Защита электродвигателей с рабочим напряжением выше 1 кВ - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

206
Защита электродвигателей с рабочим напряжением выше 1 кВ

Способ повышения чувствительности защиты с использованием приращения тока при коротком замыкании

Токовая отсечка (ТО) электродвигателей (ЭД) напряжением выше 1 кВ обладает низкой защитоспособностью, защищая лишь часть обмотки статора. При коротком замыкании (КЗ) вне зоны действия ТО ее действие возможно только после выгорания части обмотки. Защита от перегрузки ЭД действует с выдержкой времени.

В указанных условиях возможно значительное разрушение ЭД, пожар, глубокое снижение напряжения на шинах источника питания, нарушение технологического процесса, отключение неповрежденных ЭД защитой минимального напряжения.

Применение дифференциальной защиты не всегда возможно, так как ЭД могут изготавливаться без шести выводов.

Для повышения чувствительности защиты представляется целесообразным осуществить контроль приращения векторов токов [1]:

 

ΔI = IАIН, (1)

 

где IА, IН– токи в аварийном и нагрузочном режимах.

Срабатывание устройства не зависит от абсолютного значения аварийного тока. Особенностью алгоритма является анализ не абсолютных величин токов, а его приращение, что существенно увеличивает зону действия защиты. В основу положен непрерывный анализ текущих параметров и вычисление критериев, по которым можно однозначно идентифицировать КЗ в ЭД.

При внешнем КЗ защита не действует, так как выполняется направленной. Защита не должна действовать при пуске, самозапуске и коротком замыкании во внешней сети.

 

Способ повышения чувствительности к коротким замыканиям в электродвигателе с помощью направленной фазовой защиты

Существующие защиты от коротких замыканий (КЗ) в электродвигателях используют абсолютное значение токов. Например, ток срабатывания токовой отсечки (ТО) отстраивается от пускового тока, тока самозапуска или тока подпитки. Она защищает только часть обмоток электродвигателя. Ток срабатывания дифференциальной защиты отстраивается от тока небаланса.

Использование качественных признаков повреждения дает возможность существенно повысить чувствительность к КЗ в электродвигателе, так как действие защиты не будет зависеть от величины тока. Надежным качественным признаком может являться угол между токами разных фаз. При двухфазном КЗ в электродвигателе в случае неодинакового числа замкнувшихся витков угол между фазами не превышает 60° [2]. При двухфазном КЗ с примерно одинаковым числом замкнувшихся витков он составляет, примерно, 150-170°.

Для исключения ложного срабатывания при внешнем КЗ от токов подпитки защита должна выполняться направленной. При КЗ в мертвой зоне должна действовать ТО или защита от перегрузки.

 

Способы увеличения зоны действия защиты от однофазных замыканий на землю в обмотке статора электродвигателя

Для увеличения зоны действия защит к однофазным замыканиям на землю (ОЗЗ) в обмотке статора электродвигателя (ЭД) используют резистивное заземление нейтрали. Процент защищенных витков обмотки W определяется по выражению:

 

Form2(2)

 

 

где:

ІСЗ–ток срабатывания защиты от ОЗЗ;

Ір–расчетный ток, который определяется по выражению (см. п.1.7.99 ПУЭ):

 

Form3(3)

 

где:

ІОЗЗ–ток ОЗЗ;

Rр–сопротивление резистора.

Из (2)определяем ток через резистор:

 

Form4(4)

 

Например, при IСЗ = 10 А и 80% защите обмотки расчетный ток должен быть не менее 50 А.

При выполнении защиты направленной с током срабатывания, например 0.07 А при Iр = 50 А, обеспечивается почти 100% защита обмотки.

Из (3)определим сопротивление резистора:

 

Form5(5)

 

Например, принимая form5a, при Iр = 50 А и IСЗ = 10 А, находим:

 

Form5b

 

Резистор, кроме повышения чувствительности защиты от ОЗЗ, ограничивает перенапряжение.

Другим способом обеспечения 100% защиты обмотки статора является дифференциальная защита от ОЗЗ [3]. Для увеличения зоны действия защиты от ОЗЗ электродвигателей целесообразно применение резистивного заземления нейтрали, продольной дифференциальной защиты от ОЗЗ, направленной защиты в сетях без компенсации емкостного тока.

 

Повышение чувствительности защиты обмотки статора электродвигателя с рабочим напряжением 6 (10) кВ при коротком замыкании

В соответствии с п.5.3.46 ПУЭ для защиты электродвигателей (ЭД) мощностью до 5 МВт от многофазных коротких замыканий (КЗ) предусматривают токовые отсечки (ТО), отстроенные от пусковых токов или продольные дифференциальные токовые защиты для ЭД мощностью 5 МВт и более, а также менее 5 МВт, если уставка ТО не обеспечивает выполнения требований чувствительности.

ТО защищает примерно 60-70% обмотки статора. При КЗ вне зоны действия ТО повреждение отключается защитой от перегрузки с выдержкой времени, которая больше длительности пуска и самозапуска. Действие защиты от перегрузки с выдержкой времени при КЗ может привести к разрушению ЭД и пожару. Применение дифференциальной защиты не всегда возможно, так как ЭД могут быть выполнены только с тремя выводами обмотки статора.

Представляется целесообразным выполнение, кроме ТО и защиты от перегрузки, максимальной токовой защиты (МТЗ) с током срабатывания защиты от перегрузки, не действующей при пусках ЭД. Это дает возможность уменьшить время существования КЗ. Для ЭД без самозапуска время срабатывания МТЗ принимается равным времени срабатывания защиты минимального напряжения, которая выполняется с выдержкой времени 0.5-1.5 с (п.5.3.55 ПУЭ), что значительно меньше времени срабатывания защиты от перегрузки.

На рис.1представлена схема защиты ЭД от КЗ и перегрузки, которая состоит из реле ТО КА1 и КА2, реле защиты от перегрузки и МТЗ КА3 и КА4, реле времени защиты от перегрузки КТ1, реле времени МТЗ КТ2 и реле времени КТ3, которое срабатывает после включения выключателя Q1 ЭД через время, равное выдержке времени реле КТ1. Таким образом, при пуске ЭД МТЗ не действует. В случае возникновения КЗ при пуске ЭД в зоне, в которой не действует ТО, повреждение отключается защитой от перегрузки. Поэтому защиту от перегрузки следует предусматривать не только в случаях, указанных в п.5.3.52 ПУЭ.

МТЗ может оказаться чувствительнее дифференциальной защиты. При отказе действия выключателя Q1 устройство резервирования отказа выключателя должно отключить выключатель последующего участка.

При КЗ во внешней сети от тока подпитки ЭД сработает реле мощности KW1 и (или) KW2 и разомкнет свой контакт в цепи реле КТ3, реле КТ3 разомкнет свой контакт в цепи реле КТ2. Таким образом, при КЗ во внешней сети защита блокируется, и при последующем самозапуске ЭД защита не действует, так как контакт реле КТ3 в цепи реле КТ2 разомкнут и замкнется через время, которое больше времени самозапуска.

 

Способ повышения чувствительности релейной защиты электродвигателей при двухфазном коротком замыкании в любой части с помощью направленной защиты с циклической блокировкой

Токовая отсечка (ТО) защищает только часть обмоток электродвигателя (ЭД). При коротком замыкании (КЗ) вне зоны действия ТО срабатывает защита от перегрузки, которая отключает ЭД с большой выдержкой времени. При этом снижение напряжения на шинах может вызвать отключение неповрежденных электроприемников и привести к расстройству технологического режима.

Большинство КЗ в ЭД в начальный период повреждения являются несимметричными. Выполнение защиты, действующей при несимметричном КЗ и не действующей при пуске, самозапуске или внешнем КЗ, может обеспечить чувствительность при КЗ в любом месте обмотки статора.

На рис.2 представлена схема защиты ЭД от КЗ и перегрузки, которая состоит из реле направления мощности KW1-KW3 и реле тока КА1-КА4. При двухфазном КЗ в ЭД между фазами А и В сработает реле KL3, между фазами В и С – KL2, между фазами А и С – KL1. ЭД отключится направленной защитой. При пуске, самозапуске или внешнем КЗ защита не действует, так как блокируется размыкающими контактами KW1–KW3.

При трехфазном КЗ направленная защита не действует. В этом случае ЭД отключается ТО с реле КА1 и КА2. Защита от перегрузки выполнена на реле КА3 и КА4 в цепи реле КТ1.

Защита отстраивается не от пускового тока, тока самозапуска или тока подпитки ЭД, а от его реактивной мощности в нормальном режиме. Чувствительность проверяется по его реактивной составляющей мощности КЗ, которая незначительно меньше мощности двухфазного КЗ.

Мощность срабатывания реле KW1 и KW2 определяется по условию отстройки от реактивной мощности в нормальном режиме по выражению:

 

Form6(6)

 

где:

nтт , nтн – коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения;

Котс– коэффициент отстройки (Котс = 1.05);

Кв– коэффициент возврата;

Uном– номинальное напряжение ЭД;

Iном– номинальный ток ЭД;

sinφном – синус угла между напряжением и током в нормальном режиме.

Коэффициент чувствительности защиты определяется по выражению:

 

Form7(7)

 

где:

I(2)кз мин– минимальный ток двухфазного КЗ на выводах ЭД;

Uкз– напряжение на выводах ЭД при двухфазном КЗ (Uкз = 0.87 Uном);

sinφкз – синус угла между напряжением и током при двухфазном КЗ.

Коэффициент чувствительности ТО определяется по выражению:

 

Form8(8)

 

где:

Iсз– ток срабатывания ТО;

Котс ТО– коэффициент отстройки токовой отсечки;

Кп– кратность пускового тока.

Пример

Определение уставок защит и коэффициентов чувствительности при Uном = 6000 В, Iном = 250 А, sinφном = 0.6, nтт = 300/5, nтн = 60, Котс = 1.05, Кв = 0.9, Ікз = 9000 А, sinφкз = 0.97, Uкз = 0.87Uном, КотсТО = 1.5, Кп = 5.

В соответствии с (6) мощность срабатывания:

 

Form9

 

В соответствии с (7) коэффициент чувствительности направленной защиты:

 

Form10

 

В соответствии с (8) коэффициент чувствительности ТО:

 

Form11

 

Таким образом, чувствительность направленной защиты от двухфазных КЗ, при принятых исходных данных, в 8.9 раза выше ТО.

 

Логическая направленная защита электродвигателей

Обеспечение требуемого ПУЭ минимального коэффициента чувствительности защит при КЗ вовсе не означает, что такая же чувствительность обеспечивается при витковых замыканиях в электродвигателях. Наиболее чувствительной является логическая направленная защита. Мощность срабатывания ограничивается только минимальной мощностью реле. Например, при применении реле мощности типа РСМ13 она составляет 10 ВА. Защита обладает абсолютной селективностью.

Для осуществления защиты необходимо подключить реле мощности KW1-KW3 к трансформаторам тока ТА1 и KW4-KW6 к трансформаторам токаТА2 (рис.3).

В нормальном режиме контакты реле KW1-KW3 или KW4-KW6 замкнуты. При двухфазном повреждении между фазами А и В в электродвигателе (точка К1), срабатывает реле KW1 и KW2 или KW4 и KW5. После замыкания контактов реле срабатывает реле KL1, контакты которого отключают выключатель Q1. При КЗ в «мертвой зоне» действует дифференциальная защита электродвигателя.

Симбиоз дифференциальной защиты и защиты, выполненной с использованием реле мощности, позволит создать максимально возможную надежную защиту электродвигателя.

 

Повышение устойчивости электродвигателей при параллельной работе трансформаторов при помощи дистанционной направленной защиты вводов

При кратковременном нарушении электроснабжения промышленных комплексов со сложными и непрерывными технологическими процессами может происходить потеря, как динамической устойчивости электродвигателей, так и технологической устойчивости самого объекта. Может оказаться, что время восстановления напряжения после автоматического включения резерва или после автоматического повторного включения питающей линии больше времени действия технологических защит и времени динамической устойчивости электродвигателей.

Испытания, проведенные на многих синхронных электродвигателях, показали, что при продолжительности короткого замыкания (КЗ) не более 0.3 с в большинстве случаев они либо не успевают выпасть из синхронизма, либо, если и выпадают, то после восстановления напряжения успешно втягиваются в синхронизм. Чем быстрее время восстановления, тем больше вероятность самозапуска электродвигателя.

Для сохранения устойчивости электродвигателей и технологического процесса представляется целесообразным вместо дорогостоящего быстродействующего неселективного автоматического включения резерва выполнение параллельной работы трансформаторов с установкой на стороне низшего напряжения трансформаторов направленной дистанционной защиты с реле KR1 (KR2) (рис.4), действующей на отключение ввода при КЗ.

При КЗ в трансформаторе или на питающей линии защита действует без выдержки времени. При КЗ на других линиях со стороны источников питания, электрически связанных с питающей линией, защита не действует. КЗ отключается быстродействующими защитами линий. Сопротивление срабатывания защиты отстраивается от сопротивления трансформатора и питающей линии и определяется по выражению:

 

Form12(9)

 

После отключения ввода напряжение на шинах восстанавливается, так как секционный выключатель не отключается. Выдержка времени на секционном выключатели принимается больше выдержки времени максимальной токовой защиты на отходящих линиях на стороне НН трансформаторов. На отходящих линиях, кроме МТЗ, предусматривается токовая отсечка с выдержкой времени 0.2-0.3 с [4], ток срабатывания которой отстраивается от тока срабатывания защит трансформаторов, подключенных к распределительным установкам. Область применения параллельной работы трансформаторов ограничивается током КЗ, при котором обеспечивается динамическая и термическая стойкость оборудования.

 

О необходимости выполнения защиты электродвигателей от механических повреждений

Одной из причин перегрузки электродвигателей (ЭД) является его неисправность и (или) неисправность механизма. Сюда относятся случаи перегрева подщипников, увеличение трения при отсутствии или застывании смазки, поломки отдельных узлов.

Предельным случаем в указанных ситуациях является неисправность, приводящая к заклиниванию ротора, когда ЭД остановлен и ток через него равен пусковому.

В ПУЭ отсутствует требование о необходимости защиты ЭД от механических повреждений. При КЗ действует токовая отсечка (ТО), которая защищает только часть обмотки статора. Если место повреждения удалено от линейных выводов ЭД, ТО подействует только после того, как в результате выгорания обмотки место повреждения приблизится к линейному выводу. Во время выгорания обмотки может возникнуть пожар.

В связи с износом ЭД вероятность механического повреждения неизбежно возрастает, а, следовательно, возрастет возможность возникновения КЗ. Отключение ЭД позволит не допустить его разрушения и сохранить устойчивость нагрузок.

Для осуществления защиты необходимо при помощи датчиков температуры зафиксировать повышения температуры подшипников или возникновения гармоник тока непромышленной частоты при механическом повреждении ЭД или механизма [5]. Спектральный состав тока статора был подтвержден осциллограммой, полученной в лабораторных установках при моделировании повреждений в механических частях асинхронного ЭД [5], выявление гармоник «неэлектрического происхождения» при наружном осциллографировании и их исследования приведены в [6].

 

Литература:

1. Нагай В. Повышение эффективности в электрических распределительных сетях 110 кВ // Новости ЭлектроТехники. – 2003. – №24.

2. Корогодский В.И. и др. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ / В.И. Корогодский, С.Л. Кужеков. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Манилов А.М. Дифференциальная логическая защита от однофазных замыканий на землю в обмотках статора генератора или электродвигателя // Электрические сети и системы. – 2017. – №3–4.

4. Манилов А.М., Каленюк А.А. Оцелесообразности применения токовой отсечки с выдержкой времени на линиях // Енергетика та електрифікація.– 2019. – №4.

5. Булычев А. Защита упреждающего действия электродвигателей // Новости ЭлектроТехники. – 2011. – № 5(76).

6. Бедерак Я.С., Волков В.И. Выявление и исследования источников высших гармоник «неэлектрического происхождения» в системе электроснабжения промышленного предприятия // Промэлектро. – 2019. – №1.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus

banner

banner

banner

banner

banner

banner

banner