Проектирование системы защиты от перенапряжений в электрических сетях

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

Кафедра ЭС

 

Курсовой проект

На тему :

 

«Проектирование системы защиты

 от перенапряжений  в электрических сетях»

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                            Выполнил: Марков Р.А. 

                                                              Группа: ТВН-1-08

                                                                                Проверила: Лопухова Т.В

 

Казань 2012

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2

1.АНАЛИЗ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПОДСТАНЦИИ 3

1.1.  ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ. 3

1.2.ГЛАВНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОДСТАНЦИИ 4

2.АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ 5

3.РАСЧЕТ ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ И ПОДСТАНЦИИ И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЗАЩИТЕ ОТ НИХ 6

3.1. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ ЕМКОСТНОГО ЭФФЕКТА 7

3.2. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ ФЕРРОРЕЗОНАНСА 11

3.3. ВКЛЮЧЕНИЕ НЕНАГРУЖЕННОЙ ЛИНИИ 110 кВ, L=20 км 13

3.4. ОТКЛЮЧЕНИЕ НЕНАГРУЖЕННОЙ ЛИНИИ 110 кВ, L=20 км. 16

3.5. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЦИКЛЕ АПВ 19

3.6. ОТКЛЮЧЕНИЕ НЕ НАГРУЖЕННОГО ТРАНСФОРМАТОРА 21

4. УТОЧНЕНИЕ МЕСТ УСТАНОВКИ И ВЫБОР ОПН 22

ВЫБОР ОПН НА НАПРЯЖЕНИЕ 110 кВ 22

ВЫБОР ОПН НА НАПРЯЖЕНИЕ 10 кВ 25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект состоит  из пояснительной  записки и географической части. Пояснительная записка содержит 3 раздела: анализ схемы электрической  сети и подстанции, расчет внутренних перенапряжений и разработка мероприятий по защите от них электрооборудования подстанций, а также выбор ОПН и определение мест их установки на подстанции.

Цель курсового проекта  является: освоить методы расчета внутренних перенапряжений, возникших в электрических сетях, и разработать мероприятия по их ограничению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.АНАЛИЗ  СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПОДСТАНЦИИ

1.1.  ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ.

Проектируемая подстанция 110/10  На подстанции установлен трансформатор ТДН-10000/110 кВ.

Трансформаторы выбираем с устройствами РПН. Связь с энергосистемой на напряжение 110 кВ, L=20 км

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

 

 

 

 

1.2.ГЛАВНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОДСТАНЦИИ

2.АНАЛИЗ  ВОЗМОЖНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  СЕТИ

Внутренние перенапряжения в электрической системе возникают  в результате коммутаций, как нормальных (включение и отключение ненагруженной линии, или трансформатора), а также и послеаварийных (дуговые  замыкания на землю в системах с изолированно нейтралью, АПВ). Электрическая система содержит в себе распределенные и сосредоточенные индуктивности и емкости, это индуктивности и емкости линий, индуктивности генераторов, емкости конденсаторных батарей. Таким образом, электрическая система обладает колебательными свойствами.

Электрическая сеть подвержена угрозе возникновения практических всех видов перенапряжений. Были рассмотрены  такие перенапряжения:

- перенапряжения, возникающие  при включении и отключении  ненагруженной воздушной линии;

- перенапряжения, возникающие  при отключении ненагруженного  трансформатора;

- перенапряжения, возникающие в цикле АПВ;

- феррорезонансные перенапряжения;

- перенапряжения в воздушной линии, обусловленные емкостным эффектом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.РАСЧЕТ  ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ И ПОДСТАНЦИИ  И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО  ЗАЩИТЕ ОТ НИХ

Все мероприятия по защите от перенапряжений делятся на две  группы:

1. Защита оборудования с помощью коммутационных защитных средств;
2. Превентивные меры снижения перенапряжений.

Коммутационные  средства защиты от перенапряжений срабатывают и соединяют защищаемую цепь с заземлением в случае, когда перенапряжение в точке их установки превышает некоторую критическую величину. К этим средствам относят разрядники, шунтирующие реакторы с искровым соединением и нелинейные ОПН.

Превентивные  меры – это предотвращение возникновения перенапряжений или ограничение их величины в месте их возникновения.

К таким мерам относятся:

- применение грозозащитных тросов и молниеотводов;

- заземление опор линий электропередачи;

- применение емкостных элементов для снижения перенапряжений(и т.д.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ ЕМКОСТНОГО  ЭФФЕКТА

Перенапряжения, обусловленные  емкостным эффектом, практически  наблюдаются в электропередачах большой длины, характерных для  Uном≥330 кВ.

Любая схема электропередачи  содержит 3 основных элемента: генератор, или систему, трансформатор, линию. Анализ схемы сложен благодаря наличию двух нелинейных элементов – индуктивности намагничивания трансформатора и коронирующий линии.

Данная электропередача  осуществляется на напряжения 500кВ длиной 250 км.

 

Напряжение и ток в  начале и в конце линии могут  быть подсчитаны по формулам:

 

 

Входное сопротивление разомкнутой линии (без учета потерь)

 

Zc для 500 кВ из таблицы 19,2 [Разевиг] составляет 250-280 Ом

Zc – волновое сопротивление

Хu=0,5Zc

Xu=140 Ом

Е=Uф

При частоте источника 50гц коэффициент изменения фазы β составляет 1.05*10-3рад/км или 6⁰ на 100 км

хвх=Zc*ctg(β*l)=280*ctg(1,05*〖10〗^(-3)*250)=1042 Ом

Напряжение в начале линии, присоединенной к источнику через  сопротивление х, может быть определено как:

U(o)=E*-jxвх/(jxи-jxвх)=Е*хвх/(хвх-хи)=288,675*1042/(1042-521)=333,478 кВ

Так как рассматриваем  разомкнутую на конце линию, то I=0 из системы U(0)=U(l)cosβl следует

U(l)=U(0)/cosβl=333.478/cos⁡(1.05*〖10〗^(-3)*250) =345.307 кВ

Фазное напряжение:

Uф=U/√3=500/1,73=288,675 кВ

Кратность перенапряжения:

Kпер=U(l)/Uф=345,307/288,675=1,192С установкой реактора:

а) Реактор в начале линии.

Емкостная проводимость линии  в относительных единицах:

 

 

Входное сопротивление линии  с реактором:

 

Напряжение в начале линии:

 

 

Коэффициент перенапряжения:

 

 

 

 

 

 

 

б) Реактор в конце линии.

Воспользуемся методом эквивалентных  длин, т.е. реактор может быть заменен  эквивалентной короткозамкнутой линией с длиной lэ, являющейся продолжением реальной линии.

 

Прибавляя эту эквивалентную  длину к волновой длине линии,  получаем волновую длину фиктивной  короткозамкнутой линии:

 

Вычисляем входное сопротивление  по формуле для короткозамкнутой линии и напряжение в начале и  в конце линии:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ ФЕРРОРЕЗОНАНСА

Феррорезонансные перенапряжения являются очень опасным не сколько  кратностью перенапряжений, сколько  продолжительностью. Теоретически перенапряжение может идти неограниченное время, однако на практике длительность его не превышает  несколько секунд, что, безусловно тоже неприемлемо. Феррорезонансные перенапряжения – практически единственный вид  перенапряжения, против которого бесполезен ОПН. Поэтому необходимо принимать  все меры по недопущению возникновения  подобных перенапряжений.

В сетях 110-750 кВ феррорезонансные перенапряжения в силу своей длительности может быть причиной отказа трансформаторов  напряжений, ОПН и РВ.

В сетях 6-35 кВ феррорезонансные перенапряжения может также стать  причиной проявления так называемых «ложных земель».

P=10 мВА; iµ=0.04; C0=0.004мкФ/км; tgα=0,826; α=36,6; U=110Кв

Две линии по 15 км и две по 7км 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод: Феррорезонанс  не возможен.

 

 

 

3.3. ВКЛЮЧЕНИЕ НЕНАГРУЖЕННОЙ ЛИНИИ  110 кВ, L=20 км

Характер переходного  процесса и величина перенапряжений определяется многими факторами. К  ним в первую очередь следует  отнести структуру и параметры  схемы электропередачи. Для протяженных  электропередач высших классов напряжения характерна цепочечная структура, которая включает в себя ряд подстанции, соединенных воздушными линиями электропередачи. Коммутация одной линии вызывает переходной процесс во всей сети. Поэтому процесс на коммутируемом участке электропередачи во многом определяется особенностями примыкающей части схемы: наличием отходящих линии, параметрами систем, питающих их, и т.д.

Статический характер коммутационных перенапряжений в электропередаче  обусловлен рядом факторов, которые  условно можно разделить на 2 группы. Первая группа – случайные параметры  схемы и режима работы электропередачи  в момент подачи сигнала на коммутацию линии. Вторая группа связана со случайностью временных характеристик срабатывания выключателей.

Имея в виду коммутацию включения линии, к первой группе факторов можно отнести величины реактивностей систем и режим  работы сети, примыкающей к коммутируемой  линии.

Во второй группе факторов наиболее существенным является напряжение на контактах выключателя при их замыкании, т.е. в момент срабатывания выключателя. Перенапряжения при трехфазном включении линии в значительной степени зависят и от разброса в действии выключателей отдельных фаз.

 

 

 

 

Исходные данные:

U=110 кВ

Х_и=0,5 – реактивное сопротивление источника,

Z_B =1 ОМ волновое сопротивление линии,

ω=314 1/с угловая частота

E_max =1

Длина волны:

 

Сопротивление  линии:

 

Общее сопротивление:

 

b_л=λ=0.02

Частота колебаний контура:

 

 

Емкостной коэффициент:

 

Период собственных колебаний:

 

Напряжение квазиустановившегося режима:

Kуд=2,2

 

 

Для коммутационных перенапряжений допустимая кратность перенапряжений = 3 для линии 110-220 кВ, отсюда следует, что линии 110 кВ выдержит данное перенапряжение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4. ОТКЛЮЧЕНИЕ НЕНАГРУЖЕННОЙ ЛИНИИ 110 кВ, L=20 км.

Перенапряжения могут  возникнуть лишь в случае, если процесс  отключения сопровождается повторными зажиганиями дуги в выключателе, т.е. если в процесс отключения напряжения между расходящимися контактами выключателя превысят восстанавливающуюся  электрическую прочность междуконтактного промежутка. Наиболее опасные перенапряжения могут возникнуть при отключении холостой ВЛ воздушным выключателем, скорость восстановления электрической прочности между контактами которого достаточно большая, однако при неблагоприятных условиях коммутации напряжение между контактами в определенные моменты времени может превысить величину электрической прочности. При этом происходит повторное зажигание дуги в выключателе и, емкость линии перезаряжается в колебательном процессе, например от некоторого положительного напряжения до отрицательного значения, обусловленного фазой ЭДС в момент повторного зажигания.

 

 

U=110 l=20км Е=1,1 ω=1

U0=Uуст=1,01

Напряжение между контактами выключателя:

 

τ1=0; τ2=π/6; τ3=π/4; τ4=π/3; τ5=π/2

 

 

 

 

 

 

 

 τ1=0                    δ=0,1      Uo=1,11

                       ω0=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод: ; 1,01<3 следовательно перенапряжения не возникают.

 

 

 

 

3.5. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЦИКЛЕ АПВ

АПВ предназначено для  автоматического повторного включения  силового выключателя после его  отключения, под действием защит. Применение АПВ основано на том, что  подавляющего большинство замыканий  носит дуговой характер.

При автоматическом повторном  включении после однофазного  или двухфазного замыкания переходной процесс отличается от включения  ненагруженной линии возможным  наличием зарядов на неповрежденных фазах линии. Заряд на линии без  реакторов стекает на землю через  активные проводимости изоляторов, и в среднем для сухой погоды при задержке АПВ на 0.4с напряжение оставшихся зарядов составляет 60-70% от первоначального.

В целом перенапряжения при  АПВ обычно выше, чем при включении  ненагруженных линий.

 

 

U=110 кВ

l=20 км – длина линии;

Uуст=1,01 кВ

Успешное АПВ.

δ = 0.1

 

 

Т=0,691

кВ

-отношение максимального напряжения переходного процесса к вынужденной составляющей ( ударный коэффициент),

-отношение вынужденной составляющей к рабочему напряжению.

Успешное АПВ – это  такое АПВ, при котором не происходит повторное зажигание дуги, в повторном  случае АПВ не успешно.