Виды повреждений и ненормальных режимов работы электродвигателей

Виды повреждений. К повреждениям, возникающим в обмотке статора электродвигателей переменного тока, относятся многофаз­ные короткие замыкания, однофазные замыкания на землю и за­мыкания между витками одной фазы (витковые замыкания). По­вреждениями синхронных электродвигателей и электродвигателей постоянного тока являются также обрывы в цепях возбуждения.

Многофазные короткие замыкания всегда сопровождаются зна­чительным возрастанием тока в поврежденном электродвигателе и понижением напряжения в питающей сети. Такие повреждения опасны не только для электродвигателя, но и для других неповреждённых электроприемников. Поэтому на электродвигателях предусматривается быстродействующая защита от многофазных коротких замыканий в его обмотках и соединениях с коммутацион­ным аппаратом.

Однофазное замыкание на землю в обмотке статора определя­ется режимом заземления нейтралей в питающей сети. Если ней­трали глухо заземлены, что обычно характерно для четырехпровод­ных сетей напряжением до 1000 В, то ток однофазного короткого замыкания представляет опасность для поврежденного электродви­гателя. Поэтому и при таких повреждениях электродвигатель должен отключаться защитой без выдержки времени. Обычно это возлагается на защиту от многофазных коротких замыканий, вы­полняемой трехфазной. Специальную защиту от однофазных коротких замыканий на землю, как правило, не предусматривают.

В сетях с изолированными или заземленными через дугогасящие реакторы нейтралями однофазные замыкания на землю, как правило, непосредственной опасности для поврежденного электро­двигателя и для системы электроснабжения в целом не представ­ляют. Поэтому специальная защита от замыкания на землю, дейст­вующая на отключение, устанавливается на двигателях мощно­стью Р_д ≤ 2 МВт лишь в случаях, когда ток замыкания на землю I_з>10А. На электродвигателях мощностью Р_д > 2 МВт такая защита предусматривается при токах замыкания на землю I_з>5А.

Вилковые замыкания в обмотке опасны для электродвигателя в связи с тем, что наведенные в замкнувшихся витках токи могут намного превышать номинальный ток. При этом за счет теплоты, выделяемой в замкнувшихся витках, происходит повышенный на­грев магнитопровода и неповрежденной части обмотки и, как след­ствие, дальнейшее разрушение изоляции. Ток в неповрежденной части обмотки при витковых замыканиях изменяется незначитель­но. Поэтому защиты, включенные на полные токи фаз, не могут использоваться для действия при таких повреждениях. Для этого в случае необходимости рекомендуется применять фильтровую то­ковую защиту [81].

Обрывы, в цепях возбуждения синхронных электродвигателей происходят очень редко. Поэтому защита от этих повреждений предусматривается только для некоторых мощных электродвигате­лей. Более вероятен обрыв в цепях возбуждения двигателей по­стоянного тока. При обрыве цепи возбуждения электродвигатель или тормозится (если на валу есть нагрузка), или чрезмерно по­вышает частоту вращения (незагруженный электродвигатель с не­зависимым возбуждением или с параллельным самовозбуждени­ем). То и другое нежелательно, так как при торможении значитель­но возрастает ток якоря, а работа с чрезмерной скоростью может привести к разрушению электродвигателя. Поэтому электродвига­тели постоянного тока средней и большой мощности снабжаются защитой от обрыва цепи возбуждения.

Ненормальные режимы работы. Все учитываемые ненормальные режимы работы электродвигателя сопровождаются прохождением сверхтока в его обмотке. Опасным является, прежде всего, тепло­вое действие сверхтока, которое определяет допустимые значения и продолжительность прохождения сверхтока. Чем больше крат­ность k тока перегрузки относительно номинального тока, тем меньше допустимое время перегрузки, равное t_II= А/(k²— 1), где А — коэффициент, зависящий от типа и исполнения электродвига­теля; для закрытых электродвигателей с большими массой и раз­мерами A ≈ 250; для открытых A ≈ 150.

Основными причинами возникновения сверхтоков являются технологические перегрузки приводимых во вращение механизмов, понижение напряжения в питающей сети и последующее его вос­становление и обрыв одной фазы обмотки статора. Для синхрон­ных электродвигателей причиной появления сверхтока является также асинхронный режим.

Сверхтоки технологической перегрузки. В условиях эксплуата­ции некоторые электродвигатели могут перегружаться приводимы­ми в движение механизмами. При недопустимой длительности перегрузки электродвигатель должен быть разгружен. Технологиче­ские перегрузки могут устраняться автоматически или обслужи­вающим персоналом без останова механизма или только после его останова (например, завал угля в дробилке). Поэтому защита от перегрузки имеет выдержку времени и может выполняться с действием на автоматическую разгрузку механизма, на сигнал или на отключение электродвигателя.

Сверхтоки при понижении напряжения. Понижение напряже­ния на выводах электродвигателя, например при коротком замы­кании в питающей сети, приводит к снижению его вращающего момента и уменьшению числа оборотов. Электродвигатель может даже остановиться, если вращающий момент станет меньше про­тиводействующего момента механизма. Последующее восстановле­ние нормальной работы (самозапуск) при возрастании напряжения после отключения короткого замыкания сопровождается прохожде­нием по обмоткам сверхтоков самозапуска. Так как режим само­запуска является кратковременным, то токи самозапуска для большинства электродвигателей опасности не представляют. Од­нако при одновременном самозапуске многих электродвигателей, подключенных к одной и той же сети, в ряде случаев начальное значение восстанавливающегося напряжения оказывается U_{сз min}< < (0,55÷0,7) U_ном, что затрудняет восстановление нормальной ра­боты.

Поэтому часть менее ответственных электродвигателей при по­нижении напряжения должна отключаться минимальной защитой напряжения, чтобы облегчить самозапуск более ответственных электродвигателей. При недостаточной мощности источника пита­ния наряду с неответственными необходимо отключать и часть от­ветственных механизмов. Их обратное включение по окончании самозапуска неотключенных электродвигателей осуществляется устройством АПВ. Минимальную защиту напряжения необходимо также устанавливать на электродвигателях механизмов, самозапуск которых недопустим по условиям технологического процесса или по условиям техники безопасности.

Сверхтоки при обрыве фазы. Сверхтоки, вызываемые обрывом фазы, наиболее часто возникают при защите электродвигателя или его питающей сети плавкими предохранителями. При этом вра­щающий момент уменьшается. Поведение работающего электро­двигателя после обрыва фазы (работа с пониженной скоростью или торможение) зависит от противодействующего момента меха­низма. Если к сети с оборванной фазой подключается неподвижный двигатель, то, поскольку он развернуться не может, по его обмотке может длительно проходить опасный для него начальный пусковой ток. Перегорание предохранителя в одной фазе или на­рушение контакта в одном полюсе коммутационного аппарата при правильном выборе предохранителей и высокой культуре эксплуа­тации электрооборудования происходят очень редко. Поэтому обыч­но специальная защита от работы электродвигателя на двух фа­зах не устанавливается, а ее функции выполняют другие защиты от перегрузок. Применение защиты от обрыва фазы может быть оправдано, если электродвигатель работает в длительном режиме с большой нагрузкой без постоянного наблюдения персонала, а по­вреждение электродвигателя влечет за собой существенный ущерб [31].

Сверхтоки синхронных электродвигателей при асинхронном ре­жиме. Причинами возникновения асинхронного режима (выпаде­ния из синхронизма) являются снижение напряжения в питающей сети, уменьшение тока возбуждения электродвигателя и большое увеличение нагрузки. При асинхронном режиме ток статора воз­растает, а ротор и приводимый в движение механизм подвергают­ся действию знакопеременного момента, что может привести к их повреждению.

Синхронные электродвигатели напряжением до 1000 В не име­ют специальной защиты от асинхронного режима. Ее функции, как правило, выполняют защиты от перегрузки по току статора. Специальная защита предусматривается на синхронных электро­двигателях напряжением выше 1000 В. Ее стремятся выполнить с действием на устройства, восстанавливающие синхронную рабо­ту электродвигателя, например на устройство ресинхронизации или на автоматическую разгрузку механизма. Защита может действо­вать и на отключение с повторным автоматическим пуском. При невозможности ресинхронизации или разгрузки электродвигателя защита действует на отключение. Во всех случаях ее выполняют с выдержкой времени.

При повреждении электродвигателя ответственного механизма может нарушаться технологический процесс, что в ряде случаев является недопустимым. Технологический процесс не нарушится, если ввести в работу резервный механизм. Для этого применяют устройство АВР электродвигателя резервного механизма. Оно дей­ствует не только при отключении электродвигателя основного ме­ханизма, но и при недопустимом отклонении параметров техноло­гического процесса.