ИЭ / 8 сем (станции+реле) / Экзамен / РЗ 8 сем

5. Защиты двигателей

Признак того, что с двигателем происходит что-то неладное — значительное повышение температуры корпуса. Причины перегрева:

•выход за пределы параметров питающего напряжения;

•неправильное подключение схемы питания;

•электрическая неисправность двигателя;

•механическая неисправность двигателя;

•перегрузка электродвигателя со стороны нагрузки;

•несоответствие условий окружающей среды.

Защита от перегрузок

Согласно ПУЭ, данный вид защиты должен быть предусмотрен для электродвигателей:

•подверженных перегрузке по технологическим причинам;

•с особо тяжелыми условиями пуска и самозапуска (длительность прямого пуска непосредственно от сети 20 с и более);

•перегрузка которых возможна при чрезмерном увеличении длительности пускового периода вследствие понижения напряжения в сети.

Выдержка времени должна быть отстроена от длительности пуска электродвигателя в нормальных условиях и при самозапуске, после действия АВР и АПВ. Выдержка времени защиты от перегрузки СД, во избежание излишних срабатываний при длительной форсировке возбуждения, должна быть близкой к наибольшей допустимой по тепловой характеристике электродвигателя.

На электродвигателях, подверженных перегрузке по технологическим причинам, защиту, как правило, следует выполнять с действием на сигнал и автоматическую разгрузку механизма. Действие защиты на отключение электродвигателя допускается для:

•механизмов, у которых отсутствует возможность своевременной разгрузки без останова, или работающих без постоянного дежурства персонала;

•механизмов с тяжелыми условиями пуска или самозапуска. На электродвигателях, имеющих принудительную вентиляцию, следует устанавливать защиту, действующую на сигнал и отключение электродвигателя при повышении температуры или прекращении действия вентиляции.

Типичная пусковая характеристика асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:

91

В случае, если номинальный ток двигателя номАД, А, не приведен в паспортных данных, его определяют по формуле:

где ном – номинальная мощность электродвигателя, кВт;ном – номинальное линейное действующее напряжение двигателя, кВ;

– номинальный коэффициент полезного действия (кпд) электродвигателя;

– номинальный коэффициент мощности электродвигателя. Расчет максимального тока двигателя:

Под максимальным током далее следует подразумевать периодическую составляющую максимально возможного тока двигателя. В случае прямого пуска двигателя с короткозамкнутым ротором максимальный ток определяют по формуле:

= пуск ∙ ном АД ,

где пуск – кратность пускового тока машины (как правило, от пяти до восьми);

ном АД – номинальный ток двигателя.

В случае реакторного пуска двигателя определяют полное пусковое индуктивное сопротивление двигателя , Ом, по формуле:

где – максимальный ток при прямом пуске, А;

92

ном – номинальное напряжение двигателя, В.

Максимальный ток двигателя , А, при реакторном пуске определяют по формуле:

где с – индуктивное сопротивление сети;р – индуктивное сопротивление реактора.

Защита при пуске двигателя и от заклинивания ротора

Защита двигателя от перегрева, вызванного:

•затянутым пуском при запуске двигателя в условиях перегрузки (например, для транспортера) или при недостаточном напряжении питания.

•блокировкой ротора, вызванной механической нагрузкой двигателя (например, для дробилки):

•в нормальном режиме после нормального пуска;

•непосредственно при запуске, до обнаружения превышения продолжительности пуска, когда блокировка ротора определяется либо с помощью детектора нулевой скорости, подключенного к логическому входу, либо функцией минимальной частоты вращения.

Основные проблемы, которым подвержен асинхронный двигатель – механическая перегрузка на валу и пропадание (перекос) фаз

Защита от блокировки ротора или защита от симметричной перегрузки срабатывает только в режиме работы, если ток прямой последовательности превышает ток срабатывания, в течение заданного времени

Выбор уставок защиты от затянутого пуска: 93

Защита реализует принцип « 2 ». В принципе « 2 » контролируется выделяемое в двигателе тепло от прохождения пускового тока. Защита срабатывает, если выполняется условие:

2 ∙ ≥ уст2 ∙ уст,

где – интегральное значение максимального из фазных токов, от начала пуска до момента ;

– время от начала пуска;уст – уставка по току;уст – уставка по времени.

Уставку по току защиты от затянутого пуска и блокировки ротора выбирают меньше пускового тока электродвигателя, но больше максимально допустимого тока перегрузки двигателя:

доп ≤ уст ≤ пуск.

Уставка по времени защиты от затянутого пуска уст должна быть отстроена от максимального времени пуска (самозапуска) электродвигателя с учетом увеличения времени пуска из-за возможного снижения напряжения на 10 %:

где пуск – пусковой ток электродвигателя при номинальном напряжении питающей сети;

пуск – время пуска при номинальном пусковом токе.

Защиты от однофазных замыканий на землю

Требования ПУЭ к защитам от ОЗЗ. Защита электродвигателей мощностью до 2 МВт от однофазных замыканий на землю при отсутствии компенсации должна предусматриваться при токах замыкания на землю 10 А и более, а при наличии компенсации – если остаточный ток в нормальных условиях превышает это значение. Такая защита для электродвигателей мощностью более 2 МВт должна предусматриваться при токах 5 А и более.

Ток срабатывания защит электродвигателей от замыканий на землю должен быть не более: для электродвигателей мощностью до 2 МВт – 10 А и для электродвигателей мощностью более 2 МВт – 5 А. Рекомендуются меньшие токи срабатывания, если это не усложняет выполнения защиты.

Защиту следует выполнять без выдержки времени (за исключением электродвигателей, для которых требуется замедление защиты по условию отстройки от переходных процессов) с использованием трансформаторов тока нулевой последовательности, установленных, как правило, в РУ. В тех случаях, когда установка трансформаторов тока нулевой последовательности в РУ

94

невозможна или может вызвать увеличение выдержки времени защиты, допускается устанавливать их у выводов электродвигателя в фундаментной яме.

Если защита по условию отстройки от переходных процессов должна иметь выдержку времени, то для обеспечения быстродействующего отключения двойных замыканий на землю в различных точках должно устанавливаться дополнительное токовое реле с первичным током срабатывания около 50–100 А.

Защита должна действовать на отключение электродвигателя, а у синхронных электродвигателей – также на устройство АГП, если оно предусмотрено.

Дополнительные защиты предназначены для фиксации особых режимов работы двигателя, которые не являются опасными, а действие защит ограничивается сигнализацией и в редких случаях отключением.

Защиты от однофазных замыканий на землю:

Рассматривается двухступенчатая защита. Первая ступень обеспечивает защиту электродвигателя при возникновении однофазного замыкания на землю Вторая ступень обеспечивает защиту от двойных замыканий на землю и используется в тех случаях, когда для отстройки от переходных процессов первая ступень защиты действует с выдержкой времени.

Взависимости от значения тока Σ защита от ОЗЗ может быть выполнена

сдействием на:

•сигнализацию (при токах срабатывания меньших, чем установленные в

ПУЭ);

•отключение поврежденного присоединения.

95

Уставку срабатывания защиты электродвигателя от ОЗЗ по току 3 0сз , А, определяют по формуле:

где отс – коэффициент отстройки защиты от ОЗЗ;в – коэффициент возврата защиты от ОЗЗ;

бр – коэффициент броска емкостного тока, обусловленного перезарядом емкостей электрической сети при ОЗЗ;

дв – емкостной ток защищаемого электродвигателя (см. рис. 4), А;кл – емкостной ток кабельной линии, соединяющей электродвигатель с

ячейкой ( кл1 на рис. 4), А.

Значения коэффициентов можно принять: отс = 2,1; в = 0,95; бр = 2.

В некоторых сетях собственные емкостные токи отдельных присоединений велики и соизмеримы с суммарным емкостным током сети. Использование ненаправленной токовой защиты от ОЗЗ в таких сетях невозможно, и поэтому рекомендуется применять направленную защиту.

Защита от обратной мощности

Защита срабатывает, если активная мощность поступает от двигателя на шины, в течение времени срабатывания, заданного уставкой. Режим характерен при подпитке внешней точки КЗ от двигателя в процессе его торможения, что приводит к появлению остаточного напряжения на шинах. Отключение двигателя позволяет ограничить время и уровень остаточного напряжения, что может быть полезным при выполнении автоматики сетей, например, сократить время действия АВР, контролирующего отсутствие напряжения на шинах, потерявших питание.

Защита от потери питания

Защита от потери питания (ЗПП) предназначена для выявления режима потери питания и отключения подпитки во внешнюю сеть со стороны СД. ЗПП действует на отключение СД.

Требования ПУЭ к ЗПП. При наличии СД на секции, для ускорения действия АВР и АПВ (в тех случаях, когда напряжение на отключенной секции затухает медленно) может быть применено гашение поля СД ответственных механизмов с помощью:

•защиты минимальной частоты;

•других защит, обеспечивающих быстрейшую фиксацию потери питания. Эти же защиты могут быть использованы для:

96

•отключения неответственных СД;

•предупреждения несинхронного включения отключенных СД, если токи их включения превышают допустимые значения.

Признаки, характерные для режима потери питания, и принципы выполнения защиты от потери питания:

•Понижение напряжения. При потере питания напряжение генерируется синхронными двигателями, процесс снижения напряжения на шинах СД характеризуется большой длительностью, поэтому по такому принципу ЗПП не выполняется. Защита минимального напряжения, выполненная по такому принципу, может применяться, как вспомогательная.

•Снижение частоты. В чистом виде этот принцип не используется, т.к. существуют сложности различия снижения частоты при потере питания и снижения частоты при дефиците мощности в ЭЭС при системных авариях. При этом отключение СД не только будет излишним, но и может усугубить дефицит реактивной мощности в ЭЭС.

•Контроль снижения частоты на разных секциях ПС с СД. Существуют ограничения работы такой РЗ, например, при питании обеих секций от одного трансформатора. Поэтому этот принцип используется только для частотного пуска устройства АВР секционного выключателя, для защиты от потери питания он не пригоден.

•Контроль скорости снижения частоты, как упоминалось выше, может применяться только в тех случаях, когда скорость снижения частоты при выбеге СД в 3 – 4 раза превышает скорость снижения частоты в ЭЭС, т.е. может применяться не всегда, тем более что скорость снижения частоты при выбеге СД зависит от их нагрузки. Рекомендуемая граница по частоте 10 Гц/с по мнению некоторых специалистов является необоснованной.

•Контроль направления активной мощности. В общем случае отсутствует отстройка от качаний, возможна ложная работа, необходимо иметь большую выдержку времени из-за необходимости согласования с защитами от замыканий на землю смежных линий электропередач.

Схема, реагирующая на снижение частоты и изменения направления активной мощности:

Упрощённая схема алгоритма (не показана реализация выявления направления мощности и снижения частоты, данные сигналы поступают с соответствующих блоков)

97

Защита от потери питания действует на отключение выключателей СД и гашение их поля или на отключение вводного выключателя секции. Уставку срабатывания реле минимальной частоты сз ЗПП выбирают чувствительнее уставки срабатывания первой ступени АЧР-1 из диапазона от 48,3 до 48,4 Гц.

Расчет защиты от потери питания. Предварительно должны быть проанализированы все возможные режимы, приводящие к кратковременным или длительным снижениям напряжения и к перерывам электроснабжения всего узла нагрузки, где имеются защищаемые ЭД.

Если двигатель ответственный и самозапуск АД после останова не допустим по технологическим процессам, то уставка срабатывания выбирается равной 50 % от номинального напряжения и выдержкой времени 0,5 с.

Защиты от двойных замыканий на землю

При использовании защиты от ОЗЗ, работающей с выдержкой времени для отстройки от переходных процессов, необходимо применять защиту от двойных замыканий на землю, работающую без выдержки времени. Согласно ПУЭ,

98

уставку срабатывания этой защиты по току выбирают от 50 до 200 А. Уставку срабатывания защиты от двойных замыканий на землю по току, А, определяют по формуле:

где отс – коэффициент отстройки;нес – коэффициент несимметрии, показывающий допустимое значение

токов нулевой последовательности, обусловленных резистивным заземлением нейтрали при несимметрии напряжения питающей сети и разбросом индуктивных сопротивлений фазных обмоток электродвигателя;

пуск дв – пусковой ток электродвигателя, А;п – коэффициент пуска;

ном дв – номинальный ток электродвигателя, А.

Для сетей с изолированной нейтралью нес = 0,015. Для сетей с резистивным заземлением нейтрали нес = 0,025.

Направленная токовая защиты от ОЗЗ

Применение направленной защиты в сетях с изолированной нейтралью необходимо в случаях, когда у ненаправленной защиты недостаточная чувствительность.

При повреждении измерительных цепей напряжения защита переводится в ненаправленный режим (при этом возможно ее неселективное действие) или блокируется.

Для повышения чувствительности защиту выполняют с выдержкой времени 0,1 с. При этом время срабатывания токовой защиты от ОЗЗ сз = 0,1 с выбрано по условию отстройки от длительности переходных процессов. Для обеспечения коэффициента чувствительности не менее 1,5 уставка срабатывания направленной защиты от ОЗЗ сз, А, должна удовлетворять условию:

Защита СД напряжением выше 1000 В. Дополнительные условия:

Токовая отсечка

Наряду с условием

Необходимо обеспечить отстройку от сверхпереходного тока I"д, посылаемого ЭД в точку повреждения на шинах, к которым ЭД подключен:

99

E"q и X"d – сверхпереходные ЭДС и сопротивление электродвигателя. Если ЭД подключен к шинам через постоянно включенный реактор с сопротивлением Хр, то при определении тока I"д необходимо принимать (X"d + Хр).

Продольная дифференциальная токовая защита

Как и для токовой отсечки, при выборе тока срабатывания продольной дифференциальной защиты необходимо исключить ее действие не только при пусках ЭД, но и при внешних КЗ. Вместо I(3)(кз.)вн.max взять ток I“д.

Защита от потери питания

При потере питания и действии устройств АПВ и АВР происходит несинхронное включение синхронных ЭД. Ток несинхронного включения может значительно превышать значение пускового тока, поэтому такие включения не всегда допустимы по условию предотвращения повреждения ЭД. Кроме того, при несинхронном включении возбужденного ЭД снижается вероятность его ресинхронизации. Следовательно, при потере питания может возникнуть потребность отключать СД или снимать с них возбуждение с последующей ресинхронизацией.

Защита от асинхронного режима (несинхронного включения)

Последствия асинхронного хода:

Асинхронный ход сопровождается глубокими понижениями напряжения, протеканием больших токов, которые могут превышать токи КЗ, и колебаниями активной и реактивной мощности.

Последствиями асинхронного хода являются:

1.Глубокие снижения напряжения в электрической сети могут приводить

кнарушению устойчивости двигателей, массовому отключению потребителей, нарушению технологических процессов на производстве, нарушению устойчивой работы собственных нужд электростанций.

100