.1 Состояние вопроса и постановка задачи
проектирования
Целью работы является защита от коротких замыканий, использующая оперативный ток от трансформаторов тока защищаемого присоединения и обладающая повышенной чувствительностью к двухфазным к.з. и реагирующая на обрыв фазы в первичной цепи.
Особенностью защиты является то, что отсчет порога по току производится не от нулевого значения тока, а от его амплитудного значения. Это обстоятельство позволило совместить в одном пусковом органе защиту от симметричных к.з. и несимметричного режима (двухфазное к.з. или перекос линейных токов) и обрыва фазы. Защита реализована на полупроводниковой элементной базе и воздействует на электромагнит отключения, питаемый от трансформаторов тока.
На присоединениях 10 кВ применяют максимальные токовые защиты (м.т.з.), включенные по двухфазной двухрелейной схеме. На многих из них применяются реле прямого действия типа РTB, которые встраиваются непосредственно в приводы выключателей. Одним из недостатков реле типа РТВ является то, что при уставках времени 0,5 с и менее из-за неудачной конструкции механизма реле времени, может происходить отказ в срабатывании и неселективное отключение других присоединений на которых отсутствует повреждение.
В сетях электрификации кроме этого уровень токов короткого замыкания (к.з.) во многих случаях бывает, соизмерим с максимальными токами нагрузки, что затрудняет выбор уставок м.т.з. и возникает необходимость в применении других более дорогостоящих и сложных в эксплуатации защит. В тоже время именно в таких сетях должны применяться простые схемы защит, требующие минимального количества плановых эксплуатационных проверок.
Из сказанного следует, что целесообразна разработка такой
защиты, которая обеспечивала бы селективное отключение присоединения 10 кВ как
при к.з., так и обрывах фаз, причем энергия, используемая в катушках
отключения, бралась бы только от трансформаторов тока данного присоединения.
.2 Решение задачи с применением конкретных инженерных
решений
Для определения принципа построения измерительного органа защиты (ИОЗ) рассмотрим временные диаграммы изменения тока в фазах при различных режимах работы на выходе выпрямительной мостовой схемы, к которой подводятся токи (или напряжения пропорциональные току) фаз А, С и О.
При к.з. между фазами А и С или при к.з. А и В (или С и В) и отсутствии тока в фазе С(А) изменению токов будет соответствовать потеря напряжения. Если к.з. произошло между фазами А и В (С и В), а в фазе С(А) протекает ток нагрузки.
Если некоторое пороговое значение тока (напряжения) отсчитывать от амплитудного значения, то можно получить защиту, имеющую один реагирующий орган как на симметричное трехфазное к.з., так и двухфазные к.з., а также и на обрыв фазы, если ток нагрузки превышает некоторое значение, определяемое заданным порогом.
Разность между амплитудным и току ним значениями тока (напряжения) не превышает порогового значения. В тоже время при трехфазном к.з. такое превышение будет иметь место. При обрыве фазы эта разница превысит пороговое значение при некотором токе нагрузки. Если к.з, несимметричное, то такое превышение может быть даже при токах меньших номинального.
Принципиальная схема измерительного органа защиты приведена в графической части проекта. 3десь фиксация амплитудного значения напряжения, пропорционального токам в фазах А и С, осуществляется при помощи конденсатора "с", а пороговое значение определяется динистором VD8. Деление амплитудного значения напряжения в заданном отношении осуществляется при помощи резистора R2. Резистор R1 предназначен для создания цепи разряда конденсатора. Диод VD7 исключает разряд конденсатора до цепи в а е . В точке "а" происходит сравнение потенциала создаваемого выпрямительным мостом VD1-VD6 и потенциала от конденсатора с". Если потенциал в точке "a" φа больше потенциала в точке "в" φв, то диод VD7 открыт и происходит заряд конденсатора "с". При φв > φа, но меньшем порогового значения, при котором открывается данистор D8, конденсатор "c" будет разряжаться на резистор R2. Превышение φв - φа порогового значения, при котором открывается динистор D8, приводит к разряду конденсатора по цепи b с d a e. В этом случае срабатывает реагирующий орган Pо. B режиме нагрузки (симметричный режим) в моменты времени когда φв - φа, разница φв - φа не превышает пороговое значение открытия динистора Д8, поэтому через Ро ток не протекает и он не работает. При симметричном к.з. разница φв - φа превышает пороговое значение открытия динистора D8, поэтому он открыт и, следовательно, срабатывает Ро. Пороговое значение открытия динистора VD8 при обрыве фазы при малых токах нагрузки не будет превышено разностью потенциалов φв - φа, а при больших токах нагрузки - будет превышено. Поэтому в случае обрыва фазы при токах нагрузки, превышающих некоторую величину, меньшую номинальной, срабатывает КМ1 . Несимметричные (двухфазные) к.з. приводят к срабатывании КМ1, т.к. в этих режимах разность потенциалов φв - φа всегда превышают пороговое значение открытия динистора VD8 . Реагирующий орган Ро может реагировать и на перекос фаз А и С в режиме нагрузки, если φв - φа превышает напряжение открытия динистора. Следовательно измерительный орган, схема которого приведена в графической части проекта, принципиально может реагировать на симметричное и несимметричное к.з., обрыв фазы, несимметрию фазных токов. Причем чувствительность к двухфазным к.з. обеспечивается при токах меньших номинальных.
Регулирование порога срабатывания измерительного органа можно обеспечить при одном пороговом элементе изменением сопротивления резистора R2 или установкой нескольких пороговые элементов отсутствии резистора R2.
В защите можно выделить следующие блоки: блок формирования постоянного напряжения (БФП), пусковой орган защиты, орган выдержки времени, выходной элемент защит, орган опробования защиты.
Блок БФП формирует постоянное напряжение, пропорционально контролируемому току, которое подводится к пусковому органу, органу выдержки времени, выходному органу защиты и катушке отключения выключателя.
Выходной орган защиты воздействует на электромагнит (катушку) отключения выключателя.
Работает устройство следующим образом. В нормальном режиме работы защищаемого присоединения на выходе БФП имеется пропорциональное току напряжение, недостаточное для срабатывания пускового органа. При появлении к.з. или обрыве фазы напряжение на выходе БФП превысит уставку срабатывания пускового органа, последний сработает и запустит орган выдержки времени. С выдержкой времени не зависимой от тока к.з. сработает орган выдержки времени и затем выходкой элемент.
Для обеспечения проверки работоспособности защиты при отсутствии тока нагрузки орган опробования защиты подает напряжение на БФП от постороннего источника.
Принципиальная схема защиты приведена в графической части проекта.
Блок формирования постоянного напряжения
Содержит два промежуточных трансформатора ТL1 и ТL2, во вторичные цепи трансформаторов тока (фазы А и С). Вторичные обмотки этих трансформаторов подключены к двух полупериодным однофазным выпрямителям VD1 - VD4 и VD5 - VD8 соответственно. Выпрямители между собой включены параллельно. Трансформаторы ТL1 и ТL2 имеют две первичные обметки I и II. Перввчные обмотки I этих трансформаторов подключаются ко вторичным целям трансформаторов тока, защищаемого присоединения, по схеме неполной звезда. Для визуального контроля за состоянием токовых цепей используется светодиоды НL1 и НL2, включаемые во вторичные обмотки промежуточных трансформаторов тока соответственно ТA1 и ТA2. Первичной обмоткой каждого из этих трансформаторов ТA1 и ТA2 являются токопровода первичных обмоток I трансформаторов ТL1 и ТL2.
Первичные обмотки II трансформаторов ТL1 и ТL2 используются в органе опробывания работоспособности защиты.
Цепь состоящая из резисторов R2, R3, R6 (R4, R5, R7), диодов VD9 (VD12) стабилитронов VD10 (VD11), симисторов VD15 (VD19) служит для ограничения амплитуды вторичного напряжения при протекании по первичным обмоткам больших токов к.з. Если напряжение, снимаемое с делителя R2, R3, R6 (R4, R5, R7), превосходит напряжение стабилизации стабилитрона VD10 (VD11), то стабилитрон открывается и открывает динистор VD18 (VD19). Пики напряжений срезаются за счет дополнительного шунтирования вторичной обмотки трансформатора ТL1 (ТL2) резисторами R2, R3, (R4, R5).
Пусковой орган защиты. Состоит из резисторов R8, R9 : R15, диодов VD13, VD14, динистора VD15, переключателя уставок по току срабатывания S1 и конденсатора С1. Блок переключения уставок S1 имеет три положения. Диод VD13 исключает разряд конденсатора С1 помимо делителя напряжения выполненного на резисторах R9 : R15, а диод VD14 - предохраняет схему выдержи времени от обратных напряжений. Делитель напряжения обеспечивает выбор одной из трех уставок.
Тиристор VS1, стабилитрон VD18, резисторы R27 и R28 предназначены дня создания порога срабатывания по току, который необходим для отстройки от токов при которых нежелательно срабатывание защиты при несимметричных режимах.
Орган выдержки времени, включает в себя: резисторы R16 : R26, конденсаторы С2, транзистор VТ1, стабилитрон VD16, переключатель S2. Конденсатор C2 предназначен для сглаживания выпрямленного напряжения, а стабилитрон VD16 - для ограничения амплитуды напряжения, подводимого к реле времени. Собственно реле времени состоит из двух плеч места, выполненного на резисторах R16, R17 и С3, R19 : R26. В диагональ этого моста включается транзистор VТ1 выход коллектора которого подключается к выходному элементу. Резистор R18 предназначен для ограничения коллекторного тока транзистора VT1, Выдержка времени обеспечивается зарядом конденсатора С3 через резисторы R19 - R23 или R20, R24 или R21, R25, R26. Переключатель служит дня выбора одной из трех уставок времени.
Выходной элемент состоит из тиристора VD17, оптотиристора VU1 и конденсатора С4. Тиристор VD17 служит согласующим элементом между органом выдержки времени и выходом оптотиристора. Оптотиристор VU1 предназначен для развязки низковольтных цепей органа выдержки времени с сравнительно высоковольтными выходными цепями, а также для коммутации цепи электромагнита отключения. Конденсатор С4 исключает самопроизвольное открытие тиристора VS2 опториристора VU1 при больших скоростях изменения выходного напряжения. Электромагнит отключения подключается последовательно с тиристором оптотиристора VU1.
Конденсатор С5, служит для поддержания в открытом состоянии тиристора VS2 и поддержания необходимого тока через светодиод оптотиристора VИ1. Стабилизация напряжения приложенного к VS2 осуществляется при помощи стабилитрона VD20. Диод VD22 исключает разряд конденсатора С5 через цепь с динистором VD15. С целью исключения пробоя тиристора при коммутации катушки отключения КО ей параллельно и встречно включен диод VD22.
Работа защиты возможна только тогда, когда напряжение на параллельно включенных мостов VD1 - VD4 и VD5 - VD8 превысит напряжение стабилизации стабилитрона VD18. При подборе стабилитрона VD18 через управляющий электрод тиристора VS1 будет протекать ток достаточный для его открытия. Тиристор VS1 откроется и подаст напряжение на всю схему реле. Закрытие тиристора VS1 осуществляется за счет разряда конденсатора С1 по цепи через VD15, конденсатор С2 диод VD14 и резистор R8. Повторное открытие тиристора VD19 происходит всякий раз когда происходят пробей стабилитрона VD18, а закрытие всякий раз когда напряжение на конденсаторе С1 будет больше, чем напряжение на выходе выпрямительных мостов. Меняя сопротивление резисторов R27 и R28 можно обеспечить любой порог срабатывания тиристора VD19. В изготовленном образце порог срабатывания принят по вторичному току трансформаторов тока трансформаторов тока равным 6А.
При токе в защищаемом присоединении меньшем тока срабатывания заняты динистор VD15 закрыт и находится в закрытом состоянии оптотиристор VU1. В моменты времени когда на конденсаторе С1 больше мгновенного напряжения, получаемого на выходе мостов VD1 - VD4 и VD5 - VD8, происходит его разряд через резисторы R9 - R15, диод VD14, R8, а когда подводимое напряжение больше, чем напряжение на конденсаторе С5 происходит его заряд. При превышении током нагрузки некоторой величины загораются светодиоды Нα1, Нα2, и любой из светодиодов (в зависимости от положения переключателей S1 и S2) НL3 - НL5 и НL6 - НL8. Если в режиме нагрузки ток в одной из фаз будет отсутствовать (например, из обрыва цепи), то соответствующий из вышеназванных светодиодов гореть не будет.
При симметричном (трехфазном) к.з. разность потенциалов на динисторе превышает напряжение его открытия. При открытии динистора VD15 подается напряжение на орган выдержки времени. Конденсатор С3 начинает заряжаться подавая на базу транзистора VT1 положительный относительно эмиттера потенциал. При этом транзистор находится в закрытом состоянии поэтому остается закрытым тиристор VД17 (т.к. на его управляющем электроде в этом случае будет отрицательный потенциал), а следовательно закрыт фототиристор VИ1 и через электромагнит отключения ток не протекает. По истечении времени (0,5; 1 ; 1,5 с), задаваемого положением переключателя S2, конденсатор С3 зарядится и на базе транзистора VT1 будет отрицательный потенциал. Транзистор откроется при этом на управляющий электрод тиристора.подается положительный потенциал (через резистор R16 и переход эмиттер-коллектор открытого транзистора VТ1). Тиристор VS2 открывается и подает положительный потенциал на анод светодиода оптотиристора VU1. При работе светодиода открывается тиристор оптотиристора VU1. После открытия фототиристора VU1 замыкается цепь тока через электромагнит отключения, последний срабатывает и отключает выключатель. Вставка по току срабатывания устанавливается переключателем S1. При несимметричных (двухфазных) к.з. открытие динистора VД15 будет происходить при токах меньших чем при симметричном к.з., а на уставке при токе меньшем номинального. Таким образом эта защита более чувствительная к двухфазным к.з..
При обрыве фазы в первичной сети на уставке защита срабатывает, если ток нагрузки на присоединении будет составлять 60% от номинального.
Защита также может сработать при перекосе тока в фазах. Выдержка времени у защиты выполнена независимой от тока к.з. Ступенчатое регулирование уставки времени осуществляется переключателем S2, плавное регулирование - построечными резисторами R23, R24 и R26.
Регулирование уставки по току ступенчато осуществляется переключателем S1, плавно-подстроечными резисторами R12, R13 и R14.
Фиксация срабатывания защиты может производится указательным реле, включаемым последовательно или параллельно с электромагнитом отключения.
При опробовании работоспособности защиты от внешнего источника питания, необходимо на присоединения разомкнуть токовые цели или производить опробование защиты при разомкнутых (каким - либо образом) токовых цепях.
Долго подавать напряжение на схему опробования не
рекомендуется, т.к. в противном случае может сгореть резистор R1 не
рассчитанный на длительное протекание электрического тока. При опробовании
необходимо выставить минимальную уставку по току (6А) и минимальное время (0,5
с).
.3 Экономическая эффективность
Основной причиной отказов защит с реле типа РТВ является несрабатывание органа выдержи на уставке 0,5 с из-за несовершенства конструкции самого механического реле времени.
Средний экономический эффект, получаемый от внедрения нового устройства задам мотаю определить по "Методике определения экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, новой техники, изобретений и рационализаторских предложений".
Согласно этой методике, средний экономический аффект
определяется по формуле:
Э = (Сб + Ен Кб) - (Сн + Ен Кн) (5.1)
где Сб и Сн - удельная себестоимость продукции при функционировании базового и нового устройства защиты, руб/год устр.,
Кб и Кн - удельные капитальные вложения до и после внедрения нового устройства защиты, тенге/устр;
Ен - нормальный коэффициент эффективности капитальных вложений, равный 0,15.
Удельная себестоимость продукции при функционировании
соответственно базового и нового устройств защиты определяется соотношениями:
Сб = Зб + Зэб = σб ε + Зэб (5.2)
Сн = Зн + Зэн = σн ε + Зэн (5.3)
где Зб и Зн - ожидаемые удельные затраты от аварии до и после внедрения нового устройстве защиты тенге/год;
Зэб и Зэн - эксплуатационные затраты на базовое и новое устройства защиты, тенге/год;
ε - средний ущерб от одной аварии, тенге/ присоединения;
σб и σн - аварийность присоединений, защищенных базовым и новым устройствами защиты, год-1.[15]
Удельные капитальные вложения в базовое и новое
устройства защиты определяют из следующих выражений:
Кб = Об + Змб + Кдб, (5.4)
Кн = Он + Змн + Кдн (5.5)
где Об и Он - оптовая цена базового и нового устройств, тенге;
Змб и Змн - затраты на монтаж базового и нового устройств защиты, тенге;