Розділ 10 захист двигунів
10.1. Пошкодження та особливі режими двигунів
В електроенергетичних системах та на підприємствах найбільш часто застосовуються трифазні асинхронні двигуни. Вони мають просту конструкцію та відрізняються високою надійністю в експлуатації. Основним їх недоліком є споживання значної реактивної потужності з мережі для створення електромагнітного поля. Для зменшення споживання реактивної потужності необхідно зменшувати повітряний проміжок між ротором та статором. Це приводить до значного подорожчання двигунів та ускладнює умови їх експлуатації. Ще одним суттєвим недоліком асинхронних двигунів – це зростання споживання реактивної потужності зі зменшенням швидкості обертання ротора. Тому асинхронні двигуни, як правило, не виготовляють на швидкість обертання меншу, ніж 600 об/хв.
Значно рідше застосовують синхронні двигуни. Вони суттєво дорожчі від асинхронних та складніші в експлуатації. Синхронні двигуни застосовуються у випадках, коли потрібно забезпечити строго постійну швидкість обертання механізму та, коли потрібно мати малу швидкість обертання ротора. Це, наприклад, двигуни шарових млинів на теплових електростаціях, де потрібно забезпечити швидкість обертання 100 об/хв, приводи компресорів для забезпечення стабільної частоти обертання.
Як показав досвід експлуатації, зі всього електротехнічного обладнання високої напруги найбільш часто пошкоджуються двигуни – 25 – 30% від загальної кількості пошкоджень.
На двигунах можливі наступні види пошкодження:
міжфазні к.з. в обмотці статора (рис. 10.1а);
виткові замикання обмотки статора (рис. 10.1б);
однофазні замикання на землю (для двигунів, які працюють в мережах з ізольованою нейтраллю) (рис. 10.1в);
подвійні замикання на землю в різних точках мережі (рис. 10.2);
замикання в двох точках обмотки збудження (тільки для синхронних двигунів).
а) б) в)
Рис. 10.1. Пошкодження в двигунах
а) міжфазне; б) виткове; в)однофазне на землю
Найбільш часто пошкоджується обмотка статора – 80 – 95%, з них до 70% – це пошкодження в пазах та лобових частинах обмотки статора і 30% – пошкодження в коробках виводів.
Найбільш небезпечними є міжфазні к.з. в обмотці статора (рис. 10.1а). Вони супроводжуються значним рівнем струмів в обмотках, що призводить до пошкодження обмотки та виплавлення активної сталі з сердечника статора. Це потребує значних затрат під час ремонту двигунів – необхідно повністю розбирати двигун, розшихтовувати магнітопровід статора та замінювати пошкоджені стальні листи. Крім цього, такі пошкодження супроводжуються значним пониження рівня напруги в місці приєднання двигуна, що негативно впливає на паралельно працюючі споживачі. Тому захисти від таких пошкоджень повинні діяти на вимкнення пошкодженого двигуна від мережі без витримки часу. Для синхронних двигунів цей захист повинен ще діяти на гасіння його поля. Вимірні органи захисту повинні реагувати на струм, який протікає від джерела живлення до місця пошкодження в двигуні.
Під час виткових замикань обмотки статора (рис. 10.1б) в короткозамкнених витках можуть циркулювати струми не менші за величиною, ніж під час міжфазних к.з., які, як і в попередньому випадку, приводять до значних пошкоджень двигуна. Характерним для цього режиму є незначна зміна фазних струмів, що ускладнює умови ідентифікації цього режиму. Тому захисти від таких пошкоджень, як і під час міжфазних к.з., повинні діяти на вимкнення пошкодженого двигуна від мережі без витримки часу.
Для двигунів, які працюють в мережі з ізольованою або компенсованою нейтраллю, однофазні замикання (рис. 10.1в); супроводжуються незначним рівнем струму замикання (від кількох ампер до кількох десятків ампер). Тому такі пошкодження є менш небезпечними для двигунів, ніж міжфазні чи виткові короткі замикання. Згідно досвіду експлуатації, небезпечними для двигунів є струми замикання більші, ніж 5А. Струми замикання менші від 5А не викликають значних пошкоджень в двигунах і після вимкнення двигуна пошкодження ліквідується, як правило, без заміни шихтованих листів сердечника магнітопроводу статора двигуна. Тому захист від таких пошкоджень може діяти на сигнал. У випадку, коли струм замикання більший, ніж 5А, можливе виплавлення сталі та міді за рахунок виникнення дуги в місці пошкодження, тобто пошкодження з таким рівнем струмів призводить до значних пошкоджень двигуна. Тому у випадку виникнення струмів замикання величиною 5А та вище, захист повинен діяти на вимкнення двигуна від мережі, але він може діяти з витримкою часу. Без витримки часу таке пошкодження повинно ліквідовуватись, коли двигун працює в умовах підвищеної небезпеки ураження електричним струмом людей, наприклад, в шахтах, різноманітних кар’єрах, торфорозробках тощо.
Критерій, що небезпечним для двигунів під час однофазного замикання є струм, більший від 5А був прийнятий багато років тому і не переглядався. Про те останні дослідження показали, що небепечним для двигуна може бути струм замикання 1 А. Довготривале протікання такого струму викликає значний місцевий перегрів і, як наслідок, виникнення виткового замикання в обмотці статора двигуна. З другої сторони струм замикання через дугу до 10 А може самоліквідовуватись на протязі 0,2с.
Крім цього, замикання на землю в мережах з ізольованою нейтраллю має ще один негативний аспект. Під час металічного замикання на землю в мережах з ізольованою або компенсованою нейтраллю фазні напруги непошкоджених фаз збільшуються до величини лінійної напруги. У випадку однофазного замикання через переміжаючу дугу, значення напруг на непошкоджених фазах може досягати чотирикратної величини відносно фазної напруги. Таке підвищення напруги може викликати пошкодження і іншого електрообладнання, яке працює в цей час в мережі. Крім цього таке підвищення напруги може викликати пробій ізоляції на іншій фазі двигуна та призвести до подвійного замикання в мережі (рис. 10.2). В цьому випадку виникає подвійне замикання на землю в різних точках, яке супроводжується значним рівнем струмів к.з.
Якщо під час подвійного замикання на землю, одна точка знаходиться в обмотці статора двигуна, то через обмотку буде протікати струм, співрозмірний з струмом міжфазного к.з. Тому захист в цьому випадку повинен без витримки часу діяти на вимкнення двигуна від мережі.
Рис. 10.2. Подвійне замикання в мережі
В мережах з ефективно заземленою нейтраллю (це мережі до 1000 В) під час однофазного короткого замикання на землю рівень струмів замикання є співрозмірний з рівнем струмів, які виникають під час міжфазних к.з. Тому після виникнення такого пошкодження двигун повинен вимикатись від мережі без витримки часу.
Для синхронного двигуна крім цих пошкоджень, можливі пошкодження в колах збудження. Це може бути замиканя в одній точці кіл збудження, в двох точках кіл збудження та обрив кіл збудження.
Під час замикання в одній точці кіл збудження ніяких змін в режимі роботи двигуна не відбувається. Тому захист від такого пошкодження може бути виконаний з дією на сигнал. За першою нагодою двигун з таким пошкодженням необхідно вимкнути від мережі та ліквідувати пошкодження. Під час замикання в другій точці кіл збудження (якщо ця точка замикання знаходиться в двигуні) спотворюється магнітне поле двигуна і в результаті створюється електромагнітна сила, яка діє перпендикулярно до осі ротора. Ця сила викликає вібрацію ротора двигуна, що може викликати значні його пошкодження. Крім цього, в короткозамкнених витках буде індукуватись значний струм, який також викличе значні пошкодження двигуна. Тому після виникнення замикання в двох точках кіл збудження захист повинен діяти без витримки часу на вимкнення двигуна від мережі та гасіня його поля.
Обрив кіл збудження синхронного двигуна призводить до втрати синхронного момента та перехід синхронного двигуна в асинхронний режим. Для цього режиму характерним є зменшення моменту на валу двигуна, зменшення швидкості обертання його ротора та значне споживання реактивної потужності з мережі, що в свою чергу призводить до пониження напруги в точці приєднання двигуна. В залежності від вимог до швидкості обертання, до умов підтримання напруги на шинах споживача, захист може діяти з витримкою часу на сигнал або на вимкнення двигуна від мережі.
До особливих режимів двигуна належить перевантаження його обмоток статора.
Основними причинами виникнення перевантаження двигуна можуть бути:
перевантаження робочого механізму внаслідок технологічних причин;
важкі умови пуску навантаженого двигуна;
довготривале пониження напруги мережі;
зникнення напруги на одній з фаз в мережі;
обрив однієї фази в самому двигуні;
несправності в системі охолодження двигуна.
В режимі перевантаження двигун перегрівається, прискорено старіє його ізоляція, що може привести до її пробою і виникнення небезпечних режимів міжфазних та виткових к.з. Тому для захисту двигуна від перевантажень застосовують захист, який з витримкою часу діє на сигнал або на вимкнення двигуна від мережі. Якщо дозволяють технологічні можливості, то двигун може бути автоматично розвантажений за рахунок зменшення навантаження на його валу.
Особливим режимом двигуна є також короткочасні пониження або зникнення напруги в мережі. Причинами такого короткочасного пониження або зникнення напруги можуть бути к.з. в мережі та вимкнення їх захистами, робота пристроїв автоматики – АПВ, АВР. За час перерви живлення відбувається пониження швидкості обертання двигунів або навіть повна зупинка деяких з них. Як показала практика, відновлення нормального режиму відбувається без будь-яких допоміжних заходів внаслідок самозапуску двигунів. Цей режим супроводжується збільшенням струму і, як наслідок, пониженням напруги, що в свою чергу погіршує умови самозапуску. Режим самозапуску буде успішним у випадку, коли перерва живлення є мінімальною. В протилежному випадку умови самозапуску погіршуються. Як правило, малопотужні двигуни вмикаються за допомогою контакторів або магнітних пускачів. Якщо к.з. в мережі вимкнулось за час 0.03 – 0.05 сек., якорі контакторів та магнітних пускачів в схемах управління двигунів не встигають відпасти, контактори та магнітні пускачі залишаються в спрацьованому стані, швидкість двигунів зменшується незначно. В цьому випадку самозапуск двигунів буде успішним. Якщо ж перерва в живленні була на протязі 0,5 сек та більше, то після її відновлення суттєво зростає струм самозапуску. Внаслідок цього відбувається глибоке пониження напруги і самозапуск всіх двигунів може не відбутись. В цьому випадку частину двигунів необхідно вимкнути, щоб вони не приймали участі в режимі самозапуку. Крім цього, за такої значної перерви в живленні повинні бути вимкнуті двигуни, які не можуть приймати участь в самозапуску за технологічними причинами, або з умов безпеки. Це, наприклад, двигуни металоріжучих станків, прокатних станів, кранів тощо Тому, якщо технологічні умови дозволяють, щоб двигун не приймав участь в процесі самозапуску, спеціальний захист мінімальної напруги з витримкою часу діє на вимкнення його від мережі. Такий захист ще називається нульовим захистом. Цей захист встановлюється на двигунах, які приводять в рух невідповідальні механізми, або двигуни, які не можуть приймати участь в самозапуску за технологічними причинами або з умов безпеки. Тим самим полегшується самозапуск інших двигунів, які приводять в рух відповідальні механізми.
Синхронні двигуни після довготривалого пониження або зникнення напруги (довготривалим для синхронних двигунів є час 0,5 сек та більше) виходять з синхронізму. В цьому випадку двигун втрачає синхронний момент на валу і переходить в асинхронний режим. Понижується його швидкість обертання і в залежності від величини навантаження на його валу, ротор двигуна може загальмуватись. Тому для цього режиму для синхронних двигунів передбачений захист, який діє:
на зменшення навантаження на валу двигуна;
на його ресинхронізацію.
У випадку, коли ці умови забезпечити неможливо, захист повинен діяти з витримкою часу на вимкнення синхронного двигуна від мережі.
Питання для самоперевірки:
Переваги та недоліки асинхронних двигунів.
Які пошкодження можуть виникати в двигунах?
Як повинен діяти захист після виникнення міжфазних к.з. або виткових замикань в обмотці статора двигуна?
Як повинен діяти захист після замикання в одній та двох точках кіл збудження синхронного двигуна?
Які причини виникнення перевантажень двигуна?
В яких випадках на двигунах застосовується захист мінімальної напруги?