§ 1.3. Государственный и общественный контроль
Надзор и контроль за соблюдением законодательства о труде и соответствующих нормативных актов осуществляется:
• Государственными органами и инспекциями (Госгортехнадзор).
• Профсоюзами.
• Ведомствами.
Высший надзор осуществляется генпрокурором РФ.
К специальным государственным органам относятся:
• Госсанэпиднадзор РФ - контролирует проведение санитарно-гигиенических и противоэпидемиологических мероприятий; комплекс мер, направленных на предупреждение и снижение заболеваемости.
• Госгортехнадзор РФ - осуществляет надзор за соблюдением правил по безопасному ведению работ в т.ч. и в угольной промышленности. Контроль за соблюдением ПБ, ТБ осуществляется через управление округов (Печёрский и т.п.).
§ 1.4. Ответственность за нарушение правил по от
Должностные лица виновные в нарушении законодательства о труде и правил по ОТ несут ответственность:
• Дисциплинарную - применение к виновному должностному лицу взыскания.
• Административную - применение к виновному денежных штрафов.
• Материальную - возмещение ущерба, причинённого предприятию (частичное, полное).
• Уголовная ответственность предусмотрена УК РФ.
Что происходит с электродвигателем при потере фазы и однофазном режиме работы Под потерей фазы понимают однофазный режим работы электродвигателя в результате отключения питания по одному из проводов трехфазной системы.
Причинами потери фазы электродвигателем могут быть: обрыв одного из проводов, сгорание одного из предохранителей; нарушение контакта в одной из фаз.
В зависимости от обстоятельств, при которых произошла потеря фазы, могут быть разные режимы работы электродвигателя и последствия, сопутствующие этим режимам. При этом следует принимать во внимание следующие факторы: схему соединения обмоток электродвигателя ("звезда" или "треугольник"), рабочее состояние двигателя в момент потери фазы (потеря фазы может произойти до или после включения двигателя, во время работы под нагрузкой), степень загрузки двигателя и механическую характеристику рабочей машины, число электродвигателей, работающих при потере фазы, и их взаимное влияние.
Здесь следует обратить внимание на особенность рассматриваемого режима. В трехфазном режиме каждая фаза обмотки обтекается током, сдвинутым во времени на одну треть периода. При потере фазы две обмотки обтекаются одним и тем же током, в третьей фазе ток отсутствует. Несмотря на то, что концы обмоток присоединены к двумя фазным проводам трехфазной системы, токи в обеих обмотках совпадают по времени. Такой режим работы называется однофазным.
Магнитное поле, образованное однофазным током, в отличие от вращающегося поля, образованного трехфазной системой токов, является пульсирующим. Оно изменяется во времени, но не перемещается по окружности статора. На рисунке 1, а показан вектор магнитного потока, создаваемого в двигателе при однофазном режиме. Этот вектор не вращается, а лишь изменяется по величине и знаку. Круговое поле сплющивается до прямой линии.
Рисунок 1. Характеристики асинхронного двигателя в однофазном режиме: а — графическое изображение пульсирующего магнитного поля; б — разложение пульсирующего поля на два вращающихся; в — механические характеристики асинхронного двигателя в трехфазном (1) и однофазном (2) режимах работы.
Пульсирующее магнитное поле можно рассматривать состоящим из двух вращающихся навстречу друг другу равных по величине полей (рис. 1, б). Каждое поле взаимодействует с обмоткой ротора и образует вращающий момент. Их суммарное действие создает вращающий момент на валу двигателя.
В том случае, когда потеря фазы произошла до включения двигателя в сеть, на неподвижный ротор действуют два магнитных поля, которые образуют два противоположных по знаку, но равных по величине момента. Их сумма будет равна нулю. Поэтому при пуске двигателя в однофазном режиме он не может развернуться даже при отсутствии нагрузки на валу.
Если потеря фазы произошла в то время, когда ротор двигателя вращался, то на его валу образуется вращающий момент. Это можно объяснить следующим образом. Вращающийся ротор по разному взаимодействует с вращающимися навстречу друг другу полями. Одно из них, вращение которого совпадает с вращением ротора, образует положительный (совпадающий по направлению) момент, другое — отрицательный. В отличие от случая с неподвижным ротором эти моменты будут разными по величине. Их разность будет равна моменту на валу двигателя.
На рисунке 1, в показана механическая характеристика двигателя в однофазном и трехфазном режимах работы. При нулевой скорости момент равен нулю, при появлении вращения в любую сторону на валу двигателя возникает момент.
Если отключение одной из фаз произошло во время работы двигателя, когда его скорость была близка к номинальному значению, вращающий момент часто бывает достаточным для продолжения работы с небольшим снижением скорости. В отличие от трехфазного симметричного режима появляется характерное гудение. В остальном внешние проявления аварийного режима не наблюдаются. Человек, не имеющий опыта работы с асинхронными двигателями, может не заметить изменения характера работы электродвигателя.
Переход электродвигателя в однофазный режим сопровождается перераспределением токов и напряжений между фазами. Если обмотки двигателя соединены по схеме "звезда", то после потери фазы образуется схема, показанная на рисунке 2. Две последовательно соединенные обмотки двигателя оказываются включенными на линейное напряжение Uаb, двигатель при этом оказывается в однофазном режиме работы.
Сделаем небольшой расчет, определим токи, протекающие по обмоткам двигателя и сравним их с токами при трехфазном питании.
Рисунок 2. Соединение обмоток двигателя по схеме "звезда" после потерн фазы
Так как сопротивления Zа и Zв соединены последовательно, напряжения на фазах А и В будут равны половине линейного:
Приближенно величину тока можно определить исходя из следующих соображений.
Пусковой ток фазы А при потере фазы
Пусковой ток фазы А при трехфазном режиме
где Uao — фазовое напряжение сети.
Отношение пусковых токов:
Из соотношения следует, что при потере фазы пусковой ток составляет 86% от величины пускового тока при трехфазном питании. Если учесть, что пусковой ток короткозамкнутого асинхронного двигателя в 6 - 7 раз больше номинального, то получается, что по обмоткам двигателя протекает ток Iiф = 0,86 х 6 = 5,16 Iн, т. е. в пять с лишним раз превышающий номинальный. За короткий промежуток времени такой ток перегреет обмотку.
Из приведенного расчета видно, что рассматриваемый режим работы весьма опасен для двигателя и в случае его возникновения защита должна отключить с незначительной выдержкой времени.
Потеря фазы может произойти и после включения двигателя, когда его ротор будет иметь скорость вращения, соответствующую рабочему режиму. Рассмотрим токи и напряжения обмоток в случае перехода в однофазный режим при вращающемся роторе.
Величина Za зависит от скорости вращения. При пуске, когда скорость вращения ротора равна нулю, она одинакова как для трехфазного, так и для однофазного режима. В рабочем режиме в зависимости от нагрузки и механической характеристики двигателя скорость вращения может быть разной. Поэтому для анализа токовых нагрузок необходим другой подход.
Будем считать, что как в трехфазном, так и в однофазном режиме двигатель развивает. одинаковую мощность. Независимо от схемы включения электродвигателя рабочая машина требует ту же самую мощность, которая необходима для выполнения технологического процесса.
Полагая мощности на валу двигателя равными для обоих режимов, будем иметь:
при трехфазном режиме
при однофазном режиме
где Ua — фазовое напряжение сети; Uao — напряжение на фазе А в однофазном режиме, cos φ3 и cos φ1 — коэффициенты мощности при трехфазном и однофазном режимах соответственно.
Опыты с асинхронным двигателем показывают, что фактически ток возрастает почти вдвое. С некоторым запасом можно считать I1a / I2a = 2.
Для того чтобы судить о степени опасности однофазного режима работы, нужно также знать загрузку двигателя.
В первом приближении будем считать ток электродвигателя в трехфазном режиме пропорциональным его нагрузке на валу. Такое допущение справедливо при нагрузках более 50% от номинального значения. Тогда можно написать Iф = Kз х Iн, где Kз — коэффициент загрузки двигателя, Iн — номинальный ток двигателя.
Ток при однофазном режиме I1ф = 2Kзх Iн, т. е. ток при однофазном режиме будет зависеть от загрузки двигателя. При номинальной нагрузке он равен двойному номинальному току. При нагрузке менее 50% потеря фазы при соединении обмоток двигателя в "звезду" не создает опасного для обмоток превышения тока. В большинстве случаев коэффициент загрузки двигателя меньше единицы. При его значениях порядка 0,6 - 0,75 следует ожидать небольшого превышения тока (на 20— 50%) по сравнению с номинальным. Это существенно для работы защиты, так как именно в этой области перегрузок она действует недостаточно четко.
Для анализа некоторых способов защиты необходимо знать напряжение на фазах двигателя. При заторможенном роторе напряжение на фазах А и В будет равно половине линейного напряжения Uab, а напряжение на фазе С будет равно нулю.
Иначе распределяется напряжение при вращающемся роторе. Дело в том, что его вращение сопровождается образованием вращающегося магнитного поля, которое, действуя на обмотки статора, наводит в них электродвижущую силу. Величина и фаза этой электродвижущей силы таковы, что при скорости вращения, близкой к синхронной, на обмотках восстанавливается симметричная система трехфазного напряжения, а напряжение нейтрали звезды (точка 0) становится равным нулю. Таким образом, при изменении скорости вращения ротора от нуля до синхронной в однофазном режиме работы напряжение на фазах А и В изменяется от значения, равного половине линейного, до значения, равного фазовому напряжению сети. Например, в системе напряжения 380/220 В напряжение на фазах А и В изменяется в пределах 190 - 220 В. Напряжение Uco изменяется от нуля при заторможенном роторе до фазового напряжения 220 В при синхронной скорости. Что же касается напряжения в точке 0, то оно изменяется от значения Uab/2 - до нуля при синхронной скорости.
Если обмотки двигателя соединены по схеме "треугольник", то после потери фазы мы будем иметь схему соединений, показанную на рисунке 3. В этом случае обмотка двигателя с сопротивлением Zab оказывается включенной на линейное напряжение Uab, а обмотка с сопротивлениями Zfc и Zbc — соединенной последовательно и включенной на то же самое линейное напряжение.
Рисунок 3. Соединение обмоток электродвигателя по схеме "треугольник" после потери фазы
В пусковом режиме по обмоткам АВ будет протекать такой же ток, как и при трехфазном варианте, а по обмоткам АС и ВС будет протекать ток в два раза меньший, так как эти обмотки соединены последовательно.
Токи в линейных проводах I'a=I'b будут равны сумме токов в параллельных ветвях: I'А = I'ab + I'bc = 1,5 Iab
Таким образом, в рассматриваемом случае при потере фазы пусковой ток в одной из фаз будет равен пусковому току при трехфазном питании, а линейный ток возрастает менее интенсивно.
Для расчета токов в случае потери фазы после включения двигателя в работу применим тот же метод, что и для схемы "звезда". Будем считать, что как в трехфазном, так и в однофазном режимах двигатель развивает одинаковую мощность.
В этом режиме работы ток в наиболее нагруженной фазе при потере фазы увеличивается вдвое по сравнению с током при трехфазном питании. Ток в линейном проводе будет равен I'А = 3Iab, а при трехфазном питании Ia = 1,73 Iab.
Здесь важно отметить, что в то время как фазовый ток возрастает в 2 раза, линейный ток увеличивается только в 1,73 раза. Это существенно, так как токовая защита реагирует на линейные токи. Расчеты и выводы относительно влияния коэффициента загрузки на ток однофазного режима при соединении "звезда" остаются в силе и для случая схемы "треугольник".
Напряжения на фазах АС и ВС будут зависеть от скорости вращения ротора. При заторможенном роторе Uac' = Ubc' = Uab/2
При скорости вращения, равной синхронной, восстанавливается симметричная система напряжений, т. е. Uac' = Ubc' = Uab.
Таким образом, напряжения на фазах АС и ВС при изменениях скорости вращения от нуля до синхронной будут меняться от значения, равного половине линейного, до значения, равного линейному напряжению.
Токи и напряжения на фазах двигателя при однофазном режиме зависят также и от числа двигателей.
Часто обрыв фазы происходит из-за перегорания одного из предохранителей на питающем фидере подстанции или распределительного устройства. В результате в однофазном режиме оказывается группа потребителей, взаимно влияющих друг на друга. Распределение токов и напряжений зависит от мощности отдельных двигателей и их нагрузки. Здесь возможны различные варианты. Если мощности электродвигателей равны, а их нагрузка одинакова (например, группа вытяжных вентиляторов), то всю группу двигателей можно заменить одним эквивалентным.
ИНСТРУКЦИЯ
ПО УСТРОЙСТВУ, ОСМОТРУ И ИЗМЕРЕНИЮ
СОПРОТИВЛЕНИЯ ШАХТНЫХ ЗАЗЕМЛЕНИЙ
1_Д.1. Заземление в шахтах осуществляется с
помощью специальных заземляющих устройств,
состоящих из заземлителя и заземляющих
проводников.
1.2. Главные заземлители с помощью стальной полосы (троса) сечением не менее 100 мм2 соединяются с заземляющим контуром (сборными заземляющими шинами) околоствольных электромашинных камер и центральной подземной подстанции. Заземляющий контур выполняется из стальной полосы сечением не менее 100 мм2.
1.3. Местные заземлители должны устраиваться в следующих пунктах:
а) в каждой распределительной или трансформаторной подстанции, а также в каждой электромашинной камере, за исключением центральной подземной подстанции и околоствольных электромашинных камер, заземляющие контуры которых соединены с главными заземлителями заземляющими проводниками;
б) у каждого стационарного или передвижного пункта распределения, кроме распределительных пунктов, установленных на платформах, ежесуточно перемещающихся по рельсам;
в) у каждого индивидуально установленного выключателя или распределительного устройства;
г) у каждой кабельной муфты. Заземлители на муфтах могут отсутствовать, если их устройство
затруднено (отсутствие сточной канавы, удаленность источников электроснабжения, крепкие породы, отсутствие металлокрепи); заземление муфт должно производиться в соответствии с п. 4.4 настоящей Инструкции. Допускается для сети стационарного освещения устраивать местное заземление не для каждой муфты или светильника, а через каждые 100 м кабельной сети;
д) у отдельно установленных машин.
1.4. При установке одного заземлителя на группу заземляемых объектов должны применяться сборные заземляющие проводники (шины), выполняемые из стали или из меди с минимальным сечением соответственно 50 или 25 мм2. Эти сборные глины подсоединяются к местному заземлителю с помощью полосы (троса). Требования к материалу и сечению полосы те же, что и к сборным шинам.
1.5. Каждый подлежащий заземлению объект должен присоединяться к сборным заземляющим проводникам (шинам) или заземлителю при помощи отдельного ответвления из стали сечением не менее 50 мм2 или из меди сечением не менее 25 мм2. Для устройства связи допускается присоединение аппара-гуры к заземлителям стальным или медным проводом зечением соответственно не менее 12 и 6 мм2.
Заземление должно быть выполнено так, чтобы при отсоединении отдельных аппаратов и машин от заземления не нарушалось заземление остального оборудования.
Последовательное присоединение заземляющих бъектов к сборным заземляющим проводникам или заземлителям запрещается, кроме кабельных муфт и светильников в сети стационарного освещения.
1.6. В качестве проводников, связывающих местные главные заземлители, должны использоваться гальная броня и свинцовая оболочка бронированных кабелей или другие проводники.
Помимо местного заземления, все электрические машины и аппараты, муфты и другая кабельная
арматура с присоединенным бронированным кабелем должны быть снабжены перемычками из стали сечением не менее 50 мм2 или из меди сечением не менее 25 мм2, посредством которых осуществляется непрерывная цепь свинцовых оболочек и стальной брони отдельных отрезков бронированных кабелей, как это представлено на рис.1.
При применении кабелей с заземляющими жилами непрерывная цепь создается путем соединения заземляющих жил. "Если эти кабели имеют металлические оболочки и броню, то и в этом случае наличие перемычек обязательно.
1.7. Для обеспечения надежности электрических контактов в цепях заземления и механической прочности заземляющей проводки необходимо выполнять следующие требования:
а) присоединение заземляющих проводников к заземлителям должно осуществляться, как правило, сваркой, выполняемой на поверхности;
б) присоединение заземляющих проводников к корпусам машин и аппаратов и к различным конструкциям, которые в процессе эксплуатации подвергаются перемещению, замене и т.д., должно выполняться с помощью специальных заземляющих зажимов (болтов, шпилек), предусмотренных для этой цели на корпусах электрооборудования и конструкциях;
в) присоединение заземляющих проводников к заземляющей шине следует производить сваркой (если позволяют условия), с помощью болта (рис.2 и 3) или другими равноценными способами. Пример соединения двух отрезков заземляющих тросов показан на рис. 4.
г) в машинных камерах и прочих выработках с бетонной крепью заземляющие контуры и проводники должны поддерживаться специальными штырями или скобами (рис.5);
д) в выработках с деревянной крепью заземляющие проводники укрепляются стальными скобами (рис.6).
1.8. Болтовое соединение заземляющих проводников должно удовлетворять следующим требованиям:
а) диаметр зажима должен быть не менее 8 мм;
б) контактные поверхности должны быть не менее площади шайбы для принятого болта и должны быть зачищены;
в) болты и гайки должны быть снабжены пружинными шайбами или контргайками.
1.9. Заземляющие проводники и места их : соединений должны быть доступны для осмотра.
Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей
Электрические машины, преобразующие электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, называются электродвигателями переменного тока.
В промышленности наибольшее распространение получили асинхронные двигатели трехфазного тока. Рассмотрим устройство и принцип действия этих двигателей.
Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.
Для уяснения работы такого двигателя проделаем следующий опыт.
Укрепим подковообразный магнит на оси таким образом, чтобы его можно было вращать за ручку. Между полюсами магнита расположим на оси медный цилиндр, могущий свободно вращаться.
Рисунок 1. Простейшая модель для получения вращающегося магнитного поля
Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться и при вращении будет пересекать своими силовыми линиями медный цилиндр. В цилиндре, по закону электромагнитной индукции, возникнут вихревые токи, которые создадут свое собственное магнитное поле — поле цилиндра. Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего цилиндр начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.
Установлено, что скорость вращения цилиндра несколько меньше скорости вращения поля магнита.
Действительно, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, то магнитные силовые линии не пересекают его, а следовательно, в нем не возникают вихревые токи, вызывающие вращение цилиндра.
Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной, так как она равна скорости вращения магнита, а скорость вращения цилиндра — асинхронной (несинхронной). Поэтому сам двигатель получил название асинхронного двигателя. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением.
Обозначив скорость вращения ротора через n1 и скорость вращения поля через n мы можем подсчитать величину скольжения в процентах по формуле:
s = (n - n1) / n.
В приведенном выше опыте вращающееся магнитное поле и вызванное им вращение цилиндра мы получали благодаря вращению постоянного магнита, поэтому такое устройство еще не является электродвигателем. Надо заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора. Задачу эту в свое время блестяще разрешил М. О. Доливо-Добровольский. Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.
Устройство асинхронного электродвигателя М. О. Доливо-Добровольского
Рисунок 2. Схема асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского
На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя, помещены три обмотки, сети трехфазного тока 0 расположенные одна относительно другой под углом 120°.
Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя.
Если обмотки соединить между собой так, как показано на рисунке, и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся.
На рисунке 3 показан график изменения токов в обмотках двигателя и процесс возникновения вращающегося магнитного поля.
Рассмотрим - подробнее этот процесс.
Рисунок 3. Получение вращающегося магнитного поля
В положении «А» на графике ток в первой фазе равен нулю, во второй фазе он отрицателен, а в третьей положителен. Ток по катушкам полюсов потечет в направлении, указанном на рисунке стрелками.
Определив по правилу правой руки направление созданного током магнитного потока, мы убедимся, что на внутреннем конце полюса (обращенном к ротору) третьей катушки будет создан южный полюс (Ю), а на полюсе второй катушки — северный полюс (С). Суммарный магнитный поток будет направлен от полюса второй катушки через ротор к полюсу третьей катушки.
В положении «Б» на графике ток во второй фазе равен нулю, в первой фазе он положителен, а в третьей отрицателен. Ток, протекая по катушкам полюсов, создает на конце первой катушки южный полюс (Ю), на конце третьей катушки северный полюс (С). Суммарный магнитный поток теперь будет направлен от третьего полюса через ротор к первому полюсу, т. е. полюсы при этом переместятся на 120°.
В положении «В» на графике ток в третьей фазе равен нулю, во второй фазе он положителен, а в первой отрицателен. Теперь ток, протекая по первой и второй катушкам, создаст на конце полюса первой катушки — северный полюс (С), а на конце полюса второй катушки — южный полюс (Ю), т. е. полярность суммарного магнитного поля переместится еще на 120°. В положении «Г» на графике магнитное поле переместится еще на 120°.
Таким образом, суммарный магнитный поток будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов).
При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим таким образом асинхронный электродвигатель.
Напомним, что на рисунке 3 обмотки статора соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником».
Если мы поменяем местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное.
Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора.
Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.
Мы рассмотрели устройство асинхронного двигателя, имеющего на статоре три обмотки. В этом случае вращающееся магнитное поле двухполюсное и число его оборотов в одну секунду равно числу периодов изменения тока в одну секунду.
Если на статоре разместить по окружности шесть обмоток, то будет создано четырехполюсное вращающееся магнитное поле. При девяти обмотках поле будет шестиполюсным.
При частоте трехфазного тока f, равной 50 периодам в секунду, или 3000 в минуту, число оборотов n вращающегося поля в минуту будет:
при двухполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 1 = 3000 об/мин,
при четырехполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 2 = 1500 об/мин,
при шестиполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 3 = 1000 об/мин,
при числе пар полюсов статора, равном p: n = (f х 60 ) / p,
Итак, мы установили скорость вращения магнитного поля и зависимость ее от числа обмоток на статоре двигателя.
Ротор же двигателя будет, как нам известно, несколько отставать в своем вращении.
Однако отставание ротора очень небольшое. Так, например, при холостом ходе двигателя разность скоростей составляет всего 3%, а при нагрузке 5 - 7%. Следовательно, обороты асинхронного двигателя при изменении нагрузки изменяются в очень небольших пределах, что является одним из его достоинств.
Рассмотрим теперь устройство асинхронных электродвигателей
Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой.
Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе.
В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.
Ротор асинхронного двигателя, подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка.
В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.
Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются.
В некоторых двигателях «беличью клетку» заменяют литым ротором.
Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат.
Короткозамкнутые асинхронные двигатели пускаются в ход двумя способами:
1) Непосредственным подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя. Этот способ самый простой и наиболее популярный.
2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора. Напряжение снижают, например, переключая обмотки статора со «звезды» на «треугольник».
Пуск двигателя в ход происходит при соединении обмоток статора «звездой», а когда ротор достигнет нормального числа оборотов, обмотки статора переключаются на соединение «треугольником».
Ток в подводящих проводах при этом способе пуска двигателя уменьшается в 3 раза по сравнению с тем током, который возник бы при пуске двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Однако этот способ пригоден лишь в том случае, если статор рассчитан для нормальной работы при соединении его обмоток «треугольником».
Наиболее простым, дешевым и надежным является асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, но этот двигатель обладает некоторыми недостатками — малым усилием при трогании с места и большим пусковым током. Эти недостатки в значительной мере устраняются применением фазного ротора, но применение такого ротора значительно удорожает двигатель и требует пускового реостата.
Устройства комплектные распределительные серии КРУВ-6
Устройства комплектные распределительные серии КРУВ-6В-УХЛ5 и КРУВ-6Д-УХЛ5 с электромагнитными или вакуумными выключателями предназначены для распределения электрической энергии в сетях напряжением 6 кВ с изолированной нейтралью частотой 50 Гц, защиты электроустановок и управления подземными токоприемниками угольных шахт, опасных по газу и пыли. Исполнение шкафа по взрывозащите РВ 4ВИа, пульта дистанционного – РО Иа или РВ-1ВИа.
Условия эксплуатации
высота над уровнем моря – не более 1000 м;
температура окружающего воздуха от -10 до +35 °C;
относительная влажность окружающего воздуха до 100 % при температуре +35 °C;
рабочее положение в пространстве – вертикальное (допускается отклонение на 10° в любую сторону);
запыленность окружающего воздуха до 1000 мг/м
окружающая среда не должна содержать едких паров и газов в концентрациях, разрушающих металл и изоляцию;
устройство должно быть защищено от прямого попадания воды.
В части требований техники безопасности устройства соответствуют ГОСТ 12,2,007,3-75, «Правилам безопасности в угольных шахтах», «Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей», «Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей».
Устройство соответствует ТУ 16-91 ИМШБ.674511 О11ТУ. Технические характеристики
Наименование параметра Значение
Номинальное напряжение, кВ 6
Диапазон колебания напряжения, % 85...115
Номинальный ток, А:
вводных и секционных шкафов 100; 160; 200; 320; 400; 630
шкафов отходящих присоединений 20; 32; 40; 50; 80; 100; 160; 200; 320; 400
сборных шин 630
Номинальный ток отключения, кА 9,6
Ток включения (амплитудное значение), кА 25
Ток динамической стойкости (амплитудное значение), кА 25
Односекундный ток термической стойкости, кА 9,6
Мощность отключения, мВ·А 100
Механическая износостойкость, циклов ВО:
выключателя 5000
разъединителей 2000
Электрическая износостойкость контактов и дугогасящих устройств, циклов ВО при токе 400 А 5000
Сопротивление изоляции, МОм, не менее:
силовых цепей 6 кВ 150
цепей НН 2
Минимальная бестоковая пауза при АПВ, с 3
Габаритные размеры, мм 1350 х 1000 x 1420 (1550 при установке на колесах)
Масса, кг 1200
Усовершенствованная схема управления и защиты обеспечивает
оперативное ручное (с помощью рукоятки), местное (с помощью кнопок) и дистанционное (с помощью выносного пульта) включение и отключение;
отключение отходящих присоединений для производства осмотров и ремонтов;
возможность подключения контактов реле внешних дополнительных устройств защиты и контроля (защиты от несимметричных режимов, газовой защиты, аппаратуры контроля воздуха), устройств телемеханики и технологической автоматики;
электрическую блокировку против подачи напряжения на отходящее присоединение с сопротивлением утечки на землю ниже 360 кОм, а также на отходящее присоединение, отключенное защитой от токов короткого замыкания на землю;
блокировку против повторного включения при отказе механизма, удерживающего выключатель во включенном положении;
функциональную проверку исправности максимальной токовой защиты на контрольной уставке, блокировочного реле утечки и защиты от однофазных замыканий (утечек) на землю;
местную (механическую и электрическую) и дистанционную (в пульте дистанционного управления) сигнализацию о включенном и отключенном положении выключателя;
сигнализацию о срабатывании блокировочного реле утечки;
сигнализацию о срабатывании защиты от токов короткого замыкания и защиты от токов перегрузки (для шкафов отходящих присоединений);
сигнализацию о срабатывании защиты от однофазных замыканий (утечек) на землю;
защиту от токов перегрузки и защиту асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором от пусковых токов недопустимой продолжительности;
защиту от токов короткого замыкания;
направленную защиту отходящего присоединения от однофазных замыканий (утечек) на землю;
защиту минимального напряжения;
автоматическое однократное повторное включение (АПВ);
автоматическое включение резерва (АВР)
искробезопасность выходных цепей устройства дистанционного управления и защиту от потери управляемости при замыкании или обрыве жил дистанционного управления;
защиту от самовключений при кратковременном повышении напряжения;
блокировку против включения выключателя с двух мест (местного и дистанционного);
возможность отключения (при необходимости) устройства защиты минимального напряжения;
возможность крепления к внешней стороне оболочки и подключения к шкафу датчика учета электроэнергии.
ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА
Для удобства измерения тока в установках высокого напряжения и изоляции измерительных приборов и устройств релейной защиты от высокого напряжения служат трансформаторы тока (ТТ). ТТ имеет замкнутый магнитопровод с двумя обмотками. Через первичную обмотку пропускается измеряемый ток, вторичная обмотка подключается к измерительным приборам или реле. Первичная обмотка изолирована от вторичной в соответствии с классом изоляции аппарата. Один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется.
Рис. 22.1. Схема включения и схемы замещения трансформатора тока
В аварийном режиме ТТ обтекаются током КЗ и их обмотки подвергаются воздействию больших токов;
динамическая стойкость ТТ (кратность) определяется отношением допустимого тока ударного КЗ к амплитуда номинального первичного тока;
термическая стойкость (кратность), задается отношением допустимого в течение 1 с тока КЗ к номинальному значению первичного тока.
Так как ток первичной обмотки задается сетью, то наибольшим термическим и динамическим воздействиям подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.
ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
а) Назначение и основные параметры. Трансформаторы напряжения (ТН) служат для преобразования высокого напряжения в низкое стандартное напряжение, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принимается напряжение 100 В или 100/КЗ В. Это позволяет для измерения любого высокого напряжения применять одни и те же измерительные приборы. Реле защиты также выпускаются на те же стандартные напряжения независимо от номинального напряжения защищаемой установки.
Первичная обмотка трансформатора напряжения изолируется от вторичной соответственно классу напряжения установки. Для безопасности обслуживания один вывод вторичной обмотки заземляется. Таким образом, ТН изолирует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряжения и делает безопасным их обслуживание.
Схема включения однофазного трансформатора напряжения дана на рис. 23.1. Первичная обмотка we присоединена к цепи высокого напряжения через предохранители FU1, FU2. Вторичная обмотка w2 питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле защиты через предохранители FU3, FU4. В нормальной конструкции заземляются и вторичная обмотка w2, и магнитопровод.
Предохранители FU3, FU4 служат для защиты трансформатора напряжения от КЗ в цепи нагрузки.
Предохранители FU1, FU2 на высоковольтной стороне служат для защиты сети от КЗ в ТН. Целесообразно применение токоограничивающих предохранителей типа ПКТ или стреляющих с ограничивающим резистором. Вследствие высокого сопротивления обмоток самого трансформатора напряжения при КЗ во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и недостаточен для срабатывания предохранителей FUl, FU2. Этим объясняется установка предохранителей FU3, FU4 во вторичной цепи.
Основными параметрами трансформатора напряжения являются:
номинальное напряжение первичной и вторичной обмоток, указанное на щитке. Номинальное напряжение трансформатора напряжения равно номинальному напряжению первичной обмотки;
номинальный коэффициент трансформации — отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному:
Рис. 23.1. Схема включения однофазного трансформатора напряжения
По ГОСТ 1983-77 направления токов и напряжений, показанные на рис. 23.1, приняты за положительные. При отсутствии угловой погрешности векторы Ux и lf2 совпадают по фазе. Если вектор lf2 опережает вектор Uh, угловая погрешность считается положительной. Угловую погрешность необходимо учитывать при измерении активной мощности, энергии и в схемах релейной защиты. Допустимая погрешность трансформатора напряжения по напряжению в процентах при номинальных условиях численно равна классу точности.
Погрешности трансформатора напряжения не должны превышать значений, предусмотренных классом точности при колебании напряжения ui в пределах 90—110% £Лном и колебаний мощности вторичной цепи в пределах 25 — 100 % номинальной.
Номинальная вторичная нагрузка. ТН включаются (рис. 23.1) так же, как силовые трансформаторы.
При уменьшении сопротивления Z2 вторичная мощность увеличивается. Вторичная нагрузка Z2 кроме модуля характеризуется также коэффициентом мощности coscp2HOM-
Номинальная мощность трансформатора напряжения представляет собой наибольшее значение вторичной мощности при coscp2 = = 0,8, при которой погрешность трансформатора напряжения не выходит за пределы, определенные классом точности. Требования к ТН определяются ГОСТ 1983-77.
б) Погрешности. ТН. Погрешность трансформатора напряжения обусловлена наличием активных и реактивных сопротивлений обмоток и тока холостого хода. Схема замещения трансформатора напряжения дана на рис. 23.2, а векторная диаграмма — на рис. 23.3. Все величины приведены к первичной обмотке. Поток Ф создает вторичную ЭДС Е'2, отстающую от него на 90°. Под действием этой ЭДС во вторичной цепи возникают напряжение U"2 и ток h, проходящий по сопротивлению нагрузки R'2, Х'2. Тот же ток создает падения напряжения на сопротивлениях вторичной обмотки г2 и х2. При выбранных положительных направлениях ток — Г2 отстает от ЭДС Е_2(§ 22.1).
Для снижения индуктивного сопротивления обмоток Х\ и х2 уменьшают расстояние между первичной и вторичной обмотками [18.2].
При заданном первичном напряжении U\ намагничивающий ток /0 практически постоянен. В этом случае согласно (23.3) погрешность линейно растет с увеличением тока нагрузки 1'2. Поскольку в номинальном режиме напряжение U'2 мало меняется с током нагрузки Г2, то вторичная (выходная) мощность Р2 пропорциональна этому току. Зависимость погрешности по напряжению от вторичной мощности для одного из исполнений ТН показана на рис. 23.4, а.
На погрешность влияет коэффициент мощности нагрузки cos ф2. С уменьшением cos ф2 погрешность увеличивается.
Погрешность зависит и от первичного напряжения.
Токовые перегрузки и их влияние на работу и срок службы электродвигателей
Анализ повреждений асинхронных двигателей показывает, что основной причиной их выхода из строя является разрушение изоляции из-за перегрева.
Температура нагрева обмоток электродвигателя зависит от теплотехнических характеристик двигателя и параметров окружающей среды. Часть выделяемого в двигателе тепла идет на нагрев обмоток, а остальное отдается в окружающую среду. На процесс нагрева влияют такие физические параметры, как теплоемкость и теплоотдача.
В зависимости от теплового состояния электродвигателя и окружающего воздуха степень их влияния может быть различной. Если разность температур двигателя и окружающей среды невелика, а выделяемая энергия значительна, то ее основная часть поглощается обмоткой, сталью статора и ротора, корпусом двигателя и другими его частями. Происходит интенсивный рост температуры изоляции. По мере нагрева все больше проявляется влияние теплоотдачи. Процесс устанавливается после достижения равновесия между выделяемым теплом и теплом, отдаваемым в окружающую среду.
Повышение тока сверх допустимого значения не сразу приводит к аварийному состоянию. Требуется некоторое время, прежде чем статор и ротор нагреются до предельной температуры. Поэтому нет необходимости в том, чтобы защита реагировала на каждое превышение тока. Она должна отключать машину только в тех случаях, когда возникает опасность быстрого износа изоляции.
С точки зрения нагрева изоляции большое значение имеют величина и длительность протекания токов, превышающих номинальное значение. Эти параметры зависят прежде всего от характера технологического процесса.
Перегрузки электродвигателя технологического происхождения
Перегрузки электродвигателя, вызванные периодическим увеличением момента на валу рабочей машины. В таких станках и установках мощность электродвигателя все время изменяется. Трудно заметить сколько-нибудь длительный промежуток времени, в течение которого ток оставался бы неизменным по величине. На валу двигателя периодически возникают кратковременные большие моменты сопротивления, создающие броски тока.
Такие перегрузки обычно не вызывают перегрева обмоток электродвигателя, имеющих сравнительно большую тепловую инерцию. Однако при достаточно большой длительности и неоднократной повторности создается опасный нагрев. Защита должна "различать" эти режимы. Она не должна реагировать на кратковременные толчки нагрузки.
В других машинах могут возникать сравнительно небольшие, но длительные перегрузки. Обмотки электродвигателя постепенно нагреваются до температуры, близкой к предельно допустимому значению. Обычно электродвигатель имеет некоторый запас по нагреву, и небольшие превышения тока, несмотря на продолжительность действия, не могут создать опасной ситуации. В этом случае отключение не обязательно. Таким образом, и здесь защита электродвигателя должна "различать" опасную перегрузку от неопасной.
Аварийные перегрузки электродвигателя
Кроме перегрузок технологического происхождения, могут быть аварийные перегрузки, возникающие по другим причинам (авария в питающей линии, заклинивание рабочих органов, снижение напряжения и др.). Они создают своеобразные режимы работы асинхронного двигателя и выдвигают свои требования к средствам защиты. Рассмотрим поведение асинхронного двигателя в характерных аварийных режимах.
Перегрузки при длительном режиме работы с постоянной нагрузкой
Обычно электродвигатели выбирают с некоторым запасом по мощности. Кроме того, большую часть времени машины работают с недогрузкой. В результате ток двигателя часто значительно ниже номинального значения. Перегрузки возникают, как правило, при нарушениях технологии, поломках, заедании и заклинивании в рабочей машине.
Такие машины, как вентиляторы, центробежные насосы, ленточные и шнековые транспортеры, имеют спокойную постоянную или слабо изменяющуюся нагрузку. Кратковременные изменения подачи материала практически не влияют на нагрев электродвигателя. Их можно не принимать во внимание. Иное дело, если нарушения нормальных условий работы остаются на длительное время.
Большинство электроприводов имеет определенный запас мощности. Механические перегрузки прежде всего вызывают поломки деталей машины. Однако, принимая во внимание случайный характер их возникновения, нельзя быть уверенным, что при определенных обстоятельствах окажется перегруженным и электродвигатель. Например, это может случиться с двигателями шнековых транспортеров. Изменение физико-механических свойств транспортируемого материала (влажность, крупность частиц и т. д.) немедленно отражается на мощности, требуемой на его перемещение. Защита должна отключать электродвигатель при возникновении перегрузок, вызывающих опасный перегрев обмоток.
С точки зрения влияния длительных превышений тока на изоляцию следует различать два вида перегрузок по величине: сравнительно небольшие (до 50%) и большие (более 50%).
Действие первых проявляется не сразу, а постепенно, в то время как последствия вторых проявляются через короткое время. Если превышение температуры над допустимым значением невелико, то старение изоляции происходит медленно. Небольшие изменения в структуре изолирующего материала накапливаются постепенно. По мере возрастания температуры процесс старения значительно ускоряется.
Считают, что перегрев сверх допустимого на каждые 8 - 10°С сокращает срок службы изоляции обмоток электродвигателя в два раза. Таким образом, перегрев на 40°С сокращает срок службы изоляции в 32 раза! Хоть это и много, но обнаруживается оно после многих месяцев эксплуатации.
При больших перегрузках (более 50%) изоляция быстро разрушается под действием высокой температуры.
Для анализа процесса нагрева воспользуемся упрощенной моделью двигателя. Повышение тока вызывает увеличение переменных потерь. Обмотка начинает нагреваться. Температура изоляции изменяется в соответствии с графиком на рисунке. Величина установившегося превышения температуры зависит от величины тока.
Через некоторое время после возникновения перегрузки температура обмоток достигает допустимого для данного класса изоляции значения. При больших перегрузках оно будет короче, при малых - длиннее. Таким образом, каждому значению перегрузки будет соответствовать свое допустимое время, которое можно считать безопасным для изоляции.
Зависимость допустимой длительности перегрузки от ее величины называется перегрузочной характеристикой электродвигателя. Теплофизические свойства электродвигателей разных типов имеют некоторые отличия, также отличаются и их характеристики. На рисунке сплошной линией показана одна из таких характеристик.
Перегрузочная характеристика электродвигателя (сплошная линия) и желаемая характеристика защиты (пунктирная линия)
Из приведенной характеристики можно сформулировать одно из основных требований к защите перегрузок, действующей в зависимости от тока. Она должна срабатывать в зависимости от величины перегрузки. Э дает возможность исключить ложные срабатывания при неопасных бросках тока, возникающие, например, при пуске двигателя. Защита должна срабатывать только при попадании в область недопустимых значений тока и длительности его протекания. Ее желаемая характеристика, показанная на рисунке пунктирной линией, должна всегда располагаться под перегрузочной характеристикой двигателя.
На работу защиты влияет ряд факторов (неточность настройки, разброс параметров и др.), в результате действия которых наблюдаются отклонения от средних значений времени срабатывания. Поэтому пунктирную кривую на графике следует рассматривать как некую среднюю характеристику. Для того чтобы в результате действия случайных факторов характеристики не пересеклись, что вызовет неправильное отключение двигателя, необходимо обеспечить определенный запас. Фактически приходится иметь дело не с отдельной характеристикой, а с защитной зоной, учитывающей разброс времени срабатывания защиты.
С точки зрения точного действия защиты электродвигателя желательно, чтобы обе характеристики были по возможности близки одна к другой. Это позволит избежать ненужное отключение при перегрузках, близких к допустимым. Однако при наличии большого разброса обеих характеристик достигнуть этого невозможно. Для того чтобы не попасть в зону недопустимых значений тока при случайных отклонениях от расчетных параметров, необходимо обеспечить определенный запас.
Характеристика защиты должна располагаться на некотором расстоянии от перегрузочной характеристики двигателя, чтобы исключить их взаимное пересечение. Но при этом получается проигрыш в точности действия защиты электродвигателя.
В области токов, близких к номинальному значению, появляется зона неопределенности. При попадании в эту зону нельзя точно сказать, сработает защита или нет.
Такой недостаток отсутствует у защиты, действующей в функции температуры обмоток. В отличие от токовой защиты она действует в зависимости от причины, вызывающей старение изоляции, ее нагрева. При достижении опасной для обмотки температуры она отключает двигатель независимо от причины, вызвавшей нагрев. Это - одно из главных достоинств температурной защиты.
Однако не следует преувеличивать недостаток токовой защиты. Дело в том, что двигатели имеют определенный запас по току. Номинальный ток электродвигателя всегда ниже того тока, при котором температура обмоток достигает допустимого значения. Его устанавливают, руководствуясь экономическими расчетами. Поэтому при номинальной нагрузке температура обмоток двигателя ниже допустимого значения. За счет этого и создается тепловой резерв двигателя, который в определенной степени компенсирует недостаток тепловых реле.
Многие факторы, от которых зависит тепловое состояние изоляции, имеют случайные отклонения. В связи с этим уточнения характеристик не всегда дают желаемый результат.
Перегрузки при переменном длительном режиме работы
Некоторые рабочие органы и механизмы создают нагрузку, изменяющуюся в больших пределах, как, например, в машинах для дробления, измельчения и других аналогичных операций. Здесь периодические перегрузки сопровождаются недогрузками вплоть до работы на холостом ходу. Каждое увеличение тока, взятое в отдельности, не приводит к опасному росту температуры. Однако, если их много и они повторяются достаточно часто, действие повышенной температуры на изоляцию быстро накапливается.
Процесс нагрева электродвигателя при переменной нагрузке отличается от процесса нагрева при постоянной или слабо выраженной переменной нагрузке. Различие проявляется как в ходе изменения температуры, так и в характере нагрева отдельных частей машины.
Вслед за изменениями нагрузки изменяется и температура обмоток. Из-за тепловой инерции двигателя колебания температуры имеют меньший размах. При достаточно высокой частоте нагрузки температуру обмоток можно считать практически неизменяющейся. Такой режим работы будет эквивалентен длительному режиму с постоянной нагрузкой. При низкой частоте (порядка сотых долей герца и ниже) колебания температуры становятся ощутимыми. Периодические перегревы обмотки могут сократить срок службы изоляции.
При больших колебаниях нагрузки с низкой частотой электродвигатель постоянно находится в переходном процессе. Температура его обмотки изменяется вслед за колебаниями нагрузки. Так как отдельные части машины имеют разные теплофизические параметры, то каждая из них нагревается посвоему.
Протекание тепловых переходных процессов при изменяющейся нагрузке - явление сложное и не всегда поддается расчету. Поэтому о температуре обмоток двигателя нельзя судить по току, протекающему в данный момент времени. Ввиду того, что отдельные части электродвигателя нагреваются по-разному, внутри электродвигателя происходят перетоки тепла из одной ее части в другие. Может быть и так, что после отключения электродвигателя температура обмоток статора будет расти за счет тепла, поступающего от ротора. Таким образом, величина тока может и не отражать степень нагрева изоляции. Следует также принять во внимание, что при некоторых режимах ротор будет нагреваться более интенсивно, а охлаждаться менее интенсивно, чем статор.
Сложность процессов теплообмена затрудняет контроль нагрева электродвигателя. Даже непосредственное измерение температуры обмоток может при некоторых условиях дать погрешность. Дело в том, что при неустановившихся тепловых процессах температура нагрева различных частей машины может быть разной и измерение в одной точке не может дать истинной картины. Тем не менее по сравнению с другими методами измерение температуры обмотки дает более точный результат.
Повторно-кратковременный режим работы можно отнести к наиболее неблагоприятному с точки зрения действия защиты. Периодическое включение в работу предполагает возможность кратковременной перегрузки двигателя. При этом величина перегрузки должна быть ограничена по условию нагрева обмоток не выше допустимого значения.
Защита, "следящая" за состоянием нагрева обмотки, должна получать соответствующий сигнал. Так как в переходных режимах ток и температура могут не соответствовать друг другу, то защита, действие которой основано на измерении тока, не может выполнять свою роль должным образом.