10.3.2. Диференційний захист двигунів від міжфазних к.З.

Диференційний захист застосовується від міжфазних к.з. для двигунів потужністю вище 5000 кВт, або для двигунів меншої потужності, коли струмова відсічка не задовільняє вимогам чутливості. Слід відмітити, що застосування диференційного захисту можливе лише для двигунів, які мають виведені нульові виводи, де можна встановити трансформатори струму для організації одного з плеч захисту. Диференційний захист виконується на реле серії РНТ, на реле серії ДЗТ (на теплових електростанціях), на реле серії РСТ-15 (на атомних електростаціях).

На рис. 10.8 наведені трифазна трирелейна та двофазна дворелейна схеми диференційного захисту. В більшості випадків зі сторони нульових виводів двигуна вторинні обмотки трансформаторів струму з’єднують послідовно, щоб зменшити навантаження на ці трансформатори струму. Збільшене навантаження на трансформатори струму ТА2, встановлені біля нульових виводів двигуна пояснюється значно більшою довжиною провідників від цих трансформаторів струму до реле КАТ, ніж від трансформаторів струму ТА1 до цього ж реле. Трансформатори струму ТА1 безпосередньо встановлені в комірці, де й реле КАТ, а трансформатори струму ТА2 – в місці встановлення двигуна. Тому довжина провідників від трансформаторів струму ТА1 до реле досягає 4 м, а довжина провідників від трансформаторів струму ТА2 до реле – десятки метрів.

а) б)

Рис. 10.8. Схеми диференційних захистів двигунів а) трифазна трирелейна; б) двофазна дворелейна

Трифазна трирелейна схема (рис. 10.8а) має вищу чутливість у порівнянні з двофазною дворелейною схемою (рис. 10.8б). Тому трифазна трирелейна схема застосовується для двигунів, де двофазна дворелейна схема не задовільняє вимогам чутливості.

Диференційний захист на реле серії РНТ

Більш детально про принцип роботи реле серії РНТ та його конструктивні особливості описано в розділі 8.5.3. Способи виконання диференційних захистів трансформаторів (автотрансформаторів).

Струм спрацювання диференційного захисту, виконаного на реле РНТ вибирається з умови відлагодження від струму небалансу під час увімкнення двигуна:

(10.25)

де – коефіцієнт відлагодження, значення якого приймається 1,8 – 2; – струм небалансу, обумовлений похибкою та різнотипністю трансформаторів струму, значеннями аперіодичної та періодичної складової струму під час пуску двигуна. Величина струму небалансу визначається з виразу:

(10.26)

де – коефіцієнт, який враховує вплив аперіодичної складової, для реле РНТ його значення приймається 1; – коефіцієнт, який враховує однотипність трансформаторів струму, для однотипних трансформаторів струму приймається значення 0,5, для різнотипних – 1. Для організації диференційного захисту двигуна в більшості випадків застосовують різнотипні трансформатори струму, тому значення ; – відносна похибка трансформаторів струму, приймається значення 0,1; – номінальний струм двигуна.

Враховуючи значення коефіцієнтів, струм небалансу, порахований за виразом (10.26) приймає значення . Як показує досвід експлуатації, насправді значення струму небалансу є більшим, що приводить до хибної роботи захисту. Це пояснюється різним навантаженням на трансформатори струму, які утворюють плечі захисту, за рахунок різної довжини з’єднувальних провідників між трансформаторами струму та реле, що приводить до насичення більш завантаженого трансформтара струму аперіодичною складовою струму в режимах пуску та самозапуску.

На основі проведених досліджень були отримані криві залежності відносного струму небалансу від добутку питомого струму на питомий опір менш завантаженого трансфоматора струму при умові, що відносна похибка другого трансформатора струму є не більшою 10%. Розрахунок струму небалансу за цими кривими дозволяє виконати диференційний захист селективним.

Значення визначається з виразу

(10.27)

де – коефіцієнт пуску двигуна, визначається як відношення значення пускового струму двигуна до його номінального , – коефіцієнт трансфорсмації трансформатора струму; – повний опір вторинної обмотки трансформатора струму, визначається як де – коефіцієнт схеми, значення якого визначається з’єднанням вторинних обмоток трансформаторів струму (для схеми з’єднання повної зірки , для схеми з’єднання неповної зірки , для схеми з’єднання трикутником ), – активний опір кабеля; – опір контактів, приймається рівним 0,1; – активна та індуктивна складові опору вторинної обмотки трансформатора струму, у випадку відсутності даних про ці величини можна приймати їх значення рівними 0, що в результаті дасть деякий запас у визначенні струму небалансу ; – січення магнітопроводу трвнсформатора струму; – кількість витків вторинної обмотки трансформатора струму.

Отримані залежності для різних схем з’єднань вторинних обмоток трансфорамторів струму наведені на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Залежності для різних схем з’єднань трансформаторів струму (1 – неповна зірка – трикутник; 2 – зірка – зірка; 3 – неповна зірка – неповна зірка; 4 – зірка – трикутник)

Таким чином, для більш точного розрахунку струму небалансу, необхідно спочатку розрахувати значення за виразом (10.27) і за відповідною кривою з рис. 10.9 визначити відносне значення струму небалансу .

Після цього можна визначити струм спрацювання реле захисту за наступним виразом:

.

(10.28)

За значенням струму спрацювання реле для реле РНТ визначається розрахункова кількість витків робочої обмотки:

.

(10.29)

У виразі (10.29) число 100 відповідає номінальній намагнічувальній силі реле РНТ ( ). Після цього визначається дійсне значення кількості витків робочої обмотки, як ближнє менше значнення . Вибір меншого значення витків робочої обмотки приводить до збільшення струму спрацювання реле, тим самим забезпечується селективна робота захисту.

Далі уточнюється первинний струм спрацювання захисту

.

(10.30)

Для уточненого значення струму спрацювання захисту, отриманому за (10.30) перевіряється його чутливість під час двофазного к.з. на виводах двигуна в мінімальному режимі

.

(10.31)

На практиці можна застосовувати наближений метод визначення відносного значення струму небалансу . Цей метод оснований на наступних допущеннях:

• диференційні реле знаходяться в комірках КРУ і тому довжина кабеля від трансформаторів струму зі сторони живленя двигуна до реле практично незмінна і становить коло 4 м;

• трансформатори струму, встановлені в комірках це, як правило, трансформатори з литою ізоляцією типу ТЛМ-6, ТЛМ-10, ТВЛМ-10 і їх параметри s – січення магнітопроводу, – кількість витків вторинної обмотки, R2 – активний опір вторинної обмотки приблизно одинакові.

Тому значення добутку для трансформаторів зі сторони живлення, які є менш навантажені, як показали розрахунки, лежить в межах 25 – 50 В/м² витки. Для цих значень добутку згідно кривих (рис. 10.9) можна прийняти наступні значення :

=0,3 для з’єднання вторинних обмоток трансформаторів струму за схемою "зірка – зірка";

=0,34 для з’єднання вторинних обмоток трансформаторів струму за схемою "зірка – неповна зірка";

=0,32 для з’єднання вторинних обмоток трансформаторів струму за схемою "зірка – трикутник";

=0,45 для з’єднання вторинних обмоток трансформаторів струму за схемою "неповна зірка – трикутник".

Диференційний захист на реле серії ДЗТ

У випадку, якщо диференційний захист двигуна, виконаний на основі реле РНТ не відповідає вимогам чутливості, застосовується реле з магнітним гальмуванням серії ДЗТ.

Більш детально про принцип роботи цього реле та особливості його виконання описано в розділі 8.5.3. Способи виконання диференційних захистів трансформаторів (автотрансформаторів).

Розрахунок диференційного захисту двигуна на реле серії ДЗТ зводиться до визначення кількості витків його робочої та гальмівної обмоток, а також до перевірки чутливості реле.

На рис. 10.10. наведена схема приєднання реле серії ДЗТ до вторинних кіл трансформаторів струму. Як видно з рисунку, гальмівна обмотка реле приєднується до вторинних обмоток трансформаторів струму, встановлених зі сторони нульових виводів двигуна. Таке приєднання забезпечує гальмування (неспрацювання) реле під час зовнішніх к.з. та під час пуску двигуна і практично не впливає на чутливість реле під час к.з в зоні дії захисту. Як і в схемах диференційного захисту, наведених на рис. 10.8, вторинні обмотки трансформаторів струму, встановлені зі сторони нульових виводів двигуна, з метою зменшення на них навантаження з’єднуються послідовно.

Рис. 10.10. Схема диференційного захисту двигуна на реле серії ДЗТ

Для того, щоб захист двигуна хибно не спрацьовува під час його пуску, необхідне виконання наступної умови

,

(10.32)

де – струми в робочій та гальмівній обмотках відповідно; – кількість витків робочої та гальмівної обмоток; – тангес кута нахилу гальмівної характеристики реле.

За відсутності гальмування кількість витків робочої обмотки визначається як

,

(10.33)

де – намагнічувальна сила, створена робочою обмоткою та струм в ній за відсутності гальмування.

Підставивши вираз (10.33) в (10.32) отримаємо вираз для визначення струму в робочій обмотці за відсутності гальмування:

.

(10.34)

Як видно з виразу (10.34) струм спрацювання реле за відсутності гальмування обернено пропорційний кількості витків гальмівної обмотки . Тому доцільно приймати для реле максималне число витків в гальмівній обмотці. В цьому випадку найкраще забезпечується умова неспрацювання реле під час пуску та самозапуску двигуна. Максимальне число витків гальмівної обмотки для реле ДЗТ-11/5 становить 24 витки.

Струм небалансу, як і для реле серії РНТ, визначаємо на основі кривих (рис. 10.9) та наведеної методики.

На основі виразу (10.32) та враховуючи збільшення струму небалансу в 1,5 рази та зменшення кількості витків гальмівної обмотки в 0,8 рази (враховується зменшення струму в гальмівній обмотці за рахунок насичення трансформатоів струму біля нульових виводів двигуна) отримаємо вираз для визначення кількості витків робочої обмотки:

.

(10.35)

Враховуючи, що струм в гальмівній обмотці визначається для режиму пуску двигуна , а значення струму намагнічення визначається з виразу , вираз для визначення кількості витків робочої обмотки матиме наступний вигляд:

.

(10.36)

де – відносне значення струму небалансу, отримане з кривих на рис. 10.9.

На основі розрахункового значення кількості витків робочої обмотки визначаємо дійсне значення кількості витків робочої обмотки , яке приймається як ближнє менше значнення

.

(10.37)

Коефіцієнт чутливості диференційного захисту на реле ДЗТ визначається для режиму двофазного к.з. на виводах двигуна в мінімальному режимі струмів к.з.

,

(10.38)

де – намагнічувальна сила робочої обмотки під час двофазного к.з. на виводах двигуна в мінімальному режимі к.з.; – робоча магніторушійна сила з врахуванням струму в гальмівній обмотці.

Значення намагнічувальної сила робочої обмотки під час двофазного к.з. на виводах двигуна в мінімальному режимі к.з визначається з виразу:

,

(10.39)

де – значення фазного струму в обмотці статора двигуна під час двофазного к.з. на його виводах в режимі мінімальних струмів к.з.; – коефіцієнт схеми трансформаторів, встановлених зі сторони живлення, значення якого приймається рівним 1; – коефіцієнт трансформації трасформаторів струму зі сторони лінійних виводів; – кількість витків робочої обмотки, визначену на основі (10.36) та (10.37); – коефіцієнт трансформації трансформаторів струму зі сторони нульових вводів двигуна.

Друга складова у виразі (10.39) визначає струму, який генерує. асинхнронний двигун в перший момент к.з до місця к.з. Під час розрахунку коефіцієнта чутливості другу складову у виразі (10.39) рекомендується не враховувати, що тільки йде в запас чутливості.

Магніторушійна сила з врахуванням струму в гальмівній обмотці визначається з виразу

,

(10.40)

де – значення намагнічувальної сили робочої обмотки реле за відсутності гальмування, для реле серії ДЗТ-11/5 приймається значення 100 Ампервитків; – значення намагнічувальної сила робочої обмотки під час двофазного к.з. на виводах двигуна в мінімальному режимі к.з., визначається за виразом (10.39); – намагнічувальна сила гальмівної обмотки, значення якої визначається за виразом

,

(10.41)

де – коефіцієнт трансформації трасформаторів струму зі сторони нульових виводів обмотки; – коефіцієнт схеми трансформаторів, встановлених зі сторони нульових виводів, значення якого приймається в залежності від схеми з’єднання вторинних обмоток трансформаторів струму зі сторони нульових виводів =1 для з’єднання обмоток в зірку, для для з’єднання обмоток в трикутник; – кількість витків гальмівної обмотки, приймається значення .

Диференційний захист на реле РСТ-15

Це реле рекомендується встановлювати на двигунах, які працюють в сейсмічній зоні, а також на АЕС. Реле виконане з використанням напівпровідникових елементів.

Розрахунок диференційного захисту на реле РСТ-15 зводиться:

• до визначення кількості витків обмотки вхідного трансформатора реле (максимально на вхідному трансформаторі реле можна виставити 36 витків);

• визначення струму спрацювання реле, яке задається у відносних одиницях . Струм спрацювання реле змінюється дискретно і градується в долях номінального струму під час подачі струму на 20 витків вхідного трансформатора реле;

• коефіцієнта загрублення чутливості реле , яке може приймати значення 1 або 2..

Струм спрацювання реле визначається аналогічно як і для реле РНТ-565 на основі залежностей , наведених на рис. 10.9. На основі розрахункового струму спрацювання реле з першого рядка таблиці 10.1 визначається дійсне значення струму спрацювання реле , як найближче більше значення і по відповідному стовпцю визначається намагнічувальна сила спрацювання реле і коефіцієнта загрублення чутливості реле . На основі намагнічувальної сили визначається кілкість витків обмотки вхідного трансформатора реле .

Слід відмітити, що таблиця побудована на основі даних, отриманих під час подачі вхідного струму на 20 витків вхідного трансформатора реле.

Таблиця 10.1.