Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем

Подождите немного. Документ загружается.

производства или безопасности персонала, а также бывает

необходимо для ограничения токов самозапуска путем отклю-

чения части малоответственных электродвигателей (см. § 19.3).

На таких электродвигателях устанавливается РЗ минималь-

ного напряжения, действующая на их отключение.

19.3.

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Вращающий момент электродвигателей и момент сопротив-

ления механизма. Нормальный установившийся режим рабо-

ты электродвигателя характеризуется равенством электро-

магнитного момента М

, развиваемого электродвигателем, и

механического момента сопротивления М

механизма, приво-

димого в действие электродвигателем:

= М

. (19.1)

Если М

< М

, то электродвигатель будет тормозиться, а

если М

> М

, то частота вращения электродвигателя будет

увеличиваться. При неизменном напряжении питающей сети

момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, зави-

сит от частоты вращения л или, что то же, от скольжения 5

(рис.

19.1). В нормальных условиях равенство М

= М

имеет

место при 5 = 0,02

-*•

0,05. Максимальный момент электродвига-

теля

атах

равен примерно двукратному номинальному мо-

менту:

.ном

(19.2)

Частота вращения п

и сколь-

жение 5

, соответствующие мак-

симальному моменту, называ-

ются критическими.

Рис.

19.1. Зависимость момента вращения

асинхронных электродвигателей и момен-

тов сопротивления механизмов от часто-

ты вращения

701

/м

^*>-

1 .

.й

•^

' ' \

X \

1 1

' V

0,5

(0,5)

п.п

(Ь

)(5„)(0)

П(5)

-сэ-

Рис.

19.2. Схема замещения

асинхронного электродвигателя

Рис.

19.3. Зависимость тока статора и сопротивления электродвигателя от сколь-

жения

Пусковой момент М

д пуск

, соответствующий частоте вращения

л = 0 или скольжению 5 = 1, в зависимости от конструкции

электродвигателя имеет разные значения (кривые 1, 2, 3,

рис.

19.1).

Характеристики моментов сопротивления механизмов, при-

водимых в действие электродвигателями, в зависимости от их

частоты вращения могут быть зависящими от частоты вращения

(кривая 5) и не зависящими от нее (кривая 4) (рис. 19.1). Момент

сопротивления, не зависящий от частоты вращения, имеют,

например, шаровые мельницы в системе пылеприготовления

электростанции. Момент сопротивления, резко зависящий от

частоты вращения, имеют все центробежные механизмы.

Ток, потребляемый статором электродвигателя из сети,

состоит из тока намагничивания 7

нам

статора и тока ротора,

приведенного к обмотке статора /

рот

*д=*нам+4от-

(

-3)

Это следует из схемы замещения (рис. 19.2). Ток в роторе

определяется наведенной в нем ЭДС, которая зависит от сколь-

жения. Токи ротора и статора также меняются с изменением

скольжения. Характер зависимости периодической составляю-

щей /

и сопротивления электродвигателя 2

от скольжения

представлен на рис. 19.3. При нормальной работе электродви-

гателя, когда скольжение составляет 2-5% (близко к нулю),

сопротивление ротора очень велико, /

рот

мал, мал и ток ста-

тора, так как ветвь намагничивания имеет большое сопротив-

ление.

702

[ «^

'8*С ^

Рис.

19.4. Осциллограмма пускового тока асинхронного электродвигателя

Пуск электродвигателей.

При

пуске,

т. е. при

подаче напря-

жения

на

неподвижный электродвигатель, сопротивление

его

мало

и ток

ротора имеет максимальное значение. Соответст-

венно максимальное значение имеет

и ток

статора.

Ток

стато-

ра

при

пуске электродвигателя называется пусковым

то-

ком. Начальный пусковой

ток

равен току трехполюсного

КЗ

за сопротивлением, равным сопротивлению неподвижного

электродвигателя.

Пусковой

ток

состоит

из

переменной составляющей, зату-

хающей

по

мере увеличения частоты вращения,

апериодиче-

ской составляющей, затухающей

течение нескольких перио-

дов.

Из

осциллограммы пуска двигателя, представленной

на

рис.

19.4,

видно,

что по

мере разворота

ток,

потребляемый

электродвигателем, меняется сначала мало,

только

при

при-

ближении

синхронной частоте вращения

он

быстро спадает.

Объясняется

это

характером изменения сопротивления дви-

гателя. Периодическая составляющая пускового тока электро-

двигателя /д.

уск

неподвижном роторе

в 4-8 раз

превосхо-

дит

ном

. Пик

тока

учетом апериодической составляющей

достигает

*д.п

ск

= (1,6 + 1,8)/

пуск

(19.4)

Продолжительность затухания периодической составляю-

щей пускового тока

до

значения номинального тока зависит

от параметров электродвигателя

условий пуска.

При

пуске

с нагрузкой развертывание электродвигателя

до

номинальной

скорости происходит медленнее

продолжительность спада

тока увеличивается. Это объясняется тем,

что

ускорение враще-

703

ния ротора зависит от значения избыточного момента:

тб

-м

Если М

превосходит М

во все время пуска, то электродви-

гатель пускается быстро и легко. Как видно из рис.

19.1,

электро-

двигатели, приводящие механизмы с зависимым от частоты

вращения моментом сопротивления, пускаются легче, чем

электродвигатели, приводящие механизмы с независимым от

частоты вращения моментом сопротивления. В последнем слу-

чае при недостаточном значении пускового момента электро-

двигатели могут вообще не развернуться (кривые 2 и 4, рис. 19.1),

так как, начиная со скольжения, соответствующего точке а,

превосходит М

Электродвигатели с глубоким пазом и двойной обмоткой

ротора имеют наиболее благоприятный пусковой момент (кри-

вая 3, рис. 19.1). Длительность пуска электродвигателей *

уск>

как правило, не превосходит 10-15 с, и только у электродвига-

телей с тяжелыми условиями пуска это значение может быть

значительно больше.

При возникновении КЗ в питающей сети вблизи зажимов

электродвигателя последний за счет внутренней ЭДС, под-

держиваемой энергией магнитного поля, посылает к месту

КЗ быстро затухающий ток. Броски тока КЗ могут достигать

значений пусковых токов.

Зависимость момента электродвигателей от напряжения:

= Ш

. (19.5)

При КЗ в сети напряжение на зажимах электродвигателей

снижается. В результате этого моменты электродвигателей

уменьшаются, и они начинают тормозиться, увеличивая сколь-

жение (кривые 1, 1', 1" рис. 19.5) до тех пор, пока вновь не

восстановится равенство (19.1). Если при этом окажется, что

Мц

та

х = М

(кривая Г, точка а на рис. 19.5), то электродвигатель

будет находиться на пределе устойчивой работы и иметь

скольжение, равное критическому. При дальнейшем снижении

напряжения электродвигатель будет тормозиться вплоть до

полной остановки. После отключения КЗ напряжение питания

восстанавливается, и дальнейшее поведение электродвигате-

ля будет зависеть от скольжения, имевшего место в момент

восстановления напряжения, и соответствующих ему значений

704

Рис.

19.5. Зависимость момента враще-

ния асинхронных электродвигателей

от скольжения 5 при различных зна-

чениях напряжения

П=0 $к л = /

5=1 5=0

и М

. При М

> М

электродвигатель развернется до нор-

мальной частоты вращения, а при М

< М

будет продолжать

тормозиться до полного останова. В этом случае электродвига-

тель необходимо отключить, так как он будет потреблять пус-

ковой ток, не имея возможности развернуться.

Самозапуск электродвигателей тяжелее обычного пуска.

Объясняется это тем, что при самозапуске электродвигатели

пускаются нагруженными, а электродвигатели с фазным рото-

ром - без пускового реостата в цепи ротора, что уменьшает

пусковой момент и увеличивает пусковой ток, и наконец,

пускается большое количество электродвигателей одновре-

менно, что вызывает падение напряжения в питающей сети

от суммарного пускового тока. Самозапуск электродвигателей

проходит сравнительно легко. Самозапуск электродвигателей

собственных нужд электростанций возможен даже в тех слу-

чаях, когда в первый момент после восстановления напряже-

ния значение его составляет 0,55{/

НОМ

. При этом общее время

самозапуска не превышает 30-35 с, что допустимо по их нагреву.

В случае обрыва одной из фаз обмотки статора электродвига-

тель продолжает работать. Частота вращения ротора при этом

несколько уменьшается, а обмотки двух, оставшихся в рабо-

те фаз перегружаются током в 1,5-2 раза большим номиналь-

ного.

Защита от работы на двух фазах применяется лишь на

электродвигателях напряжением до 500 В, защищенных предо-

хранителями, если двухфазный режим работы может повлечь

за собой повреждение электродвигателя.

705

19.4.

ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ КЗ МЕЖДУ ФАЗАМИ

Защита от КЗ между фазами является основной РЗ электро-

двигателей, и установка ее обязательна во всех случаях. В ка-

честве РЗ электродвигателей мощностью до 5000 кВт от КЗ

согласно ПУЭ применяется МТЗ (токовая отсечка). Наиболее

просто токовая отсечка выполняется с реле прямого действия,

встроенными в привод выключателя. С реле косвенного дей-

ствия отсечка выполняется с независимыми токовыми реле

по схемам на рис. 19.6 и 19.7. Ток срабатывания должен быть

отстроен от броска пускового тока электродвигателя

^с.р

^отс ^сх ^пуск/^Г

(19.6)

где к

сх

- коэффициент схемы, равный уЗ для схемы на рис. 19.6

и 1 для схемы на рис. 19.7; /

пуск

- пусковой ток электродвига-

теля;

отс

- коэффициент отстройки, значение которого прини-

мается равным: 1,8 - для реле типа РТ-40, действующих через

промежуточное реле с временем срабатывания 0,04-0,06 с;

2 - для реле прямого действия и индукционных реле типов

РТ-82 и РТ-84 [32].

Если ток срабатывания отсечки отстроен от пускового тока

электродвигателя, то она надежно отстроена и от тока, кото-

рый электродвигатель посылает в сеть при внешнем КЗ.

Токовую РЗ электродвигателей мощностью до 2000 кВт сле-

дует выполнять, как правило, по наиболее простой и дешевой

однорелейной схеме (рис. 19.6). Недостатком этой схемы явля-

ется более низкая чувствительность по сравнению с отсеч-

кой, выполненной по схеме на рис. 19.7, к двухфазным КЗ меж-

ду одной из фаз, на которых установлен ТТ, и фазой без ТТ.

Это имеет место, так как ток срабатывания реле отсечки, вы-

полненной по однорелейной схеме, в т/3 раз больше, чем в

двухрелейной схеме.

Поэтому на электродвигателях мощностью 2000-5000 кВт

токовая отсечка выполняется двухрелейной. Двухрелейную

схему отсечки следует также применять на электродвигате-

лях мощностью до 2000 кВт, если коэффициент чувствительно-

сти однорелейной схемы при двухфазном КЗ на выводах элект-

родвигателя окажется менее двух (к

< 2) [33].

На электродвигателях мощностью 5000 кВт и более устанав-

ливается продольная дифференциальная РЗ, обеспечивающая

более высокую чувствительность к КЗ на выводах и в обмотках

706

Рис.

19.6. Схема однорелейной токо-

вой отсечки электродвигателя:

—

цепи тока; б

—

цепи опера-

тивного постоянного тока

П КА1 Ш +

5?~

и »

«Ш^

Рис.

19.7. Схема двухрелейной токовой

отсечки электродвигателя:

а - цепи тока; б

—

цепи оператив-

ного постоянного тока

электродвигателей, чем токовая отсечка и МТЗ. Дифферен-

циальная РЗ предусматривается и на электродвигателях мощ-

ностью до 5000 кВт, если токовая отсечка не удовлетворяет

требованиям чувствительности. Так, например, целесообразно

применение дифференциальной РЗ для электродвигателей

мощностью 3500 и 4000 кВт. Дифференциальная РЗ обычно вы-

полняется в двухфазном исполнении с реле типа РНТ-565.

Ток срабатывания РЗ, который должен быть отстроен от 7

н6

при пуске электродвигателей, рекомендуется принимать:

2Ь

(19.7)

Коэффициент чувствительности РЗ при двухфазном КЗ на

выводах электродвигателя должен быть не менее двух. В тех

случаях когда РЗ с реле РНТ-565, отстроенная от больших токов

небаланса, не обеспечивает необходимой чувствительности,

используются дифференциальные реле типа ДЗТ-11 с торможе-

нием. Подобные РЗ, в частности, применяются на асинхрон-

ных электродвигателях типа АТД 5000-8000 кВт, а также на

синхронных электродвигателях мощностью более 5000 кВт.

Тормозная обмотка реле при этом подключается к ТТ, установ-

ленным со стороны нулевых выводов обмотки статора. Такое

включение обмотки исключает торможение при повреждении

в обмотке статора.

Поскольку РЗ в двухфазном исполнении не реагирует на

двойное замыкание на землю, одно из которых возникает в

обмотке электродвигателя на фазе В, в которой отсутствует ТТ,

707

дополнительно устанавливается специальная РЗ

от

двойных

замыканий

на

землю, которая выполняется токовым реле,

подключенным

ТТНП.

19.5.

ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ

Перегрузка электродвигателей возникает при затянувшем-

ся пуске и самозапуске; из-за перегрузки приводимых механиз-

мов.

Для электродвигателя опасны только устойчивые пере-

грузки. Сверхтоки, обусловленные пуском или самозапуском

электродвигателя, кратковременны

самоликвидируются при

достижении нормальной частоты вращения.

Значительное увеличение тока электродвигателя получа-

ется также при обрыве фазы, что встречается, например,

электродвигателей, защищаемых предохранителями, при пере-

горании одного из них. При номинальной загрузке

зависимо-

сти от параметров электродвигателя увеличение тока статора

при обрыве фазы будет составлять примерно (1,6

2,5)/

ном

. Эта

перегрузка носит устойчивый характер. Также устойчивый ха-

рактер носят сверхтоки, обусловленные механическими

по-

вреждениями электродвигателя или вращаемого им механиз-

ма

перегрузкой механизма. Основной опасностью сверхто-

ков является сопровождающее их повышение температуры от-

дельных частей,

и в

первую очередь обмоток. Повышение тем-

пературы ускоряет износ изоляции обмоток

снижает срок

службы двигателя. Перегрузочная способность электродвига-

теля определяется характеристикой зависимости между сверх-

током и допускаемым временем его прохождения:

г=Т(а-\)/(к-\),

(19.8)

где

{ -

допустимая длительность перегрузки,

с; Г -

постоян-

ная времени нагрева, с;

а -

коэффициент, зависящий от типа

изоляции электродвигателя,

также периодичности и характе-

ра сверхтоков (для асинхронных электродвигателей

среднем

а = 1,3);

к -

кратность сверхтока, т. е. отношение тока электро-

двигателя

ном

/Т

"• *д' •'ном*

Вид перегрузочной характеристики при постоянной времени

нагрева Т = 300 с представлен на рис. 19.8. При решении вопро-

са об установке РЗ от перегрузки

характере ее действия ру-

708

ководствуются условиями работы электродвигателя, имея

в виду возможность устойчивой перегрузки его приводного

механизма:

а) на электродвигателях механизмов, не подверженных тех-

нологическим перегрузкам (например, электродвигателях цир-

куляционных, питательных насосов и т. п.) и не имеющих

тяжелых условий пуска или самозапуска, РЗ от перегрузки не

устанавливается;

б) на электродвигателях, подверженных технологическим

перегрузкам (например, электродвигателях мельниц, дроби-

лок, багерных насосов и т. п.), а также на электродвигателях,

самозапуск которых не обеспечивается, РЗ от перегрузки долж-

на устанавливаться;

в) защита от перегрузки выполняется с действием на отклю-

чение в случае, если не обеспечивается самозапуск электро-

двигателей или с механизма не может быть снята технологи-

ческая перегрузка без останова электродвигателя;

г) защита от перегрузки электродвигателя выполняется с

действием на разгрузку механизма или сигнал, если техноло-

гическая перегрузка может быть снята с механизма автомати-

чески или вручную персоналом без останова механизма и элект-

родвигатели находятся под наблюдением персонала;

д) на электродвигателях механизмов, могущих иметь как

перегрузку, устраняемую при работе механизма, так и пере-

грузку, устранение которой невозможно без останова механиз-

ма, целесообразно предусматривать действие РЗ от сверхтоков

"я

| /

-пглт-

Л-

7 ///„,

Рис.

19.9.

Принцип действия тепловых реле

Рис.

19.8. Характеристика зависимости допустимой длительности перегрузки

кратности тока перегрузки

с меньшей выдержкой времени на отключение электродвига-

теля. В тех случаях, когда ответственные электродвигатели

собственных нужд электростанций находятся под постоянным

наблюдением дежурного персонала, тогда РЗ их от перегруз-

ки можно выполнить с действием на сигнал.

Защиту электродвигателей, подверженных технологической

перегрузке, желательно иметь такой, чтобы она, с одной сто-

роны, защищала от недопустимых перегрузок, а с другой -

давала возможность наиболее полно использовать перегрузоч-

ную характеристику электродвигателя с учетом предшество-

вавшей нагрузки и температуры окружающей среды. Наилуч-

шей характеристикой РЗ от сверхтоков являлась бы такая,

которая проходила несколько ниже перегрузочной характери-

стики (пунктирная кривая на рис. 19.8).

Защита с тепловым реле. Лучше других могут обеспечить ха-

рактеристику, приближающуюся к перегрузочной характери-

стике электродвигателя, тепловые реле, которые реагируют

на количество тепла (5, выделенного в сопротивлении его на-

гревательного элемента. Тепловые реле выполняются на прин-

ципе использования различия в коэффициенте линейного

расширения различных металлов под влиянием нагревания.

Основой такого теплового реле является биметаллическая пла-

стина 1 (рис. 19.9), состоящая из спаянных по всей поверхно-

сти металлов а и б с сильно различающимися коэффициентами

линейного расширения. При нагревании пластина 1 прогиба-

ется в сторону металла с меньшим коэффициентом расшире-

ния и освобождает защелку рычага 2, который, поворачи-

ваясь, под действием пружины 3 вокруг оси 5, замыкает кон-

такты реле 4.

Нагревание пластины 1 осуществляется нагревательным

элементом 6 при прохождении по нему тока /.

Тепловые реле сложны в обслуживании и наладке, имеют

различные характеристики отдельных экземпляров реле, часто

не соответствуют тепловым характеристикам электродвигате-

лей и имеют зависимость от температуры окружающей среды,

что приводит к нарушению соответствия тепловых характерис-

тик реле и электродвигателя. Поэтому тепловые реше следует

применять лишь в тех случаях, когда более простые токовые

реле не обеспечивают защиты двигателей.

Защита от перегрузки с токовыми реле. Для защиты электро-

двигателей от перегрузки обычно применяются МТЗ с исполь-

710