Лекции СЭС

того, которое все нижерасположенные автоматические выключатели и элементы цепи способны выдержать без повреждений. На практике это можно проверить только проведением лабораторных испытаний различных комбинаций автоматических выключателей. Такие испытания проводятся изготовителями, которые сообщают их результаты в виде таблиц. Благодаря этому пользователи могут уверенно проектировать схему каскадного включения выключателей, основанную на комбинации рекомендованных типов автоматических выключателей.

Преимущества каскадирования:

-Упрощение расчетов ТКЗ.

-Использование коммутационных аппаратов, рассчитанных на более легкие условия эксплуатации и, следовательно, менее дорогих.

-Более широкий выбор нижерасположенных коммутационных аппаратов.

-Экономия пространства, поскольку оборудование, рассчитанное на меньшие токи, обычно является более компактным.

7.6. Селективность отключения

Селективность отключения состоит в том, что короткое замыкание, возникшее в любом месте электроустановки, отключается защитным аппаратом, расположенным непосредственно выше этого места, а все остальные защитные аппараты не отключаются (рис.7.9 ).

Рис.7.9. Селективность отключения.

В настоящее время различают четыре способа обеспечения селективности: токовая, временная, энергетическая и логическая.

7.6.1. Токовая селективность основана на разности токов КЗ IкзA и IкзB и выборе соответствующих уставок защит (рис.7.10, 7.11).

Согласование время-токовых характеристик (селективность срабатывания) автоматических выключателей A и B (рис.7.9.а) является полным (полная селективность), если максимальная величина тока короткого замыкания в цепи B (IкзB) не превышает уставку отсечки автоматического выключателя A (ImA). При этом условии только выключатель B будет отключать ток IкзB (рис.7.10).

Согласование характеристик (селективность срабатывания) автоматических выключателей A и B является частичным (частичная селективность), если максимально возможный ток короткого замыкания в цепи B IscB превышает уставку отсечки автоматического выключателя A. В таких условиях оба выключателя A и B будут отключать ток IкзB (рис.7.11). Пределом селективности является ток ImAток отсечки выключателя А.

Токовую селективность обычно удается обеспечить лишь на уровнях конечного распределения, где токи КЗ невелики. При этом требуется определенная разность (более, чем в 2 раза) между номинальными токами выключателей А и В.

Рис.7.11. Частичное согласование х -тик автоматов А и В.

Рис.12. Частичное согласование характеристик предохранителя А и автомата В.

7.6.2. Временная селективность обеспечивается с помощью смещения по времени время-токовых характеристик последовательно расположенных выключателей

(рис.7.13).

Рис.7.13. Временная селективность.

Выключатель А имеет две уставки тока отсечки:

- ImAs - с короткой выдержкой времени (CR-court retard (фр)), t = 0,1 - 0,5 c; - ImA - без выдержки времени.

Говорят, что выключатель имеет селективную токовую отсечку.

Предельный ток селективности в данном случае равен уставке мгновенной токовой отсечки ImA вылючателя А: полная селективность будет обеспечена, если ток КЗ в цепи В IcsB будет меньше тока ImA.

Для реализации временной селективности необходимо применение выключателей категории В, для которых характерна высокая термическая стойкость: ток односекундной термической стойкости может быть равен предельной отключающей способности Icu. Такие выключатели обычно устанавливаются на вводах от трансформаторов и в ГРЩ.

7.6.3. Энергетическая селективность основана на различии относительных уровней энергии дуги.

Она реализована, например, в выключателях с литым корпусом серии Compact NS фирмы Шнейдер Электрик.

Каждый полюс выключателя помещен в изолированную оболочку. При возникновении большого тока КЗ подвижный контакт поворачивается за счет электродинамических сил, что приводит к возникновению двух последовательных электрических дуг, и к увеличению давления газов внутри оболочки. Пружинно-поршневой механизм, использующий это давление, вызывает ускоренное отключение выключателя раньше, чем срабатывает механизм расцепителя. Например, при токе 25 Iном так называемое "рефлексное" отключение наступает через 0,003 с.

Таким образом осуществляется эффективное токоограничение. Если ток КЗ проходит через два выключателя с разными номинальными токами (см. рис.9а), то кратность тока и относительная величина энергии дуги в выключателе В будут выше и он отключится раньше выключателя А. По аналогии с токовой и временной селективностями изложенный принцип получил название "энергетическая селективность".

7.6.4. Логическая селективность

Рис.7.14. Принцип логической селективности.

Для построения системы логической селективности требуются автоматические выключатели, оснащенные микропроцессорными расцепителями, и соединенные цепями управления для обмена данными между ними. Если КЗ произошло в точке К2, ток КЗ обнаруживается обоими автоматами А и В. Расцепитель В при этом посылает сигнал логического ожидания расцепителю А, запрещая его мгновенное срабатывание. Этот сигнал вызовет задержку срабатывания выключателя A, давая время для отключения выключателю В. Если до истечения этой выдержки ток прекратился, то автомат А остается в работе. Если же по истечении этого времени через выключатель А продолжает идти ток КЗ, то он отключается и тем самым обеспечивает резервную защиту при отказе выключателя B.

При КЗ в точке К1 расцепитель А не получает сигнала логического ожидания, свидетельсвующего об обнаружения тока КЗ расцепителем B, и выключатель A отключается мгновенно.

7.7.Выбор автоматического выключателя и уставок его расцепителей

1.Тип (серия), климатическое исполнение, категория размещения.

2.Номинальное напряжение Uн.

3.Номинальный ток выключателя Iн ≥ Iм, где Iм – ток 30-ти минутного максиму-

ма.

4.Номинальный ток (ток уставки) расцепителя перегрузки Ir – это максимальный ток, длительное протекание которого не вызывает отключение автоматического выключателя. Этот ток не может превышать номинальный ток выключателя.

-По условию неотключения в нормальном режиме: Ir ≥ Iм;

-По условию защиты проводки от перегрузки (требуется не всегда): Ir ≤ Iдд, где

Iдд - длительно допустимый ток защищаемой проводки.

5. Ток уставки расцепителя мгновенного действия (ток отсечки) Im обычно задается кратностью Im / Ir.

-По условию неотключения при пусковом (для одиночного ЭП) или при пиковом (для группы ЭП) токе: Im > Iпик;

-По условию чувствительности к току однофазного КЗ на корпус(на землю) в сетях TNC, TNS: Im < I(1)к. При этом время отключения в сети 380/220 В не должно

превышать 0,4 с.

6. Наибольшая предельная отключающая способность Icu ≥ I(3)к, где I(3)к – действующее значение трехфазного тока КЗ.

8.Пуск и самозапуск асинхронных электродвигателей

8.1.Условия успешного пуска асинхронного двигателя (АД)

а. Двигатель должен сдвинуть с места и разогнать приводимый механизм до номинальной скорости.

б. Снижение напряжения на шинах при пуске не должно привести к нарушению нормальной работы других ЭП, подключенных к этим шинам.

На рис.8.1 Приведена диаграмма отклонений напряжения «V» при пуске АД, получающего питание от шин «Ш».

Рис. 8.1. Диаграмма отклонений напряжения при пуска АД.

В исходном режиме АД отключен, отклонение напряжения на двигателе равно отклонению на шинах Vш. В течение пуска и разгона большой пусковой ток, вызывает потери напряжения в элементах сети, напряжение на двигателе снижается на величину Uд. После окончания разгона ток АД уменьшается, наступает новый установившийся режим, в котором напряжение немного ниже, чем в исходном.

В режиме пуска по сравнению с исходным во всех элементах сети, по которым протекает пусковой ток, возникают дополнительные потери напряжения, сумма которых равна Uд:

Uд = √3 · Iп · [(Rл1 + Rт + Rл2) · Cosφп + (Хл1 + Хт + Хл2) · Sinφп], (8.1)

где:

-Iп = Кп · Iн – пусковой ток АД,

-Iн – номинальный ток АД,

-Кп – кратность пускового тока при прямом пуске .

где: Uш, Uш* – напряжение на шинах в исходном режиме в абсолютных или относительных единицах.

Кратность Кп, приводимая в каталогах, соответствует номинальному напряжению на зажимах двигателя. При напряжении, отличном от номинального, пусковой ток прямо пропорционален относительному значению напряжения на зажимах АД:

Выражение (8.2) запишем с учетом (8.1) и (8.3):

R, X – суммарные активное и реактивное сопротивления элементов сети, приведенные к номинальному напряжению АД.

Суммарную относительную потерю напряжения в сети при номинальном пусковом токе обозначим

Известно, что вращающий момент m = М / Мн (о.е.) АД прямо пропорционален квадрату напряжения на зажимах статорной обмотки. Условием успешного пуска АД является превышение как минимум на 10% пускового момента над моментом трогания приводимого механизма mПМЕХ:

mП – номинальный пусковой момент АД.

В течение разгона вращающий и тормозной моменты не остаются постоянными, но пуск будет успешным только в том случае, когда превышение вращающего момента соблюдается во всем диапазоне скоростей от нуля до номинальной. Но форма кривой механической характеристики АД позволяет утверждать, что если условие (6) обеспечивается, то разгон будет также успешным.

8.2. Механические характеристики АД

Скольжение S nC n , где

nC

n - частота (скорость) вращения ротора АД (об/мин),

n C - синхронная частота вращения поля статора (об/мин).

При неподвижном роторе скольжение S равно 1, развиваемый двигателем момент называется пусковым mП. При увеличении скорости скольжение уменьшается, вращающий момент возрастает до максимального (критического) mМ. При номинальном напряжении на двигателе рабочий режим определяется пересечением характеристики двигателя U*Д=1 с характеристикой приводимого механизма mМЕХ. Коэффициент

загрузки двигателя при этом Кз = Ммех / Мн , где Ммех – тормозной момент, Мн – номинальный вращающий момент АД (рис.8.2).

Рис.8.2. Механические характеристики АД при номинальном (U*Д=1) и при пониженном (U*Д=0,7) напряжениях. Момент нагрузки mМЕХ – вентиляторный.

8.3. Механические характеристики приводимых механизмов

Вид механической характеристики приводимого в движение агрегата (механизма) описывается уравнением

-n = nC - S · nC – скорость АД,

-nН = nC - SН · nC – номинальная скорость АД.

Показатель степени «p» в уравнениях (8.7), (8.8) принимает фиксированные значе-

ния 0, 1, 2 (рис. 8.3).

При р=0 момент сопротивления механизма не зависит от скольжения (скорости). При любом скольжении mМЕХ = Kз, поэтому пуск таких механизмов затруднен (транспортеры, лифты, шаровые мельницы …).

При р=1 момент сопротивления линейно зависит от скольжения. Такие механизмы встречаются редко.

При р=2 момент сопротивления пропорционален квадрату скорости (вентиляторы, турбокомпрессоры, центробежные насосы …). Момент нагрузки таких механизмов называют «вентиляторным». Их пусковой момент обычно не превышает 0,1-0,3 номинального, что значительно облегчает процесс пуска.

Рис.8.3. Механические характеристики приводимых механизмов.

8.4. Учет снижения пускового тока в процессе разгона

Рис.8.4. Снижение пускового тока и увеличение вращающего момента АД.

В начальный период разгона АД потребляет пусковой ток, в 5-7 раз превышающий номинальный, что приводит с снижению напряжения и вращающего момента АД.

Снижение тока АД по мере его разгона учитывается с помощью коэффициента Ks:

1 S2

KS M , где:

1 (SSM )2

SМ – скольжение, соответствующее максимальному вращающему моменту АД, S – текущее скольжение.

Ток, потребляемый при разгоне, с учетом коэффициента Ks:

Из графиков рис. 8.4-а,б видно, что в диапазоне изменения скольжения S от 1 до 0,2 Ks = 1, ток – пусковой, напряжение Uд* и вращающий момент понижены. При S менее 0,2 (скорость более 80%) ток снижается, напряжение и вращающий момент увеличиваются и при Sн (0,01-0,03) все величины принимают номинальные значения.

Таким образом, уточненная механическая характеристика АД состоит из двух участков:

mНS – вращающий момент при номинальном напряжении и скольжении S.

8.5. Динамический (избыточный) момент и время разгона

Динамическим моментом называется разность вращающего момента mвр АД и тормозного момента mмех механизма (рис.8.5).

Рис. 8.5. Динамический момент при разгоне системы АД-механизм.

Для успешного пуска и разгона системы АД-механизм необходимо, чтобы динамический момент был положителен во всем интервале скольжения от 1 до Sн. Величина углового ускорения при этом прямо пропорциональна значению динамического момента:

MДИН J ddt , где

-J – приведенный момент инерции системы АД-механизм;

-dω/dt – угловое ускорение.

Для определения времени разгона системы можно воспользоваться графо-

аналитическим способом:

- весь диапазон изменения скольжения от 1 до Sн разбивают на n интервалов Si; - на каждом из интервалов определяют средний динамический момент mДi;

Ta – механическая постоянная времени системы, определяемая в секундах по фор-

-G·D2 – приведенный маховой момент системы, т·м2;

-nC – синхронная скорость вращения, об/мин;

-Рн – номинальная мощность АД, кВт.

Механическая постоянная времени системы – это время разгона системы АД-

механизм от нулевой до номинальной скорости при постоянном положительном динамическом моменте, равном номинальному моменту АД или это время снижения скорости с номинальной до нуля при постоянном отрицательном динамическом моменте, равном номинальному моменту АД.

Кривая разгона системы (рис.8.6) строится поэтапно с помощью выражения (8.12):

Рис.8.6. Кривые разгона системы АД – механизм

На рис. 8.6 приведено построение кривой разгона при Uд* = 0,7, соответствующей изменению динамического момента рис. 8.5. При Uд* = 1 разгон происходит значительно быстрее (рис.8.6, кривая Uд* = 1).

Количество тепла, выделяющееся в обмотках двигателя при пуске и, следовательно, температура обмоток, прямо пропорциональны квадрату пускового тока и време-

ни разгона. W tП P tП 3 I2П RОБМ .

При кратности пускового тока Кп = 6 Нагрев обмоток происходит в 36 раз интенсивнее, чем в номинальном режиме. Поэтому частые и/или длительные пуски приводят к перегреву обмоток и к сокращению срока службы их изоляции.

8.5. Тормозной момент, кривая выбега и время остановки

При резком снижении напряжения на зажимах двигателя (отключение АД, КЗ в сети) вращающий момент мал (меньше тормозного) или равен нулю, динамический момент и ускорение принимают отрицательные значения, АД снижает скорость и может остановиться, если снижение напряжения имеет достаточную длительность

(рис.8.7).

Рис.8.7. Кривая динамического момента при отключении АД.

Кривая и время выбега рассчитываются при помощи выражения (8.12).

Рис.8.8. Построение и использование кривой выбега

Кривые выбега используются при расчетах самозапуска для определения скольжения (скорости) АД при перерыве питания определенной продолжительности. Например, tАВР - время действия АВР известно. Скольжение в момент возобновления питания SB легко определяется по кривой выбега (рис.8.8).

8.5. Проверка возможности одиночного и группового самозапуска АД

Исходные данные: параметры нормального режима питающей электрической сети, технические характеристики рассматриваемых АД, время перерыва питания.

Проверка возможности одиночного самозапуска:

-построение кривой выбега АД;

-определение скольжения S по кривой выбега;

-расчет напряжения на зажимах АД по формулам (8.10) , (8.11);