Защита синхронных и асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ

Общие положения.Для синхронных и асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ предусматриваются защиты от многофазных замыканий на линейных водах и в обмотке статора, однофазных замыканий на землю на линейных выводах и в обмотке статора, токов перегрузки, потери питания и понижения напряжения, асинхронного режима (для синхронных электродвигателей).

Для многоскоростных электродвигателей защита выполняется отдельно для каждой скорости.

Защита от многофазных замыканий.Защита устанавливается на всех без исключения синхронных и асинхронных электродвигателях и предназначается для отключения электродвигателя при многофазных в КЗ в его обмотке статора и на линей выводах (т. е. тех выводах, к которым подключена питающая линия, соединяющая электродвигатель с выключателем). У синхронных электродвигателей защита действует и на автомат гашения поля (АГТ), если он имеется.

Типы защит.Для электродвигателей номинальной мощностью до 4000 кВт применяется токовая двухрелейная отсечка без выдержки времени с реле, включенными на фазные токи.

Для электродвигателей номинальной мощностью 4000 кВт и более применяется продольная дифференциальная токовая защита без выдержки времени. Эта же защита; может применяться на электродвигателях меньшей мощности, если применение токовой отсечки не обеспечивает требуемой чувствительности, а со стороны нулевых выводов обмотки статора имеются или могут быть установлены трансформаторы тока.

Применение токовой однорелейной отсечки с реле, включенным на разность фазных токов, не рекомендуется.

Указания по выполнению щит.На электродвигателе с прямым пуском от сети в зону защиты кроме самого электродвигателя входят также его соединения с распределительным устройством, от которого он получает питание.

На электродвигателе с реакторным пуском в зону защиты, как правило, включается и пусковой реактор. При этом для обеспечения отключения КЗ на участке между трансформаторами тока и выключателем пускового реактора (при включенном выключателе основного питания) в случае, когда защита осуществлена токовой отсечкой, ее выполняют двумя комплектами, подключенными один - к трансформаторам тока шкафа выключателя пускового реактора, а второй к трансформаторам тока шкафа выключателя шовного питания. Если применена дифференциальная защита, то в плече защиты со стороны питания с той же целью устанавливается двухфазная двухрелейная отсечка без выдержки времени, которая для повышения чувствительности выводится из действия на время пуска электродвигателя. На Рисунок 2.20 показаны блок-схемы токовых цепей защит электродвигателей с реакторным пуском.

Рисунок 2.20 Вспомогательная схема токовых цепей защит электродвигателей с реакторным пуском от многофазных КЗ:

а- при применении токовой отсечки; б- при применении дифференциальной защиты; М- электродвигатель; L- пусковой реактор; Ql, Q2- выключатели; ТА1- ТАЗ- трансформаторы тока; АК1, АК2- комплекты токовых отсечек; АК- комплект дифференциальной защиты

Для токовых отсечек электродвигателей рекомендуются реле серии РТ-40 или РНT-565, имеющие встроенные насыщающиеся трансформаторы и обладающие улучшенной отстройкой от токов переходного процесса при пуске и самозапуске. Применение реле типа РНТ-565 может оказаться целесообразным, если токовая отсечка с реле РТ-40 не удовлетворяет требуемой чувствительности, а повышение чувствительности на 20-30 % оказывается достаточным с точки зрения соответствия требованиям ПУЭ.

В дифференциальной токовой защите используются реле типа ДЗТ-11 с магнитным торможением (Рисунок 2.21). Тормозная обмотка реле w_t включается в плечо дифференциальной защиты со стороны нулевых выводов обмотки статора. Этим обеспечивается минимальное торможение при внутренних повреждениях электродвигателя.

Рисунок 2.21 Принципиальная схема дифференциальной защиты электродвигателя М

с реле типа ДЗТ-11: ТА1, ТА2- трансформаторы тока; KAW1, KAW2- реле типа ДЗТ-11

Для электродвигателей, имеющих динамическое торможение, в дифференциальную схему защиты включаются трансформаторы тока, установленные в цепи резисторов динамического торможения. Защита линии динамического торможения в этом случае выполняется двухфазной двухрелейной максимальной токовой защитой, отстроенной от максимального тока статора в режиме торможения и действующей на отключение выключателя цепи динамического торможения и АГП синхронного электродвигателя.

Расчетные уставки защиты.1. Ток срабатывания реле токовой отсечки выбирается в соответствии с:

где - коэффициент отстройки (при выполнении отсечки на реле РТ-40 =1,4-1,5 для асинхронных электродвигателей и =1,6-1,8 для синхронных электродвигателей; при выполнении отсечки на реле РНТ-565 =1,3);

- коэффициент схемы включения реле; при включении реле на фазные токи =1;

- коэффициент трансформации трансформаторов тока;

- наибольшее действующее значение периодической составляющей тока, протекающего через трансформаторы тока защиты в режимах пуска (при номинальном напряжении сети и скольжении s=1), самозапуска или внешнего КЗ при выведенных пусковых устройствах (табл. 2.18).

Чувствительность токовой отсечки определяется при металлическом двухфазном КЗ на выводах электродвигателя в режиме, обусловливающем протекание наименьшего тока в реле:

Значение должно быть не менее двух.

Таблица 2.18. Определение тока для расчета защиты электродвигателей от многофазных КЗ

Электродвигатель	Номинальная мощность	Особенность режима работы	Формула
Наличие прямого пуска	Наличие самозапуска
Синхронный	Любая	Нет	Нет
2000 кВт и более	Да	Да
До 2000 кВт	Да	Да
Асинхронный с коротко-замкнутым ротором	Любая	Да	Да
Любая	Да	Нет
Асинхронный с фазным ротором	Любая	Нет	Нет

Примечание - сверхпереходная ЭДС; - номинальный ток электродвигателя; - ток в цепи статора электродвигателя при несинхронном включении; - индуктивное сопротивление цепи статора электродвигателя; ; - индуктивное сопротивление электродвигателя при КЗ для синхронных электродвигателей: , для асинхронных ; - сопротивление от линейных выводов электродвигателей до места установки защиты; К_П - кратность пускового тока.

2. Расчет дифференциальной защиты с реле типа ДЗТ-11 состоит в выборе необходимого числа витков w_д дифференциальной обмотки реле, соответствующего схеме соединений трансформаторов тока и постоянной времени , где и - соответственно индуктивное и активное сопротивление цепи, по которой протекает ток . Число витков тормозной обмотки реле принимается равным наибольшему возможному значению: w_т = 24.

_ <слО —

Относительное значение начального тока срабатывания защиты определяется по формуле

,

где - магнитодвижущая сила срабатывания реле ДЗТ-11 при отсутствии торможения;

=100 А•w;

- число витков обмотки реле в дифференциальной цепи защиты, определяется по табл. 2.19.

Таблица 2.19 Число витков обмотки типа ДЗТ в дифференциальной цепи защиты электродвигателей

Постоянная времени апериодической составляющей Та, с	Схема соединения трансформатора тока
Y-Y	Y-∆
полная	неполная	полная	неполная
0,1 0,05 0,03

Чувствительность дифференциальной защиты с реле типа ДЗТ-11 может не проверяться, так как она обеспечивается в любых реальных режимах работы электродвигателя и питающей сети.

3. Первичный ток срабатывания максимальной токовой защиты, установленных в плече дифференциальной защиты выбирается из условия обеспечения необходимой чувствительности к двухфазным металлическим КЗ в зоне между пусковым выключателем и трансформаторами тока, расположенными в шкафу этого же выключателя, по выражению:

,

где - ток в месте установки защиты в рассматриваемом режиме;

- минимальный коэффициент чувствительности, принимаемый равным 1,5.

4. Первичный ток срабатывания защиты, устанавливаемой на линии пускового реактора, когда в качестве защиты от многофазных КЗ обмотки статора предусмотрена токовая отсечка, выбирается по условию отстройки от пускового тока I_пуск электродвигателя с учетом сопротивления реактора:

,

где =1,5-1,7- коэффициент отстройки.

Чувствительность защиты проверяется при двухфазном КЗ вблизи линейных выводов электродвигателя. Значение коэффициента чувствительности должно быть около двух.

Защита от замыканий на землю в обмотке статора.Установка защиты электродвигателей от однофазных замыканий на землю считается обязательной при токе замыкания на землю 5 А и более. Рекомендуется предусматривать эту защиту и при меньших значениях тока замыкания на землю, если при соблюдении селективности обеспечивается действие этой защиты при реальных значениях тока замыкания на землю на выводах электродвигателя.

Когда в сети с изолированной нейтралью необходимость отключения однофазного замыкания на землю диктуется требованиями безопасности, защита предусматривается независимо от тока замыкания на землю.

Для выявления возникшего в электродвигателе замыкания на землю, когда защита от замыканий на землю в обмотке статора не устанавливается, используют устройства защиты и сигнализации замыканий на землю, предусмотренные для сети, к которой подключен электродвигатель.

Специальная защита от двойных замыканий на землю (одно - в обмотке статора, а другое - в сети) устанавливается, если защита от однофазных замыканий на землю отсутствует или выполнена с выдержкой времени.

Защита от замыканий на землю действует на отключение электродвигателя от сети, а у синхронных электродвигателей – на автоматическое гашение поля, если оно предусмотрено.

Типы защиты - токовая защита нулевой последовательности с реле типа РТЗ-51 или токовая направленная защита нулевой последовательности типа ЗЗП-1. Для защиты от двойных замыканий на землю - однорелейная, с реле типа РТ-40, токовая отсечка нулевой последовательности.

Таблица 2.20 Расчетные значения емкости двигателей

Тип электродвигателя	Номинальная мощность, кВт	Расчетные значения емкости обмотки статора на три фазы, мкФ
СТД-5000-2		0,110/0,85
СТД-6300-2		0,110/0,110
СТД-8000-2		0,170/0,110
СТД- 10000-2		0,170/0,150
СТД- 12500-2		0,220/0,150

Примечание. В числителе указаны емкости для СТД с номинальным

напряжением 6 кВ, в знаменателе - с номинальным напряжением 10 кВ.

Таблица 2.21. Первичные токи срабатывания защиты от замыканий на землю с реле типа РТЗ-51, А

Тип трансформатора тока нулевой последовательности	Число и соединение трансформаторов тока нулевой последовательности
последовательное	параллельное
ТЗЛ     ТЗЛМ     ТЗР     ТЗЛР	0,68 3,96   0,60 3,26   0,90 3,80   0,81 4,17	1,25 6,80   1,08 6,35   1,26 6,20   1,34 7,90	1,95 9,83   1,60 9,60   Нет данных   1,95 11,70	2,48 14,6   2,16 13,00   Нет данных   2,56 15,44	0,97 4,25   0,89* 4,62*   1,41 6,10   1,00 5,00	1,19 4,80   1,08* 5,1*   Нет данных   1,20 6,10	1,43 5,95   1,33* 5,66*   Нет данных   1,52 7,20	Нет данных   1,67* 6,6*   –     Нет данных

Примечания: 1. Значения тока срабатывания, отмеченные значком *, указаны по данным института «Атомтеплоэлектропроект», остальные - по данным «Уралэнергочермет».

2. В числителе приведены минимальные, а в знаменателе - максимальные токи срабатывания.

Указания по выполнению защиты.Для подключения защиты типа ЗЗП-1, а также для защиты с реле типа РТЗ-51 при числе кабелей, соединяющих электродвигатель с распределительным устройством, не превышающем пяти, применяются трансформаторы тока нулевой последовательности (ТТНП) типов ТЗ, ТЗЛ и ТЗЛМ. Для реле типа РТЗ-51 ТТНП, как правило, соединяются параллельно, а для защиты типа ЗЗП-1 — в соответствии с Рисунок . При шести и более кабелях реле типа РТЗ-51 должно подключаться к кабельным трансформаторам тока нулевой последовательности с подмагничиванием переменным током (типа ТНП-7) от шинного трансформатора напряжения.

Как правило, ТТНП устанавливаются в распределительном устройстве, если учет собственного емкостного тока кабельной линии (от места установки трансформаторов тока до линейных выводов электродвигателя) в токе срабатывания защиты не приводит к необходимости введения выдержки времени. Сопротивление соединительных проводов между ТТНП и реле защиты не должно превышать 1 Ом. При использовании реле типа РТЗ-51 с ТТНП типа ТНП-7 во вторичную цепь трансформатора тока включается резистор типа ПЭВ-50, 50 Ом.

Защита выполняется действующей без выдержки времени, если этого не требуется по условию отстройки от переходных процессов, например в случае, когда ток срабатывания защиты в сети с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор оказывается больше 5 А..

Расчетные уставки защиты.Уставки срабатывания реле тока защит от замыканий на землю рассчитываются в первичных токах.

Ток срабатывания защиты с реле типа РТЗ-51 определяется из условия ее надежной отстройки от броска собственного емкостного тока, проходящего в месте установки защиты при внешнем перемещающемся замыкании на землю:

(2.84)

где - коэффициент отстройки ( =1,2);

- коэффициент, учитывающий бросок собственного емкостного тока ( =2,5);

I_c- собственный емкостный ток присоединения самого электродвигателя I_СД и линии, соединяющей его с распределительным устройством и входящей в зону действия защиты I_СЛ:

(2.85)

Собственный емкостный ток электродвигателя, А

(2.86)

где f- номинальная частота сети, Гц;

- номинальное напряжение сети, В;

Cд — емкость фазы статора электродвигателя, Ф. Значение Сд принимается по данным завода-изготовителя электродвигателя. При номинальной мощности электродвигателей, не превышающей 2,5-3 МВт, значением Iсд в (2.85) обычно можно пренебречь. Значения Сд для некоторых типов электродвигателей приведены в табл. 2.20.

Собственный емкостный ток кабельной линии, входящей в зону защиты, определяется по формуле:

,

где - значение собственного емкостного тока 1 км кабеля;

l- длина линии, км;

m- число кабелей в линии.

Если значение определенное по (2.84), оказывается меньше минимального тока срабатывания из табл. 2.21, то ток срабатывания защиты принимается равным указанному в этой таблице. Во всех других случаях:

А.

При > 5 А в сетях с дугогасящим реактором в защиту вводится выдержка времени t_с,з=1-1,5 с, а ток срабатывания вычисляется по (2.84) при k_б=1,5. В сети с изолированной нейтралью в подобном случае вместо реле типа РТЗ-51 устанавливается защита типа ЗЗП-1.

Правилами устройства электроустановок не требуется проверка чувствительности защит электродвигателей от однофазных замыканий на землю. Рекомендуется обеспечивать условие ,

где - суммарный емкостный ток замыкания на землю сети, к которой подключен электродвигатель в нормальном режиме ее работы.

Первичный ток срабатывания реле типа РТ-40/6 защиты от двойных замыканий на землю принимается равным 150-200 А.

Зашита от токов перегрузки устанавливается в случаях, когда возможны перегрузки по технологическим причинам или имеются тяжелые условия пуска и самозапуска (длительность прямого пуска от сети не менее 20 с). Защита выполняется с действием на сигнал, если обслуживающий механизм персонал имеет возможность ликвидировать перегрузку в приемлемое время, или на автоматическую разгрузку.

Действие защиты на отключение применяется на электродвигателях с тяжелыми условиями пуска и самозапуска, в случаях, когда электродвигатель не участвует в самозапуске, а также на электродвигателях механизмов, для которых отсутствует возможность своевременной разгрузки без останова или которые работают без постоянного дежурного персонала.

Тип защиты - максимальная токовая защита с зависимой или независимой от тока характеристикой выдержки времени в однорелейном исполнении.

Указания по выполнению защиты.Для асинхронных электродвигателей, не являющихся приводами ответственных механизмов, если время их пуска и самозапуска не превосходит 12-13 с, для электродвигателей с изменяющейся нагрузкой на валу или имеющих частоту пусков более 500 раз в год, применяется защита с зависимой от тока характеристикой выдержки времени - с использованием реле типа РТ-82. При этом необходимо принять меры по устранению влияния вибрации и тряски, имеющих место в КРУ, на действие реле. Во всех остальных случаях предусматривается защита с независимой от тока характеристикой выдержки времени с реле тока серии РТ-40 и реле времени типа ВЛ-34.

Реле тока защиты включается либо на ток фазы, если электродвигатель оборудован дифференциальной защитой, либо на разность токов двух фаз - для электродвигателей, защищаемых от многофазных КЗ токовой отсечкой (Рисунок 2.22). Последнее предусматривается в целях обеспечения отключения многофазных КЗ с током, меньшим тока срабатывания отсечки, и имеет смысл в тех случаях, когда защита от пере грузки выполняется с действием на отключение. Для защиты от перегрузки рекомендуется использовать вторичные обмотки трансформаторов тока, не связанных с защитой от многофазных КЗ.

Рисунок 2.22 Принципиальная схема токовой отсечки и защиты от перегрузки электродвигателя М:

Q- выключатель; ТА1, ТА2- трансформаторы тока; KA1, KA2- реле тока отсечки;

КАЗ- реле тока защиты от перегрузки; KL1- промежуточное реле; КН1-КНЗ- указательные реле; КА- контакт реле защиты от замыкания на землю; SB- кнопка управления

Расчетные уставки защиты.Ток срабатывания реле защиты

, (2.87)

где - коэффициент отстройки, равный 1,1;

k_cx- коэффициент схемы включения реле (к_сх= 1 при включении реле на ток фазы и при включении реле на разность токов двух фаз);

k_B -коэффициент возврата реле, принимаемый равным 0,8 для реле типа РТ-82 и 0,85 для реле серии РТ-40;

- номинальный ток электродвигателя;

- коэффициент трансформации трансформаторов тока.

Выдержка времени защиты должна превышать на 20-30% расчетное время пуска электродвигателя. Эта уставка срабатывания уточняется в процессе наладочных работ.

Защита синхронных электродвигателей от асинхронного режима устанавливается на всех синхронных электродвигателях и действует на схему, предусматривающую ресинхронизацию, ресинхронизацию с автоматической разгрузкой механизма до такого уровня, при котором обеспечивается втягивание электродвигателя в синхронизм, отключение электродвигателя при неуспешной ресинхронизации при невозможности осуществления разгрузки или ресинхронизации при отсутствии необходимости по условиям технологического процесса в ресинхронизации электродвигателя.

Особенности выполнения защиты.Для синхронных электродвигателей со спокойной нагрузкой на валу независимо от других видов защит от асинхронного режима, входящих в состав возбудительных устройств, предусматривается защита, реагирующая на увеличение тока статора и на снижение тока возбуждения. Защита по току статора представляет собой двухступенчатую (по времени действия) максимальную токовую защиту в однорелейном исполнении от токов перегрузки, возникающих в асинхронном режиме (Рисунок 2.23). В схеме используется промежуточное реле типа РП-252, имеющее замедление при возврате, для предотвращения отказа защиты при биениях тока асинхронного режима. Для обеспечения раздельного срабатывания защиты на ресинхронизацию и на отключение для первой ступени защиты (с меньшей выдержкой времени), действующей на ресинхронизацию и на разгрузку, предусмотрено отдельное выходное промежуточное реле (KL2 на Рисунок 2.23). Так как время действия первой ступени защиты меньше времени пуска или самозапуска электродвигателя, она выводится из работы на время этих режимов с помощью реле, контролирующего продолжительность пуска и самозапуска. Расчетные уставки защиты такие же, как и у токовой защиты от перегрузок. Выдержка времени первой ступени защиты принимается равной 0,5-1 с.

Рисунок 2.23 Принципиальная схема токовой защиты от асинхронного режима синхронного электродвигателя MG:

Q- выключатель; ТА- трансформатор тока; КА- реле тока типа РТ 40; КТ- реле времени типа ВЛ-34; KL1- реле промежуточное типа РП-252; KL2, КL3-реле промежуточное типа РП-23; КН1-КН2- реле указательные типа РУ-1; KQ- кнопка управления; KAR- контакт, замыкающийся при потере возбуждения; KF- контакт, размыкающийся при форсировке возбуждения.

Защита от потери питания и понижения напряжения предусматривается для предотвращения повреждений электродвигателей, которые могут возникнуть после того, как на затормозившиеся в результате потери питания, кратковременного или длительного снижения напряжения электродвигатели будет вновь подано напряжение нормального уровня. Это может привести к непредусмотренному самозапуску или повторному пуску электродвигателей, для которых эти режимы либо недопустимы по условиям завода-изготовителя или технологического процесса, либо запрещены техникой безопасности.

Эта же защита обычно используется для обеспечения самозапуска электродвигателей ответственных механизмов, надежного пуска АВР электродвигателей взаиморезервируемых механизмов и источников электро­снабжения, а также для ограничения подпитки от электродвигателей места короткого замыкания в питающей сети (35-220 кВ).

Защита от потери питания выполняется групповой, т. е. общей для всех электродвигателей, присоединенных к одной секции сборных шин распределительного устройства. Защита действует на отключение электродвигателей, которые по тем или иным причинам не участвуют в самозапуске, и на гашение поля синхронных электродвигателей, подлежащих самозапуску.

Типы защиты. В качестве защиты от потери питания используются одно-, двух- или трехступенчатая защита минимального напряжения, защита минимального напряжения и минимальной частоты с блокировкой по направлению мощности, вспомогательные контакты выключателя линии, питающей секцию сборных шин распределительного устройства, к которому подключены электродвигатели, или выходные цепи релейных защит, действующих на его отключение.

Особенности выполнения защиты. Защита минимального напряжения предусматривается в тех случаях, когда суммарная номинальная мощность синхронных электродвигателей в сети, для которой рассматривается режим потери и восстановления питания, понижения и последующего повышения напряжения, не превышает 10% общей мощности одновременно работающих электродвигателей, а требования к сокращению перерыва питания (например, с точки зрения обеспечения самозапуска) не предъявляются. Число ступеней уставок срабатывания по напряжению и по времени зависит от типа электродвигателей, условий их работы и отношения к самозапуску. Реле напряжения защиты подключаются к шинам вторичных цепей трансформатора напряжения секции распределительного устройства совместно с приборами измерения и технического учета через общий защитный автоматический выключатель. Для исключения ложной работы защиты при неисправностях цепей трансформатора напряжения и при выкатывании его тележки из шкафа КРУ предусматривается соответствующая блокировка, использующая вспомогательные контакты автоматического выключателя и конечного выключателя, фиксирующего положение тележки.

На подстанциях с выпрямленным оперативным током защита выполняется с использованием энергии предварительно заряженных конденсаторов (Рисунок 2.18).

Защита минимальной частоты с блоки­ровкой по направлению мощности предусматривается в дополнение к защите минимального напряжения, когда в сети, для которой рассматривается режим потери и восстановления питания действием АВР или АПВ, имеются синхронные электродвигатели суммарной номинальной мощностью, превышающей 10% общей мощности всех одновременно работающих электродвигателей, а также в тех случаях, когда при наличии синхронных электродвигателей требуется как можно больше сократить время перерыва питания. Реле направления мощности, входящие в состав защиты, блокируют ее действие при направлении активной мощности к шинам.

Как правило, одна из ступеней защиты минимального напряжения и защиты минимальной частоты выполняет также функции измерительных органов в устройствах автоматического включения резерва.

Расчетные уставки защиты. Напряжение срабатывания ступени защиты, предназначенной для отключения несамозапускающихся электродвигателей, принимается равным 0,7 U_ном, а выдержка времени - большей времени действия основных защит элементов сети от многофазных КЗ t_cз=0,5-1,5 с.

Напряжение срабатывания ступени за­щиты, подготовляющей самозапуск ответственных механизмов, или ступени, действую­щей на отключение при длительном отсутствии напряжения,

,

де U_самоз- напряжение в месте установки защиты в режиме самозапуска;

- коэффициент отстройки;

- коэффициент возврата реле. При использовании электромеханических реле понижения напряжения принимается =1,2 и =1,25.

Время срабатывания степени, подготовляющей самозапуск, принимается на ∆t=0,5 с больше времени действия защит, при КЗ в зоне действия которых напряжение в месте установки защиты минимального напряжения U_отс < U_с,з. Для ступени, действующей на отключение, выдержка времени устанавливается равной 9-10 с.

Частота срабатывания защиты минимальной частоты с блокировкой по направлению мощности принимается равной f_C,Р = 48,5-49 Гц, а выдержка времени - около 0,5 с.