Защита электродвигателей

где I_пуск – пусковой ток двигателя;

k_сх –коэффициент схемы;

k_н – коэффициент надежности;

k_в – коэффициент возврата;

k_тт – коэффициент трансформации трансформаторов тока.

Пусковой ток – это ток необходимый для запуска электродвигателя, обычно превышающий номинальное значение тока (тока потребляемого при нормально-устойчивом режиме работы) в 3-8 раз. Указывается заводом изготовителем в виде табличных данных.

Коэффициентом схемы называют отношение тока, протекающего через обмотку реле и тока, протекающего через трансформатор тока. Для однорелейной схемы (рисунок 5) коэффициент схемы принимают равным . Для двухрелейной (рисунок 6, а) и трехрелейной схем (рисунок 6, б) коэффициент схемы принимают равным 1 [8].

Рисунок 5 – Однорелейная схема токовой отсечки

Коэффициентом надежности называют отношение величины тока в обмотках исполнительного реле к величине тока срабатывания реле. Он зависит от конструктивного исполнения схемы и указывается заводом изготовителем в виде табличных данных. Для реле РТ-40 равен 1,8; для реле РТ-82, РТ-84 и реле прямого действия равен 2.

Коэффициент возврата – это отношение тока возврата к току срабатывания. У большинства современных реле он находится в пределах 0,8-0,9.

Коэффициент трансформации трансформаторов тока определяется отношением первичного тока трансформатора ко вторичному.

Рисунок 6 – Схема токовой отсечки

а) двухрелейная схема защиты электродвигателя;

б) трехрелейная схема защиты электродвигателя.

На электродвигателях мощностью 5000 кВт и более устанавливается продольная дифференциальная защита. Эта защита выполняется в двухфазном или трехфазном исполнении. Ток срабатывания реле принимается 2×I_НОМ.

2. Защита электродвигателей от замыканий одной фазы на землю

Защита электродвигателей до 2000 кВт от замыканий на землю считается нецелесообразной в связи с небольшой стоимостью маломощных электродвигателей и устанавливается лишь в том случае, если ток замыкания на землю превышает 10А.

На мощных двигателях от 2000 кВт защита от замыканий на землю устанавливается, если ток замыкания на землю превышает 5А. Защита выполняется с действием на отключение без выдержки времени с использованием трансформатора нулевой последовательности (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схема защиты электродвигателей от замыканий на землю одной фазы

Ток срабатывания защиты принимается равным:

,

где I_c– емкостной ток двигателя;

k_н -коэффициент надежности (k_н =1,2…1,3);

k_б -коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока электродвигателя при внешних перемежающихся замыканий на землю. Для защиты, действующей без выдержки времени (k_б =3…4) [1].

3. 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 М_c 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.

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) I_ном. 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 [7].

· Защита от перегрузки с тепловым реле

Защита с тепловым реле (рисунок 8) лучше других может обеспечивать характеристику, приближающуюся к перегрузоч­ной характеристике электродвигателя, тепловые реле, которые реагируют на количество тепла Q_р, выделенного в сопротивлении его нагревательного элемента:

Тепло, выделяемое в тепловом реле, пропорционально теплу, выделяемому в электродвигателе, т. е. Q_р ≡Q_д

Рисунок 8 – Схема защиты от перегрузки с тепловым реле

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

Наиболее часто тепловые реле выполняются на принципе использования коэффициента линейного расширения различных металлов под влиянием на­гревания. Основой такого теплового реле, является биметаллическая пластинка, состоящая из спаянных по всей поверхности металлов с сильно отличающимися коэффи­циентами линейного расширения. При нагревании пластинка прогибается в сто­рону пластиныс меньшим коэффициен­том расширения и освобождает защелку рычага, который, поворачиваясь, под действием пружины за­мыкает контакты реле. Нагревание пластинки осуществляется нагревательным эле­ментом при прохождении по нему тока I.

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 [9].

· Защита от перегрузки с токовыми реле

Для защиты электродвигателей от перегрузки обычно при­меняются максимальные токовые защиты с использованием токовых реле с ограниченно зависимыми характеристиками выдержки времени или максимальные токовые защиты, выполненные комбинацией мгновенных токовых реле и реле времени.

Преимуществами токовых защит, по сравнению с тепловыми, являются более простая эксплуатация, 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[1, 10].

Защита от перегрузки выполняется одним токовым реле, включенным на один из фазных токов (рисунок 9, а), или по двухфазной однорелейной схеме, когда по этой же схеме выпол­нена защита от междуфазных к. з. (рисунок 9, б).

а) однофазная однорелейная схема защиты от перегрузки

б) двухфазная однорелейная схема защиты от перегрузки

Рисунок 9 – Схемы защит от перегрузки

Ток срабатывания защиты:

,

где I_ном – номинальный ток двигателя;

k_н – коэффициент надежности;

k_в –коэффициент возврата.

k_в =1,1…1,2.

Время срабатывания составляет t_СЗ =(10…15) с.

4. Защита электродвигателей от понижения напряжения

Защита от потери питания устанавливается для предотвращения повреждений в электродвигателях, затормозившихся в результате кратковременного или длительного снижения напряжения, при восстановлении питания, а также для обеспечения требований техники безопасности и условий технологического процесса.

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

Защита с одним реле напряжения (рисунок 10) 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, что является существенным недостатком.

Для обеспечения работы защиты при всех случаях двух­фазного к. з. иногда применяется трехфазная схема, показанная на рисунке 11. Эту схему применяют в сетях, где воз­можно длительное отключе­ние, сопровождаемое снижением напряжения ни­же 70%.

Существенным недостат­ком защиты минимального напряжения является возможность ее неправильной работы в случае обрыва цепей напряжения, чаще всего возникающего при перегорании предохранителей в этих цепях. Поэтому трехфазная защита минимального напряжения применима лишь для неответственных электродвигателей.

Рисунок 10 – Защита от понижения напряжения с одним реле

Во избежание ложного отключения электродвигателей при обрыве цепи напряжения в ответственных установках применяются схемы с двумя комплектами реле напряжения, включенными на разные трансформаторы напряжения.

Контакты реле обоих комплектов соединяются последовательно, поэтому при нарушении цепи, питающей один комплект реле, защита не может подать импульс на отключение двигателей [1].

Рисунок 11 – Трехфазная защита минимального напряжения