Архив / 1996 / №10 / 

Защита электродвигателей от аварийных режимов

Надежность электродвигателей в эксплуатации в значитель-ной степени зависит от эффективности их защиты от аварийных режимов. Отказы электродвигателей приводят к значительным убыткам, которые вызваны не только необходимостью ремонта электродвигателей, но и к ущербу из-за недодачи, а в ряде случаев, и из-за порчи продукции. Изучение причин отказов на многих заводах разных отраслей промышленности показало, что около 50% отказов асинхронных двигателей в эксплуатации вызвано их неудовлетворительной защитой от аварийных режимов [1].

В правилах устройства электроустановок (ПУЭ) [2] приведены следующие требования для защиты электродвигателей. В разделе «Защита асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением свыше 1 кВ» предписано предусматривать на электродвигателях защиту от многофазных замыканий, от однофазных замыканий на землю, от токов перегрузки и защиту минимального напряжения. На синхронных двигателях, кроме того, должна предусматриваться защита от асинхронного режима, которая может быть совмещена с защитой от токов перегрузки. В разделе «Защита электродвигателей до 1 кВ (асинхронных, синхронных и постоянного тока)» предписано, что для электродвигателей переменного тока должна быть предусмотрена защита от многофазных замыканий, а в сети с глухозаземленной нейтралью – также от однофазных замыканий, а в отдельных случаях – защита от перегрузок и защита минимального напряжения.

На синхронных электродвигателях (при невозможности втягивания в синхронизм с полной нагрузкой) дополнительно должна предусматриваться защита от асинхронногого режима.

Для двигателей постоянного тока должны предусматриваться защиты от КЗ. При необходимости дополнительно могут устанавливаться защиты от перегрузки и от чрезмерного повышения частоты вращения.

ПУЭ также рекомендует способы защиты электродвигателей от аварийных режимов. Для защиты электродвигателей от КЗ должны применяться предохранители или автоматические выключатели. Для того, чтобы предохранители или автоматические выключатели не срабатывали ложно, т.е. при пиках технологических нагрузок, при пусковых токах и т.п., необходимы следующие требования. Для электродвигателей механизмов с легкими условиями пуска отношение пускового тока электродвигателя к номинальному току плавкой вставки должно быть не более 2,5, а для электродвигателей механизмов с тяжелыми условиями пуска (большая длительность разгона, частые пуски и т.п.) это отношение должно быть равным 2,0-1,6.

На электростанциях для защиты от КЗ электродвигателей собственных нужд, связанных с технологическим процессом, должны применяться автоматические выключатели.

Защита электродвигателей от перегрузки должна устанавливать-ся в случаях, когда возможна перегрузка механизмов по технологическим причинам. Защита должна выполняться с выдержкой времени и может быть осуществлена тепловым реле или другими устройствами такого же функционального назначения.

Защита от перегрузок не требуется для электродвигателей с повторно-кратковременным режимом работы.

Защита минимального напряжения должна устанавливаться для двигателей постоянного тока, которые не допускают непосредственного включения в сеть, а также для электродвигателей механизмов, самозапуск которых после остановки недопустим. Для синхронных двигателей защита от асинхронного режима может осуществляться с помощью защиты от перегрузки по току статора.

В ПУЭ приведены также требования по защите двигателей переменного и постоянного тока от КЗ. В двигателях с заземленной нейтралью она должна быть во всех фазах или полюсах. В электродвигателях с изолированной нейтралью также во всех фазах или полюсах при защите предохранителями, а при защите автоматическими выключателями – не менее чем в двух фазах или в одном полюсе.

Защита электродвигателей переменного тока от перегрузок должна осуществляться в двух фазах при защите электродвигателей от КЗ предохранителями, но можно ограничиться защитой в одной фазе при защите электродвигателей от КЗ автоматическими выключателями.

Защита электродвигателей постоянного тока от перегрузок может осуществляться в одном полюсе.

В промышленности и в сельском хозяйстве в подавляющем большинстве случаев применяют трехфазные асинхронные двигатели. Они потребляют около 50% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Поэтому рассмотрим в первую очередь способы защиты от аварийных режимов этих двигателей.

Обширный статистический материал о причинах отказов трех-фазных асинхронных двигателей показывает, что наиболее частыми причинами являются: короткое замыкание в обмотке, обрыв фазы, заклинивание в подшипниковых узлах ротора или исполни-тельного механизма (так называемый режим короткого замыкания двигателя, что не имеет ничего общего с коротким замыканием в обмотке двигателя или в сети), технологические перегрузки, ухудшение охлаждения, понижение сопротивления изоляции ниже допустимого значения [1, 3].

С точки зрения электробезопасности наиболее опасен обрыв одной фазы, что часто бывает при защите электродвигателей плавкими предохранителями. В этом случае двигатель может продолжать работать на двух фазах. В поврежденной фазе будет генерироваться ЭДС, которая повысит напряжение в нулевом проводе, что может быть причиной поражения электрическим током через цепь заземления электродвигателей.
Рассмотрим наиболее распространенные методы защиты асинхронных двигателей.

Защита с помощью тепловых реле

Тепловые реле, если они правильно отрегулированы, хорошо защищают электродвигатели от технологических перегрузок. Выпускаемые в настоящее время тепловые реле типа РТЛ и РТТ вполне удовлетворительно защищают электродвигатели при обрыве одной фазы, однако они не реагируют своевременно на заклинивание ротора, а также на ухудшение охлаждения двигателя и понижение сопротивления изоляции обмотки ниже допустимого.

В таблице 1 приведены макси-мально допустимые значения номинальных токов для разных типоразмеров тепловых реле типа РТЛ (при температуре окружающей среды +40оС), а также диапа-зон регулирования тока реле.

Таблица 1. Номенклатура тепловых реле типа РТЛ

Типоразмер теплового реле

Максимальный ток реле, А

Диапазон регулирования тока, А

Типоразмер теплового реле

Максимальный ток реле, А

Диапазон регулирования тока, А

РТЛ100104

0,17

0,1-0,17

РТЛ102104

19

13-19

РТЛ100204

0,26

0,16-0,26

РТЛ102204

25

18-25

РТЛ100304

0,4

0,24-0,4

РТЛ205304

30

23-32

РТЛ100404

0,65

0,38-0,65

РТЛ205504

40

30-41

РТЛ100504 

1,0

0,61-1,0

РТЛ205704

50

38-52

РТЛ100604

1,6

0,95-1,6

РТЛ205704

57

47-64

РТЛ100704

2,6

1,5-2,6

РТЛ206104

66

54-74

РТЛ100804

4,0

2,4-4,0

РТЛ206304 

80

63-86

РТЛ101004

6,0

3,8-6,0

РТЛ310504

105

75-105

РТЛ101204

8,0

5,5-8,0

РТЛ312504

125

90-125

РТЛ101404

10

7,0-10

РТЛ316004

160

115-160

РТЛ101604

14

9,5-14

РТЛ320004

200

145-200

В таблице 2 даны максимально допустимые значения номинальных токов и токи сменных нагревательных элементов для тепловых реле типа РТТ.

Таблица 2. Номенклатура тепловых реле типа РТТ

Типоразмер теплового реле

Максимальный ток реле, А

Ток сменных нагревательных элементов, А

РТТ-11
РТТ-12*

10

0,2; 0,25; 0,32; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0;
1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10

РТТ-21
РТТ-22*

63

6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50;63

РТТ-31
РТТ-32*

160

63; 80; 100; 125; 160

*Устанавливаются только в коробках магнитных пускателей

Тепловые реле типа РТЛ или РТТ можно подрегулировать для защищаемого ими двигателя с помощью регулировочного винта или рычага. Определить деление шкалы N, на которое следует установить стрелку регулировочного винта или рычага можно следующим способом. Вначале определяют уставку реле без учета температуры окружающей среды:

N1 = (Iд - Iр)/cIр,

где Iд - номинальный ток электродвигателя;

Iр - номинальный ток нагревательного элемента теплового реле;

c - цена одного деления шкалы (обычно с = 0,05).

Если температура окружающей среды отличается от обычно применяемой стандартной температуры +40оС более чем на 10оС, то следует ввести поправку на уставку реле:

N2 = (Т - 30)/10,

где Т - температура окружающей среды.

Тогда искомая уставка реле будет:

N = ±(N1 + N2).

Кроме более совершенных трехполюсных тепловых реле типов РТЛ и РТТ в промышленности еще до сих пор применяют тепловые реле типов ТРН и ТРП. В таблице 3 приведены макси-мально допустимые значения токов для разных типоразмеров тепловых реле типов ТРН и ТРП, а также номинальные токи сменных нагревательных элементов для этих реле.

Таблица 3. Номенклатура тепловых реле типа ТРН и ТРП

Типоразмер теплового реле

Максимальный ток реле, А

Ток сменных нагревательных элементов, А

ТРН-10А

3,2

0,32; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0; 1,25;
1,6; 2,0; 2,5; 3,2

ТРН-10

10

0,5; 0,63; 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2;
4,5; 6,3; 8; 10

ТРН-25

25

5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25

ТРН-40

40

12,5; 16; 20; 25; 32; 40

ТРП-25

25

1,0; 1,2; 1,5; 2,0; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10;
12; 15; 20; 25

ТРП-60

60

20; 25; 30; 40; 50; 60

Чтобы обеспечить точное срабатывание тепловых реле типа ТРН и ТРП, их необходимо не только правильно выбрать, но и точно отрегулировать. Тепловые реле следует проверять и, если надо, регулировать при первой их установке, при замене нагревательных элементов, а при нормальной эксплуатации – один раз в 2-3 года.

Для проверки тепловых реле следует использовать их характеристики, показывающие зависимость времени срабатывания от значения перегрузки. Необходимо, чтобы обе биметаллические пластины нагревались одновременно и одинаково, а защитные характеристики теплового реле в обеих фазах питания электродвигателя были идентичными, нагревательные элементы должны находиться на одинаковых расстояниях от соответствующих биметаллических пластин и при температуре +20оС располагаться параллельно пластинам.

Защита с помощью реле напряжений

Тепловые реле, как это было показано, не обеспечивают защиту электродвигателей от всех возможных аварийных режимов. Поэтому имеются предложения о дополнении защиты с помощью тепловых реле другими средствами защиты, в частности с помощью реле напряжений.

Один из методов защиты основан на контроле напряжения нулевой последовательности. Обычно для электроснабжения предприятий используется трехфазная система с нулевым проводом. Эти сети питают как трехфазные, так и однофазные потребители, поэтому они неравномерно загружены по фазам. При симметричной нагрузке фазные напряжения одинаковы по значению и сдвинуты по фазе на 120оС. В нулевом проводе, который соединяет нейтрали вторичной обмотки питающего трансформатора и нагрузки, тока нет. Когда симметрия трехфазных напряжений нарушается, тогда между точкой нейтрали нагрузки и нулевым проводом (землей) появляется напряжение, называемое напряжением нулевой последовательности. Защита электродвигателя от работы на двух фазах может быть осуществлена при помощи реле напряжения нулевой последовательности. Катушка реле выключается между нейтралью статорной обмотки и нулевым проводом (землей), а размыкающий контакт включен последовательно в цепь управления магнитного пускателя.

Однако защита с помощью реле нулевой последовательности часто допускает ложные срабатывания. Например, при переменной асимметрии трехфазной сети возникают моменты, когда углы сдвига фаз j1 и j2 соответствующих составляющих напряжения нулевой последовательности близки или даже совпадают. В эти моменты резко возрастает напряжение нулевой последовательности и защита, контролирующая это напряжение, срабатывает, хотя обрыва фазы нет. Недостатком этой защиты является и то, что для подключения нейтрали электродвигателя к устройству защиты требуется дополнительный провод, а если статорная обмотка соединена в треугольник или нейтраль звезды не выведена, то указанную защиту применять нельзя.

(Продолжение следует).

Литература

1. Гольдберг О.Д. Надежность электрических машин общепромышленного и бытового назначения. М.: Знание, 1976, 56 с.
2. Правила устройства электроустановок. //Минэнерго СССР. - 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986, 648 с.
3. Грундулис А.О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. М.: Агропромиздат, 1988, 110 с.

 

Оскар Гольдберг
академик АЭН РФ, доктор технических наук, профессор