Архив / 1996 / №6 / 

Защита и управление при эксплуатации погружных электронасосов (Продолжение. Начало в № 5)

Прежде, чем продолжить анализ причин неудовлетворительной работы устройства «Каскад», рассмотрим некоторые общие положения организации и принципы работы защит электродвигателей от аварийных ситуаций. Практика создания средств автоматической защиты электронасосов сложилась таким образом, что конструкции защит можно разделить на две категории:

- защита, осуществляющая контроль и реагирование на причину аварийной ситуации;

- защита, осуществляющая контроль и реагирование на следствие аварийной ситуации.

К причинам аварийной ситуации относятся: несимметрия системы трёхфазных напряжений в сети и, как крайний её случай, обрыв фазы. Причём, несимметрию сети необходимо отличать от несимметрии напряжений в нагрузке, вызванной неисправностью статорной обмотки (например, межвитковые замыкания). К следствию аварийной ситуации, в нашем случае, относятся токовые перегрузки в статорной обмотке погружного электродвигателя и её сгорание, то есть переход электродвигателя из штатного в аварийный режим. В качестве показателей аварийных режимов рассмотрим фазные токи, напряжения, а также линейные напряжения и напряжения между нейтралью фазных обмоток электродвигателя и нулевым проводом сети. Наиболее частым явлением, лежащим в основе причин аварийных ситуаций, отмечается обрыв фазы в сети в результате коротких замыканий и перегораний плавких предохранительных вставок. При этом можно выделить три характерных случая [1]:

Первый: замыкание фазного провода статорной обмотки на корпус и нулевой провод. При этом, после перегорания вставки, повреждённая фаза двигателя оказывается соединённой с нулевым проводом сети (схема 1 таблицы).

Второй: замыкание проводов в статорной обмотке двух фаз. При этом происходит перегорание одной, как правило, менее тугоплавкой (вследствие неравномерности старения) вставки и соединённые между собой фазы оказываются подключёнными через сохранившуюся вставку к фазе сети (схема 2 таблицы).

Наконец, третий случай обрыва фазы, имеющий место при перегорании вставки, либо плохого контакта автоматических выключателей на распределительном щите подстанции или механического обрыва линейного провода подводящей сети. При этом электродвигатель оказывается подключённым к сети только двумя фазами статорной обмотки (схема 3 таблицы). Анализ таблицы достаточно убедительно показывает, что режимы электродвигателей в аварийных ситуациях в значительной степени зависят от условий, в которых они работают. Причём, в некоторых случаях режимы могут оказаться не опасными. Например, при недостаточной нагрузке, меньшей m1 (схема 3), что характерно для высоконапорных насосов, применяемых в сравнительно неглубоких скважинах, и высоких значениях тока холостого хода Iо, перегрузка в целых фазах будет отсутствовать. Важно при этом отметить следующие. Контроль за режимом электродвигателя, по величинам фазных , линейных напряжений , по напряжению смещения (0-01), либо по величине тока в какой-нибудь одной фазе осуществить весьма затруднительно.

Таким образом, можно сделать выводы, что, во-первых, действие защиты, организованной по принципу причинности авариийной ситуации, в некоторых случаях будет преждевремнной, а в других – бесполезной (этому вопросу будет посвящена следующая публикация), во-вторых, защита, действующая по принципу следствия аварийной ситуации, является наиболее действенной и должна контролировать нагрузку пофазно.

В устройстве «Каскад» реализован принцип контроля фазных токов. В каждой фазе установлен измерительный элемент – трансформатор тока. Здесь токи, полученные во вторичных обмотках трансформаторов (см. рисунок), выпрямляются и, протекая через сопротивление R1, складываются на нем, образуя суммарный сигнал в виде напряжения, которым заряжается емкость С2. Емкость С1 является фильтрующей. Потенциал емкости С2 контролируется пороговым элементом, который срабатывает при достижении определенного уровня и отключает электродвигатель.

Уровень срабатывания должен соответствовать опасным симметричным или несимметричным перегрузкам, возникающим,  например, при обрыве фазы.

Однако, в этом случае ток в поврежденной фазе становится равный нулю, а в двух других – зависит от нагрузки и тока холостого хода. В отдельных случаях он может оставаться на уровне номинального или не превышать его (схема 3 таблицы). Другими словами, ток в нагрузочном сопротивлении R1 при аварии сохранит свое значение, а при малых нагрузках может и снизиться. В такой ситуации, очевидно, защита не сработает. На- сколько опасны возникающие при этом перегрузки в неповрежденных фазах определим из условия возможного равенства токов в R1 при наличии и отсутствии обрыва фазы. Ток в нагрузке выпрямителя равен:

I =  3 K Iнф  ,  где К - коэффициент усиления системы «транформатор тока - выпрямитель»;

Iнф - номинальный ток в фазе симметричной системы.

При обрыве фазы токи в неповрежденных фазах Iф изменятся, сохранив равенство между собой (схема 3 таблицы). Тогда ток через R1 будет равен:

I'  = 2 К Iф ,

при этом ток Iф , при условии равенства I' и I, определяется из выражения

3 К Iнф = 2 К Iф,
откуда:
Iф   = 1,5 Iфн.

Таким образом, электродвигетель может оказаться незащищенным при обрыве фазы - ток в неповрежденных фазах достигнет полуторакратной перегрузки, которая приведет к выходу его из строя.

(Продолжение следует ).

Литература

1. Славин Р.М. Режимы работы и защиты автоматических установок животноводческих ферм. М.: Машиностроение, 1965.

Александр Гришин
к.т.н., зав. лабораторией ВИЭСХ