Защита электродвигателей от перегрузки

Перегрузка электродвигателей возникает

· при затянувшемся пуске и самозапуске,

· при перегрузке приводимых механизмов,

· при понижении напряжения на выводах двигателя.

· при обрыве фазы.

Для электродвигателя опасны только устойчивые перегрузки. Сверхтоки, обусловленные пуском или самозапуском электродвигателя, кратковременны и самоликвидируются при достижении нормальной частоты вращения.

Значительное увеличение тока электродвигателя получается также при обрыве фазы, что встречается, например, у электродвигателей, защищаемых предохранителями, при перегорании одного из них. При номинальной загрузке в зависимости от параметров электродвигателя увеличение тока статора при обрыве фазы будет составлять примерно (1,6…2,5) I_ном. Эта перегрузка носит устойчивый характер. Также устойчивый характер носят сверхтоки, обусловленные механическими повреждениями электродвигателя или вращаемого им механизма и перегрузкой самого механизма. Основной опасностью сверхтоков является сопровождающее их повышение температуры отдельных частей, и в первую очередь, обмоток. Повышение температуры ускоряет износ изоляции обмоток и снижает срок службы двигателя. Перегрузочная способность электродвигателя определяется характеристикой зависимости между сверхтоком и допускаемым временем его прохождения:

, (20.5)

где t – допустимая длительность перегрузки, с;

А – коэффициент, зависящий от типа изоляции электродвигателя, а также периодичности и характера сверхтоков; для обычных двигателей А = 150-250;

К – кратность сверхтока, т. е. отношение тока электродвигателя I_дк I_ном.

Вид перегрузочной характеристики при постоянной времени нагрева T = 300 с представлен на рис. 20.2.

При решении вопроса об установке РЗ от перегрузки и характере ее действия руководствуются условиями работы электродвигателя, имея в виду возможность устойчивой перегрузки его приводного механизма:

а. На электродвигателях механизмов, не подверженных технологическим перегрузкам (например, электродвигателях циркуляционных, питательных насосов и т. п.) и не имеющих тяжелых условий пуска или самозапуска, РЗ от перегрузки может не устанавливаться. Однако, ее установка целесообразна на двигателях объектов, не имеющих постоянного обслуживающего персонала, учитывая опасность перегрузки двигателя при пониженном напряжении питания или неполнофазном режиме;

Рис. 20.2. Характеристика зависимости допустимой длительности перегрузки от кратности тока перегрузки

б. На электродвигателях, подверженных технологическим перегрузкам (например, электродвигателях мельниц, дробилок, насосов и т.п.), а также на электродвигателях, самозапуск которых не обеспечивается, должна устанавливаться РЗ от перегрузки;

в. Защита от перегрузки выполняется с действием на отключение в случае, если не обеспечивается самозапуск электродвигателей или с механизма не может быть снята технологическая перегрузка без останова электродвигателя;

г. Защита от перегрузки электродвигателя выполняется с действием на разгрузку механизма или сигнал, если технологическая перегрузка может быть устранена с механизма автоматически или вручную персоналом без останова механизма, и электродвигатели находятся под наблюдением персонала;

д. На электродвигателях механизмов, которые могут иметь как перегрузку, устраняемую при работе механизма, так и перегрузку, устранение которой невозможно без останова механизма, целесообразно предусматривать действие РЗ от сверхтоков с меньшей выдержкой времени на отключение электродвигателя; в тех случаях, когда ответственные электродвигатели собственных нужд электростанций находятся под постоянным наблюдением дежурного персонала, защиту их от перегрузки можно выполнить с действием на сигнал.

Защита электродвигателей, подверженных технологическойперегрузке, желательно иметь такой, чтобы она, с одной стороны, защищала от недопустимых перегрузок, а с другой – давала возможность наиболее полно использовать перегрузочную характеристику электродвигателя с учетом предшествовавшей нагрузки и температуры окружающей среды. Наилучшей характеристикой РЗ от сверхтоков являлась бы такая, которая проходила несколько ниже перегрузочной характеристики (пунктирная кривая на рис. 20.2).

20.4. Защита от перегрузки с тепловым реле. Лучше других могут обеспечить характеристику, приближающуюся к перегрузочной характеристике электродвигателя, тепловые реле, которые реагируют на количество тепла Q, выделенного в сопротивлении его нагревательного элемента. Тепловые реле выполняются на принципе использования различия в коэффициенте линейного расширения различных металлов под влиянием нагревания. Основой такого теплового реле является биметаллическая пластина состоящая из спаянных по всей поверхности металлов а и б с сильно различающимися коэффициентами линейного расширения. При нагревании пластина прогибается в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения и замыкает контакты реле.

Нагревание пластины осуществляется нагревательным элементом при прохождении по нему тока.

Тепловые реле сложны в обслуживании и наладке, имеют различные характеристики отдельных экземпляров реле, часто не соответствуют тепловым характеристикам электродвигателей и имеют зависимость от температуры окружающей среды, что приводит к нарушению соответствия тепловых характеристик реле и электродвигателя. Поэтому тепловые реле применяются в редких случаях, обычно в магнитных пускателях и автоматах 0,4 кВ.

20.5. Защита от перегрузки с токовыми реле. Для защиты электродвигателей от перегрузки обычно применяются МТЗ с использованием реле с ограниченно зависимыми характеристиками типа РТ-80 или МТЗ с независимыми токовыми реле и реле времени.

Преимуществами МТЗ по сравнению с тепловыми являются более простая их эксплуатация и более легкий подбор и регулировка характеристик РЗ. Однако, МТЗ не позволяют использовать перегрузочные возможности электродвигателей из-за недостаточного времени действия их при малых кратностях тока.

МТЗ с независимой выдержкой времени в однорелейном исполнении обычно применяется на всех асинхронных электродвигателях собственных нужд электростанций, а на промышленных предприятиях - для всех синхронных (когда она совмещена с РЗ от асинхронного режима) и асинхронных электродвигателей, являющихся приводами ответственных механизмов, а также для неответственных асинхронных электродвигателей с временем пуска более 12…13 с.

Релейная защита от перегрузки с зависимой выдержкой времени лучше согласовываются с тепловой характеристикой двигателя, однако, и они недостаточно используют перегрузочную способность двигателей в области малых токов.

Защита от перегрузки с зависимой характеристикой выдержки времени может быть выполнена на реле типа РТ-80 или цифровом реле.

Ток срабатывания защиты от перегрузки устанавливается из условия отстройки от I_номэлектродвигателя:

(20.6)

где к_отс – коэффициент отстройки, принимается равным 1,05.

Время действия МТЗ от перегрузки t_3Пдолжно быть таким, чтобы оно было больше времени пуска электродвигателя t_пуск, а у электродвигателей, участвующих в самозапуске, больше времени самозапуска.

Время пуска асинхронных электродвигателей обычно составляет 8…15 с. Поэтому характеристика реле с зависимой характеристикой должна иметь при пусковом токе время, не меньшее 12…15 с. На РЗ от перегрузки с независимой характеристикой выдержка времени принимается 14…20 с.

20.6. Защита от перегрузки с тепловой характеристикой выдержки времени на цифровом реле. В цифровое реле защиты двигателя, например, типа MiCOM Р220 заложена тепловая модель двигателя из составляющих прямой и обратной последовательности тока, потребляемого двигателем таким образом, чтобы учесть тепловое воздействие тока в статоре и роторе. Составляющая обратной последовательности токов, протекающих в статоре, наводит в роторе токи значительной амплитуды, которые создают существенное повышение температуры в обмотке ротора. Результатом сложения, проведенного MiCOM Р220 является эквивалентный тепловой ток I_экв, отображающий повышение температуры, вызванное током двигателя. Ток I_экввычисляется в соответствии с зависимостью:

(20.7)

К_э– коэффициент усиление влияния тока обратной последовательности учитывает повышенное воздействие тока обратной последовательности по сравнению с прямой последовательности на нагрев двигателя. При отсутствии необходимых данных принимается равным 4 - для отечественных двигателей и 6 – для зарубежных.

Дополнительные функции реле MiCOM P220, связанные с тепловой перегрузкой двигателяследующие.

· Запрет отключения от тепловой перегрузки при пуске двигателя.

· Cигнализация тепловой перегрузки.

· Запрет пуска.

· Затяжной пуск.

· Заклинивание ротора.

Заклинивание ротора двигателя может произойти при пуске двигателя или в процессе его работы.

Функция заклинивание ротора при работающем двигателе вводится автоматически при его успешном развороте после истечения заданной выдержки времени.

В цифровых реле Sepam 2000 защита двигателя от затяжного пуска и заклинивания ротора выполнена иначе. Первая защита срабатывает и отключает двигатель, если ток двигателя от начала процесса пуска превышает значение 3I_ном в течение заданного времени t₁ = 2t_пуска. Начало пуска обнаруживается в момент увеличения потребляемого тока от 0 до значения 5% номинального тока. Вторая защита срабатывает, если пуск завершен, двигатель работает нормально, и в установившемся режиме неожиданно ток двигателя достигает значения более 3I_ном и держится в течение заданного времени t₂ = 3-4с.

Несимметрия. Защита двигателя от перегрузки токами обратной последовательности защищает двигатель от подачи напряжения с обратным чередованием фаз, от обрыва фазы, от работы при длительной несимметрии напряжений.

При подаче на двигатель напряжения с обратным чередованием фаз двигатель начинает вращаться в обратную сторону, приводимый в действие механизм может быть заклинен или вращаться с моментом сопротивления, отличающимся от момента прямого вращения. Таким образом, величина тока обратной последовательности двигателя может колебаться в широких пределах. При обрыве фазы двигатель уменьшает вращающий момент в 2 раза и для компенсации у него в 1,5...2 раза увеличивается ток.

При несимметрии питающих напряжений ток обратной последовательности может иметь различную величину до самых малых значений. Появление тока обратной последовательности более всего влияет на нагрев ротора двигателя, где он наводит токи двойной частоты. Таким образом, целесообразно иметь защиту по I₂, которая отключала бы двигатель для предотвращения его перегрева.

Защита имеет 2 ступени:

Ступень I_обр> с независимой выдержкой времени. Ток срабатывания принимается равным (0,2…0,25)I_номдвигателя. Выдержка времени должна обеспечить отключение несимметричных коротких замыканий в прилегающей сети, для чего она должна быть на ступень больше, чем защита питающего трансформатора:

(20.8)

Ступень I_обр>>сзависимой характеристикой выдержки времениможет быть использована для повышения чувствительности защиты, если известны реальные тепловые характеристики двигателя по току обратной последовательности.

Потеря нагрузки. Функция позволяет обнаружить расцепление двигателя с приводимым им в движение механизмом вследствие обрыва муфты, ленты транспортера, выпуск воды из насоса и т.д. по уменьшению рабочего тока двигателя.

Уставка минимального тока:

где I_хх– ток холостого хода двигателя с механизмом определяется при испытаниях.

Выдержка времени минимального тока двигателя tI< определяется исходя из технологических особенностей механизма – возможных кратковременных сбросов нагрузки, при отсутствии таких соображений принимается равным:

Выдержка времени запрета автоматики минимального тока двигателя t_запр.задерживает ввод автоматики при пуске двигателя, если нагрузка подключается к двигателю после его разворота или определяется исходя из технологии подачи нагрузки на двигатель, если нагрузка подключена к двигателю постоянно. Уставка должна быть равна времени разворота двигателя плюс необходимый запас:

Количество пусков двигателя.При отсутствии конкретных данных по двигателю можно руководствоваться следующими общими соображениями:

− Согласно ПТЭ, отечественные двигатели обязаны обеспечивать 2 пуска из холодного состояния и 1 из горячего состояния.

− Постоянная времени охлаждения двигателя равна 40мин.

− Можно выполнить следующие уставки в автоматике подсчета пусков:

Уставка по времени, в течение которого считаются пуски: Т_{отсчета}= 30 мин.

Количество горячих пусков –1. Количество холодных пусков – 2.

Уставка по времени, в течение которого повторный пуск запрещен Т_запрет=5 мин. Минимальное время между пусками не использовать.

Время разрешения самозапуска. Самозапуск двигателей на электростанциях должен обеспечиваться, при времени перерыва питания 2,5с. По этим данным производится расчетная проверка обеспечения самозапуска при перерыве питания двигателей на электростанциях.

Таким образом, для электростанций можно принять Т_{самозап}= 2,5 с.

Для других условий следует определить время, на которое возможен перерыв питания, например время действия АВР, произвести расчетную проверку самозапуска, и если он обеспечивается при таком перерыве питания, установить указанное время на устройстве. Если самозапуск не обеспечивается при любом перерыве питания, или он запрещается, функция «разрешение самозапуска» не вводится.

Контрольные вопросы

1. Какие защиты должны иметь асинхронные двигатели в соответствии с ПУЭ?

2. Какие защиты должны иметь синхронные двигатели в соответствии с ПУЭ?

3. Как осуществляется защита и выбираются уставки защиты от междуфазных КЗ двигателей?

4. Как осуществляется защита и выбираются уставки защиты от перегрузки двигателей?

5. Как осуществляется защита и выбираются уставки защиты минимального напряжения двигателей?

6. Каковы особенности защиты синхронных двигателей?

7. Основные характеристики цифровых реле зарубежных фирм для защиты двигателей.