Защита низковольтного короткозамкнутого асинхронного двигателя

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Ознакомиться с методикой расчета установок различных видов защит от повреждений и ненормальных режимов работы электродвигателя.

1.2. Изучить принцип действия схемы защиты реализованной в лабораторной работе.

1.3. Проверить работоспособность защиты в различных режи­мах работы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

К повреждениям, возникающим в обмотках статора двигате­лей переменного тока, относятся межфазные короткие замыкания, однофазные замыкания на землю и замыкания между витками одной фазы. В сетях большими токами замыкания на землю, величина тока при перечисленных повреждениях может быть значительной, поэтому защита должна быть быстродействующей.

К ненормальным режимам работы двигателей относится их перегрузка током, которая приводит к снижению срока службы двигателя. Допустимое время нагрузки тем меньше, чем больше кратность тока перегрузки к его номинальному значению. Причинами токовых перегрузок являются: технологические перегрузки приводимых во вращение механизмов; понижение напряжения в питающей сети; обрыв одной из фаз сети питающей статор электродвигателя.

Защита от коротких замыканий

Для ликвидации межфазных, а в сетях с глухозаземленной нейтралью и однофазных КЗ, применяются токовые защиты. Токовая защита может быть выполнена автоматическими выключателями с электромагнитным или комбинированным расцепителем, или электромагнитными токовыми реле косвенного действия (т.е. защита в виде токовой отсечки).

Автоматитеский выключатель не должен отключаться при кратковременных перегрузках защищаемого элемента, исходя из этого, ток отсечки автоматического выключателя выбирается исходя из следующего условия:

, (2.1)

где - величина тока кратковременной перегрузки, в том случае если в качестве защищаемого объекта является один АД,

, (2.2)

где - величина пускового тока АД.

Известно, что для АД с КЗ обмоткой обычного исполнения составляет

=(4÷7) , (2.3)

где - ток АД в номинальном режиме.

В расчетах за , принять = 7 , за ток , принять ток нагрузки , согласно номера варианта.

При выполнении защиты с использованием вторичных токовых реле, величина тока срабатывания реле ( ) определяется следующим выражением:

, (2.4)

где - коэффициент запаса, определяется погрешностью в расчете тока , погрешностью реле - для реле типа РТ-40 , , для реле типа РТ-80 , ;

- коэффициент схемы соединения трансформаторов тока и обмоток реле;

- коэффициент трансформации трансформатора тока.

Защита от перегрузки

Выполняется токовой (т.е. реагирующей на возрастание тока) или температурной (т.е. реагирующей на повышение температуры обмотки или других частей двигателя). Токовая защита может выполняться посредством автоматического выключателя с замедленным срабатыванием или посредством реле косвенного действия - тепловых или электромагнитных.

При использовании автоматического выключателя типа А3100 с нерегулируемым тепловым расцепителем, для защиты от перегрузки, его необходимо выбирать исходя из следующего условия:

(2.5)

где – номинальный ток расцепителя;

– расчетный ток нагрузки.

Защита от перегрузки в таких автоматических выключателях выполнена нерегулируемым тепловым реле (основной элемент которого биметаллическая пластинка), время срабатывания которого зависит от величины тока. На практике нашли применение автоматические выключатели с комбинированным расцепителем, т.е. реагирующие на ток КЗ, так и на ток перегрузки (автоматические выключатели следующих типов: А3110; А3120; А3130; А3140).

Защита от перегрузки выполненная с использованием электромагнитных реле, состоит из токового реле и реле времени. Ток срабатывания пускового органа выбирается аналогично току срабатывания МТ3 ЛЭП, а именно:

(2.6)

где =1.1-1.2-коэффициент запаса,

- коэффициент возврата, для реле РТ80 =0,8.

Недействие защиты в пусковом режиме обеспечивается применением выдержки времени, превышающей время нормального пуска не менее чем на 3с.

Температурная защита, использует датчики нагрева обмоток двигателя (температурные реле или терморезисторы). Основным элементом температурного реле серии Т, является биметаллическая мембрана, которая при определенной температуре скачкообразно меняет направления своего изгиба и размыкает контакты. Работа защиты с использованием терморезистора основана на скачкообразном изменении сопротивления резистора при определенной температуре.

Обрыв фазы сети питающей электродвигатель ведет к уменьшению его вращающего момента и к возрастанию токов неповрежденных фаз. Такой режим может, возникнуть вследствие перегорания предохранителя или потере контакта в одном полюсе коммутационного аппарата. Для защиты электродвигателя от обрыва фазы используют различные схемы, реализованные при помощи реле обрыва фаз.

В данной лабораторной работе представлена защита АД с КЗ ротором, от повреждений и ненормальных режимов. Защита от повреждений (от межфазного замыкания) реализована автоматическими выключателями типа АЕ2033. Защита от ненормальных режимов, таких как: превышение тока электродвигателя относительно настроенного; обрыве любого из фазных проводов; перегреве электродвигателя свыше 95^оС или 115^оС, выполнена с использованием электронного блока защиты БТЗ1-4. Блок БТЗ на схеме стенда показан в виде прямоугольника, данный блок отрабатывает все вышеперечисленные режимы, размыканием своего исполнительного контакта(6-7). Такая работа блока БТЗ происходит вследствие поступления сигналов от внешних устройств на клеммы блока 1,2,3. Схема самого блока БТЗ на схеме исследуемого стенда не приводится. Блок БТЗ, предназначен для защиты трехфазных электродвигателей напряжением 0,4кВ. Конструктивно блок БТЗ, выполнен в пластмассовом корпусе, все элементы которого размещены на печатной плате. Под лицевой крышкой находиться ручка потенциометра настройки БТЗ на рабочий ток (ток срабатывания БТЗ - ) и переключатели режимов работы. Переключатели обеспечивают установку следующих режимов работы БТЗ:

- первая кнопка обеспечивает установку температуры срабатывания БТЗ: 95^оC (кнопка отжата) и 115^оС (кнопка нажата);

- вторая кнопка позволяет выбрать режим работы БТЗ: режим “Настройка” (кнопка отжата) и режим “Работа” (кнопка нажата);

- третья кнопка обеспечивает включение (кнопка нажата) и отключение (кнопка отжата) задержки по времени срабатывания БТЗ;

- положение четвертой кнопки определяется мощностью защищаемого электродвигателя: мощность до 15 кВт (кнопка отжата), мощность от 15 до 250 кВт (кнопка нажата).

При превышении тока статора АД свыше 30% тока срабатывания БТЗ, в режиме “Задержка откл.”, срабатывание БТЗ, должно происходить за время не более 6с. В режиме “Задержка вкл.” время отключения определяется по токозависимой характеристике, экспоненциального характера. Режим включения задержки по времени необходим для того, чтобы исключить срабатывание БТЗ при пусковых токах электродвигателя.

При отсутствии тока в фазе (уменьшение тока до 10% относительно настроенного), контролируемой трансформатором тока срабатывание БТЗ происходит через 5-6 сек. не зависимо от положения третьей кнопки. При отсутствии тока в фазе, не контролируемой трансформатором тока, отключение АД происходит из-за увеличения тока в контролируемой фазе (т.е. в которой установлен трансформатор тока) при этом время срабатывания БТЗ, будет зависеть от положения третьей кнопки.

На панели БТЗ расположены три индикатора, поясним их функциональное назначение сверху вниз:

- первый красный - “Авария”, включается при превышении током электродвигателя установленного значения (такой режим может возникнуть при перегрузке электродвигателя либо при отсутствии тока в фазе, контролируемой трансформатором тока);

- второй красный - “Перегрев” включается при темпера-

туре датчика (ВТ) 95^оС или 115^оС в зависимости от выбранного режима (в качестве датчика-температуры используется диод КД 522Б);

- третий зеленый – “Сеть” индицирует подачу напряжения сети на БТЗ, ярко светится в штатном режиме и с пониженной яркостью после срабатывания БТЗ.

Снизу блока БТЗ, находятся контакты для его подключения.

На рисунке представлена схема защиты асинхронного двигателя, реализованная с использованием электронного блока БТЗ и автоматического выключателя QF. Контакты тумблера SА1 на схеме показаны для блока БТЗ находящегося в режиме “Настройка”. При переводе блока БТЗ в режим “Работа”, (тумблер SА1 на стенде необходимо перевести в верхнее положение), при этом контакты SА1.2, SА1.3 – примут замкнутое, а контакт SА1.1 разомкнутое положение.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Согласно номеру варианта, определиться с током нагрузки АД ( ) – табл.2. 3.

3.2. Произвести выбор автоматического выключателя для защиты АД от КЗ имеющего соответствующий ток нагрузки.

3.3. Выполнить расчет величины тока КЗ, протекающего через защищаемый электродвигатель, при котором произойдет срабатывание защиты от КЗ, выполненной с использованием электромагнитных токового реле косвенного действия типа РТ-40 и РТ-80.

3.4. Рассчитать ток срабатывания защиты от перегрузки, выполненной с использованием электромагнитного реле типа

PT-80.

3.5. Произвести подключение БТЗ по схеме настройки, для этого тумблер SА1, перевести в положение “Настройка”,

Схема защиты АД

вторую сверху кнопку на блоке БТЗ также перевести в положение “Настройка” (кнопка отжата). Остальные кнопки перевести в режим, соответствующий следующим показателям: защита от перегрева свыше 95^оС (верхняя кнопка отжата), задержка включена (третья сверху кнопка нажата), электродвигатель мощностью до 15кВт (четвёртая кнопка отжата). Ручку потенциометра БТЗ повернуть до упора против часовой стрелки, что соответствует максимально возможному току срабатывания БТЗ.

Внимание! Тумблеры SА2, SА3, SА4, а также “Перегрев АД” должны находиться в выключенном положение (т.е. вниз). Колодка тормозного устройства электродвигателя не должна создавать тормозного момента для АД.

3.6. Включить электродвигатель нажатием кнопки SB2 и настроить его на ток нагрузки согласно данных варианта задания (при необходимости использовать нагрузочное устройство). Затем плавно вращать ручку потенциометра “Настройка” по часовой стрелки до включения индикатора “Авария”. Отключить электродвигатель нажатием кнопки SB1. При повороте по часовой стрелке ручки потенциометра происходит снижения порога срабатывания БТЗ.

3.7. Тумблер SА1 , а также вторую сверху кнопку на блоке БТЗ перевести в положение “Работа” (кнопку нажать). Произвести контрольный пуск электродвигателя. При пуске наблюдается кратковременное включение индикатора “Авария” на момент прохождения пусковых токов. При правильной настройке не должно происходить срабатывания блока БТЗ от пусковых токов. Допускается при срабатывании защиты от пусковых токов загрубить настройку, для этого необходимо после отключения двигателя и сброса защиты (сброс защиты производится нажатием красной кнопки “Стоп”) слегка повернуть ручку потенциометра против часовой стрелки. Поворот ручки необходимо производить против часовой стрелки на небольшой угол (1-3 градуса), т.к. в противном случае защита будет сильно загрублена, и не будет действовать при малых токах перегрузки.

3.8. Правильно настроив блок БТЗ, перевести его и схему защиты АД в режим “Работа” (выбрать соответствующее положение второй кнопки на блоке БТЗ и тумблера SA1). Запустить электродвигатель. Имитировать обрыв фазы C, через некоторое время должно произойти отключение электродвигателя. Блок БТЗ не сработает (защита не отреагирует на данный режим), если после обрыва фазы C, в течении 20с. не произойдет загорания лампочки “Авария”, что свидетельствует о сильном загрублении защиты. В этом случае тумблер SА4 необходимо вернуть в нижнее положение и отключить электродвигатель. Повторить настройку согласно п.3.5.

Внимание! Повторное включение БТЗ производить не ранее 15с. после его срабатывания. Каждый раз сброс защиты в исходное состояние необходимо осуществлять нажатием красной кнопки ”Стоп “, а тумблеры SА2, SА3, SА4, “Перегрев АД”, перед очередным пуском электродвигателя должны находиться в выключенном положении.

3.9. Перевести блок БТЗ и схему защиты АД в режим “Работа”. После запуска АД тумблером SА3 имитировать обрыв фазы B.

3.10. На блоке БТЗ, находящемся в режиме “Работа”, перевести третью сверху кнопку в режим “Задержка откл.” (кнопка отжата). Запустить электродвигатель.

3.11. Для блока БТЗ и его схемы защиты АД, находящихся в режиме “Работа” и “Задержка включена”, запустить электродвигатель. Используя нагрузочное устройство увеличить ток до АД . Зафиксировать время срабатывания БТЗ.

Внимание!Увеличение тока производить плавным поворотом по часовой стрелке болта нагрузочного устройства, контролируя при этом величину тока в статорной цепи электродвигателя. Перед последующим очередным пуском АД болт нагрузочного устройства необходимо обязательно возвращать в исходное положение (т.е. производить пуск АД на ХХ - без нагрузки).

Повторить п.3.11. для токов 1,8 ; 2 ; 2,2 . Полученные данные занести в табл. 2 и по ним построить токовременную характеристику срабатывания БТЗ от токов перегрузки (по оси абсцисс кратность тока АД по отношению к ,(К равен: 1,2;1,4 и т.д.), по оси ординат время t).

3.12. Запустить АД на ХХ. Тумблером SА2 имитировать межфазное КЗ. В лабораторной работе межфазное КЗ АД имитируется межфазным КЗ на линиях, питающих электродвигатель.

3.13. Убедиться в том, что блок БТЗ и схема стенда находятся в режиме “Работа”. Запустить АД на ХХ. Имитировать перегрев АД для этого включить на стенде тумблер “Перегрев АД”. Временем срабатывания БТЗ, считать время с момента загорания лампочки “Перегрев” на блоке БТЗ, до срабатывания защиты.

3.14. Экспериментальные данные, полученные в п.3.6-3.13. Занести в табл. 2.1, за исключением п.3.11.

Табл. 2.1

Режим работы АД	Показания приборов	Время срабатыва-ния защиты
PA1,А	PА2,А	PА3,А
1.Нагрузочный режим. 2. Пуск АД при токе нагрузки в режиме "Задержка вкл.". 3. Обрыв фазы С. 4. Обрыв фазы В. 5. Пуск АД при токе нагрузки в режиме "Задержка откл.". 6. Межфазное КЗ 7. Перегрев АД.

Табл. 2.2

	1,2	1,4	1,6	1,8	2	2,2

Табл.2.3

Вариант №1
Вариант №2

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

4.1. Цель работы; номер варианта, с содержанием данных для этого варианта.

4.2. Необходимые теоретические расчеты по работе (п.3.2-3.4). Сравнительный анализ полученных величин в п.3.2 , 3.3 на основе коэффициента чувствительности.

4.3. Схема защиты АД, реализованная в лабораторной работе.

4.4. Экспериментальные данные, сведённые в табл. 2.1 и 2.2 и необходимые графические зависимости.

4.5. Выводы в виде анализа реакции защиты на различные режимы работы АД.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОМАШНЕЙ ПОДГОТОВКИ

5.1. Порядок настройки блока БТЗ на ток нагрузки согласно номера варианта?

5.2. От чего и каким образом защищают низковольтные асинхронные электродвигатели?

5.3. От чего и каким образом защищают высоковольтные асинхронные электродвигатели?

5.4. Что такое самозапуск электродвигателей, какими явлениями он сопровождается, (законы изменения I и U в момент самозапуска, порядок построения защит препятствующих самозапуску)?

5.5. Устройство и принцип действия автоматических выключателей с различными типами расцепителей и их защитные характеристики?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3