книги из ГПНТБ / Винтерс, М. Защита сельских электрических сетей 0,4 кВ

Защита ФО-0,4 предназначена для применения с автомати­ ческими выключателями серии А 3100 и А 3700, снабженными катушками дистанционного расцепителя на 36 В. Уставки по току регулируются ступенчато — от 30 до 200 А. Время-токо- вая характеристика защиты ФО-0,4 дана на рис. 6.

В ряде случаев токи коротких замыканий могут быть близ­ кими к величине пускового тока асинхронных короткозамкну­ тых электродвигателей (при замыкании через дугу со значи­ тельным внутренним сопротивлением). В таких случаях ни автоматы, ни плавкие предохранители не обеспечивают надеж­ ное отключение аварийного участка. Чтобы удовлетворить требования чувствительности в воздушных сетях 0,4 кВ с осве­ тительной и коммунально-бытовой нагрузкой, применяют сек­ ционирующие защитные аппараты, которые дополнительно устанавливают в линии на некотором расстоянии от питающей подстанции. По мере удаления от источника питания нагрузка уменьшается, уставку секционирующего аппарата можно вы­ брать меньше, чем у аппарата, установленного в начале линии. В результате чувствительность секционирующего защитного аппарата к короткому замыканию в конце линии будет выше, установленного в начале линии. В Латвийской энергосистеме в сетях 0,4 кВ применяют секционирующиеся устройства с пре­ дохранителями ПН2 и автоматами ACT 25. Для секциониро­ вания также приспособлены автоматы АЕ 2000.

С точки зрения безопасности желательно по возможности обеспечить минимальное время отключения замыканий на землю. Кратность тока по отношению к номинальному току защитных аппаратов в ряде случаев невелика, из-за чего время отключения затягивается. Уменьшение времени отклю­ чения может быть получено при увеличении тока короткого замыкания. Этого можно достичь уменьшением сопротивления цепи фаза-нуль. Сопротивление трансформаторов в цепи фаза-нуль зависит от схемы соединения обмоток. Наиболее

с нулем. В этих трансформаторах токи нулевой последователь­ ности создают потоки, которые замыкаются через изолирую­ щую среду, стенки бака. В результате сопротивление нулевой последовательности этих трансформаторов несколько раз больше, чем при схеме треугольник — звезда с нулем. Сопро­ тивление нулевой последовательности трансформатора с сое­ динением обмоток треугольник-звезда с нулем равно сопротив­ лению прямой и обратной последовательности. Падение напря­ жения нулевой последовательности в таком трансформаторе по сравнению со схемой звезда-звезда с нулем в 5— 10 раз меньше. Максимальный ток однофазного короткого замыкания может достигать 17-кратного номинального тока трансформатора [15ф

10

Сопротивление токам нулевой последовательности вторич­

полуобмотками, расположенными на общем сердечнике. Этот поток рассеяния может быть уменьшен до ничтожно малой величины, и индуктивность нулевой последовательности может быть близка к нулю. Максимальный ток однофазного корот­ кого замыкания трансформаторов иногда достигает 27-крат­ ной величины номинального тока трансформатора.

Трансформаторы до 400 кВА для сельских сетей 0,4 кВ целесообразно применять с обмоткой звезда-зигзаг с нулем.

Для увеличения токов однофазных коротких замыканий на практике часто прибегают к увеличению сечения проводов линий. Такое увеличение значительно влияет на чувствитель­ ность защиты при номинальных токах плавких вставок 15—40 А. Увеличение сечений проводов линий для повышения чувствительности является сравнительно дорогостоящим меро­ приятием, особенно в существующих сетях. Выгоднее в отдель­ ных случаях увеличить сечение нулевого провода в пределах двукратного сечения фазных проводов.

ЗАЩИТА АСИНХРОННЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

ТЕПЛОВЫЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ

Защита электродвигателей от аварии затруднена разнообра­ зием причин перегрева: бесконтрольностью загрузки рабочих машин, колебаниями напряжения, частоты и окружающей тем­ пературы, асимметрией напряжения вплоть до потери фазы, затяжными пусками, нарушениями охлаждения и т. д.

На практике наибольшее распространение для защиты асинхронных двигателей получили тепловые реле. Для качест­ венной защиты асинхронных двигателей необходимо, чтобы ток несрабатывания защитного устройства соответствовал но­ минальному току двигателя, а постоянная времени этого устройства при всех режимах работы была бы несколько меньше (но не больше) постоянной времени двигателя.

В сельском хозяйстве в ряде случаев имеет место непра­ вильная практика использования тепловых реле со сменными нагревателями, токи уставок которых не соответствуют номи­ нальному току двигателей. Тепловые реле с током уставки меньше номинального вызывают ложные отключения электро­ двигателей, поэтому реле с такими уставками искусственно шунтируют, тем самым лишая электродвигатель защиты. Теп­ ловые реле с током уставки значительно больше номинального тока двигателя практически не обеспечивают защиту двига­ теля от перегрузок. Несоответствие тока уставок применяемой

11

тепловой защиты номинальному току двигателя в большин­ стве случаев объясняется отсутствием у потребителей необхо­ димых нагревателей.

Для защиты электродвигателей от перегрузок и работы на двух фазах в основном применяются усовершенствованные тепловые реле ТРИ, ТРН, встраиваемые в магнитные пуска­ тели.

В последние годы ведутся работы по созданию тепловых трехполюсных реле. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромеханики (ВНИИЭМ) разаботано [16] трех­ полюсное реле на токи 0,2—48 А с ускоренным срабатыва­ нием при выпадении фазы. Реле имеют температурную ком­ пенсацию, механизм регулировки тока несрабатывания. Пре­ дел регулирования номинального тока несрабатывания у этих реле — 1,5 1н , время срабатывания при 6 1н — 6-М2 с, диа­ пазон температуры окружающего воздуха от —40 до +60°С. Изменение тока уставки при изменении температуры окружаю­ щей среды на 10°С ±2% .

Для защиты асинхронных двигателей, работающих в пов­ торно кратковременных режимах, используются электромаг­ нитные реле мгновенного действия, которые настраиваются на ток срабатывания 1,1— 1,4 номинального тока электродвига­ теля [17]. Для предотвращения ложных отключений двигателей при пуске, схемы включения этих реле осуществляются таким образом, чтобы их контакты на время пуска блокировались контактами реле времени. Электромагнитное реле РЭВ-400 предназначено для защиты асинхронных двигателей, рабо­ тающих в повторно-кратковременных режимах при числе включений до 1200 в ч. Реле имеет более высокий коэффи­ циент возврата, чем реле старых выпусков. К недостаткам его следует отнести отсутствие защиты от выпадания фазы, высо­ кую трудоемкость изготовления, сложность конструкции и относительно большие габариты [16].

ВСТРОЕННАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Большое внимание уделяется вопросу применения встроен­ ной защиты с температурными датчиками обмоток,-контроли­ рующей их нагрев. Такая защита монтируется вместе с двига­ телем и не требует настройки в эксплуатации, так как температура срабатывания определяется типом датчика, за ­ кладываемого в статорные обмотки, и должна соответствовать классу нагревостойкости изоляции. Точка, при которой сопро­ тивление термодатчика резко меняется, постоянная.

Преимущества температурной защиты, ее перспективность давно известны. Однако разработка и внедрение такой защиты задерживались из-за отсутствия полупроводниковых темпера­ турных датчиков с необходимыми характеристиками.

12

Среди выпускаемых отечественной промышленностью позисторов (терморезисторов с положительным температурным коэффициентом сопротивления) для измерения температуры предпочтительней использовать позисторы СТ 6-ЗБ, имеющие малую инерционность и высокое сопротивление [18, 19]. В релейных схемах наиболее рационально применять пози­ сторы СТ 6-1А и СТ 6— 1Б, имеющие значительные величины допустимых токов.

О развитии опыта применения устройств тепловой защиты со встроенными температурными датчиками в мировой прак­ тике свидетельствует большое количество источников инфор­ мации [20—24].

Устройства встроенной тепловой защиты электродвигателей с позисторами обладают рядом преимуществ. Они допускают применение менее чувствительных реле, упрощаются схемы устройств защиты и улучшаются некоторые их параметры. Благодаря резко выраженной температурной зависимости сопротивления, позисторные датчики более надежны в работе. На рис. 7 приведена принципиальная схема встроенной тепло­ вой защиты [25] с использованием так называемого триггера Шмитта.

В литературе [26] указывается на недостатки температурной защиты со встроенными датчиками. Применение электродви­ гателей небольшой мощности приводит к увеличению их стои­ мости (например 4 кВт — на 40%), а также затрат на допол­ нительные провода и монтаж (в сельском хозяйстве электро­ двигатели мощностью до 5 кВт составляют около 70%).

Для более мощных двигателей при резком повышении тока самой большой величины достигает температура обмоток ротора.

В настоящее время ни одна защита не предохраняет элек­ тродвигатель одновременно от перегрева и пробоя изоляции обмоток, а людей и животных от поражения электрическим током при появлении опасного потенциала на металлических частях.

Предлагается [26] универсальная защита (рис. 8) от пере­ грева обмоток, пробоя изоляции и отключающая электродви­ гатель при появлении опасного потенциала на его корпусе. Защита реагирует на изменение омического сопротивления обмоток при нагреве электродвигателя и основана на принципе наложения постоянного тока на переменный ток нагрузки.

ИНЕРЦИОННЫЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

В СССР и за рубежом [27] в сельских сетях, в том числе и для защиты электродвигателей, применяются плавкие предо­ хранители.

13

Основным условием при выборе предохранителей для защиты асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором является отстройка от пускового тока. В зависимости от выполнения обмоток пусковой ток в 4—7 раз превышает номинальный ток электродвигателя. Применяемые для защиты асинхронных электродвигателей от коротких замыканий и пере­ грузок плавкие предохранители ПН2 имеют номинальный ток в 2—3 раза больше номинального тюка электродвигателя. В таких условиях уставки защиты линий завышаются, и для обеспечения защиты питающего трансформатора на стороне 0,4 кВ по номинальному току часто необходимо устанавливать трансформаторы повышенной мощности [28]. Поэтому значи­ тельный интерес представляет возможность улучшения защитных характеристик предохранителей.

За рубежом для защиты асинхронных электродвигателей применяют предохранители с инерционной время-токовой характеристикой. Защитные характеристики инерционных предохранителей должны обеспечить выбор номинального тока плавких вставок для защиты силовых сетей к наиболее близкому рабочему току цепи, в то же время выдерживая пусковые токи без старения. Характеристики необходимо согласовать с предельными тепловыми характеристиками электродвигателей, проводов и кабелей. Короткие замыкания предохранитель должен отключать с минимальным временем.

Инерционные предохранители в Советском Союзе не изго­ тавливаются. Заграничные фирмы выпускают инерционные плавкие вставки как одноэлементные, так и комбинирован­ ные. Одноэлементные плавкие вставки обладают большой разрывной способностью, токоограничением, малым измене­ нием Inorp от температуры, простой конструкцией, техноло­ гичны в изготовлении и дешевы.

В комбинированных вставках [29] токи перегрузки и токи короткого замыкания отключаются отдельными элементами. Такие конструкции обеспечивают инерционно-быстродействую­ щие характеристики. Конструкция тепловых элементов, распо­ ложение и закрепление их деталей вызывает нестабильность характеристик. Элементы, находящиеся под усилием пружин, часто разрушаются при вибрациях и ударах. В конструктив­ ном отношении они сложны, нетехнологичны в изготовлении, что препятствует их массовому производству.

В Центральной экспериментальной электролаборатории (ЦЭЭЛ) Латвглавэнерго разработаны предохранители с повы­ шенной выдержкой времени на номинальные токи от 30 до 125 А, простой конструкции, технологичные в изготовлении, взаимозаменяемые с предохранителями ПН2 [30]. На рис. 9 даны время-токовые характеристики разработанных предохра­ нителей и ПН2. На рис. 10 приведены время-токовые характе-

14

ристики предохранителей 100 А: 1 — разработан в ЦЭЭЛ Латвглавэнерго; 2 — NH (Германская Демократическая Рес­ публика); 3 — NV (Социалистическая Федеративная Респуб­ лика Югославия), 4 — ПН2. Применение инерционных предо­ хранителей в сетях с электродвигателями сравнительно боль­ шой мощности увеличивает длину линии, на которой обеспе­ чивается минимальная чувствительность защиты и позволяет снизить мощность питающих трансформаторов, ограниченных условиями защиты,

БЕСКОНТАКТНЫЕ СХЕМЫ ЗАЩИТЫ

Непрерывный прогресс электронной техники, совершенство­ вание существующих полупроводниковых и других радиоком­ понентов, уменьшение их стоимости окажут существенное влияние на развитие бесконтактных устройств защиты. Быст­ родействие и высокая чувствительность, универсальность характеристик и отсутствие контактов, максимальная стабиль­ ность параметра и характеристик, регулируемость парамет­ ров и характеристик защиты, высокие виброустойчивость

идолговечность, малое потребление мощности бесконтактных защит являются теми преимуществами, благодаря которым начинают заменять полупроводниковые схемы защиты элек­ тромагнитными реле. Однако основным критерием при выборе

иоценке использования контактной и бесконтактной защиты должна быть их экономическая эффективность. Сравнитель­ ные технико-экономические расчеты вариантов применения контактной или бесконтактной защиты должны базироваться на минимуме приведенных затрат с учетом надежности.

Бесконтактные устройства защиты должны быть макси­ мально универсальными, простыми, не требовать посторонних дорогостоящих источников питания, работать в условиях зна­ чительных толчков и вибраций, при наличии пыли, едких испарений аммиака и сероводорода, а также при повышенной влажности и изменении температуры окружающей среды — часто от минимальных зимних до максимальных летних.

Впоследние годы опубликован целый ряд описаний различ­ ных устройств с полупроводниковыми элементами для защиты

иуправления сельскими электроустройствами.

Ниже приводятся некоторые примеры выполнения защиты с полупроводниковыми элементами.

Разработана комплексная схема бесконтактного тиристор­ ного выключателя (рис. 11) для асинхронных электродвигате­ лей в сочетании с защитой электродвигателя и тиристоров от коротких замыканий, перегрузок и несимметричных режимов [31]. Асинхронный электродвигатель через такой выключатель подключается к трехфазной цепи. В качестве коммутирующего аппарата использованы симметричные тиристоры, включаемые

15

в каждую фазу. Применение симметричных тиристоров позво­ лило упростить схему выключателя и уменьшить его габа­ риты. Схема выключателя дает возможность без ее изменения управлять электродвигателями до 50 кВт.

В Центральной экспериментальной электролаборатории Латвглавэнерго [30] разработана двухступенчатая токовая защита DSA-380 с независимой выдержкой времени на бес­ контактных элементах, действующая на отключение автомата серии А 4100 (рис. 12). Полупроводниковое устройство DSA-380 является главной защитой понижающего потреби­ тельского трансформатора на стороне 0,4 кВ.

Защита имеет регулируемые уставки тока: Ступень — 10-^40 А; IIступень — ЗД-20 А; выдержка времени: Ступень —

0,1 с, IСтупень— 5-М 5 с. Бесконтактная защита имеет разброс времени срабатывания 2% при +20°С, разброс тока срабаты­ вания 2% при +20°С, температурную погрешность (при.

+40°С ч- —40°С) — 5%.

В перспективе развития бесконтактных устройств защиты

намечаются следующие пути их развития: улучшение характе­ ристик, расширение областей применения в различного рода низковольтной аппаратуре, разработка системы унифициро­ ванных блоков, позволяющих создать практически любую систему бесконтактной защиты, микроминиатюризация на основе интегральных схем.

ЗАЩИТА ОТ РАБОТЫ НА ДВУХ ФАЗАХ

Известны многочисленные предложения по защите двигате­ лей от работы на двух фазах. Однако часть из этих предложе­ ний чрезвычайно сложна для осуществления. Такие защиты имеют высокую стоимость, низкую надежность и требуют тща­ тельной наладки. При этом надежность отдельных элементов и устройства в целом оказывается ниже надежности двига­ теля. Другие же защиты, хотя и отличаются простотой и низ­ кой стоимостью, не обеспечивают достаточной чувствитель­ ности.

Всельском хозяйстве электродвигатели надежно работают

сзащитой, основанной на фазовом принципе, так как сдвиг между фазами напряжения (токами) в сети является стабиль­ ным параметром, по которому можно выявить аварийные режимы [23].

Известные до сих пор фазовые способы защиты сложны ' в изготовлении, кроме того, они защищают двигатели только от обрыва фаз.

Разработанное в Латвийской сельскохозяйственной акаде­ мии устройство с применением фазового детектора сравни­ тельно просто и дешево (рис. 13). Оно защищает электродви-

16

Ф^90°, при нормальной работе электродвигателя напряжения на выходе фазового детектора практически не будет, и реле защиты находится в нормальном состоянии. При обрыве одной из фаз (независимо в каком месте), на выходе фазового детектора появится напряжение, достаточное для срабатыва­ ния реле. Контакты реле разрывают-цепь управления магнит­ ным пускателем, и электродвигатель отключается от сети.

Если угол сдвига фаз между напряжениями отличается от 90° уже при нормальной работе электродвигателя, то на выходе фазового детектора имеется небольшое напряжение, величина которого недостаточна для срабатывания реле. Если же элек­ тродвигатель сильно перегружен, то это напряжение возрастет настолько, что реле* срабатывает и отключает его от сети. Таким образом, устройства защиты с применением фазовых детекторов защищают электродвигатели от больших перегру­ зок, а также и от работы на двух фазах.

Выв о д ы

1.Для повышения чувствительности защиты воздушных линий на потребительских подстанциях целесообразно приме­ нять трансформаторы с обмоткой звезда-зигзаг с нулем (при мощности до 400 кВА).

2.Результирующий ток однофазного короткого замыкания

итока от несимметрии нагрузок в нулевом проводе может быть меньше или больше величины тока однофазного корот­ кого замыкания, что при фактической случайной асимметрии исключает возможность надежного отключения однофазных коротких замыканий расцепителями, реагирующими на вели­

чину тока в нулевом проводе.

3. Необходимо обеспечить качество предохранителей ПН2 в соответствии с требованиями ГОСТ. Для этого все предохра­ нители должны быть заряжены качественным и тщательно уплотненным наполнителем.

4.Целесообразно широко внедрить инерционные предохра­ нители и секционирование сетей, питающих коммунально-бы­ товую нагрузку.

5.Тепловые реле типов ТРИ, ТРН являются дешевыми аппаратами для защиты электродвигателей, но требуют тща-

тельного выбора и настройки.

2 4170

6. Встроенная тепловая защита позволяет более полно ис­ пользовать перегрузочную способность электродвигателей и защищает их от недопустимого перегрева в аварийных режимах.

7.Для защиты от работы электродвигателей на двух фазах целесообразно применение защит, работающих по принципу фазового детектора.

8.Применение бесконтактных устройств защиты для элек­ тропривода в сельском хозяйстве должно обосновываться тех­ нико-экономическими расчетами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Юльков М. Г., Рослое Ю. А., Русаков В. Г. Электромеханическая про­ мышленность — сельскому хозяйству. «Электротехника», 1971, № 6.

2.Бодан А. П., Можайский Б. И. Электрификация сельскохозяйственного производства социалистических стран. «Механизация и электрифика­ ция социалистического сельского хозяйства», 1972, № 1.

3.Андрианов В. Н., Бистрицкий Д. Н. О сроках службы электродвигате­ лей и направлении работ по электротехнике..«Механизация и электри­ фикация социалистического сельского хозяйства», 1972, № 7.

4.Казимир А. П. и др. О результатах обследования электродвигателей. «Механизация и электрификация социалистического сельского хозяй­ ства», 1971, № 9.

5.Прищеп Л. Г., Панарин Н. В. Мероприятия по предупреждению выхода из строя электродвигателей. Труды Государственного ВНИ технологи­ ческого института ремонта и эксплуатации машино-тракторного парка. Т. 29, М„ ГОСНИТИ, 1971.

6.Бодин А. П. Технический прогресс и требования к электрооборудованию и электроприводу. «Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства», 1972, № 3.

7.Бодин А. П. Состояние и перспективы развития электропривода в сель­ ском хозяйстве. Научные труды по электрификации сельского хозяй­ ства ВНИИ электрификации сельского хозяйства. Т. 27, М., Научнометодический отдел ВИЭСХа, 1971.

8.Правила устройства электроустановок. М., «Энергия», 1966.

9. Голубев М. Л. Расчет уставок релейной защиты и предохранителей

всетях 0,4—35 кВ. М., «Энергия», 1969.

10.Повышение надежности работы электрических сетей. Сб. Рига, РПИ, 1972.

11.Додогорский Н. А., Ломанов В. М. Советская низковольтная аппара­ тура на выставке «Электро-72». «Электротехника», 1972, № 6.

12.Автоматические выключатели серии А. Каталог. София, Электроимпекс.

13.Пронникова М. И. Защита повышенной чувствительности от коротких

хозяйственного производства». Т. 8, М., МИИСП, 1972, вып. 3.

14. VienfazTgas Tssleguma stravas menjumu 0,4 kV gaisa vadu llnijas, ieverojot atkartotu zemejumu iespaidu. Latvglavenergo CEEL, protokols M l0-69, R., CEEL, 1969.

15.Баркан Я. Д. Несимметрия в сетях низкого напряжения. Р., ЛатИНТИ, 1970.

16.Вайнштейн Б. 3., Хейфиц Е. Б. Современные тенденции в обеспечении

защиты асинхронных двигателей. «Промышленная энергетика», 1972,

№ 2.

18