Тема 3. Защита ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ    

 

Лекция 11. Защита синхронных и асинхронных двигателей. Защита от внутренних повреждений (2 часа).

       

Защита синхронных и асинхронных двигателей.

Наибольшее распространение как в промышленности, так и особенно на собственных нуждах электрических станций имеют асинхронные электродвигатели. Поэтому их защите уделяют особое внимание.

Релейная защита электродвигателей так же как и защита генераторов и трансформаторов, должна реагировать на внутренние повреждения и ненормальные режимы.

К наиболее частым и опасным видом повреждений возникающим в обмотках двигателей переменного тока, относятся многофазные КЗ навыводах и в обмотках статора, сопровождающиеся прохождением больших токов, что приводит к значительным разрушениям обмоток и стали электродвигателя.

Другим видом повреждения менее опасным чем многофазные КЗ, является однофазное замыкание обмотки статора на землю, так как сети, от которых питаются электродвигатели, как правило выполняются с изолированными нейтралями. В таких сетях напряжение 3-10 кВ, токи однофазного замыкания на землю не велики (обычно не превосходят 20-30 А). В результате специальная защита от замыканий на землю устанавливается лишь в случаях, когда ток превышает 10 А (для двигателей мощностью до 2000 кВт) или 5 А (для двигателя мощностью более 2000 кВт). При меньших токах замыкания, допустимо действие защиты только на сигнал (при условиях соблюдения требований техники безопасности).

Тяжелым видом повреждения является замыкание витков в одной фазе обмотки статора, так как значение тока в месте повреждения может быть соизмеримо со значениями тока при многофазных КЗ. Специальных защит от витковых замыканий в одной фазе статора не предусматривается.

Если в изоляции обмоток статора имеются ослабленные места, то в режиме однофазного замыкания в сети, когда напряжение на неповрежденных фазах возрастает до значения линейного, возможны пробои изоляции статорной обмотки и возникновение двойного замыкания на землю (одна точка замыкания – в сети, а другая – в одной из фаз статорной обмотки). Чаще всего функции защиты от двойных замыканий на землю выполняет защита от однофазных замыканий.

Для синхронных двигателей кроме указанных возможны также повреждения цепи возбуждения: обрыв и замыкания на землю в одной или двух точках. При обрыве цепи возбуждения синхронный двигатель переходит в асинхронный режим, продолжительное существование которого недопустимо, для защиты от этого режима применяется защита от обрыва цепи возбуждения. Замыкание на землю в одной точке цепи возбуждения может привести (при возникновении замыкания во второй точке) к КЗ, способному вызвать большие разрушения, а так же вибрацию ротора.

Основным видом ненормального режима электродвигателей является прохождение в статоре токов, превышающих номинальный. Допустимое время перегрузки ориентировочно можно оценить следующим выражением:

,

где К – кратность тока перегрузки к его номинальному значению, А - коэффициент зависящий от типа и исполнения двигателя.

Так ориентировочно для двигателей с большим весом и размерами закрытого исполнения, А=250, открытого исполнения А=180. Поэтому защита от перегрузки имеет выдержку времени и может действовать на автоматическую разгрузку механизма, на сигнал или на отключения двигателя.

Понижение питающего напряжения, приводит к повышению тока двигателя и к снижению его вращающего момента (при определенном значении которого двигатель может остановиться). Поэтому для обеспечения самозапуска двигателей наиболее ответственных механизмов, а так же предотвращения несинхронного включения синхронных двигателей, применяется защита от потери питания, в качестве которой используется минимальная защита напряжения, действующая на отключение.

Ненормальным режимом синхронного двигателя (помимо перечисленных выше) является также асинхронный ход, который появляется вследствие выпадения синхронного двигателя из синхронизма. При асинхронном ходе ток статора возрастает, а ротор двигателя и приводимый в движение механизм подвергаются действию знакопеременного момента, что приводит к их повреждению.

Защита от внутренних повреждений.

Защита асинхронных электродвигателей напряжением до1000 В.

 Для ликвидации многофазных КЗ, а в сетях с глухозаземленной нейтралью и для отключения однофазных КЗ на землю, применяются токовые защиты. Наиболее простой является защита плавкими предохранителями. Токовая защита, выполненная автоматами с электромагнитными и тепловыми расцепителями, защищает электродвигатели не только от КЗ, но и от перегрузок.

Электродвигатели, подключаемые к питающей сети через контакторы, могут иметь защиту от КЗ в виде токовой отсечки, посредством токовых реле косвенного действия (рис. 1). Токовые реле (КА1÷КА3), включаются в каждую фазу статора непосредственно или через трансформаторы тока. Для непосредственного включения можно применять первичные реле типов: РЭ-571Т, РЭВ-2111 (с самовозвратом), РЭВ-2112 (с ручным возвратом). По своей конструкции они напоминают электромагнитный контактор. В общем случаи отсечки выполняются без выдержки времени, ток срабатывания реле отстраивается от броска пусковых токов, то есть:

                                                        

где К_зап=1,8, для РТ-40 и К_зап=2, для РТ-80, ИТ-80.

Рисунок 1. Токовая защита двигателя от КЗ

Защита асинхронных электродвигателей напряжением свыше1000 В.

На двигателях напряжением до 5 МВт используются токовая отсечка. На рис. 2. приведена схема отсечки для двигателей мощностью до 2 МВт, однорелейная схема, включенная по схеме восьмерки.

                                                                                где: I _ПУСК – пусковой ток двигателя;

    k _СХ – коэффициент схемы в данном случае равен ;

    k _Н – коэффициент надежности, для реле РТ-40 равен 1,8.

 

 

   Рисунок 2. Схема токовой отсечки

 

Коэффициент чувствительности схемы должен быть не менее 2. Если коэффициент чувствительности не удовлетворяет этому требованию, или мощность двигателя составляет 2-5 МВт используют более чувствительную схему – 2-х релейную, 2-х фазную схему. В схеме могут использоваться реле типа РТ-40. Если в качестве токовых реле используются реле РТ-80, защита может действовать и от перегрузки (индукционный элемент реле РТ-80).

Для повышения чувствительности защиты, когда К₂<2, при КЗ на выводах, выполняют более чувствительную дифференциальную защиту. Так как данную защиту нет необходимости отстраивать от пусковых токов. Установка такой защиты обязательна для электродвигателей мощностью 5000 кВт и более.

Для электродвигателей, имеющих защиту от однофазных замыканий на землю, дифференциальная защита может выполняться двухфазной, двухрелейной. Ток срабатывания дифференциальной защиты двигателей, при условии идентичности трансформаторов тока и выбора их по кривым 10% кратности принимается равным:

           .

Схема защиты для одной из фаз статора показана на рис.3

Рис.3. Схема дифференциальной защиты двигателя.

Схема данной защиты 2-х или 3-х фазная на реле РНТ-565. Ток срабатывания защиты рекомендуется принимать:

                    .                                                                                                

 

 

Лекция 12. Защита от перегрузок и других ненормальных режимов. Схемные решения защит. Особенности защит синхронных двигателей (2 часа).

Защита от перегрузок и других ненормальных режимов. Схемные решения защит.

Защита от перегрузки двигателей до 1000 В выполняется токовой или температурной, то есть реагирующей соответственно на возрастание тока или температуры обмоток или других частей двигателя. Токовая защита имеет выдержку времени и может выполняться посредством автоматов с заземленным срабатыванием или посредством реле косвенного действия – тепловых или электромагнитных.

Защита от перегрузки выполненная посредством электромагнитных реле состоит из токового реле, включаемого непосредственно в фазу или через трансформаторы тока и реле времени. Ток срабатывания токового реле (в качестве которого могут использоваться такие же реле, что и для защиты от КЗ), выбирается аналогично МТЗ линии, где I _{раб. max} = I _дв.ном, и К_сз=1, то есть

                                                  

Защита не действует в пусковом режиме, что обеспечивается применением выдержки времени превышающей время нормального пуска не менее чем на 3 с.

Тепловые реле ввиду своих недостатков не применяются для защиты высоковольтных двигателей от перегрузки, и эта защита обычно осуществляется индукционными элементами токовых реле РТ-80, причем электромагнитные элементы этих же реле используются для защиты от коротких замыканий.

Как правило выполняется с действием на сигнал. Защита должна отключать двигатели, только, если без остановки нельзя устранить причину перегрузки. Кроме того действие на отключение применяется в установках без оперативного персонала.

                                                                                               где: k _Н - = 1,1-1,2

Выдержка времени защиты отстраивается от пускового тока (10-20 с.). Защита выполняется на реле РТ-80 и совмещается, таким образом, с токовой отсечкой.

Защита от однофазных замыканий обмотки статора на землю в сетях с изолированной нейтралью.

Условия при которых производится установка релейной защиты, для электродвигателей различной мощности, были оговорены ранее. Защита выполняется с помощью токового реле, подключенного к фильтру токов нулевой последовательности в качестве которых обычно используются кабельные трансформаторы тока типов ТЗЛ, ТЗРЛ, надетые на каждый из параллельных кабелей. При перемежающемся замыкании на землю броски емкостного тока неповрежденного электродвигателя достигают трех, четырех кратных значений собственного емкостного тока I_с, поэтому при выборе первичного тока срабатывания I_с.з, учитывается отстройка от броска с коэффициентом запаса К_зап=1,2÷1,3, то есть

,                                                    

где К_бр = (3÷4), учитывающий броски емкостного тока.

При этом для электродвигателей до 2000 кВт, I_с.з должен быть не более 10 А, для электродвигателя свыше 2000 кВт – I_с.з не более 5 А. Если I_с.з получается больше указанных значений то защиту выполняют с выдержкой времени 1÷2с., выбирая соответственно меньше значения К_бр(1,5÷2).

Защита минимального напряжения должна отключить неответственные двигатели, отсутствие которых в течение некоторого времени не отразиться на производственном процессе.

В настоящее время применяется схема представленная на рис. 1.

 

Рисунок 1. Защита минимального напряжения

 

В этой схеме используется три пусковых реле: реле напряжения обратной последовательности KV1 типа РНФ-1М и реле минимального напряжения KV2 и KV3 типа РН-54/160.

В нормальном режиме, когда междуфазные напряжения симметричны, размыкающий контакт KV1.1 в цепи обмоток реле времени защиты КТ1 и КТ2 замкнут, а замыкающий KV1.2 в цепи сигнализации разомкнут. Размыкающие контакты реле KV2.1 и KV3.1 при этом разомкнуты.

При снижении напряжения на всех фазах контакт KV1.1 остаётся замкнутым и поочередно действуют: первая ступень защиты минимального напряжения, которая осуществляется с помощью реле KV2 (уставка срабатывания 0,7U_НОМ) и КТ1; вторая – с помощью реле KV3 (уставка срабатывания 0,5U_НОМ) и КТ2. В случае нарушения одной или двух фаз цепей напряжения срабатывает реле KV1, замыкающим контактом которого KV1.2 подается сигнал о неисправности цепей напряжения.

При срабатывании каждой ступени защиты подаётся плюс на шинки ШМН1 и ШМН2 соответственно, откуда он поступает на цепи отключения электродвигателей. Действие защиты сигнализируется указательными реле КН1 и КН2, имеющими обмотки параллельного включения.

 

           Особенности защит синхронных двигателей.

 

                                         

На промышленных предприятиях широко применяются мощные синхронные электродвигатели. Синхронные электродвигатели, так же как и асинхронные, должны иметь защиту от междуфазных коротких замыканий, от замыканий на землю, защиту минимального напряжения и защиту от перегрузки. Уставки этих защит выбираются так же, как и на аналогичных защитах асинхронных электродвигателей.

Защиты синхронных электродвигателей должны действовать не только на отключение выключателя, но также и на автомат гашения поля, если он имеется.

В случае выхода синхронного электродвигателя из синхронизма в нем проходят большие токи, а электродвигатель и связанный с ним механизм подвергаются воздействию больших моментов переменного знака. Поскольку это может привести к повреждению синхронного электродвигателя, они оборудуются специальной защитой, отключающей электродвигатель при выходе его из синхронизма. Такая защита может быть выполнена с помощью токового реле, действующего с выдержкой времени на отключение выключателя и автомат гашения поля (рис.2). Так как ток, проходящий в электродвигателе при асинхронном ходе, пульсирует, токовое реле будет то срабатывать, то возвращаться. Для того чтобы реле времени при этом не возвращалось, а надежно работало, в схему введено промежуточное реле KLT, имеющее замедление на отпадание якоря и размыкание контакта. Ток срабатывания защиты от асинхронного хода принимается равным (1,4÷1,5)I_ном.

Для защиты синхронных электродвигателей от асинхронного хода применяются также другие схемы защиты, в частности, токовая защита с реле типа ИТ-80 (РТ-80), имеющим зависимую характеристику, а также более сложные устройства с токовым реле, реагирующим на появление переменной составляющей в токе ротора электродвигателя, и с реле направления мощности, фиксирующим изменение знака мощности в статоре электродвигателя при асинхронном ходе.

      Рисунок 2. Защита синхронного двигателя от асинхронного хода