Защита от многофазных и витковых замыканий в обмотке статора (первая ступень МТЗ)

8.1 Защита от многофазных и витковых замыканий в обмотке статора (первая ступень МТЗ)

Многофазные и витковые повреждения происходят довольно редко, и как правило, являются результатом развития замыкания на корпус, из-за местных перегревов изоляции, дефектов активной стали статора. Двойные замыкания возникают при уже имеющимся замыкании на землю в сети, при этом второй пробой чаще всего происходит в коробке выводов или на первых витках обмотки. Многофазные короткие замыкания могут быть на выводах обмотки статора или внутри электродвигателя. Опасность внутренних повреждений заключается в том, что токи, протекающие в месте повреждения, могут многократно превышать токи в обмотке статора при повреждении на линейных выводах. Мощная дуга, возникающая в месте КЗ, приводит к пожару в электродвигателе, уничтожающему значительную часть обмотки. Многофазные КЗ, происходящие в близи линейных выводов статорной обмотки, вызывают резкое снижение напряжения на зажимах всех электродвигателей, питающихся от тех же шин, и могут вызвать значительные динамические воздействия на обмотки статоров неповрежденных электрических машин.

Определение токов внутренних КЗ достаточно сложно, т.к. внутри машины образуются несколько контуров, электрически и магнитно-связанных друг с другом. По этому в условиях эксплуатации чувствительность защит от многофазных КЗ определяется при повреждениях на линейных выводах электродвигателя и должна быть, как для основной защиты, больше 2,0 при минимально возможном токе двухфазного КЗ.

Токовая отсечка

В соответствии с ПУЭ для защиты электродвигателей от многофазных КЗ в случаях, когда не применяются предохранители, должна предусматриваться токовая отсечка без выдержки времени, отстроенная от пусковых токов при выведенных пусковых устройствах, с реле прямого или косвенного действия, выполненная: для электродвигателей мощностью менее 2000 кВт в виде одно-релейной отсечки, включенной на разность токов двух

фаз; для электродвигателей мощностью от 2000 кВт до 5000 кВт в виде двух релейной отсечки при условии, что на этих электродвигателях установлена защита от однофазных или двойных замыканий на землю с действием на отключение.

При отсутствии защиты от замыкания на землю или защиты от двойных замыканий на землю токовая отсечка выполняется трех релейной с тремя трансформаторами тока.

Для электродвигателей мощностью 5000 кВт и более, а также для электродвигателей мощностью менее 5000 кВт, если установка токовых отсечек не обеспечивает выполнения требуемой чувствительности и выведены нулевые вывода, должна предусматривается продольная дифференциальная токовая защита в двухфазном исполнении при наличии защиты от замыкания на землю или в трехфазном исполнении с тремя ТТ при невозможности установки защиты от замыкания на землю.

Чувствительность защит и отсечек определяется при КЗ на линейных выводах электродвигателя и должна бить не менее 2,0 в минимальных условиях работы сети.

Ток срабатывания реле выбирается по условию отстройки от максимального тока в режиме пуска электродвигателя при номинальном напряжении сети

,

где к_отс = 1,2 - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности ТТ и защиты;

К_сх = 1 – коэффициент схемы, для ТТ соединённых по схеме полной звезды;

I”_max – наибольшее действующее значение периодической составляющей тока внешнего трехфазного металлического КЗ или тока, протекающего через ТТ защиты в режиме самозапуска.

Для двагателя мощностью более 2МВт

А.

Ток срабатывания реле:

 А.

Так как уставка (МТЗ-1) может быть выбрана в диапазоне от 2 до 200 А с дискретностью 0,01 А, то принимаем I_уст = 20,8 А.

Коэффициент чувствительности:

.

Выбранная уставка проходит по коэффициенту чувствительности.

8.2 Защита от перегруза, асинхронного хода (вторая ступень МТЗ)

Увеличение тока в обмотках электродвигателей вызывает перегрев изоляции обмоток, сердечников статора и ротора. Увеличение температуры изоляции, т.е. уменьшение разницы между фактической ее рабочей температурой и предельно допустимой, вызывает снижение срока службы изоляции, а быстрый дополнительный нагрев обмоток может привести к опасным деформациям.

Перегрузки делятся на кратковременные, когда температура обмотки не успевает достичь установившегося значения, и длительные, когда температура обмотки достигает установившегося значения, соответствующего величине перегрузочного тока.

В качестве допустимого тока I_доп следует принимать максимальный длительный ток статора, соответствующий номинальной мощности.

В соответствии с ПУЭ защита от перегруза устанавливается не на всех электродвигателях, а только на тех, которые подвержены перегрузке по технологическим причинам и на двигателях с тяжелыми условиями пуска и самозапуска (длительность прямого пуска непосредственно от сети 20 сек. и более), перегрузка которых возможна при чрезмерном увеличении длительности пускового периода вследствие понижения напряжения в сети.

На электродвигателях подверженных перегрузке по технологическим причинам, защита должна выполнятся с действием на сигнал и автоматическую разгрузку, при невозможности разгрузки или отсутствии дежурного персонала допускается действие защиты на отключение.

Если отключение электродвигателя не приводит к нарушению технологического процесса или имеют место тяжелые условия пуска и самозапуска, то защита от перегрузки также действует на отключение.

Расчет защиты от перегруза.

Защита (МТЗ-2) работает сначала на сигнал, а с выдержкой времени на отключение ,так как сразу отключение электродвигателя приводёт к нарушению технологического процесса,

Первичный ток срабатывания защиты от перегрузки выбирается по условию отстройки от номинального тока электродвигателя:

, (9.3)

 где:

к_отс - коэффициент отстройки, равен 1,05;

к_в - коэффициент возврата равный 0,95, для микропроцессорной защиты «Сириус21Д»;

I_{длит.доп.} - длительно допустимый ток электродвигателя.

В соответствии с ПУЭ номинальная мощность электродвигателей должна сохранятся при отклонении напряжения до ± 10%, т.е.

 А.

Тогда:

 А.

Ток срабатывания реле:

 А.

Принимаем уставку по току I_уст = I_ср / 3 = 4,2 / 3 = 1,4 А по кривой характеристики (аналог РТВ-1)

Так как уставка (МТЗ-2) может быть выбрана в диапазоне от 0.4 до 200 А с дискретностью 0,01 А, то принимаем I_уст = 1.4 А.

Защита работает с выдержкой времени t = 5 секунд.

Данное значение выдержки времени установить возможно так как выдержка времени (МТЗ-2) может быть выбрана в диапазоне от 0,1 до 100 с, дискретностью 0,01 с.

Проведем выбор выдержки времени для МТЗ-2 с действием на отключение и АГП:

Выдержка времени защиты от перегрузки выбирается из условия надежного несрабатывания защиты при пуске и самозапуске:

,

где: к_зап - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,3;

t_пуск - время пуска для электродвигателей, не подлежащих самозапуску, или время самозапуска для двигателей, которые участвуют в самозапуске;

время самозапуска t = 10 сек.

Тогда:

сек.

Выбираем время срабатывания защиты с момента запуска t_с.з. = 13 сек

Защита от асинхронного хода сработает на отключение через 3 с

после 10 с выдержки на самозапуск

Данное значение выдержки времени срабатывания защиты установить возможно, так как она может быть выбрана в диапазоне от 0,1 до 100 с, дискретностью 0,01 с.

8.3 Защита от однофазного замыкания на землю в обмотке статора

Повреждаемость электродвигателя в 84% происходит из-за пробоя изоляции при перенапряжениях, связанных с операциями включения и отключения электродвигателей или при замыканиях на землю в сети. Большинство повреждений изоляции обмотки статора приводит к замыканию фазы на корпус и, как правило, через электрическую дугу.

Значение опасного для электродвигателя тока замыкания на корпус определяют по объему повреждения активной стали статора и возможности устранения его простыми средствами. В мировой практике не существует единого мнения о конкретном значении опасного тока замыкания. В России считается опасным ток более 5 А, критерий который был установлен еще в довоенные годы, хотя проведенные в последние десятилетия исследования показали, что токи замыкания в 1-1,5 А могут привести к значительным местным нагревом с последующим переходом однофазного замыкания в витковое. В то же самое время было показано, что замыкания на корпус через дугу с токами не превышающими 10А могут самоустранятся в течении первых 0,2 сек.

Принимая во внимание большое количество электродвигателей малой мощности, ПУЭ предлагает для электродвигателей мощностью до 2000 кВт устанавливать защиту от однофазных замыканий на землю только при токах замыкания 10 А и более при отсутствии компенсации, а при наличии компенсации - если остаточный ток в нормальных условиях превышает это значение.

Для электродвигателей мощностью более 2000 кВт защита от замыканий на землю должна предусматриваться при токах 5 А и более.

Первичный ток срабатывания защит от замыкания на землю должен быть не более:

для электродвигателей мощностью до 2000 кВт - 10А;

для электродвигателей мощностью свыше 2000 кВт - 5А.

Рекомендуются меньшие значения токов срабатывания, если это не усложняет выполнение защиты.

Защиту следует выполнять без выдержки времени с использованием трансформаторов тока нулевой последовательности и с действием на отключение электродвигателя. В зону действия защиты должен входить и питающий кабель.

Чувствительность защиты разрешается не проверять. Если по условию отстройки от переходного режима потребуется значительное загрубление защиты, то следует ввести в защиту выдержку времени, но для обеспечения быстрого отключения двойного замыкания на землю необходимо установить в цепи трансформатора тока нулевой последовательности дополнительное токовое реле с первичным током срабатывания 50¸100 А.

Первичный расчетный ток срабатывания защиты от замыкания на землю в обмотке статора электродвигателя определяется по условию отстройки от броска собственного емкостного тока присоединения при внешнем замыкании на землю:

,

где:

к_отс - коэффициент отстройки равный 1,2;

к_б- коэффициент, учитывающий бросок собственного емкостного тока присоединения в начальный момент внешнего замыкания на землю. к_б = 2 ¸ 3.

I_с∑ - утроенное значение собственного емкостного тока.

I_с∑ = I_c.дв + I_с.л

где:

I_с.дв - собственный емкостный ток электродвигателя;

I_с.л. - собственный емкостный ток кабельной линии, входящей в зону защиты.

Утроенное значение собственного емкостного тока электродвигателя определяется:

 ,

где:

f - частота сети;

с_дв - емкость фазы статора электродвигателя, Ф;

U_ном - номинальное линейное напряжение сети, В.

Ориентировочно емкость электродвигателя можно рассчитать по формуле:

 ,

где:

S_ном.дв. - полная номинальная мощность электродвигателя, МВА;

U_ном - номинальное напряжение электродвигателя, кВ.

Для двигателей 10 кВ.:

Фа.

.

Утроенный емкостный ток двигателя 10 кВ:

А или 0,72 мА.

Утроенное значение собственного емкостного тока кабельной линии, входящей в зону защиты, определяется по выражению:

 где:

I_с.уд. - утроенное значение собственного емкостного тока одного километра кабельной линии 10 кВ.;

l - длинна линии, км;

m - число кабелей в линии.

Тогда:

А;

I_с∑ = 0.204+0.72·10^-3 = 0,20472 А;

I_{пер.с.дв..}= 0,20472 ·1.2 ·2 = 0,4913 A.

Вторичный ток трансформаторов тока нулевой последовательности зависит от величины вторичной нагрузки и от числа трансформаторов тока, подключенных к реле, поэтому коэффициент трансформации таких трансформаторов не является постоянным.

По (Л7, табл. 6.2) находим минимальное значение первичного тока срабатывания реле при подключении к одному трансформатору тока нулевой последовательности типа ТЗЛ.

I_с.з.min = 0,49 А.

Принимаем ток срабатывания защиты I_с.з. = 0,5 А.

В сетях с изолированной нейтралью чувствительность земляной защиты не рассчитывается

 Принятое значение первичного тока срабатывания защиты удовлетворяет условию чувствительности к однофазным замыканиям на землю и в линии к электродвигателю, и в обмотке статора:

I_{пер.с.з..} ≥ I_с.з ≥ I_с∑