РЗиА лекция 11 Защита двигателей

1.

Релейная защита и автоматика энергосистем – Лекция 11
Защита электродвигателей

2.

Ненормальные режимы работы и повреждения
электродвигателей
Особенность защиты электродвигателей заключается в том, что во время
работы протекают электромеханические процессы. Электродвигатели критичны
к небольшим перегрузкам из-за компактности и малых габаритов. Вследствие
постоянной вибрации изоляция ускоренно стареет, а при несинхронных
режимах у синхронных электродвигателей возможна поломка вала.
Анализ повреждений электродвигателей (ЭД) указывает на возможные
ненормальные режимы работы и повреждения

3.

Ненормальные режимы работы электродвигателей
К ненормальным режимам работы относятся:
― перегрузка. В соответствии с МЭК допустимое
время tДОП перегрузки можно рассчитать по
формуле
A
t ДОП 2
I * 1
I*
I ПР
I Н , ДВ
IПР ― ток перегрузки, IН,ДВ – номинальный ток
двигателя, А ― тепловая постоянная (для мощных
машин А=250, для остальных А=150);

4.

Ненормальные режимы работы электродвигателей
― понижение напряжения. Для неответственных
потребителей допускается снижение напряжения
до (0,65…0,75)Uном, а для ответственных ― до
0,5Uном, а при дальнейшем снижении надо
отключать асинхронный двигатель (так как при
снижении напряжения увеличивается ток);

5.

Ненормальные режимы работы электродвигателей
― несимметрия возникает в результате неодинаковой
фазной нагрузки сети, происходит перекос питающего
напряжения. При работе двигателя от несимметричного
напряжения возникает обратная последовательность,
которая ведет к нагреву статора и ротора. Рекомендуют [1]
отключать двигатель при I2 0,1*IН,ДВ. К ненормальному
режиму причисляется обрыв фазы. Двигатель может быстро
перегреться и повредиться, если его не отключить при
возникновении такого режима (в этом случае I2=0,5*I1).
Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп./ А.М.
Федосеев, М.А. Федосеев. М.: Энергоатомиздат, 1992. -528 с.

6.

Повреждения электродвигателей
К повреждениям относятся:
― междуфазные КЗ ― двух- (К(2)) и трехфазные (К(3)), сопровождаются
сверхтоками, из-за чего происходят необратимые процессы ― выгорание
изоляции, оплавление обмоток, их деформации в лобовых частях и т. д.;

7.

Повреждения электродвигателей
К повреждениям относятся:
― однофазное замыкание обмотки К(З) статора на землю или на корпус
может происходить у двигателей, работающих в сетях с изолированной
нейтралью или заземленной через дугогасящий реактор (для сетей с
напряжениями 3, 6, 10 кВ). При таком повреждении к фазной изоляции
прикладывается линейное напряжение. Как известно, в процессе эксплуатации
изоляция стареет, поэтому велика вероятность электрического пробоя изоляции
и возникновения двойного замыкания на землю. Из-за горения дуги возможно
также сваривание магнитопровода;

8.

Повреждения электродвигателей
― однофазное КЗ К(1) в сети с заземленной нейтралью (с напряжениями 0,4 кВ
или 0,66 кВ) сопровождается сверхтоком, из-за чего происходит выгорание
изоляции, расплавление обмоток и т. д;
― витковое замыкание в обмотке сопровождается местным нагревом
короткозамкнутого витка с дальнейшим повреждением изоляции и
перерастанием в междуфазные;

9.

Повреждения электродвигателей
― замыкание обмотки ротора на землю в общем случае не считается опасным,
и двигатель в таком режиме может работать сколь угодно долго, если не
считать, что повышается вероятность двойного замыкания на землю, которое
необходимо отключать без выдержки времени;
― обрыв одной фазы двигателя сопровождается большими токами обратной
последовательности, возникновением двойной частоты ротора, нагревом
магнитопровода и обмоток двигателя;
― исчезновение напряжения возбуждения у синхронных машин. Двигатель
работает в асинхронном режиме;

10.

Повреждения электродвигателей
― асинхронный ход синхронной машины возможен при перегрузке и потере
устойчивости. В этом режиме ротор вращается медленнее поля статора,
возникают пульсирующие токи, сравнимые с пусковыми и токами КЗ;
― разрыв стержня ротора (для асинхронного двигателя с короткозамкнутым
ротором). Возникает перерасход электрической энергии, при расширении
повреждения и нарушении контактов всей обмотки – останов ЭД;
― эксцентриситет ― смещение оси ротора относительно статора. Чаще всего
это повреждение возникает у высоковольтных двигателей, когда смещаются
подшипники вала, и ротор может при вращении в наихудшем случае задевать
статор.

11.

Виды защит. Токовая отсечка
Применяется на блоке «линия ― ЭД» (рис. 1) мощностью до 4000 кВт
Рисунок 1 - Токовая отсечка электродвигателя
Проводя аналогию с ЛЭП, защита также отстраивается от максимального тока КЗ в
конце защищаемого участка, можно сказать, что нулевые выводы ЭД всегда
замкнуты, а максимальный ток ― пусковой ток IП.

12.

Виды защит. Токовая отсечка
В связи с вышесказанным ток срабатывания защиты отстраивается
максимального пускового тока ЭД и соответствует формуле
I С , З kОТС I П
где kОТС ― коэффициент отстройки.
Время срабатывания защиты принимается равным нулю
Коэффициент чувствительности оценивается по выражению
kЧ
I К 1, MIN
2
I C , З К1 (рис.1).
где IК1,МIN ― минимальный ток КЗ в точке
tС , З 0
от

13.

Виды защит. Продольная дифференциальная отсечка
Применяется на ЭД с мощностью более 4000 кВт; однако защита может
устанавливаться на двигателях меньшей мощности, если чувствительность отсечки не
соответствует. Принцип действия продольной дифференциальной защиты ЭД и ее схема
подобны продольной дифференциальной защите трансформатора, (рис. 2).
Рисунок 2 - Продольная дифференциальная защита электродвигателя

14.

Виды защит. Продольная дифференциальная отсечка
Ток срабатывания защиты
I С , З I НБ k П I Н , ДВ
где где IНБ* ― ток небаланса в относительных единицах, по сути коэффициент
небаланса,
= 0,1…0,5; kП ― коэффициент пуска, IН,ДВ ― номинальный ток
двигателя.
Время срабатывания защиты принимается равным нулю:
tС , З 0
Коэффициент чувствительности оценивается по выражению
kЧ
I К 1, MIN
IC ,З
2
где IК1,МIN – минимальный ток КЗ в точке К1 (рис. 1).

15.

Виды защит. Защита от перегрузки
Устанавливается обычно в одной фазе. Аналогично защите трансформатора от
перегрузки данная защита может срабатывать через определенное время на разгрузку
(если это возможно), а затем на отключение или сразу на отключение.
Рисунок 3 - Защита электродвигателя от перегрузки

16.

Виды защит. Защита от перегрузки
Ток срабатывания защиты
kОТС
IС ,З
I Н ,ТР
kВ
где kОТС ― коэффициент отстройки, kОТС = 1,05, kВ ― коэффициент возврата, для
реле максимального действия kВ < 1.
Время срабатывания защиты выбирается больше времени пуска двигателя:
tС , З t П t
Коэффициент чувствительности защиты не рассчитывается.

17.

Виды защит. Защита от понижения напряжения
При групповом запуске или самозапуске понижается напряжение на шинах, у
двигателей повышается потребляемый ток, дополнительно снижается напряжение, что
приводит к увеличению времени самозапуска. Для предотвращения работы двигателя
при глубоком снижении напряжения предусматривается защита от понижения
напряжения (рис. 4). В качестве измерительного органа защиты используется реле
напряжения.
Рисунок 4 - Защита электродвигателя от понижения напряжения

18.

Виды защит. Защита от понижения напряжения
Напряжение
механизмов
срабатывания
защиты
U С ,З
электродвигателей
неответственных
U MIN , Р
kОТС k В
где kОТС – коэффициент отстройки, kОТС=1,2…1,3, kВ – коэффициент возврата, для
реле минимального действия kВ>1, (для РН-54 kВ=1,25); UМIN,Р – минимально
возможное напряжение в рабочем режиме, принимается UМIN,Р=0,9 UНОМ.
Для электродвигателей ответственных механизмов принимается UС,З=0,5 UНОМ.
Время срабатывания защиты:
tС , З 10...15

19.

Виды защит. Защита от замыкания обмотки статора на
корпус
Защита отстраивается от броска собственного емкостного тока IС при внешнем
замыкании на землю:
I С , З kОТС k Б I С
где kБ ― коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока присоединения в
начальный момент внешнего замыкания на землю, связанный с перезарядом
распределенных емкостей сети, kБ = 2 – 3 для реле РТЗ-51, kБ=3 – 4 для реле РТЗ-50 и
РТ-40.

20.

Виды защит. Защита от замыкания обмотки статора на корпус
Реле защиты от замыканий на корпус
обмотки
статора
подключаются
к
трансформатору
тока
нулевой
последовательности
(ТТНП),
через
который (рис. 5) продевается питающий
кабель ЭД. Необходимо отметить, что
заземление оболочки кабеля обязательно
должно проходить через ТТНП во
избежание неправильных срабатываний
защиты от наведенных блуждающих токов
на оболочку кабеля.
Рисунок 5 - Защита от замыканий на
корпус обмотки статора

21.

Виды защит. Защита от замыкания обмотки статора на корпус
Собственный емкостный ток IС присоединения складывается из собственного
емкостного тока кабельной линии IС,КЛЭП и собственного емкостного тока
электродвигателя IС,ДВ
I С I С , КЛЭП I С , ДВ
I С , КЛЭП I С ,УД l
I С , ДВ 2 f 3 C ДВU Ф
где IС, УД ― утроенная величина собственного емкостного тока одного километра
КЛЭП, l ― длина КЛЭП, UФ ― фазное напряжение, f ― промышленная частота, CДВ
― емкость двигателя

22.

Виды защит. Защита от замыкания обмотки статора на корпус
CДВ ―емкость двигателя, которая для неявнополюсных синхронных и асинхронных ЭД
с короткозамкнутым ротором может быть рассчитана по формуле
C ДВ
Для остальных ЭД
C ДВ
0, 0187 S НОМ , ДВ 10
6
1, 2 U НОМ (1 0, 08 U НОМ )
3
9
40 4 S НОМ
10
, ДВ
3 (U НОМ 3, 6) 3 nНОМ
где SНОМ,ДВ ― номинальная мощность ЭД, МВА; UНОМ ― номинальное линейное
напряжение ЭД, кВ; nНОМ ― номинальная частота вращения ЭД, об/мин.

23.

Виды защит. Защита от замыкания обмотки статора на корпус
Принципиальная схема защиты от замыкания обмотки статора на корпус приведена на рис. 6.
Здесь ТА2 ― ТТНП.
Рисунок 6 - Защита от замыкания обмотки статора на корпус
Защита срабатывает на отключение без выдержки времени (если это необходимо по условиям
технологии ― взрыво- и пожароопасные помещения) или с выдержкой времени: tС , З 1...2
так как на промышленных предприятиях на механизмах может присутствовать опасно высокий
потенциал прикосновения.
Коэффициент чувствительности защиты в сетях с изолированной нейтралью рассчитывается по
выражению
I I
kЧ C C 2
IC ,З

24.

Виды защит. Защита от эксцентриситета ротора
электрической машины
Защита от эксцентриситета ротора актуальна, но в настоящее время нет определенного
универсального устройства, которое надежно защитило бы ЭД. Данную защиту
некоторые предприятия выпускают в виде экспериментальных устройств. Принципы их
работы разные, но в основном используются следующие:
― измерение уровня механической вибрации;
― измерение электрической емкости между статором и ротором (при возникновении
эксцентриситета появляется пульсирующая составляющая емкости);
― диагностика эксцентриситета путем просвечивания зазора между статором и ротором
световым лучом;
― выявление определенных гармоник в сигналах тока и напряжения, появляющихся
при эксцентриситете.

25.

Виды защит. Защита от разрыва стержня «беличьей
клетки» ротора
Данная защита не предусматривается и не выпускается, хотя исследования в этом
направлении проводятся в связи с имеющимися повреждениями.

26.

Схема защиты ЭД с продольной дифференциальной
защитой
Защита (рис. 7, 8) выполнена на постоянном оперативном токе.
Рисунок 7 - Первичная схема и вторичные цепи
защиты ЭД переменном оперативном токе
Рисунок 8 - Цепи постоянного оперативного
тока защиты ЭД

27.

Виды защит. Защиты ЭД напряжением ниже 1000 В
Особенности ненормальных режимов и повреждений у двигателей с UН<1000 В связаны
с различием в работе нейтралей сети по отношению с напряжением UН>1000 В.
Для двигателей с UН<1000 В основными защитами являются: отсечка, защита от
перегрузки, защита от обрыва фазы.
Эти защиты могут выполняться с использованием предохранителей, автоматических
выключателей
(с
электромагнитными,
тепловыми
и
полупроводниковыми
расцепителями), тепловых реле, температурной защитой, специальных реле от обрыва
фазы.
Предохранители для защиты ЭД не рекомендуется устанавливать, так как при
перегорании одного из них двигатель остается подключенным к сети в неполнофазном
режиме. В этом случае должно использоваться реле от обрыва фазы или обмотка
пускателя должна запитываться после предохранителя.
В последнее время наиболее предпочтительным защитным устройством является
автоматический выключатель.