ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ:

Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ), на двигателях напряжением выше 1000 В должны устанавливаться следующие устройства релейной защиты:

• защита от междуфазных коротких замыканий;
• защита от замыканий на землю;
• защита от двойных замыканий на землю;
• защита от перегрузки.

Для синхронных двигателей дополнительно требуется защита от асинхронного режима. Применяемые для этой цели виды защиты зависят от мощности электродвигателей:

В качестве защиты от междуфазных КЗ при мощности двигателей до 5000 кВт применяется токовая отсечка. Она может применяться и для двигателей большей мощности, не имеющих фазных выводов со стороны нейтрали двигателя. При двигателях большей мощности, а также если токовая отсечка для двигателей меньшей мощности не удовлетворяет требованиям чувствительности, применяется дифференциальная защита при условии, что эти двигатели имеют выводы со стороны нейтрали.

В качестве защиты от замыканий на землю при токах замыкания более 5 Ампер для двигателей мощностью более 2000 кВт, и 10 А для двигателей меньшей мощности, применяется токовая защита нулевой последовательности, действующая на отключение. На линиях, питающих двигатели передвижных механизмов, защита от замыканий на землю, по соображениям электробезопасности, должна действовать на отключение независимо от величины тока замыкания на землю. На блоках трансформатор– двигатель защита от замыканий на землю действует на сигнал. Указанная защита входит в состав всех перечисленных ниже устройств.

В качестве защиты от двойных замыканий на землю применяется токовая защита нулевой последовательности, действующая на отключение. Она применяется в тех случаях, когда защита от замыканий на землю имеет выдержку времени. Ее применение обязательно, если защита от междуфазных КЗ выполняется в двух фазах.

Защита от перегрузки требуется для двигателей, подверженных перегрузке по технологическим причинам, или с особо тяжелыми условиями пуска. Защиту от перегрузки согласно нормам Республики Беларусь, можно выполнять с зависимой или независимой выдержкой времени. Защита от перегрузки может действовать на разгрузку механизма по технологическим цепям или сигнал: – 1-я ступень и на отключение – 2-я ступень. Выдержка времени защиты от перегрузки при токе, равном пусковому току двигателя, выполняется большей времени его пуска. Как правило, при таком выполнении защиты двигателя имеется значительный тепловой запас – обычные двигатели по температуре выдерживают не менее двух пусков подряд. Это дает возможность выполнить действие такой защиты от перегрузки на разгрузку механизма.

Таким образом, согласно ПУЭ, на двигателях мощностью менее 5000 кВт можно иметь токовую отсечку, токовую защиту от замыканий на землю, защиту от перегрузки. Такие защиты можно выполнять на тепловых реле. Существуют специальные защиты от перегрузки с зависимой характеристикой, совпадающей с тепловой, которая определяет тепловое состояние двигателя и позволяет полнее использовать его перегрузочную способность. Параметры этой характеристики зависят от данных самого электродвигателя: системы охлаждения, допустимой температуры для изоляции двигателя, исходной температуры двигателя или помещения. Все эти данные учитывают специальные защиты двигателей. Поэтому, защиты от перегрузки такого типа имеют обычно 2 ступени: ступень с меньшей выдержкой времени действует на разгрузку, с большей – на отключение. В большинстве случаев применяемые у нас защиты имеют одну установку с зависимой или независимой выдержкой времени. Согласно ПУЭ защита от перегрузки должна действовать на сигнал, разгрузку механизмы и, лишь в крайнем случае, на отключение. В такой ситуации не требуется значительная выдержка времени, требуется отстроится только от времени самостоятельного запуска электродвигателя.

Режим асинхронного хода сопровождается перегрузкой двигателя, и на него реагируют защиты от перегрузки. Поэтому часто защита от перегрузки выполняет одновременно функцию защиты от асинхронного режима. Простые токовые защиты могут срабатывать и возвращаться при колебаниях тока. Поэтому защиты от перегрузки в асинхронном режиме должны накапливать выдержку времени. Такой принцип должен быть заложен в защиту от перегрузки. Так, как и ранее, можно использовать две ступени защиты от перегрузки: ступень с меньшей выдержкой времени действует на ресинхронизацию, с большей на отключение. Поскольку в этом случае невозможно различить режим перегрузки и асинхронный режим, нельзя обеспечить автоматическую ресинхронизацию. При наличии дежурного персонала на объекте, он может это выявить визуально при срабатывании 1-й сигнальной ступени. Специальные защиты от потери возбуждения имеются в устройствах возбуждения крупных двигателей. Эти устройства целесообразно использовать для автоматической ресинхронизации.

Для двигателей, работающих в блоке с понижающим трансформатором, может быть выполнена общая защита, если она удовлетворяет требованиям к защите как двигателя, так и трансформатора.

Для облегчения условий самостоятельного запуска, а также для предотвращения подачи несинхронного напряжения на возбужденные синхронные двигатели или заторможенные механизмы, двигатели должны быть оборудованы защитой минимального напряжения. Эта защита может быть либо индивидуальной, либо групповой. В ряде случаев для ускорения подачи напряжения на шины, или предотвращения подачи напряжения на двигатели автоматикой внешней сети, синхронные двигатели могут быть дополнительно оборудованы защитой по понижению частоты, так как они способны длительно поддерживать напряжение в сети. Следовательно, при использовании такого реле для защиты двигателя нет необходимости в применении с этой целью специальных реле напряжения.

Кроме перечисленных обязательных для двигателей функций защиты, специальные защиты для двигателей имеют дополнительные функции, использование которых улучшает условия эксплуатации двигателя, тем самым снижая вероятность повреждения и продлевая срок его службы. К ним относятся:

• защита от обрыва фазы;
• ограничение количества пусков;
• запрет пуска по времени прошедшего от предыдущего пуска;
• защита минимального тока или мощности;
• защита от заклинивания или затормаживания ротора.

Специальные устройства защиты двигателей могут работать не только с током и напряжением, но и с датчиками температуры. У двигателей большой мощности существуют также технологические защиты, которые могут действовать на отключение двигателей при: повышении температуры двигателя, его подшипников, прекращении смазки подшипников, циркуляции воздуха в системе охлаждения. Необходимость этих защит и предъявляемые к ним требования излагаются в заводской документации. Эти защиты подаются на дискретные входы устройства защиты.

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Вращающий момент электродвигателей и момент сопротивления механизма

Нормальный установившийся режим работы электродвигателя характеризуется равенством электромагнитного момента Мд, развиваемого электродвигателем, и механического момента сопротивления Мс  механизма, приводимого в действие электродвигателем: Mд = Мс

Если Mд < Mc , то электродвигатель будет тормозиться, а если      Mд > Mc , то частота вращения электродвигателя будет увеличиваться. При неизменном напряжении питающей сети момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, зависит от частоты вращения n или, что то же самое, скольжения s.  В нормальных условиях равенство Mд = Мс имеет место при s = 0,02–0,05. Максимальный момент электродвигателя Mд max равен приблизительно двукратному номинальному моменту: Mдmax Mдном = 2  Частота вращения nк и скольжение SK, соответствующие максимальному моменту, называются критическими.

Рис. 9.1

Зависимость момента вращения асинхронных электродвигателей и моментов сопротивления

механизмов от частоты вращения.

Пусковой момент Мд пуск, соответствующий частоте вращения n = 0 или скольжению s = 1, в зависимости от конструкции электродвигателя имеет разные значения (кривые 1, 2, 3, рис. 9.1). Характеристики моментов сопротивления механизмов, которые приводятся в действие электродвигателями, в зависимости от их частоты вращения, могут быть зависящими от частоты вращения (кривая 5) и не зависящими от нее (кривая 4, рис. 9.1). Момент сопротивления, не зависящий от частоты вращения, имеют, например, шаровые мельницы в системе пылеприготовления электростанции. Момент сопротивления, резко зависящий от частоты вращения, имеют все центробежные механизмы.

Ток, потребляемый статором электродвигателя из сети, Iд состоит из тока намагничивания Iнам статора и тока ротора, приведенного к обмотке статора Iрот:

(Рис. 9.2.) Схема замещения асинхронного электродвигателя от скольжения.  (Рис. 9.3.) Зависимость тока статора и сопротивления

При пуске, т. е. при подаче напряжения на неподвижный электродвигатель, сопротивление его мало и ток ротора имеет максимальное значение. Соответственно, максимальное значение имеет и ток статора. Ток статора при пуске электродвигателя называется пусковым током. Начальный пусковой ток равен току трехфазного КЗ за сопротивлением, равным сопротивлению неподвижного электродвигателя. Пусковой ток состоит из переменной составляющей, затухающей по мере увеличения частоты вращения, и апериодической составляющей, затухающей в течение нескольких периодов. Из осциллограммы пуска двигателя, представленной на рис. 9.4, видно, что по мере разворота ток, потребляемый электродвигателем, меняется вначале мало, и только при приближении к синхронной частоте вращения он быстро спадает. Объясняется это характером изменения сопротивления двигателя. Периодическая составляющая пускового тока электродвигателя Iд пуск при неподвижном роторе в 4–8 раз превосходит Iном. Пик тока с учетом апериодической составляющей достигает:Пуск электродвигателей Это следует из схемы замещения (рис. 9.2). Ток в роторе определяется наведенной в нем ЭДС, которая зависит от скольжения. Токи ротора и статора также меняются с изменением скольжения. Характер зависимости периодической составляющей Iд и сопротивления электродвигателя Zд от скольжения представлен на рис. 9.3. При нормальной работе электродвигателя, когда скольжение составляет 2–5% (близко к нулю), сопротивление ротора очень велико, Iрот мал, мал и ток статора, так как ветвь намагничивания имеет большое сопротивление.

Пуск электродвигателей

При пуске, т. е. при подаче напряжения на неподвижный электродвигатель, сопротивление его мало и ток ротора имеет максимальное значение. Соответственно, максимальное значение имеет и ток статора. Ток статора при пуске электродвигателя называется пусковым током. Начальный пусковой ток равен току трехфазного КЗ за сопротивлением, равным сопротивлению неподвижного электродвигателя. Пусковой ток состоит из переменной составляющей, затухающей по мере увеличения частоты вращения, и апериодической составляющей, затухающей в течение нескольких периодов. Из осциллограммы пуска двигателя, представленной на рис. 9.4, видно, что по мере разворота ток, потребляемый электродвигателем, меняется вначале мало, и только при приближении к синхронной частоте вращения он быстро спадает. Объясняется это характером изменения сопротивления двигателя. Периодическая составляющая пускового тока электродвигателя Iд пуск при неподвижном роторе в 4–8 раз превосходит Iном. Пик тока с учетом апериодической составляющей достигает:

Рис. 9.4 Осциллограмма пускового тока асинхронного электродвигателя. 

Продолжительность затухания периодической составляющей пускового тока до значения номинального тока зависит от параметров электродвигателя и условий пуска. При пуске с нагрузкой развертывание электродвигателя до номинальной скорости происходит медленнее и продолжительность спада тока увеличивается. Это объясняется тем, что ускорение вращения ротора зависит от значения избыточного момента:

Если Мд превосходит Мс во все время пуска, то электродвигатель пускается быстро и легко. Как видно из рис. 9.1, электродвигатели, приводящие механизмы с зависимым от частоты вращения моментом сопротивления, пускаются легче, чем электродвигатели, приводящие механизмы с независимым от частоты вращения моментом сопротивления. В последнем случае при недостаточном значении пускового момента электродвигатели могут вообще не развернуться (кривые 2 и 4, рис. 9.1), так как, начиная со скольжения, соответствующего точке а, Мс превосходит Мд.

Электродвигатели с глубоким пазом и двойной обмоткой ротора имеют наиболее благоприятный пусковой момент (кривая 3, рис. 9.1). Длительность пуска электродвигателей tпуск, как правило, не превосходит 10–15 с, и только у электродвигателей с тяжелыми условиями пуска это значение может быть значительно больше.

При возникновении КЗ в питающей сети вблизи зажимов электродвигателя, последний за счет внутренней ЭДС, поддерживаемой энергией магнитного поля, посылает к месту КЗ быстро затухающий ток. Броски тока КЗ могут достигать значений пусковых токов.

Зависимость момента электродвигателей от напряжения выражается формулой:

При КЗ в сети напряжение на зажимах электродвигателей снижается. В результате этого, моменты электродвигателей уменьшаются, и они начинают тормозиться, увеличивая скольжение (кривые 1,

1', 1", рис. 9.5) до тех пор, пока вновь не восстановится равенство Mд = Мс . Если при этом окажется, что Mдmax = Мс (кривая 1'', точка а на рис. 9.5), то электродвигатель будет находиться на

пределе устойчивой работы и иметь скольжение, равное критическому. При дальнейшем снижении напряжения электродвигатель будет тормозиться вплоть до полной остановки. После отключения КЗ напряжение питания восстанавливается, и дальнейшее поведение электродвигателя будет зависеть от скольжения, имевшего место в момент восстановления напряжения, и соответствующих ему

значений Mд и Мс .

Рис. 9.5 Зависимость момента вращения асинхронных электродвигателей от скольжения s при различных значениях напряжения.

При Мд > Мс электродвигатель развернется до нормальной частоты вращения, а при Мд < Мс будет продолжать тормозиться до полного останова. В этом случае электродвигатель необходимо отключить, так как он будет потреблять пусковой ток, не имея возможности развернуться.

Самозапуск электродвигателей тяжелее обычного пуска. Объясняется это тем, что при самозапуске электродвигатели пускаются нагруженными, а электродвигатели с фазным ротором – без пускового реостата в цепи ротора, что уменьшает пусковой момент и увеличивает пусковой ток и, наконец, пускается большое количество электродвигателей одновременно, что вызывает падение напряжения в питающей сети от суммарного пускового тока. Однако самозапуск электродвигателей проходит сравнительно легко. Так самозапуск электродвигателей собственных нужд электростанций возможен даже в тех случаях, когда в первый момент после восстановления напряжения значение его составляет 0,55Uном. При этом общее время самозапуска не превышает 30-35 с, что допустимо по их нагреву.

В случае обрыва одной из фаз обмотки статора электродвигатель продолжает работать. Частота вращения ротора при этом несколько уменьшается, а обмотки двух, оставшихся в работе фаз перегружаются током в 1,5–2 раза большим номинального. Защита от работы на двух фазах применялась ранее лишь на электродвигателях напряжением до 500 В, защищенных предохранителями, если двухфазный режим работы может повлечь за собой повреждение электродвигателя. В настоящее время в связи с высокой стоимостью двигателей высокого напряжения и высокой вероятностью неполнофазных режимов в питающей сети считается целесообразным, не вводя специальную защиту от режима работы двумя фазами, отключать двигатели защитой от перегрузки, которая имеет подходящие для этой цели уставку (1,1÷1,3)Iном. Токовые органы защиты от перегрузки в этом случае должны включаться не менее чем в 2 фазы трансформаторов тока двигателей.

ЗАЩИТА ДВИГАТЕЛЕЙ ОТ МЕЖДУФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

Защита от КЗ между фазами является основной РЗ электродвигателей, и установка ее обязательна во всех случаях. В качестве РЗ электродвигателей мощностью до 5000 кВт от КЗ, согласно ПУЭ, применяется МТЗ (токовая отсечка). Наиболее просто токовая отсечка выполняется с реле прямого действия, встроенными в привод выключателя. Для работы при всех видах междуфазных КЗ отсечка должна выполняться в двух фазах.

Токовая отсечка должна быть отстроена от пускового тока двигателя. В момент включения двигателя появляется бросок тока намагничивания, в 1,6÷1,8 раза превышающий по амплитуде установившийся пусковой ток двигателя. Это бросок учитывается повышенным коэффициентом надежности при отстройке от пускового тока двигателя.

IСЗ = kн Iпmax

где

IСЗ – первичный ток срабатывания отсечки;

kн – коэффициент надежности, с учетом отстройки от броска тока намагничивания равен 1,8 - для отсечек с временем срабатывания 0,05 с и более, или 2 - при времени срабатывания меньшем 0,05 с;

Iпmax – пусковой ток двигателя в максимальном режиме.

Кратность пускового тока двигателя может быть взята из паспорта двигателя. А пусковой ток равен:

После выбора уставки должна быть проверена чувствительность отсечки по току:

где

kч – коэффициент чувствительности, он должен быть не менее 2;

IКЗ(2)min – ток двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме.

Если ток срабатывания отсечки отстроен от пускового тока электродвигателя, то она надежно отстроена и от тока, который электродвигатель посылает в сеть при внешнем КЗ.

Токовую РЗ электродвигателей мощностью до 2000 кВт ранее выполняли на простой и дешевой однорелейной схеме, включая реле на разность токов двух фаз. Недостатком этой схемы является более низкая чувствительность по сравнению с двухрелейной отсечкой, к двухфазным КЗ между одной из фаз, на которых установлен ТТ, и фазой без ТТ. Ток срабатывания реле отсечки, выполненной по однорелейной

схеме, в  3 раз больше, чем в двухрелейной схеме: при выборе уставки учитывался коэффициент схемы при симметричном пусковом режиме равный kсх = 3 .

Соответственно ниже в 3 раз получалась и чувствительность защиты.

На электродвигателях мощностью 2000-5000 кВт токовую отсечку необходимо выполнять двухрелейной. Двухрелейную схему отсечки требуется также применять на электродвигателях мощностью до 2000 кВт, если коэффициент чувствительности однорелейной схемы при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя окажется менее двух (kч < 2). При использовании реле УЗА-АТ или УЗА-10 отсечка выполняется 2–элементной, независимо от мощности двигателя.

На электродвигателях мощностью 5000 кВт и более должна дополнительно устанавливается продольная дифференциальная РЗ, обеспечивающая более высокую чувствительность к КЗ на выводах и в обмотках (Iсз ≤ Iном). Если токовая отсечка не обладает необходимой чувствительностью, то дифзащита может выполняться и на двигателях меньшей мощности, при условии наличия на двигателе выводов фаз со стороны нейтрали.

Для этого применяются специальные дифференциальные реле, включаемые на комплекты трансформаторов тока, соединенные в неполную звезду на сторонах выводов и нейтрали двигателей. Защита выполняется двухфазной. Могут использоваться реле РНТ-565, ДЗТ-11, или РСТ-15 ЧЭАЗ УЗА-10 ДТ.2 Описание дифференциальных реле приводилось в гл. 8.

Поскольку РЗ в двухфазном исполнении не реагирует на двойное замыкание на землю, одно из которых возникает в обмотке электродвигателя на фазе В, в которой отсутствует ТТ, дополнительно устанавливается специальная РЗ от двойных замыканий на землю, которая выполняется токовым реле, подключенным к ТТНП. Эта функция может выполняться защитой от замыкания на землю, если она не имеет выдержки времени.