряжения) и выбирается ответвление трансреактора реле ДЗТ-21 или согласующего автотрансформатора тока типа АТ-31 с номинальным током, равным номинальному вторичному току или ближайшем меньшим к нему в этом плече защиты :

.

 

Для другой, неосновной, стороны ответвление трансреактора или согласующего автотрансформатора тока типа АТ-32 выбирается из условия создания в режиме номинальной нагрузки минимальной МДС трансреактора, обусловленной суммой токов плеч дифференциальной защиты.

Определяется расчётное значение тока ответвления на неосновной стороне , исходя из номинального вторичного тока  и выбранного ответвления на основной стороне:

Выбор ответвления трансреактора (согласующего автотрансформатора тока) по неосновной стороне должен обеспечить минимизацию выражения:

 

При выборе ответвлений трансреактора и согласующих атотрансформаторов тока типа АТ-31 и АТ-32 следует использовать таблицы 1, 3 и 4.

 

В защите используются две цепи процентного торможения, включаемые со сторон высокого и низкого напряжений защищаемого трансформатора. Выбираются ответвления промежуточных трансформаторов тока ТА1 и ТА2 цепи торможения реле ДЗТ-21 с номинальным током , равным или ближайшим меньшим к расчётному  выравнивающих автотрансформаторов тока:

;

где:  - коэффициент трансформации согласующих автотрансформаторов тока тока:

,

где:  - номинальный ток используемого ответвления автотрансформатора тока, к которому подводятся вторичные токи в плече защиты;

 - номинальный ток ответвления автотрансформатора тока, к которому подключается реле.

 

В тех случаях, когда разница между расчётным током и ближайшим меньшим номинальным током ответвления значительно больше, чем между расчётным током и ближайшим большим номинальным током ответвления, целесообразно принимать к использованию ближайшее большее значение.

Связанное с этим уменьшение торможения компенсируется выбором увеличенного значения коэффициента торможения.

При выборе ответвлений трансформаторов тока цепи процентного торможения следует пользоваться данными таблицы 2.

 

Номинальные значения тока ответвлений трансреактора рабочей цепи.

Таблица 1.

Номер ответвления трансреактора	1	2	3	4	5	6
Номинальный ток ответвления, А	5,00	4,60	4,25	3,63	3,00	2,50

 

Номинальные значения тока ответвлений трансформаторов тока цепи процентного торможения.

Таблица 2.

Номер ответвления трансформатора тока	1	2	3	4
Номинальный ток ответвления, А	5,00	3,75	3,00	2,50

 

Номинальные значения тока ответвлений обмотки

повышающего автотрансформатора типа АТ-31.

Таблица 3.

Выводы	1-2	1-3	1-4	1-5	1-6	1-7	1-8	1-9	1-10	1-11
Iном, А	0,34	0,44	0,60	0,81	1,10	1,45	1,97	2,12	2,29	2,50

Защита подключается к выводам 1-11.

 

Номинальные значения тока ответвлений обмотки

понижающего автотрансформатора АТ-32.

Таблица 4.

Выводы	1-2	1-3	1-4	1-5	1-6	1-7	1-8	1-9	1-10	1-11
Iном, А	5,0	5,44	5,88	7,6	9,6	12,2	15,6	20,0	25,0	31,3

Защита присоединяется к выводам 1-2.

 

Определяется первичный ток стороны высокого напряжения, соответствующий началу торможения  с учётом принятых ответвлений ТА1 и ТА2 цепи процентного торможения реле ДЗТ-21. При этом относительное значение вторичного тока начала торможения рекомендуется выбрать равным _{торм.нач.} = 0,6.

_{торм.нач.}

где:  - номинальный первичный ток стороны высокого напряжения.

 

Определяется ток небаланса в режиме, соответствующем началу торможения:

Составляющие тока небаланса определяются по выражениям:

:

где:  - коэффициент, учитывающий переходный режим, принимается равным 1,0;

 - коэффициент однотипности условий работы трансформаторов тока, принимается равным 1,0;

 - относительная полная погрешность трансформаторов тока. Учитывая дополнительную погрешность используемых в защите согласующих автотрансформаторов тока тока,  принимается равным 0,05; при отсутствии согласующих автотрансформаторов тока погрешность можно принимать равной 0,03;

 - относительная погрешность обусловленная регулированием напряжения на стороне высокого напряжения трансформатора; принимается равной половине диапазона регулирования.

 

Первичный минимальный ток срабатывания защиты при отсутствии торможения принимается равным 0,3 от номинального значения тока трансформатора и проверяется отстройка от тока небаланса в режиме, соответствующем началу торможения

,

где  - коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,5.

Рассчитывается относительное значение тока срабатывания реле ДЗТ-21 при отсутствии торможения:

,

где  - номинальный ток ответвления трансреактора.

 

Значение  определяется для основной и неосновной сторон защиты. Полученные значения должны удовлетворять условию:

_{с.р.мин.}

 

Коэффициент торможения , равный тангенсу угла наклона тормозной характеристики реле, проверяется по условию обеспечения недействия защиты от максимального тока небаланса при переходном режиме внешнего короткого замыкания или в режиме несинхронного автоматического включения резервного питания (второй режим только для резервных трансформаторов собственных нужд):

где  принимается равным 1,5.

 

Максимальный первичный ток небаланса стороны высокого напряжения трансформатора при расчётном внешнем коротком замыкании или в режиме несинхронного автоматического включения резервного питания (выбирается большее из двух значений) определяется по выражению:

или в относительных единицах:

Значения составляющих ,  и определяются по выражениям:

;

;

.

 

При этом в целях обеспечения недействия защиты от тока небаланса переходного процесса внешнего короткого замыкания или несинхронного автоматического включения резервного питания значения коэффициента  принимается равным 2,0, а  равным 0,1.

При расчёте  используется значение максимальное значение сквозного тока, проходящего через защищаемый трансформатор, пересчитанное к стороне высокого напряжения.

Относительное значение первичного тормозного тока _{торм.расч} определяется также для режима внешнего короткого замыкания или несинхронного автоматического включения резервного питания:

_{торм.расч.}

Первичный ток срабатывания дифференциальной отсечки определяется отстройкой от максимального первичного тока небаланса при расчётном внешнем коротком замыкании или несинхронном автоматическом включения резервного питания и отстройкой от броска тока намагничивания трансформатора.

Отстройка дифференциальной отсечки от максимального значения первичного тока небаланса определяется выражением:

 

Коэффициент отстройки  принимается равным 1,5;  определятся с учётом того, что погрешность , а коэффициент ,0.

Отстройка дифференциальной отсечки от броска намагничивающего тока трансформатора, как правило, надёжно обеспечивается при минимальной уставке реле по току срабатывания отсечки (), равным вторичным токам в соответствующих плечах защиты.

Первичный ток срабатывания дифференциальной отсечки на основной стороне, соответствующий минимальной уставке реле , определяется по выражению:

Если   превышает , то следует выставлять на реле уставку срабатывания дифференциальной отсечки   без последующей проверки.

 

Определяется коэффициент чувствительности защиты, исходя из расчётного минимального тока стороны высокого напряжения  при двухфазном металлическом коротком замыкании на выводах одной из обмоток низкого напряжения защищаемого трансформатора и тока срабатывания защиты с учётом тормозной характеристики реле. Учитывая, что продольная дифференциальная защита трансформатора относится к группе основных защит, то коэффициент её чувствительности должен быть не менее двух:

,

где ток  рассчитывается по выражению:

3. ПРОВЕРКА ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА ПО УСЛОВИЮ 10% ПОГРЕШНОСТИ И РАСЧЁТ ВТОРИЧНЫХ ЦЕПЕЙ ЗАЩИТЫ

Трансформаторы тока защиты проверяются по условию 10% погрешности при внешнем коротком замыкании или в режиме несинхронного автоматического включения резервного питания (для резервных трансформаторов собственных нужд).

Рассчитывается кратность максимального первичного тока, протекающего через трансформаторы тока по сторонам высокого и низкого напряжения защищаемого трансформатора в вышеуказанном режиме:

где  - первичный номинальный ток трансформаторов тока.

 максимальное значение сквозного тока, проходящего через трансформатор.

 

В том случае, если для трансформатора собственных нужд в качестве расчётного значения принято значение тока трёхфазного короткого замыкания на одной из расщеплённых обмоток, то значение  определяется по выражению:  для стороны низкого напряжения и  для стороны высокого напряжения трансформатора.

В том случае, если для резервного трансформатора в качестве расчётного значения принято значение тока несинхронного автоматического включения резервного питания, то следует учесть следующее:

– при проверке трансформаторов тока на стороне низкого напряжения:

;

– при проверке трансформаторов тока на стороне высокого напряжения:

.

 

По значению  и кривым предельных кратностей (Приложение К) для заданного типа трансформатора тока определяется допустимая нагрузка вторичной цепи .

Кривые предельных кратностей трансформаторов тока различных типов приведены в приложении К.

Параллельное соединение токовых цепей от трансформаторов тока со стороны низкого напряжения защищаемого трансформатора рекомендуется выполнять на панели защиты ДЗТ-21. Если параллельное соединение выполнено на месте установки трансформаторов тока стороны низкого напряжения, то допустимая нагрузка на трансформаторы тока уменьшается в два раза.

Рассчитывается фактическая нагрузка вторичной цепи трансформаторов тока  по выражениям:

Расчётный режим	Схема соединения трансформаторов тока	Расчётное выражение
Трёхфазное и двухфазное короткое замыкание, несинхронное автоматическое включение резервного питания	Δ
	Y
Однофазное короткое замыкание	Δ
	Y

 

где  - активное сопротивление жил контрольного кабеля от ТА до места установки реле;

 - фазное сопротивление дифференциального реле. Для ДЗТ-21 совместно с АТ-32 ; АТ-31 = , где:  - сопротивление реле без учёта согласующих автотрансформаторов тока;

 -суммарное переходное сопротивление контактов, принимается равным 0,05 Ом.

Удовлетворительным по условию 10% погрешности является соотношение:

Расчёт допустимого сечения жил контрольного кабеля, соответствующего , выполняется по выражению:

где  - удельное сопротивление кабеля:

– для медных проводов: ;

– для алюминиевых проводов: ;

 - длина контрольного кабеля от места установки трансформаторов тока до места установки реле.

Принимается ближайшее целое значение сечения контрольного кабеля в диапазоне от 2,5 до 10 мм ².

По фактическому сопротивлению нагрузки (с учётом принятого сечения контрольного кабеля) на трансформаторы тока  определяется напряжение на вторичной обмотке соответствующего трансформатора тока, которое не должно превышать 1000 В при максимально возможном первичном токе внешнего короткого замыкания (в том числе и при однофазном коротком замыкании на стороне высокого напряжения защищаемого трансформатора для комплекта трансформаторов тока стороны высокого напряжения) или в режиме несинхронного автоматического включения резервного питания (для резервных трансформаторов собственных нужд):

Если вторичное напряжение превышает 1000 В, то следует перейти на большее значение сечения жил контрольного кабеля (до 10 мм ² включительно).

Если при  вторичное напряжение превышает 1000 В, следует перейти на больший коэффициент трансформации трансформаторов тока соответствующей стороны защищаемого трансформатора и расчёт сопротивления нагрузки  должен быть повторён.

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Углов А.В. Эксплуатация релейной защиты электрооборудования собственных нужд электрических станций: Учеб. пособие. – Севастополь: СНУЯЭиП, 2013. - 273 с.

2. Королев Е.П., Либерзон Э.М. Расчёты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты. -М.: Энергия, 1972.-343 с.

3. Руководящие указания по релейной защите. Релейная защита понижающих трансформаторов и автотрансформаторов. -М.: Энергоатомиздат, 1985. -Вып. 13,Б.-95 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

 

Тип