59 Защита асинхронных и синхронных двигателей напряжением выше 1000 в
Релейная защита электродвигателей, так же как и защита генераторов и трансформаторов, должна реагировать на внутренние повреждения и опасные ненормальные режимы.
Весьма важно, чтобы электродвигатели не отключались защитой при неопасных ненормальных режимах, так как такие отключения могут иметь массовый характер и нанести большой ущерб промышленности.
Защиту электродвигателей следует выполнять простой и дешевой, так как применение дорогих защит не оправдывается. Для мощных электродвигателей 2 000 кВт и выше возможно применение более сложных защит.
Особое по своей ответственности место среди электродвигателей занимают электродвигатели механизмов собственных нужд электрических станций. Отключение этих электродвигателей из-за неправильного действия защиты может нарушить нормальную работу станции, поэтому защита электродвигателей ответственных механизмов электростанций должна отличаться особой надежностью.
Большое значение для бесперебойной работы промышленных предприятий и особенно собственных нужд электростанции, имеет самозапуск электродвигателей. Самозапуск электродвигателей заключается в том, что при кратковременном понижении напряжения в сети, питающей электродвигатели, они не отключаются и после восстановления напряжения вновь разворачиваются до нормальной скорости вращения (т.е. «сами запускаются»). Наиболее часто кратковременные понижения напряжения происходят в результате к.з. и при автоматическом переключении двигателей с одного источника питания на другой в результате действия АВР.
Возможность и большая эффективность самозапуска электродвигателей впервые были доказаны в СССР. Многолетняя практика эксплуатации электродвигателей в Советском Союзе опровергла мнение о недопустимости самозапуска, и в настоящее время самозапуск электродвигателей является обязательным.
В связи с этим защита электродвигателей должна обеспечивать возможность их самозапуска, т. е. она не должна преждевременно отключать электродвигатели как при понижении напряжения, так и при его восстановлении.
Наибольшее распространение как в промышленности, так и особенно на собственных нуждах электрических станций имеют асинхронные электродвигатели. Поэтому их защите в этой главе уделяется основное внимание.
Основные виды защит, применяемых на электродвигателях
Наиболее частыми повреждениями в электродвигателях являются междуфазные к.з. в обмотках статора. Междуфазные к.з. вызывают значительные разрушения и сопровождаются понижением напряжения в питающей сети с нарушением нормальной работы остальных потребителей- Поэтому защита электродвигателей от междуфазных повреждений является обязательной.
Однофазные замыкания обмотки статора на землю менее опасны, так как сети, от которых питаются электродвигатели, как правило, работают с изолированными нейтралями. Защита электродвигателей от замыкания на землю устанавливается в тех случаях, когда ток замыкания на землю достигает 5-10 А.
Специальные защиты от витковых замыканий в одной фазе статора не применяются, так как простых способов ее выполнения на сегодняшний день не существует.
Наиболее частым ненормальным режимом для электродвигателей является перегрузка током.
Прохождение повышенных токов сверх определенного времени опасно для электродвигателей. Поэтому на электродвигателях, подверженных перегрузкам, устанавливается защита от перегрузки, которая в зависимости от условий работы и обслуживания электродвигателей выполняется действующей на сигнал, разгрузку приводимого механизма или отключение электродвигателя.
В некоторых случаях является недопустимым или нежелательным самозапуск электродвигателей при восстановлении напряжения после кратковременного его исчезновения. Такое положение может иметь место по условиям технологии производства или безопасности персонала, а также бывает необходимо для ограничения токов самозапуска путем отключения части малоответственных электродвигателей. Па таких электродвигателях устанавливается защита минимального напряжения, действующая на их отключение.
Защита асинхронных 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 защита мгновенного действия (токовая отсечка), 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.
Предохранители могут применяться на электродвигателях высокого напряжения, если только разрывная мощность предохранителей достаточна для разрыва тока к.з.
Для защиты электродвигателей целесообразно применение переменного оперативного тока, 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 асинхронных электродвигателей от замыкания одной фазы на землю.
Защита от замыкания на землю устанавливается на двигателях до 2000 кВт только в том случае, если ток замыкания на землю Iз ≤ 10 А. При этом учитывается сравнительно небольшая стоимость маломощных электродвигателей.
На мощных двигателях (2 000 кВт и больше) защита устанавливается так же, как и на генераторах при токе Iз > 5 А. Зашита выполняется с действием на отключение без выдержки времени с использованием трансформатора тока нулевой последовательности (ТНП) типа ТЗЛ или ТЗРЛ.
Защита асинхронных электродвигателей от перегрузки.
Перегрузка электродвигателя возникает в следующих случаях:
а) при затянувшемся пуске или самозапуске;
б) по технологическим причинам и перегрузке механизмов;
в) в результате обрыва одной фазы;
г) при повреждении механической части электродвигателя или механизма, вызывающем увеличение момента Mc 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 скорости вращения.
Значительное увеличение тока электродвигателя получается также при обрыве фазы, что встречается, например, у электродвигателей, защищаемых предохранителями, при перегорании одного из них. При номинальной загрузке а 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.
а) На электродвигателях механизмов, не подверженных технологическим перегрузкам (например, электродвигателях циркуляционных, питательных насосов и т.п.) и не имеющих тяжелых условий пуска или самозапуска, защита от перегрузки не устанавливается.
б) На электродвигателях подверженных технологическим перегрузкам (например, электродвигателях мельниц, дробилок, багерных насосов и т.п.), а также на 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.
Защита асинхронных электродвигателей от понижения напряжения.
Защита минимального напряжения устанавливается на электродвигателях, которые необходимо отключать при понижении напряжения для обеспечения самозапуска ответственных 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.
Синхронные двигатели. На синхронных электродвигателях устанавливаются следующие защиты:
а) от междуфазных повреждений в статоре;
б) от замыканий обмотки статора на землю;
в) от перегрузки;
г) от асинхронного режима;
д) от понижения напряжения.
Защита от междуфазных повреждений является основной и обязательной защитой любого синхронного двигателя. Она выполняется мгновенной в виде токовой отсечки или продольной дифференциальной защиты по такой же схеме, как и у асинхронных электродвигателей. Отличие заключается только в том, что защита синхронного электродвигателя одновременно с выключателем отключает АГП. Ток срабатывания отсечки отстраивается от пусковых токов и токов самозапуска электродвигателя. При этом в случае прямого пуска синхронного электродвигателя от сети пусковые токи его за счет меньшего реактивного сопротивления часто получаются большими, чем у равновеликих по мощности асинхронных двигателей.
Крупные синхронные электродвигатели оборудуются обычно продольной дифференциальной защитой. В целях упрощения на электродвигателях до 5000 кВа дифференциальную защиту выполняют двухфазной. На более мощных электродвигателях защиту устанавливают на трех фазах, что позволяет обеспечить быстрое отключение электродвигателя при двойном замыкании на землю (одно в электродвигателе и второе в сети).
Защита от замыканий обмотка статора электродвигателя на землю применяется при токах замыкания на землю больше 10 А. Защита выполняется с действием на отключение таким же образом, как у асинхронных электродвигателей, и поэтому в данном разделе подробнее не рассматривается.
Защита электродвигателя от перегрузки осуществляется при помощи токового реле, включенного в одну фазу. При наличии постоянного дежурного персонала защита может выполняться с действием на сигнал с Iс.з = 1,25Iном и выдержкой времени, превышающей по возможности время затухания пусковых токов. При отсутствии дежурного персонала защиту от перегрузки рекомендуется выполнять двумя комплектами, один из которых действует на сигнал, а второй, более грубый - на отключение. Сигнал о перегрузке подается для вызова персонала, который должен прийти в помещение, где находится электродвигатель, и принять меры по его разгрузке. Отключающий комплект выполняется с Iс.з = (1,5-1,75)Iном и выдержкой времени, отстроенной от пусковых токов. На электродвигателях с частыми перегрузками может применяться защита с тепловыми реле, действующими на отключение. Однако тепловые реле следует использовать только в крайних случаях ввиду их относительной сложности и только при условии надежности конструкции и достаточной стабильности характеристики.
Защита от асинхронного режима выполняется реагирующей на колебания тока в статоре или роторе двигателя, возникающие в этом режиме (рис. 18-20).
Самой простой защитой является токовая. Она выполняется при помощи зависимого токового реле или посредством мгновенного токового реле, действующего на вспомогательное промежуточное реле с замедленным размыканием контактов.
Защита от понижения напряжения является вспомогательной и устанавливается только в следующих случаях:
1) на электродвигателях неответственных механизмов для облегчения самозапуска ответственных электродвигателей;
2) на электродвигателях, самозапуск которых оказывается возможным;
3) на электродвигателях ответственных механизмов, произвольный самозапуск которых недопустим по условиям технологии производства или техники безопасности.
Схема защиты выполняется так же, как и асинхронных электродвигателей и синхронных компенсаторов.