Защита фидеров тяговой подстанции и постов секционирования двухпутного участка переменного тока с узловой схемой питания

1. Видеоурок по курсовой работе “Защита фидеров тяговой подстанции и постов секционирования двухпутного участка переменного тока с узловой

схемой
питания”
Настройка параметров модели в среде
SimPowerSystems Matlab
1

2.

Выполнение курсовой работы заключается в
разработке схемы модели двухпутного участка
переменного тока 25 кВ с узловой схемой питания,
расчете уставок защит фидеров контактной сети
тяговой подстанции и поста секционирования,
настройке параметров модели участка и защит,
проведении модельных экспериментов.
Соответствующие исходные данные выбираются в
зависимости от цифр заданного шифра, по табл.
1 и 2.
2

3. Таблица 1

3

4. Таблица 2

4

5. Таблица 3

Тип подвески
ПБСМ1-95+МФ100
ПБСМ1-70+МФ100
ПБСМ2-95+МФ100
М95+МФ100
М120+МФ100
Активное
сопротивление
1 км
контактной
подвески, rlкс,
Ом/км
0,174
0,159
0,172
0,094
0,085
Реактивное сопротивление 1 км
контактной подвески, Ом/км
Одного пути
двухпутного
участка х1ксэ
0,292
0,276
0,291
0,254
0,254
Двух путей двухпутного участка
при параллельном
соединении подвесок, Х2ксэ
0,177
0,149
0,177
0,158
0,158
5

6. Таблица 4

Тип
рельса
Р50
Р65
Реактивное
Активное
сопротивление
сопротивление 1 км 1 км рельсовых
рельсовых путей
путей
двухпутного участка, двухпутного
г2р, Ом/км
участка x2p
Ом/км
0,065
0,180
0,055
0,173
6

7.

Погонные сопротивления тяговой сети в общем
случае будут состоять из соответствующих
сопротивлений контактной подвески и рельсов.
Так, сопротивление 1 км тяговой сети одного пути
двухпутного участка Z01 будет равно:
а сопротивление 1 км тяговой сети
двухпутного участка при параллельном
соединении подвесок Z02:
где r1кс, r2р, Х1ксэ, Х2рэ — соответственно
активные и реактивные сопротивления
контактной подвески и рельсовых путей
7

8. Схема модели

Continuous
powergui
25 In
25 Out
C
Breaker2
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
25 In
Breaker4
Breaker6
Breaker8
25 Out
C
25kV C
25 In
25 Out
KZ3
C
Breaker1
Series RL
Series RL1
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
Breaker3
Breaker5
KZ2
Series RL2
25 Out
25 In
C
Conn2
Conn1
A
Conn2
Conn1
C 25kV
B
Breaker7
Series RL3
8

9. Модель тяговой подстанции

A
B
C
Three-Phase Source
A
a
B
b
1
25kV
C
c
Three-Phase
Transformer
(Two Windings)
9

10. Окно настройки трехфазного источника

10

11. Окно настройки тягового трансформатора

11

12. Элементы схемы модели: фрагменты контактной сети (mutual inductance) и рельсов (Series RL-RL3); выключатели со встроенными защитами (Breaker1-Breaker8); короткозам

Элементы схемы модели: фрагменты контактной сети (mutual
inductance) и рельсов (Series RL-RL3); выключатели со
встроенными защитами (Breaker1-Breaker8);
короткозамыкатели KZ.
Continuous
powergui
25 In
25 Out
Mutual
Inductance
C
Breaker2
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
25 In
Breaker4
Breaker6
Breaker8
25 Out
C
25kV C
25 In
25 Out
KZ3
C
Breaker1
Series RL
Series RL1
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
Breaker3
Breaker5
KZ2
Series RL2
25 Out
25 In
C
Conn2
Conn1
A
Conn2
Conn1
C 25kV
B
Breaker7
Series RL3
12

13. Параметры модели участка контактной сети

13

14. Расчет взаимной индуктивности подвесок КС

Lm =Xm/314.15 Гн/км
14

15. Проверка расчета

15

16. Х2кс

16

17. Х1кс

17

18. Параметры модели участка рельсов (четверть пути между подстанциями)

Series RL
18

19. Модель релейной защиты с выключателем

I
R
R2
V
Goto
Rele
c
1
1
25 In
2
Breaker
+ i
-
2
25 Out
v +
-
19

20. Модель двухступенчатой дистанционной защиты фидеров подстанции

1476
Ikz
Z1=Z*0.85
12.71
Z
Scope3
Otsechka
Ito=Ikz*1.3
Switch
OR
Relay3
Scope5
1
I
signal
rms
ST_1
RMS2
1
Step
In1 Out1
0.015s+1
Saturation
2
V
Relay2
Logical
Operator4
AND
Switch1
delay
S
Q
R
!Q
signal
rms
0
Scope1
Saturation1
RMS3
Constant1
1
0.015s+1
12.71
Z2
Step1
AND
AND
In1 Out1
In
S/H
U
Relay1
I
Demux
95
S
delay 0.4
Sample & Hold
Impulses
Constant5
R
S-R
Flip-Flop
ST_2
Gain
45
1
Switch2
Scope4
10
double
OR
Phase_min
Ramp U
Phase_max
Phase detector1
Logical
Operator1
Constant6
20

21. Направленность защиты

Направленность защиты обеспечивается
фазоограничительным органом (блок Phase
detectors). Импульс на выходе этого блока возникает
в момент перехода тока через нулевой уровень при
условии соблюдения заданного допустимого
диапазона сдвига фазы тока от напряжения. Импульс
фазового детектора поступает на стробирующий
вход элемента выборки/хранения (Sample & Hold).
На другой вход элемента выборки/хранения
подается сигнал с реле сопротивления. Выходной
сигнал с элемента выборки/хранения для ступеней с
выдержкой времени подается на элемент задержки.
21

22. Обеспечение направленности второй ступени на базе фазового детектора

Otsechka
Scope3
Relay3
Switch
OR
Scope5
1
I
signal
rms
Z
RMS2
ST_1
1
Step
0.015s+1
In1 Out1
Saturation
2
V
Relay2
Logical
Operator4
AND
Switch1
delay
S
Q
R
!Q
signal
rms
Saturation1
RMS3
Scope1
0
Step1
Constant1
1
0.015s+1
Z
double
1
R
S-R
Flip-Flop
Switch2
Scope2
AND
AND
Step2
ST_2
In
S/H
In1 Out1
S
U
I
45
95
Relay1
Impulses
Phase_min
Ramp U
Phase_max
Phase detector
Demux
Sample & Hold
delay 0.4
OR
Logical
Operator1
22

23. Диаграммы направленности защит 1)двухступенчатых на подстанции (а) и посту секционирования (г) 2)трехступенчатых на подстанции (б, в) и посту

Диаграммы направленности защит
1)двухступенчатых на подстанции (а) и посту секционирования (г)
2)трехступенчатых на подстанции (б, в) и посту секционирования (д)
23

24. Фазовый детектор

3
Phase_min
U
1
>=
1/360
RAMP>alpha
Relational
Operator1
Talpha3
2
K1
-1
Gain
Ramp U
50
Mux
Integrator1
1
s
Mux
I
2
Hit
Crossing
Scope9
-1
Gain2
Mux
AND
Gain1
>=
1/360
K2
Mux
NOT
50
Logical
Operator1
Integrator2
1
s
Mux1
Hit
Crossing1
Logical
Operator
RAMP>alpha
Relational
Operator2
Talpha1
-1
1
Impulses
Hit
Crossing2
Mux2
4
Phase_max
RAMP
RAMP
AND
Logical
Operator2
24

25. Модель двухступенчатой дистанционной защиты фидера поста секционирования

1201
Ikz
6.353
Z
Otsechka
Scope8
Scope2
Scope6
Switch
Relay3
OR
Scope5
1
I
signal
rms
ST_1
Saturation2
RMS2
Logical
Operator1
1
In
S/H
0.015s+1
Product
2
V
Scope4
SaturationTransfer Fcn1
In1 Out1
S
Relay2
Sample & Hold
signal
rms
delay
Switch1
0
Saturation1
RMS3
Constant1
Scope1
Demux
S
Q
R
!Q
double
1
R
S-R
Flip-Flop
OR
Switch2
U
AND
Step
I
Impulses
45
Phase_min
Constant2
Phase_max
AND
Scope3
In1 Out1
95
Constant3
Phase detector
ST_2
delay 0.3
Relay1
Scope7
25

26. Эксперимент с КЗ перед постом секционирования

Discre te ,
Ts = 5e -005 s.
powe rgui
25 In
25 Out
C
Breaker2
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
25 Out
Breaker4
Breaker6
Breaker8
25 In
C
25kV C
25 Out
KZ3
C
Breaker1
Series RL
R1
R1
Series RL1
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
Breaker3
Breaker5
KZ2
Series RL2
25 Out
25 In
C
Conn2
Conn1
25 In
A
Conn2
Conn1
C 25kV
B
Breaker7
Series RL3
In1 Out1
From
R2
In2 Out2
From1
R3
In3 Out3
From2
R4
In4 Out4
From3
R5
In5 Out5
From4
R6
In6 Out6
From5
R7
In7 Out7
From6
R8
In8 Out8
From7
Subsystem
Scope
26

27. Цель эксперимента

1. Определить уставку токовой отсечки
защиты фидера подстанции
2. Определить уставку реле
сопротивления первой ступени
защиты фидера подстанции
Перед экспериментами необходимо отключить
все ступени защит на всех восьми реле
27

28. Запустить моделирование и на дисплее Ikz в реле Breaker2 определить величину тока КЗ при местоположении точки КЗ в конце защищаемого участка, т.

Запустить моделирование и на дисплее Ikz в
реле Breaker2 определить величину тока КЗ
при местоположении точки КЗ в конце
защищаемого участка, т.е. перед постом
секционирования.
Эту величину тока следует умножить на
коэффициент запаса
Кз=1.3
и использовать в качестве уставки токовой
отсечки Iто =Ikz*1.3
28

29. Определение тока КЗ (Ikz) в Breaker2

2118
Ikz
Z1=Z*0.85
9.571
Z
Scope3
Otsechka
Ito=Ikz*1.3
Switch
OR
Relay3
Scope5
1
I
signal
rms
ST_1
RMS2
1
Step
In1 Out1
0.005s+1
Saturation
2
V
Relay2
Logical
Operator4
AND
Switch1
delay
S
Q
R
!Q
signal
rms
0
Scope1
Saturation1
RMS3
Constant1
1
0.005s+1
9.571
Scope4
Step1
AND
AND
In1 Out1
In
S/H
U
Relay1
I
Demux
95
Scope2
S
delay 0.4
Sample & Hold
Impulses
Constant5
R
S-R
Flip-Flop
ST_2
Gain
45
1
Switch2
Z2
10
double
OR
Phase_min
Ramp U
Phase_max
Phase detector1
Logical
Operator1
Constant6
29

30. Устанавливаем ток срабатывания Iто=2118*1.3, ток возврата реле 2118*1.3*0.9 в токовых отсечках всех защит фидеров подстанций

30

31. Определение уставки первой ступени реле сопротивления защиты фидеров подстанций

В этом же эксперименте с КЗ перед постом секционирования на
дисплее Z определяем установившееся значение модуля
сопротивления Z=9.57, измеряемого в блоке Breaker2,
умножаем на коэффициент 0.85 и заносим во вторую строку
31

32. В верхнюю строку окна настройки устанавливаем сопротивление возврата реле Z1в=Z1*1.1

32

33. Эксперимент для определения уставок вторых ступеней защит фидеров подстанции

Discre te ,
Ts = 5e -005 s.
powe rgui
25 In
25 Out
C
Breaker2
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
25 In
Breaker4
Breaker6
Breaker8
25 Out
C
25kV C
25 Out
KZ3
C
Breaker1
Series RL
R1
R1
Series RL1
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
Breaker3
Breaker5
KZ2
Series RL2
25 Out
25 In
C
Conn2
Conn1
25 In
A
Conn2
Conn1
C 25kV
B
Breaker7
Series RL3
In1 Out1
From
R2
In2 Out2
From1
R3
In3 Out3
From2
R4
In4 Out4
From3
R5
In5 Out5
From4
R6
In6 Out6
From5
R7
In7 Out7
From6
R8
In8 Out8
From7
Subsystem
Scope
33

34. Установившееся после КЗ значение Z=46.45 умножаем на коэффициент чувствительности Кч=2 и заносим это значение во вторую строку окна настройки

реле сопротивления ST_2 всех
защит фидеров подстанций. В верхнюю строку окна настройки
устанавливаем сопротивление возврата реле
34

35. Определение настроек двухступенчатых защит фидеров поста секционирования. КЗ вблизи шин подстанции А.

Discre te ,
Ts = 5e -005 s.
powe rgui
25 In
25 Out
C
Breaker2
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
25 Out
Breaker4
Breaker6
Breaker8
25 In
C
25kV C
25 Out
KZ3
C
Breaker1
Series RL
R1
R1
Series RL1
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
Breaker3
Breaker5
KZ2
Series RL2
25 Out
25 In
C
Conn2
Conn1
25 In
A
Conn2
Conn1
C 25kV
B
Breaker7
Series RL3
In1 Out1
From
R2
In2 Out2
From1
R3
In3 Out3
From2
R4
In4 Out4
From3
R5
In5 Out5
From4
R6
In6 Out6
From5
R7
In7 Out7
From6
R8
In8 Out8
From7
Subsystem
Scope
35

36.

В реле Breaker4 на дисплее фиксируем ток Ikz=2308 A.
7.438
Z
2308
Ikz
Otsechka
Scope2
Scope6
Switch
Relay3
OR
Scope5
1
I
signal
rms
Saturation2
RMS2
Logical
Operator1
1
In
S/H
0.015s+1
Product
2
V
Scope4
ST_1
SaturationTransfer Fcn1
In1 Out1
S
Relay2
delay
Sample & Hold
signal
rms
Switch1
0
Saturation1
RMS3
Constant1
Scope1
Demux
S
Q
R
!Q
double
1
R
S-R
Flip-Flop
OR
Switch2
U
AND
Step
I
Impulses
45
Phase_min
Constant2
Phase_max
AND
Scope3
In1 Out1
95
Constant3
Phase detector
ST_2
delay 0.3
Relay1
Scope7
36

37. Умножаем Ikz на Кз=1,3 и используем эту величину в качестве уставки токовой отсечки всех защит фидеров поста секционирования

37

38. Определение уставки первой ступени реле сопротивления защиты фидеров поста секционирования. В этом же эксперименте на дисплее Z определяе

Определение уставки первой ступени реле сопротивления защиты
фидеров поста секционирования. В этом же эксперименте на
дисплее Z определяем установившееся значение модуля
сопротивления Z=7.438, измеряемого в блоке Breaker4
7.438
Z
2308
Ikz
Otsechka
Scope2
Scope6
Switch
Relay3
OR
Scope4
Scope5
1
I
rms
signal
ST_1
Saturation2
RMS2
Logical
Operator1
1
In
S/H
0.015s+1
Product
2
V
SaturationTransfer Fcn1
In1 Out1
S
Relay2
delay
Sample & Hold
rms
signal
Switch1
0
Saturation1
RMS3
Constant1
Scope1
Demux
S
Q
R
!Q
double
1
R
S-R
Flip-Flop
OR
Switch2
U
AND
Step
I
Impulses
45
Phase_min
Constant2
Phase_max
AND
Scope3
In1 Out1
95
Constant3
Phase detector
ST_2
delay 0.3
Relay1
Scope7
38

39. Умножаем Z на коэффициент 0.85 и заносим это значение во вторую строку окна настройки всех реле сопротивления ST_1 защит фидеров поста. В верхн

Умножаем Z на коэффициент 0.85 и заносим это значение во
вторую строку окна настройки всех реле сопротивления ST_1
защит фидеров поста. В верхнюю строку окна настройки
устанавливаем сопротивление возврата реле
39

40. Определение уставок вторых ступеней защит фидеров поста секционирования. При КЗ у шин подстанции А

Discre te ,
Ts = 5e -005 s.
powe rgui
25 In
25 Out
C
Breaker2
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
25 Out
Breaker4
Breaker6
Breaker8
25 In
C
25kV C
25 Out
KZ3
C
Breaker1
Series RL
R1
R1
Series RL1
25 In
25 Out
C
25 In
25 Out
C
Breaker3
Breaker5
KZ2
Series RL2
25 Out
25 In
C
Conn2
Conn1
25 In
A
Conn2
Conn1
C 25kV
B
Breaker7
Series RL3
In1 Out1
From
R2
In2 Out2
From1
R3
In3 Out3
From2
R4
In4 Out4
From3
R5
In5 Out5
From4
R6
In6 Out6
From5
R7
In7 Out7
From6
R8
In8 Out8
From7
Subsystem
Scope
40

41. Результат моделирования в окне реле Breaker4

7.438
Z
2308
Ikz
Otsechka
Scope2
Scope6
Switch
Relay3
OR
Scope5
1
I
signal
rms
ST_1
Saturation2
RMS2
Logical
Operator1
1
In
S/H
0.015s+1
Product
2
V
Scope4
SaturationTransfer Fcn1
In1 Out1
S
Relay2
delay
Sample & Hold
signal
rms
Switch1
0
Saturation1
RMS3
Constant1
Scope1
Demux
S
Q
R
!Q
double
1
R
S-R
Flip-Flop
OR
Switch2
U
AND
Step
I
Impulses
45
Phase_min
Constant2
Phase_max
AND
Scope3
In1 Out1
95
Constant3
Phase detector
ST_2
delay 0.3
Relay1
Scope7
41

42. На реле Breaker4 определяем Z=7.438 после КЗ, умножаем на коэффициент Кч=1.2 и заносим это значение во вторую строку окна настройки реле сопротивлен

На реле Breaker4 определяем Z=7.438 после КЗ, умножаем на
коэффициент Кч=1.2 и заносим это значение во вторую строку окна
настройки реле сопротивления ST_2 всех защит поста. В верхнюю
строку окна настройки устанавливаем сопротивление возврата реле
42

43. Тестирование защит при различном местоположении КЗ

Для заданных в таблице 1 фидеров следует провести серию из 4-х
экспериментов КЗ с отображением результатов на
осциллограммах, отображающих срабатывание защит:
1.
КЗ посредине защищаемого фидера;
2.
КЗ на защищаемом фидере вблизи подстанции;
3.
КЗ на защищаемом фидере вблизи поста секционирования;
4.
КЗ на защищаемом фидере вблизи поста
при отключении всех ступеней защиты этого фидера поста
секционирования.
В последнем эксперименте вторые ступени защит поста
секционирования должны резервировать отключенную
защиту фидера поста.
43

44.

Короткое
замыкание в
средней части
фидера,
ограниченного
выключателями 2 и
4. Оба выключателя
2 и 4 отключают
фидер без
выдержки времени.
44

45.

Рисунок
иллюстрирует работу
защит при коротком
замыкании на
фидере,
ограниченном
выключателями 5 и 7,
вблизи выключателя
5. Выключатель 5
отключается без
выдержки времени, а
выключатель 7 с
выдержкой второй
ступени
45

46.

Рисунок иллюстрирует работу
защит при коротком
замыкании на фидере между
выключателями 5 и 7 вблизи
выключателя 5. Эксперимент
дополнен имитацией отказа
защиты на выключателе 5.
Правильно срабатывает
защита выключателя 7 на
подстанции и защиты на
выключателях 3, 4, 6 поста
секционирования,
резервирующие отказ защиты
выключателя 5. На трех
фидерах сохраняется питание.
46