Моторни защити

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2010

Моторни защитиМоторни защити

Част I. Специфики на релейните защити за електродвигатели

  Релейната защита има за задача автоматично да открие наличието на повреда, да определи селективно повреденото съоръжение и да изключи съответния прекъсвач, за да се възстанови нормалната работа на останалите съоръжения. Посочените цели се реализират чрез непрекъснат мониторинг на състоянието на контролирания обект и измерване стойностите на тока, напрежението, мощността, температурата и времето. При повреда или режим на работа извън нормалните експлоатационни параметри, на базата на получената информация за обекта, защитата реагира по определена, предварително зададена програма.
В съвременните релейни защити, изпълнени на базата на цифрова електронна техника, постъпилата информация за обектите се регистрира, обработва и функциите за защита и управление се реализират от едни и същи технически средства. Терминът “релейна защита” се запази в техническата терминология, въпреки че средствата, чрез които се реализира защитата вече са други. Функциите, които те изпълняват, обаче, не са се променили.

Повреди и извън нормални режими
Нормален режим на работа на електрическите съоръжения е този, при който подаваната електрическа енергия съответства на стандартизационните изисквания, т. е. напрежението и честотата при консуматорите са с номинални или отклоняващи се в допустимите граници стойности, а протичащите токове не превишават допустимите стойности.
Когато в процеса на експлоатация на електрическите съоръжения (например електродвигатели) възникнат режими, при които напрежението, честотата и токът се отклонят от допустимите граници, нормалният режим се нарушава. Най-често срещаните повреди са късите съединения (к. с.). Повредите в мястото на к. с. и опасността от нарушения в устойчивата работа на останалите електрически съоръжения налагат бързото изключване на повреденото съоръжение.
Освен повреди в електрическата система, често се срещат и режими на работа, които са извън номиналните експлоатационни параметри. Към тях се отнасят всички отклонения от нормалния режим при отсъствие на повреда.
Най-често срещан подобен режим е токовото претоварване. При него протича ток по-голям от номиналния, който причинява прегряване на съоръженията и стареене на изолацията. Друг характерен ненормален режим е понижение на честотата. Този режим се предизвиква от недостиг на активна мощност за захранване на консуматорите, например изключване на работещ генератор някъде в системата. Трети характерен ненормален режим е повишаване на напрежението. Получава се при внезапно и едновременно изключване на няколко големи консуматора. Повишаването на напрежението е опасно за изолацията на електрическите съоръжения.
Повредите и ненормалните режими създават неблагоприятни условия за работа на електрическите съоръжения. Откриването на повредите и изключването на повредените съоръжения, например електродвигатели, трябва да се реализира за части от секундата и би могло да се осъществи само с помощта на автоматични устройства, каквито са релейните защити. В някои случаи релейните защити само сигнализират за наличие на ненормален режим на работа.

Основни изисквания към релейните защити
Към релейните защити се предявяват изисквания за:
- Селективност;
- Чувствителност;
- Бързодействие;
- Надеждност.
Селективност или избирателност на релейните защити означава да бъдат изключвани единствено повредените елементи, например електродвигатели, а изправните да останат да работят. Днес в предприятия с голям брой и много разнообразни електросъоръжения, свързани в сложни схеми, постигането на добра селективност не е лесно.
Чувствителността на релейните защити към сработване при авария и сигурността да не сработват излишно е илюстрирана на фиг. 1. Като пример е разгледана защита, която реагира на големината на тока през асинхронен двигател. Най-големите токове, при които защитата не трябва да сработва, са токовете при ненормалните, но допустими режими. Токът, при който защитата сработва Iзр, трябва да бъде по-голям от посочените ненормални, но допустими токове, а отношението му към най-големия от тях се нарича коефициент на сигурност кс. Той трябва да бъде по-голям от единица, като стойността му зависи от грешките на измервателните трансформатори, неточностите при настройката на релетата, точността на самите релета, неточности при пресмятане на настройките и т. н.
Защитата, обаче, трябва да сработва гарантирано при к.с., дори и когато токовете са минимални. Тази способност на защитата се задава чрез т. нар. коефициент на чувствителност кч, който се дефинира като отношение на минималния ток на к.с. Ikcmin и тока на сработване Iзр. Коефициентът кч  също трябва да бъде по-голям от единица. Коефициентите на сигурност и на чувствителност се разглеждат конкретно за всеки защитаван обект и всеки вид защита.
Според бързодействието си, защитите се разделят на мигновени и със закъснение. Стремежът е да се осигури минимално възможното време за изключване на к. с. Бързодействието на съвременните защити се сравнява с продължителността на един период на промишлената честота - 0,02 s. Съществуват и защити, при които се въвежда умишлено забавяне, за да се постигне селективност. Закъснението би могло да достигне няколко секунди.
Изискванията за надеждност включват безотказна работа на защитите при повреди в границите на предвидената за тях зона на действие. Също така, те не трябва да сработват излишно в режимите, в които това не е предвидено. На изискването за надеждност на релейните защити се обръща специално внимание.
Терминът "релейна защита" е с много широк смисъл. Тези автоматични устройства защитават най-различни електрически машини (електрически двигатели, генератори, шини и шинопроводи, високоволтови кабели и други важни съоръжения). Обект на разглеждане в следващите редове са част от релейните защити, а именно т. нар. моторни защити. Те са предназначени да предпазват от авария електродвигателите.

Повреди и извън нормални режими на електрически двигатели
За задвижване на различни производствени агрегати (помпи, вентилатори, компресори, мелници и др.) се използват различни видове електрически двигатели. Масово приложение са намерили асинхронните двигатели с накъсо съединен ротор. По-рядко се използват синхронните и постояннотоковите електродвигатели.
Независимо от вида, конструкцията и специалните мерки, които се вземат при изработването им, електрическите двигатели са подложени на действието на различни външни фактори, които биха могли да доведат до повреди или отклонения от нормалните им характеристики.
Най-често срещаните повреди са:
Междуфазни къси съединения. Обикновено те са двуфазни, като късото съединение между двете фазни намотки се осъществява през корпуса. При голяма мощност на захранващата мрежа, токът на к. с. може да бъде много голям. В някои случаи, поради голямото съпротивление от мястото на к. с. до захранващия източник, този ток може да бъде сравнително малък. Междуфазните к. с. предизвикват значителни разрушения и понижаване на напрежението на захранващите шини, към които са присъединени други потребители, получаващи некачествено електрозахранване. При подобни ситуации електродвигателите следва бързо да се изключат.
Къси съединения между навивките на една и съща фаза. При тях токът нараства само в засегнатата фаза. Обикновено тази повреда прераства в междуфазно к. с.
Еднофазни земни корпусни съединения. Тази повреда е опасна за двигатели, които работят към система с директно заземен звезден център. Такава е трифазната четирипроводна мрежа 380/220 V. Токът на корпусното съединение в двигателите за ниско напрежение зависи от мощността на захранващата мрежа и от съпротивлението на веригата от мястото на к. с. до захранващия източник. Звездният център на мрежите 6 kV обикновено е изолиран или заземен през гасителен реактор и затова токът на корпусното съединение е малък. Прието е при ток на земно съединение, по-голям от 10 А, двигателите да са с вградена защита.
В процеса на пуск на електродвигателите в статорните им намотки протича голям ток (пусков ток Iп, който превишава от 4 до 8 пъти номиналния ток на двигателя Iдв н). Този ток се запазва до достигане на номинални обороти. Пускът може да продължи до няколко десетки секунди.
Допустимият ток на пускане на двигателя е: Iп  доп  = (1,6 ё 1,8).Сп. Iдв н. Коефициентът на пускане на двигателя Кп има стойности от 4 до 8.
Режимите на работа на двигателите, извън номиналните, обикновено са:

Режим на претоварване
Този режим е резултат от претоварване на работните машини, които те задвижват. При претоварването протичащият ток през двигателите е по-голям от номиналния им ток, вследствие на което намотките им се загряват над допустимите граници. Описаният процес протича бавно, поради което двигателите имат способността да издържат краткотрайни претоварвания. Следователно, защитата им срещу претоварване би могла да задейства със сравнително голямо забавяне, като времето й за задействане трябва да зависи от степента на претоварване, т. е. добре е да се използват защити със зависимо от тока забавяне. Допустимото време на претоварване Tдоп се определя по формулата:
Tдоп = А/(K2 - 1), s,
в която К = Iдв/Iдв ном е кратността на тока в статора на двигателя Iдв по отношение на номиналния му ток Iдв ном; А е коефициент, зависещ от типа и условията на работа на двигателя. За двигатели с голяма маса и габарити, работещи на закрито А=250, докато за двигатели за открит монтаж А=150.

Режим на работа на две фази
Характерен е за двигатели, които са защитени с предпазители със стопяеми вложки или са присъединени към линии, защитени с подобни предпазители. Режимът на работа на две фази се характеризира с това, че двигателите променят незначително честотата на въртенето си, но продължават да изпълняват пълноценно ролята си като двигател. През двете фазни намотки, от които двигателят продължава да се захранва, протичат токове, които надвишават със 70 - 80% номиналния ток. Ако двигателят, преди режима на две фази, е бил натоварен под 0,6 - 0,65 от номиналния му товар, той може да работи продължително време на две фази, без каквато и да е опасност от повреждането му.

Работа при понижаване на напрежението на захранващата мрежа
Този работен режим се получава при к. с. в мрежата или при пуск на мощни консуматори. Понижаването на напрежението се отразява чувствително върху работата на електродвигателите. Известно е, че двигателният момент на асинхронния двигател зависи от квадрата на захранващото напрежение U, или Мад  = К. U2. При к. с., захранващото напрежение се понижава и електродвигателите намаляват оборотите си - n (увеличава се хлъзгането s) до момента, в който не се възстанови равенството между двигателния Мад  и съпротивителния Мс (на задвижвания механизъм) момент, или Мад  = Мс. Ако се окаже, че Мад  мах = Мс (точка "в" на фиг. 2), то електродвигателят се намира на границата на устойчивата работа, тъй като е достигнато критичното хлъзгане sкр (фиг. 2).
При последващо понижение на напрежението, двигателят намалява оборотите си до пълно спиране. За двигатели, задвижващи механизми със съпротивителен момент, независещ от честотата на въртене (Мс1 от фиг. 2), граничното напрежение Uгр, при което се запазва устойчивата работа, се определя от израза:
Мад мах/Мад н = Uн2/Uгр2, като се отчете, че Мад мах/Мад н » 2. Следователно Uгр = 0,7.Uн .
Електродвигатели, които задвижват механизми със съпротивителен момент, зависещ от честотата на въртене (Мс2 от фиг.2), запазват устойчива работа при по-значително понижение на захранващото напрежение.
В процеса на възстановяване на захранващото напрежение се осъществява самопускане на електродвигателите. Този процес е по-тежък от обикновения им пуск, тъй като двигателите развъртат натоварени всички едновременно. За да се осъществи успешен самопуск, е необходимо да се осигурят следните условия:
- Двигателният момент да е по-голям от съпротивителния;
- Защитата да не се задейства от пусковия ток и да не изключва двигателя в процеса на самопуск.
Явлението самопуск е добре изследвано. Установено е, че в електрическите централи самопускът може да се осъществи при напрежение 0,55.Uн  в продължение на 30 - 35 s. Тези особености на електродвигателите е добре да се отчитат при избора и изграждането на моторните защити.

Специфики на извъннормалните режими при синхронните електродвигатели
Претоварването на синхронните двигатели се дължи на претоварването на работната машина. Прекъсването на една от фазите обаче не само увеличава тока на останалите фази, но създава предпоставки при определен товар, двигателят да отпадне от синхронизъм.
Синхронните двигатели не намаляват скоростта си при понижаване на напрежението, но въртящият им момент намалява, а това създава възможност за отпадане от синхронизъм и преминаване в асинхронен режим на работа. Тъй като в този режим през намотките на двигателя протичат значителни токове, той не трябва да се допуска.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю




ЕКСКЛУЗИВНО

Top