Н.В. Чернобровов Релейная защита

легко может быть определено предельное снижение напряжения Uпред, при котором еще сохраняется устойчивая работа. Действительно, учитывая соотношение (18-5) и полагая Мд.НОм = Мс, имеем:

а принимая во внимание выражение (18-2), из (18-6) получаем:

Электродвигатели, приводящие механизмы с зависимым от частоты вращения моментом Мс (кривая 3 на рис. 18-5), во многих случаях сохраняют устойчивую работу даже при большом снижении напряжения питания.

После отключения к. з. напряжение питания восстанавливается до нормального значения или из -за повышенного тока электродвигателей оказы вается несколько ниже этого значения и момент, развиваемый электродвигателем, определяется кривой 1" (рис. 18-5). Дальнейшее поведение электродвигателя будет зависеть от скольжения, имевшего место в момент восстановле ния напряжения, и соответствующих ему значений Мл и Мс. При Мд > Мс электродвигатель развернется до нормальной частоты вращения, а при Мд < Мс будет продолжать тормозиться до полной остановки. В этом случае электродвигатель нео б- ходимо отключить, так как он будет потреблять пусковой ток, не имея возможности развернуться.

С а м о з а п у с к э л е к т р о д в и г а т е л е й несколько тяжелее обычного пуска. Объясняется это тем, что при самозапуске электродвигатели пускаются нагруженными, а электродвигатели с фазным ротором пускаются без пускового реостата в цепи ротора, что уменьшает их пусковой момент и увеличивает пусковой ток, и, наконец, пускается большое количество электродвигателей одновременно, что вызывает падение напряжения в питающей сети от суммарного пускового тока. Все это снижает пусковой момент и утяжеляет процесс пуска.

Самозапуск короткозамкнутых электродвигателей, а тем более электродвигателей с глубоким пазом и двойной обмоткой ротора проходит сравнительно легко. Опыт эксплуатации показывает, что самозапуск электродвигателей с фазным ротором неопасен для этих двигателей и возможен даже при условии, что пусковой момент при отсутствии пускового сопротивления в роторе больше момента сопротивления механизма.

Для обеспечения самозапуска необходимо выполнение двух условий:

а) Начальное значение восстановившегося напряжения должно быть д остаточным для развертывания электродвигателей или, иначе говоря, при начальном значении восстановившегося напряжения (Uд) должно обеспечиваться условие

б) Защита электродвигателей не должна их отключать под действ ием тока самозапуска. Проведенные исследования показали, что самозапуск электродвигателей собственных нужд электро-

станций возможен даже в тех случаях, когда в первый момент после восстановления напряжения вел и- чина его составляет 0,55 Uном. При этом продолжительность самозапуска всех электродвигателей составляет 30—35 с, что допустимо по условиям их нагрева.

18-4. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ МЕЖДУ ФАЗАМИ

Защита от к. з. между фазами является основной защитой электродвигателей, и установка ее обязательна во всех случаях.

В качестве защиты электродвигателей от к. з. применяется максимальная токовая защи-

472

та мгновенного действия ( т о к о в а я о т с е ч к а ) , отстроенная от пусковых токов и токов самозапуска электродвигателей. При недостаточной чувствительности токовой отсечки на мощных электродвигателях 2000 кВт и больше, имеющих шесть выводов, может применяться дифференциальная токовая защита. На электродвигателях 5000 кВт и более установка дифференциальной защиты считается обязательной.

Электродвигатели напряжением 500 В и ниже, как правило, защищаются от к. з. плавкими предохранителями. Предохрани тели могут применяться и на электродвигателях бо- лее-высокого напряжения, если только разрывная мощность предохранителей достаточна для разрыва тока к. з. Для защи-

ты электродвигателей целесообразно применение переменного оперативного тока (рис. 18-6, а), а также реле прямого действия, что упрощает вторичную коммутацию и дает существенную экономию контрольного кабеля ввиду большого количества электродвигателей на предприятиях и электростанциях.

Защита от к. з. выполняется, как правило, двухфазной, так как токи замыкания на землю в сетях, от которых питаются двигатели, обычно невелики. При этом трансформаторы тока целесообразно ставить около выключателя со стороны двигателя. Во всех случаях, когда это возможно по чувствительности, преимущество отдается однорелейной схеме защиты (трансформаторы тока включаются на разность токов двух фаз).

Защита по схеме на рис. 18-6, а, выполненная при помощи реле типа РТ-86, применяется для электродвигателей, подверженных перегрузке. При этом отсечка используется в качестве защиты от к. з., а индукционный элемент — для защиты от перегрузки.

Реле РТ-86 имеют два независимых контакта: один — у индукционного элемента (сигнальный), другой — у отсечки, действующий на отключение. Контакт отсечки достаточно мощен и может действовать на отключение выключателя непосредственно. На электродвигателях, не подверженных перегрузкам, устанавливается токовое реле типа РТ по схеме на рис. 18-6, б. Контактная система его не может работать на катушку отключения. Поэтому в схеме предусмотрено промежуточное реле.

В случаях, когда однорелейная схема защиты электродвигателей не обеспечивает требуемой чувствительности при двухфазных к. з. (что может иметь место на крупных электродвигателях с большими пусковыми токами), применяется двухрелейная схема защиты (рис. 18-7).

Схема защиты на рис. 18-7 более чувствительна к двухфазным к. з., чем схема на рис. 18 -6.

Д и ф ф е р е н ц и а л ь н а я з а щ и т а электродвигателей приведена на рис. 18-8. Дифференциальная защита дает возможность получить значительно большую чувствительность, чем максимальная токовая защита, так как броски тока от электродвигателя при внешних к. з. и токи пуска и самозапуска, от которых отстраивается максимальная токовая защита, в схеме дифференциальной защиты оказываются сбалансированными.

Т о к с р а б а т ы в а н и я т о к о в о й о т с е ч к и от междуфазных к. з. отстраивается от бросков тока, посылаемых электродвигателем в первый момент к. з. в сети, питающей двигатель, и от пус-

473

кового тока электродвигателя при полном напряжении питающей сети и выведенном пусковом сопротивлении в цепи ротора (для электродвигателей с фазным ротором).

Определяющим, как правило, является второе условие.

Е с л и з а щ и т а в ы п о л н е н а п р и п о м о щ и б ы с т р о д е й с т в у ю щ и х р е л е т и п а РТ, имеющих достаточно высокий коэффициент возврата (порядка 0,85), то для отстройки от апериодической составляющей пускового тока устанавливается промежуточное реле, замедляющее действие защиты на 0,04—0,06 с. Ток срабатывания защиты в этом случае выбирают из условия возврата реле ЭТ или РТ при максимальном значении периодического пускового тока Iп.пуск, учитывая, что апериодическая составляющая пускового тока затухает до того, как успеет подействовать промежуточное реле защиты. Первичный ток срабатывания защиты равен:

Коэффициент kн обычно принимается равным 1,2. Максимальное значение периодической составляющей пускового тока Iп.пуск берется по данным завода или определяется путем испытаний.

З а щ и т а , вы п о л н е н н а я с р е л е т и п а Р Т - 8 0, имеющим большую инерционность и плохой коэффициент возврата отсечки (порядка 0,3—0,4), сработав вод влиянием первоначального броска пускового тока, не сможет вернуться после затухания его апериодической составляющей. Поэтому ток срабатывания подобных реле отстраивается от максимального значения пускового тока Iд.пуск. Первичный ток срабатывания принимается равным:

где kн — коэффициент надежности, обычно принимаемый равным 1,2; 1,8 — коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую пускового тока. Вторичный ток срабатывания защиты находится по формуле

где kсх — коэффициент схемы, учитывающий схему соединения трансформаторов тока, используемых для защиты; при соединении трансформаторов тока на разность токов

двух фаз (рис. 18-6) kсх = 3 , а при соединении их по схеме неполной звезды (рис. 18-7) kсх = 1; nт — коэффициент трансформации трансформаторов тока защиты.

Т о к с р а б а т ы в а н и я д и ф ф е р е н ц и а л ь н о й з а щ и т ы д в и г а т е - л е й при условии идентичности трансформаторов тока дифференциальной схемы и выбора их по кривым 10%-ной кратности принимается равным:

Чувствительность защиты от междуфазных к. з. электродвигателя оценивается коэффициентом чувствительности, представляющим собой отношение тока металлического двухфазного к. з. на выводах двигателя при минимальном режиме работы питающей сети к первичному току срабатывания защиты двигателя:

18-5. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ЗАМЫКАНИИ ОДНОЙ ФАЗЫ НА ЗЕМЛЮ

Защита от замыкания на землю устанавливается на двигателях до 2000 кВт только в том случае, если ток замыкания на землю I3 ≥10 А. В связи с небольшой стоимостью маломощных электродвигателей установка на них защиты от замыканий на землю считается нецелесообразной.

На мощных двигателях (2000 кВт и больше) защита устанавливается так же, как и на

474

генераторах при токе I3≥ 5 А. Защита выполняется с действием на отключение без выдержки времени (рис. 18-9) с использованием трансформатора тока нулевой последовательности (ТНП) типа ТЗЛ или ТЗРЛ.

18-6. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ

Перегрузка электродвигателя возникает в следующих случаях: а) при затянувшемся пуске или самозапуске; б) по техническим причинам и перегрузке механизмов; в) в результате обрыва одной фазы;

г) при повреждении механической части электродвигателя или механизма, вызывающем увеличение момента Мc и торможение электродвигателя.

Перегрузки бывают устойчивыми и кратковременными. Для электродвигателя опасны только устойчивые перегрузки.

Сверхтоки, обусловленные пуском или самозапуском электродвигателя, кратковременны и самоликвидируются при достижении нормальной частоты вращения. Эти токи могут представлять опасность, только если процесс развертывания электродвигателя затянется или если при самозапуске окажется, что Мд.нач < Мс.нач. В по-

следнем случае электродвигатель развернуться не сможет и длительно будет обтекаться пусковым током.

Значительное увеличение тока электродвигателя получается также при обрыве фазы, что встречается, например, у электродвигателей, защищаемых предохранителями, при перегорании одного из них. При номинальной загрузке в зависимости от параметров электродвигателя увеличение тока статора при обрыве фазы будет составлять примерно (1,6 ÷2,5) Iном. Эта перегрузка носит устойчивый характер. Также устойчивый характер носят сверхтоки, обусловленные механическими повреждениями электродвигателя или вращаемого им механизма и перегрузкой механизма.

Основной опасностью сверхтоков для электродвигателя является сопровождающее их повышение температуры отдельных частей и в первую очередь обмоток.

Повышение температуры ускоряет износ изоляции обмоток и снижает срок службы электродвигателя.

Перегрузочная способность электродвигателя определяется характеристикой зависимости между величиной сверхтока и допускаемым временем его прохождения:

где t — допустимая длительность перегрузки, с; Т — постоянная времени нагрева, с; α

— коэффициент, зависящий от типа изоляции двигателя, а также периодичности и характера сверхтоков; для асинхронных электродвигателей в среднем а = 1,3; k — кратность сверхтока, т. е. отношение тока д вигателя Iд к его номинальному току:

475

электродвигателях, самозапуск которых, не обеспечивается, защита от перегрузки должна устанавливаться.

в) Защита от перегрузки выполняется с действием на отключение в случае, если не обеспечивается самозапуск электродвигателей или с механизма не может быть снята технологическая перегрузка без остановки электродвигателя.

г) Защита от перегрузки электродвигателя выполняется с действием на разгрузку механизма или сигнал, если технологическая перегрузка может быть снята с механизма автоматически или вручную персоналом без остановки механизма и электродвигатели находятся под наблюдением персонала.

д) На электродвигателях механизмов, могущих иметь как перегрузку, устраняемую при работе механизма, так и перегрузку, устранение которой невозможно без остановки механизма, целесообразно предусматривать действие защиты от сверхтоков с меньшей выдержкой времени на разгрузку механизма (если это возможно) и большей выдержкой времени на отключение электродвигателя. Ответственные электродвигатели собственных нужд электрических станций находятся под постоянным наблюдением дежурного персонала, поэтому защита их от перегрузки выполняется преимущественно с действием на сигнал.

Защиту электродвигателей, подверженных технологической перегрузке, желательно иметь такой, чтобы она, с одной стороны, защищала от недо-

пустимых перегрузок, а с другой — давала возможность наиболее полно использовать перегрузочную характеристику электродвигателя с учетом предшествовавшей нагрузки и температуры окружающей среды. Наилучшей характеристикой защиты от сверхтоков являлась бы такая, которая проходила бы несколько ниже перегрузочной характеристики

(пунктирная кривая на рис. 18-10).

З а щ и т а с т е п л о в ы м р е л е . Лучше других могут обеспечивать характеристику, приближающуюся к перегрузочной характеристике электродвигателя, тепловые реле, которые реагируют на количество тепла Qр, выделенного в сопротивлении его нагревательного элемента:

Тепло, выделяемое в тепловом реле, пропорционально теплу, выделяемому в электродвигателе, т. е. Qр ≡Qд

Реле настраивается так, чтобы его уставка срабатывания соответствовала теплу, выделение которого в электродвигателе считается предельно допустимым:

Наиболее часто тепловые реле выполняются на принципе использования различия в коэффициенте линейного расширения различных металлов под влиянием нагревания. Основой такого теплового реле, является биметаллическая пластинка 1 (рис. 18-11), т. е. пластина, состоящая из спаянных по всей поверхности металлов а и б с сильно отличающимися коэффициентами линейного расширения. При нагревании пластинка 1 прогибается в сторону пластины а с меньшим коэффициентом расширения и освобождает защелку рычага 2, который, поворачиваясь, под действием пружины 3 вокруг оси 5 за мыкает контакты реле 4. Нагревание пластинки 1 осуществляется нагревательным эле-

ментом 6 при прохождении по нему тока I. В некоторых конструкциях реле нагревание биметаллической пластинки осущест-

476

вляется непосредственным пропусканием по ней тока.

Тепловые реле сложны в обслуживании и наладке, имеют различные характеристики отдельных экземпляров реле, часто не соответствуют тепловым характеристикам двигателей и имеют зависимость от температуры окружающей среды, что приводит к нарушению соответствия тепловых характеристик реле и электродвигателя. Поэтому тепловые реле следует применять лишь в тех случаях, когда более простые токовые реле не обеспечивают защиты двигателей.

З а щ и т а от п е р е г р у з к и с т о к о в ы м и р е л е . Для защиты электродвигателей от перегрузки обычно применяются максимальные токовые защиты с использованием токовых реле с ограниченно зависимыми характеристиками выдержки времени типа РТ-90 или максимальные токовые защиты, выполненные комбинацией мгновенных токовых реле и реле времени (рис. 18-12).

Преимуществами токовых защит по сравнению с тепловыми являются более простая эксплуатация их и более легкий подбор и регулировка характеристик защиты. Однако токовые защиты не позволяют использовать перегрузочные возможности электродвигателей из-за недостаточного времени действия их при малых кратностях тока. Для двигателей, не имеющих технологических перегрузок, этот недостаток не имеет значения, поэтому на собственных нуждах электростанций применяются только токовые защиты.

Защита от перегрузки выполняется одним токовым реле, включенным на один из фазовых токов, или по двухфазной однорелейной схеме (рис.,18-6), когда по этой же схеме выполнена защита от междуфазных к. з.

В случае выполнения защиты от междуфазных к. з. при помощи токовых реле типа РТ-90 эти же реле используются и для защиты от перегрузки. Если при этом защита от сверхтоков должна действовать не на отключение, а на сигнал, то применяются реле типа РТ-94, имеющие раздельные контакты отсечки и индукционного элемента. Схема защиты в таком исполнении приведена на рис. 18-12, а.

Т о к с р а б а т ы в а н и я м а к с и м а л ь н о й т о к о в о й з а щ и т ы от п е - р е г р у з к и устанавливается из условий отстройки его от номинального тока электродвигателя по выражению

В р е м я д е й с т в и я з а щ и т ы от п е р е г р у з к о й должно быть таким, чтобы оно было больше времени пуска электродвигателя при эксплуатационно возможном понижении напряжения, а у электродвигателей, для которых предусмотрен самозапуск, — больше времени самозапуска. С другой стороны, это время не должно превышать доп у- стимой для двигателя длительности прохождения сверхтока.

Обычно эти условия удовлетворяются, так как первая величина значительно меньше второй.

Время пуска асинхронных электродвигателей обычно составляет 10—15 с. Поэтому характеристика реле типа РТ-90 должна иметь в независимой части время, не меньшее 12—15 с. На защите от перегрузки с независимой характеристикой выдержка времени

477

принимается 12—20 с.

18-7. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ПОНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Защита минимального напряжения устанавливается на электродвигателях, которые необходимо отключать при понижении напряжения для обеспечения самозапуска о т

ве т с т в е н н ы х электродвигателей или самозапуск которых при восстановлении напряжения недопустим по условиям техники безопасности или особенностям технологического процесса.

На электростанциях к ответственным относятся такие электродвигатели, отключение которых вызывает снижение нагрузки или остановку станции. К ним относятся электродвигатели питательных, конденсатных и циркуляционных насосов, электродвигатели дымососов, дутьевых вентиляторов и питателей пыли.

Неответственными считаются электродвигатели, отключение которых не отражается на нагрузке станции, например электродвигатели мельниц на станциях с промежуточными бункерами, багерных насосов и т. п.

Если мощность всех ответственных электродвигателей превышает допустимую мощность по условию самозапуска, то при понижении напряжения необходимо отключать и некоторые ответственные электродвигатели.

По истечении времени, достаточного для развертывания неотключаемых электродвигателей, отключенные ответственные электродвигатели можно включать обратно при помощи АПВ.

Схемы защиты минимального напряжения должны обеспечивать отключение электродвигателей как при полном исчезновении напряжения, так и при длительном коротком замыкании в сети, вызывающем торможение двигателей.

Отключение электродвигателей при исчезновении напряжения обеспечивается установкой одного реле минимального напряжения, включенного на линейное напряжение

(рис. 18-13).

За щ и т а с о д н и м р е л е напряжения надежно реагирует на трехфазные к. з. Однако при двухфазных к. з. защита с одним реле действует только при к. з. между фазами, на которые включено реле. Так, если реле включено на напряжение UАВ (рис. 18-14), то

вслучае замыкания между фазами В и С напряжение UАВ снижается незначительно. Оно составляет 1,5 Uф, т. е. уменьшается всего на 15% номинального значения.

Поскольку по условию возврата минимального напряжения уставка на нем не может быть выше 70—80% номинального напряжения сети, то защита в рассматриваемом случае действовать не будет. Такое же положение имеет место в случае к. з. между фазами А и С.

Для обеспечения работы защиты при всех случаях двух фазного к. з. иногда применяется трехфазная схема, показанная на рис. 18-15. Эту схему применяют в сетях, где возможно длительное отключение к. з., сопровождаемых снижением напряжения ниже

70%. В сетях, оснащенных быстродействующей защитой или имеющих на линиях реакторы, необходимость в защите, реагирующей на понижение напряжения при к. з. отпада-

ет. Поэтому, как правило, применяется более простая однофазная схема (рис. 18-13). Существенным недостатком защиты минималь-

ного

напряжения является возможность ее неправильной работы в случае обрыва цепей напряжения, чаще всего возникающего при перегорании предохранителей в этих цепях. Поэтому защита по схеме рис. 18-13 и 1815 применима лишь для неответственных электродвигателей.

Во избежание ложного отключения электродвигателей при обрыве цепи напряжения в ответственных

478

установках применяются схемы с двумя комплектами реле напряжения, включенными на разные трансформаторы напряжения (рис. 18-16) или разные линейные напряжения одного и того же трансформатора напряжения (рис. 18-17).

Контакты реле обоих комплектов соединяются последовательно. Поэтому при нарушении цепи, питающей один комплект реле, защита не может подать импульс на отключение двигателей.

В случае же исчезновения питающего напряжения защита приходит в действие. В схеме, приведенной на рис. 18-17, действие защиты возможно только при полном исчезновении первичного напряжения или трехфазном коротком замыкании в сети.

Схема с питанием реле от разных трансформаторов напряжения (рис. 18-16) более надежна, поскольку одновременное повреждение цепей двух разных трансформаторов напряжения практически исключено. При включении реле на разные фазы одного трансформатора напряжения имеется возможность одновременного снижения напряжения на обоих реле при обрыве средней фазы цепей напряжения, к которой присоеди-

нены оба реле (рис. 18-17).

Для уменьшения вероятности такого обрыва в средней фазе вторичной цепи предохранитель не устанавливается. Кроме того, опасность неправильного действия защиты по схеме на рис. 18-17 при обрыве одного провода с высокой или низкой стороны трансформатора напряжения устраняется выбором напряжения срабатывания реле защиты меньше 50% номинального напряжения.

479

Для экономии аппаратуры защита минимального напряжения часто выполняется в ви-

де групповой защиты, т. е. действующей сразу на группу электродвигателей.

При необходимости отключать от одной защиты минимального напряжения несколько электродвигателей с разными выдержками времени в схеме предусматривается соответствующее количество реле времени.

Например, с первой выдержкой времени 0,5—0,7 с отключается группа электродвигателей для обеспечения самозапуска секции, со второй выдержкой времени порядка 6—10 с защита действует на выключатели электродвигателей, отключение которых необходимо по условиям технологии производства, техники безопасности или для запуска АВР двигателей.

Н а п р я ж е н и е с р а б а т ы в а н и я з а щ и т ы м и н и м а л ь н о г о н а п р я - ж е н и я выбирается таким, чтобы обеспечивался самозапуск ответственных электродвигателей. Это напряжение определяется путем расчетов или на основании специальных испытаний.

Как указывалось, самозапуск электродвигателей, как правило, обеспечивается при напряжении на шинах порядка 55% Uном. Поэтому напряжение срабатывания защиты должно иметь величину порядка 60—70% Uном.

В ы д е р ж к а в р е м е н и з а щ и т ы м и н и м а л ь н о г о н а п р я ж е н и я определяется ее назначением:

а) Выдержка времени защиты, предназначенной для облегчения самозапуска ответственных электродвигателей, в целях убыстрения и повышения эффективности самозапуска принимается минимальной и отстраивается только от времени дей ствия мгновенных защит электродвигателей:

б) Выдержка времени защиты, предназначенной для отключения двигателей по условиям технологии производства и техники безопасности, принимается достаточно большой, с тем, чтобы отключение двигателей происходило только при длительной посадке напряжения или его исчезновении:

18-8. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ НИЖЕ 1000 В

Защита электродвигателей напряжением 500, 380 и 220 В осуществляется, исходя из тех же требований, что и электродвигателей более высоких напряжений.

Для этих электродвигателей применяются: а) мгновенная защита от междуфазных к. з.; б) защита от перегрузки; в) защита минимального напряжения.

Защита от междуфазных к. з. и перегрузки, как и аналогичные защиты электродвигателей высокого напряжения, должна надежно отстраиваться от пусковых токов и токов самозапуска.

Однако часто при небольшой мощности электродвигателей ниже 1 000 В и во многих случаях малоответственных двигателей защиты имеют свои особенности, а именно: а) для них в значительно большей мере применяется защита предохранителями; в ряде других случаев допускаются схемы соединения, при которых отключение к. з. в одном электродвигателе осуществляется выключателем, установленным на ответвлении, питаю-

щем несколько, электродвигателей; для защиты минимального напряжения широкое распространение имеют магнитные пускатели.

Магнитными пускателями называются обычно трехфазные автоматические выключатели низкого напряжения (контакторы), рассчитанные на разрыв нормального рабочего тока двигателя и тока его пере грузки. Отключение токов к. з. при применении маг-

480