Методы защиты от аварийных режимов

Методы защиты от аварийных режимов.

 

Стремясь защитить двигатели от аварийных режимов, еще с середины прошлого века в энергетике стали применять различную релейную защиту: тепловую, токовую, температурную, фильтровую и комбинированную. Многолетний опыт эксплуатации АД показал, что большинство существующих защит не обеспечивают безаварийную работу АД. Так, например, тепловые реле рассчитывают на длительную перегрузку 25-30% от номинальной. Но, чаще всего, они срабатывают при обрыве одной фазы при нагрузке 60% от номинальной. При меньшей нагрузке реле не срабатывает и АД продолжает работать на двух фазах и выходит из строя в результате перегрева изоляции обмоток. Правильный выбор защитного устройства – это важный фактор в обеспечении безопасной эксплуатации АД.    

 Приборы защиты АД от аварийных  режимов можно разделить на  несколько видов:

а) тепловые защитные устройства: тепловые реле, расцепители;

а) токозависимые защитные устройства: плавкие предохранители, автоматы;

в) термочувствительные защитные устройства: термисторы, термостаты;

г) защита от аварий в электросети: реле напряжения и контроля фаз, мониторы сети;

д) приборы МТЗ (максимальной токовой защиты), электронные токовые реле;

е) комбинированные устройства защиты.

Высокие показатели надежности и долговечности АД возможны только при условии их эксплуатации при номинальных или близких к ним режимах, что можно обеспечить только установкой надлежащей защиты. Все из перечисленных в первой части статьи защитных устройств (см. «Новости Электротехники» №2(32) 2005 г.), служат для быстрого, в течение доли секунды, определения характера и степени повреждения двигателя и локализации аварийного участка путем отключения его от остальной схемы электроснабжения. Но, вместе с тем, каждое из них имеет и целый ряд существенных недостатков, влияющих на качество их работы: одни отличаются неоправданной избирательностью, у других отсутствует отстройка от процесса пуска, третьи не реагируют на токи к. з. или перегруза и т. д. Для того, чтобы правильно выбрать защитное устройство, необходимо знать, как и от каких аварий защищает конкретное устройство, принцип их действия и конструктивные особенности.

Токозависимые защитные устройства: предохранители, автоматические выключатели (автоматы).

 

Предохранители - предназначены для защиты электрических сетей от перегрузок и коротких замыканий [1]. Конструктивно они состоят из корпуса из электроизоляционного материала и плавкой вставки, выбираемой из такого расчета, чтобы она плавилась прежде, чем температура двигателя достигнет опасных пределов в результате протекания токов перегруза или к. з. Включаются предохранители последовательно защищаемой сети.

Основной характеристикой плавкой вставки является зависимость времени ее перегорания от тока. Здесь, I ном – номинальный ток плавкой вставки, при котором она работает длительно, не нагреваясь выше допустимой температуры; Imin – наименьший ток, расплавляющий вставку в течение длительного времени (1-2 ч); I10–ток, при котором расплавление вставки и отключение сети происходит через 10 с, после установления тока

При графическом изображении токо-временной характеристики плавких предохранителей, по оси абсцисс иногда откладывают не абсолютное значение тока, а его кратность относительно номинального.

При защите короткозамкнутых АД следует учитывать, что пусковой ток двигателя в 5-7 раз больше номинального, а время пуска электродвигателя равняется нескольким секундам [2]. Номинальный ток плавкой вставки с учетом пускового тока определяется по формуле:

Iном = kпIn/α,(2)

гдеkп– кратность пускового тока электродвигателя по отношению к номинальному;In– номинальный ток электродвигателя, А;α –коэффициент, зависящий от условий пуска электродвигателя.

Для двигателей с нормальными условиями пуска (редкие пуски и временем разгона 5-10 с),α=2,5; для двигателей с тяжелыми условиями пуска (частые пуски и большая длительность разгона)α=1,6-2.

Как следует из формулы (2), предохранители способны защитить АД, только от токов короткого замыкания, в 10-100 раз превышающие номинальные токи. Токи же перегруза или другие токовые аварии, они будут воспринимать как пусковые токи, не реагируя на них. В лучшем случае, они способны отключить электродвигатель только через несколько минут, что может привести к перегреву обмоток и к аварии АД. Поэтому, для защиты электродвигателей от короткого замыкания в нем самом или в подводящем кабеле, используют предохранители типа аМ с более пологой токо-временной характеристикой [2]. Они способны выдерживать, не расплавляясь, токи в 5-10 раз превышающие номинальные в течение 10 с, что вполне достаточно для запуска двигателя. Для защиты от перегрузки необходимо использовать другие устройства.

Предохранители абсолютно не способны защищать от аварий, связанных с авариями сетевого напряжения, от аварий, связанных с нарушением режимов работы АД или тепловым перегрузом, а также от режима холостого хода двигателя. В то же время, при однофазном к. з., а иногда при сильном перекосе фаз они, как правило, отключают только одну фазу, что приводит к аварийному режиму работы на двух фазах.

 

 

Автоматические выключатели.

Предназначены для включения и отключения асинхронных электродвигателей и других приемников электроэнергии, а также для защиты их от токов перегрузки и короткого замыкания [3].

Автоматы совмещают в себе функцию рубильника, предохранителя и теплового реле. Обеспечивают одновременное отключение всех трех фаз в случае возникновения аварийных ситуаций. В рабочем режиме включение и отключение производится вручную; в аварийном режиме он отключается автоматически электромагнитным или тепловым расцепителем.  Важной составной частью автомата является расцепитель, который контролирует заданный параметр защищаемой сети и воздействует на расцепляющее устройство, отключающее автомат. Наибольшее распространение получили расцепители следующих типов:

• электромагнитные, для защиты от токов короткого замыкания;
• тепловые для защиты от перегрузок;
• комбинированные;

Электромагнитный расцепитель состоит из катушки с подвижным сердечником и возвратной пружины. При протекании по катушке тока короткого замыкания сердечник мгновенно втягивается и воздействует на отключающую рейку механизма свободного расцепления.

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, соединенную последовательно с контактом. При нагревании ее током перегрузки она изгибается и воздействует на отключающую рейку механизма свободного расцепления с обратно-зависимой выдержкой времени.

Выбор автоматических выключателей производится по номинальному току, характеристике срабатывания, отключающей способности, условиям монтажа и эксплуатации. Правильный выбор характеристики автоматического выключателя является залогом его своевременного срабатывания.

В соответствии со стандартами IEC 898 (стандарт международной электротехнической комиссии) и EN 60898 (европейская норма) по характеристикам срабатывания выключатели бывают трех типов:B, C, D.

Для обеспечения контроля за другими видами аварий автоматические выключатели снабжают целым рядом дополнительных устройств.

Расцепитель минимального напряжения отключает автомат при недопустимом снижении напряжения, ниже 0,7Uн, расцепитель нулевого напряжения срабатывает при напряжении в сети менее 0,35Uн, где Uн – номинальное напряжение в сети.

Независимый расцепитель предназначен для дистанционного отключения автоматического выключателя, электромагнитный привод для дистанционного оперирования выключателем. Расцепитель токов утечки на землю обеспечивает непрерывный контроль за состоянием изоляции установки, защиту от опасности возгорания или взрыва.

Специально для защиты электродвигателей были разработаны так называемые мотор-автоматы. В отличие от стандартного автомата, мотор-атоматы имеют целый ряд особенностей:

• номинальный ток электромагнитного расцепителя составляет 12-14 Iнр, что соответствует режиму работы на индуктивную нагрузку (AC-3);
• высокую электродинамическую стойкость до 100 кА;
• рычаг или кнопки управления электроприводом на корпусе;
• встроенные или навесные быстромонтируемые дополнительные контакты, срабатывающие при перегрузках.

Разнесение функций защитных устройств на несколько независимых устройств создает массу неудобств при монтаже и эксплуатации. Каждое из них не обладает универсальностью и подходит только к конкретному автоматическому выключателю. Поэтому перед разработчиками остро встала проблема создания универсального устройства.

Последние поколения автоматических выключателей снабжены т.н. электронными расцепителями, осуществляющими комплексную защиту электродвигателя и объединяющими в одном устройстве функции всех вышеперечисленных расцепителей [4]. Они выполнены на базе микропроцессорной техники, гарантируют высокую точность срабатывания, надежность и устойчивость к температурным режимам. Электропитание, необходимое для правильной работы, обеспечивается непосредственно трансформаторами тока расцепителя.

Защитные расцепители состоят из трех или четырех трансформаторов тока (в зависимости от типа сети), электронного блока и механизма расцепления, который воздействует непосредственно на механизм выключателя. Для управления магнитным пускателем дополнительно потребуется вспомогательный блок управления, позволяющий управлять контактором в случае аварии (за исключением короткого замыкания).

 

Тепловые защитные устройства: тепловые реле .

 

Тепловые реле - применяются для защиты электродвигателей от перегрузок недопустимой продолжительности, а также от обрыва одной из фаз.

Конструктивно представляют собой набор биметаллических расцепителей (по одному на каждую фазу), по которым протекает ток электродвигателя, оказывающий тепловое действие. Под действием тепла происходит изгиб биметаллической пластины, приводящий в действие механизм расцепления. При этом происходит изменение состояния вспомогательных контактов, которые используются в цепях управления и сигнализации. Реле снабжаются биметаллическим температурным компенсатором с обратным прогибом по отношению к биметаллическим пластинам для компенсации зависимости от температуры окружающей среды, обладают возможностью ручного или автоматического взвода (возврата).

 

 Кривая срабатывания теплового  реле

Выбор реле производится по кривым срабатывания (см. рис.7), с учетом холодного и теплого старта электродвигателя. Характерным параметром выбора является перегрузочная способность электродвигателя: Kp = Ia/In , где Ia - пусковой ток; In - номинальный ток и минимальное время пуска tE, указанные в паспортных данных на электродвигатель. Кривая срабатывания при холодном пуске должна проходить ниже точки с этими координатами. Как видно из рисунка, срабатывание реле из теплого состояния или при обрыве одной из фаз произойдет значительно раньше, чем из холодного состояния или при наличие всех трех фаз (кривые лежат ниже), т. е. реле обладают тепловой памятью. Здесь, теплое состояние реле – режим после длительного протекания номинального тока.

Реле, в зависимости от конструкции, могут монтироваться непосредственно на магнитные пускатели, в корпуса пускателей или на щиты. Правильно подобранные тепловые реле защищают АД не только от перегрузки, но и от заклинивания ротора, перекоса фаз и от затянутого пуска.

Недостатком тепловых реле является то, что трудно подобрать реле из имеющихся в наличии так, чтобы ток теплового элемента соответствовал току электродвигателя. Кроме того, сами реле требуют защиты от короткого замыкания, поэтому в схемах должны быть предусмотрены предохранители или автоматы. Тепловые реле не способны защитить двигатель от режима холостого хода или недогруза, причем даже при обрыве одной из фаз. Поскольку тепловые процессы, происходящие в биметалле, носят достаточно инерционный характер, реле плохо защищает от перегруза, связанного с быстропеременной нагрузкой на валу электродвигателя.

Если нагрев обмоток обусловлен неисправностью вентилятора (погнуты лопасти или проскальзывание на валу), загрязнением оребренной поверхности двигателя, тепловое реле тоже окажется бессильным, т. к. потребляемый ток не возрастает или возрастает незначительно. В таких случаях, только встроенная тепловая защита способна обнаружить опасное повышение температуры и вовремя отключить двигатель.

 

 

Термочувствительные защитные устройства: термисторы, термостаты.

 

Термочувствительные защитные устройства относятся к встраиваемой тепловой защите электродвигателя. Располагаются в специально предусмотренных для этой цели гнездах в лобовых частях электродвигателя (защита от заклинивания ротора) или в обмотках электродвигателя (защита от теплового перегруза). В основном их можно разделить на два типа: термисторы – полупроводниковые резисторы, изменяющие свое сопротивление в зависимости от температуры и термостаты – биметаллические выключатели, срабатывающие при достижение некоторой критической температуры.