Архив / 1996 / №7 / 

Защита и управление при эксплуатации. (Контроль причин аварийных ситуаций). (Продолжение. Начало в №№ 5-6).

Рассмотрим работу защит, организованных по принципу причинности аварийной ситуации. Напомним, что к причинам аварийных ситуаций, приводящих к выходу из строя погружных электронасосов, относятся:

– несимметрия питающей сети;
– обрыв фазы сети;
– несимметрия напряжений в нагрузке вследствие межвиткового замыкания;
– увеличение момента сопротивления на валу электродвигателя из-за заклинивания ротора, пескования и других причин, приводящих к симметричным перегрузкам.

Эти причины не всегда однозначно воздействуют на режимы погружных электродвигателей. Как уже упоминалось, параметры режимов зависят от условий, в которых работают двигатели, так что аварийная ситуация, выраженная в отклонении от штатной ситуации, может быть и не выявлена средствами защиты, действующими по сигналу причины.

Очевидно, что организовать универсальную защиту, учитывающую все возникающие причины аварийных ситуаций, довольно сложно, тем более, что при этом необходимо, чтобы схема защиты учитывала условия, в которых работает погружной электронасос. В противном случае действие защиты будет преждевременной, либо его вовсе не будет.

Рассмотрим несколько примеров из практики.

Значительная часть схемных решений самодеятельных авторов, специалистов хозяйств, основана на использовании контроля изменений напряжения нулевой последовательности между нулевым проводом и нейтралью с помощью искусственной звезды, составленной из емкостей, резисторов или других сопротивлений, которая представляет собой фильтр нулевой последовательности.

Принцип построения таких схем показан на рис.1 и 2. На емкостях С1 - С3 (резисторах R1 - R3) формируется трехфазная система напряжений (токов), которая в случае обрыва фазы становится несимметричной. При этом напряжение (ток) между точкой О1 и нулевым проводом сети увеличивается, что фиксируется исполнительным элементом - реле (через триггер (рис. 2) или непосредственно (рис.1), которое отключает электродвигатель. Подобные схемы имеют время-токовую характеристику с одной фиксированной точкой срабатывания защиты. Но и в этом случае существуют определенные трудности в выборе ее.

Схема защиты на основе фильтра напряжения нулевой последовательности непосредственного управления исполнительным элементом
Схема защиты на основе фильтра напряжения нулевой последовательности непосредственного управления исполнительным элементом

Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Как было уже сказано, в трехфазной сети, при нормальной ее работе, всегда присутствует напряжение нулевой последовательности, то есть имеет место смещение нейтрали. Это объясняется наличием однофазных потребителей, а также имеющимися в трансформаторах определенных сопротивлений нулевой последовательности.

Приведенные исследования показывают, что смещение нейтрали U0 при полной загрузке трансформатора и коэффициенте мощности 0,6...0,8 заведомо превышает 5...8%, а при смешанной активно-индуктивной нагрузке трансформатора – на половину его мощности (cos f = 0,5...1,0) смещение нейтрали превышает 8...13 % [1].

С другой стороны, при потере фазы нагрузка двигателя, превышающая 0,4...0,6 номинальной, вызывает опасную перегрузку по току. Двигатель в этом случае должен быть отключен. Смещение нейтрали двигателя в этом режиме («АиП» № 6) составляет Ucм/U = 11...14%. Другими словами, срабатывание защиты должно быть настроено на этот уровень. Этот же уровень будет обеспечен и при отсутствии обрыва фазы, но при наличии смещения нейтрали сети U0, что не вызывает опасных перегрузок в двигателе.

Таким образом, в условиях эксплуатации сельских сетей нельзя рассчитывать на четкое действие защиты: реле либо не будет срабатывать при обрыве фазы, либо будет ложно срабатывать за счет несимметрии напряжения в сети при отсутствии повреждений.

Схема защиты на основе фильтра тока нулевой последовательности и управлением через триггер
Схема защиты на основе фильтра тока нулевой последовательности и управлением через триггер

Аналогичные рассуждения справедливы и для случая применения схем с фильтрами тока нулевой последовательности (рис.2), поскольку токи нулевой последовательности, действующие в схеме, пропорциональны напряжениям действующих в тех же режимах в схеме с фильтром напряжения нулевой последовательности. Другими словами, показатели защиты с использованием фильтров токов и напряжений нулевой последовательности одинаковы.

Еще пример. В качестве защиты от асимметричных режимов используют реле обрыва фаз типов ЕЛ-8, ЕЛ-12, которые предназначены для защиты электродвигателей от аварийных режимов при симметричных и несимметричных перегрузках, в том числе, обрыва фаз. Принцип действия устройства основан на выделении напряжения обратной последовательности в фильтре, выходной сигнал которого, воздействуя на триггер Шмидта, отключает электродвигатель при перегрузке.

Устройства работают при температуре окружающей среды – 45...+40оС, обеспечивая срабатывание при уровне несимметрии 15±7% и более. Очевидно, что для погружных электродвигателей такой уровень высок и приведет к выходу из строя двигателя и при меньших значениях коэффициента несимметрии.

Покажем это на расчетном примере – рассчитаем токи в фазах конкретного электродвигателя при коэффициенте несимметрии a=10%.

Коэффициент несимметрии равен отношению напряжений прямой и обратной последовательностей в номинальном режиме.

Выведем соотношение между коэффициентом несимметрии a и относительным изменением напряжения в фазе – DU/U, где U - фазное номинальное значение напряжения сети. Соотношение для номинального режима будет иметь вид:

Z1; Z2 - комплексные сопротивления соответственно прямой и обратной последовательностей.

Подставив выражение (2), (3) в (1), получим:

Считая справедливыми для номинального режима приближенные соотношения:

где КI - кратность пускового тока, перепишем (4) в виде:

риведенной зависимости для КI = 6,0. Оценим перегрузку по току для несимметрии, не превышающей 10%. Для этого найдем зависимость тока фазы электродвигателя от мощности на валу при несимметрии питающего напряжения 10%. Зависимость находим методом симметричных составляющих.

Токи прямой I1 и обратной I2 последовательностей рассчитываем по известным формулам:

где Ix - ток при текущем значении нагрузки Рх.

Ix определяем из графика зависимости фазного тока от нагрузки при симметричном режиме.

Полный ток рассчитываем по формуле:

где (p-g) – угол между векторами тока прямой и обратной последовательностей.
Максимальное значение полного тока соответствует величине угла gmax = (2n-1)p/3, где n = 0,1,2... при этом

Минимальное значение соответствует той величине gmin, при которой на диаграмме полных фазных токов двигателя мгновенные значения токов соседних фаз равны.

Для определения величины gmin построим диаграмму фазных токов для принятой несимметрии при холостом ходе и номинальном режиме, воспользовавшись выражением (8).

Выберем интервал изменения угла Dgmin = p/6. Рассчитанные диаграммы приведены на рис.4.

Диаграммы полных токов и токов прямой и обратной последовательностей в фазах электродвигателя ПЭДВ 4,5-140 при a - 10%
Диаграммы полных токов и токов прямой и обратной последовательностей в фазах электродвигателя ПЭДВ 4,5-140 при a - 10%

Таким образом, gmin = 2np/3, где n = 0,1,2...

Графики полных максимального и минимального токов образуют поле возможных токов перегрузки, возникающих при несимметричном питающем напряжении.

Для конкретного расчета возьмем электродвигатель погружного типа ПЭДВ-4,5-140, зависимость фазного тока от нагрузки которого Iф (Р2) при симметричном питающем напряжении приведена на рис.5.

Зависимость тока в фазах погружного двигателя ПЭДВ от мощности на валу при несимметрии питающего напряжения
Зависимость тока в фазах погружного двигателя ПЭДВ от мощности на валу при несимметрии питающего напряжения

Pн = 4,5 кВт, Iн = 11,4А.

По результатам расчета построим графики максимального и минимального полных токов в электродвигателе при питающем напряжении с коэффициентом несимметрии a = 10% (рис.5).

Оценим перегрузку, возникающую в электродвигателе при Р2 = 0,7 Рн .

Она составляет 1,7 Iф0,7 для максимума фазного тока и 1,5Iф0,7 для минимального.

То есть, для номинального режима перегрузка значительно превосходит уровень 1,25Iн.

Фазочувствительные устройства защиты (ФУЗ) также можно отнести к устройствам, реагирующим на причины аварийной ситуации, за исключением тех модификаций, которые реагируют на величину фазного тока [2].

Простейшая базовая схема ФУЗ устроена так, что мгновенно отключает электродвигатель при обрыве одной из фаз или  при симметричных перегрузках, равных 5,5 и выше номинальной нагрузки.

Основным недостатком простейшей схемы фазной защиты является то, что она не реагирует на промежуточные асимметричные аварийные режимы, а следовательно, не способно защитить двигатель при асимметричных перегрузках до 5,5Iн.

Другая модификация, ФУЗ-М, реагирует на промежуточные симметричные перегрузки, причем, с переменной выдержкой времени. Однако, время-токовая характеристика этой схемы идентична время-токовой характеристике устройства «Каскад», а следовательно, схема имеет те же недостатки, что и «Каскад» («АиП» № 5). Существуют другие модификации ФУЗ: ФУЗ-У (позволяющая контролировать температуру статора), ФУЗ-И (контролирующая состояние изоляции фазных обмоток), однако они несут в себе недостаток предыдущих решений [2].

Существует еще множество способов контроля причин аварийных ситуаций, но ни один из них, как и рассмотренные выше, не учитывают при срабатывании режимы электронасоса и условия его работы в этот момент.

(Продолжение следует).

Литература

1. Славин Р.М. Режимы работы и защиты автоматических установок животноводческих ферм. М.: Машиностроение, 1965.
2. Грундулис А.О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. 2-е изд., перераб. и доп.  - М.: Агропромиздат, 1988.