CC BY
39
ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2014 №1(10), С. 63-67
= ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭС -
УДК 621.316.9:621.313.13
ЗАЩИТА ПОЛЮСНОПЕРЕКЛЮЧАЕМОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ ВНУТРЕННИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
© 2014 г. С.Л. Кужеков, И.А. Шихкеримов, И.В. Барчева
ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», Новочеркасск, Ростовская обл.
Предложен вариант защиты полюснопереключаемого электродвигателя от внутренних повреждений, основанный на контроле разности наибольшего и наименьшего модулей напряжений на нейтралях обмотки.
Ключевые слова: двухскоростной полюснопереключаемый двигатель, устройство защиты, внутренние повреждения, напряжения на нейтралях обмотки статора.
Поступила в редакцию 03.03.2014 г.
На атомных электростанциях в качестве привода главных циркуляционных насосов получают распространение мощные двухскоростные полюснопереключаемые электродвигатели (ЭД) напряжением 6 кВ, имеющие существенные преимущества по сравнению с односкоростными. Релейная защита от внутренних повреждений указанных двухскоростных ЭД выполняется с помощью дифференциальной защиты с процентным торможением. Из-за невозможности размещения трансформаторов тока (ТТ) защиты по обоим концам всех ветвей обмотки статора дифференциальная защита по существу является неполной и не реагирует на все возможные виды междуфазных повреждений. В связи с отмеченным, актуальна разработка защиты двухскоростных полюснопереключаемых ЭД от внутренних (междуфазных и витковых) коротких замыканий (КЗ) в обмотке статора.
Цель статьи заключается в описании технического решения по выполнению защиты указанных ЭД от внутренних КЗ.
В настоящее время известны устройства защиты ЭД от внутренних КЗ, реагирующие на токи симметричных и гармонических составляющих; углы между токами фаз; наложенные токи высоких и низких частот; напряжение смещения нейтрали и др. Получили распространение защиты, реагирующие на разность модулей наибольшего и наименьшего фазных токов или аргументов этих токов, так как защиты указанных типов имеют достаточно простую реализацию при соблюдении требования по чувствительности.
С учетом вышеизложенного в [1] был предложен способ защиты полюснопереключаемого ЭД от внутренних повреждений, заключающийся в измерении наибольшего и наименьшего напряжений на нейтралях полюснопереключаемой обмотки статора ЭД, выделении разности их модулей и сравнении указанной разности с заданным значением.
На рисунке 1 представлена функциональная схема, реализующая предложенный способ защиты обмотки ЭД, работающего на одной (первой или второй) скорости вращения. Выключатели указанной скорости (1) включены, а неработающей (2) -отключены. Напряжение на нейтралях расщепленной обмотки статора защищаемого ЭД снижается до допустимого для вторичных устройств уровня измерительными преобразователями с выпрямителями 4 - 6. Затем выделяются модули наибольшего и
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2014
наименьшего значении указанных напряжении, что производится, соответственно, максиселектором 7 и миниселектором 8. Определяется разность модулеИ наибольшего и наименьшего значении напряжении, что осуществляет блок 9, и производится сравнение полученноИ разности с заданным значением (компаратор 10). Превышение этоИ разности заданного значения является признаком повреждения ЭД, позволяющим с высоким быстродействием отключить ЭД при междуфазных и витковых КЗ в обмотке статора.
Рис. 1. Структурная схема защиты полюснопереключаемого ЭД с контролем напряжения нейтралей
В основу способа положено различие напряжений на нейтралях расщепленной обмотки статора ЭД, соединенных в звезды с изолированными нейтралями при нормальной работе, внешних КЗ и внутренних повреждениях. Признак разности
модулей наибольшего (|UNmax|) и наименьшего (|UNmin|) напряжений AUn = |UNmax| -|Un mini позволяет осуществить защиту от внутренних повреждений с абсолютной селективностью, так как эта разность AUn :
- близка к нулю при исправной машине и внешних коротких замыканиях, что обусловлено равенством напряжений на нейтралях относительно земли;
- не равна нулю при внутренних повреждениях.
Вариант выполнения устройства, реализующего предложенный способ с помощью аналоговых интегральных микросхем, приведен на рисунке 2. Устройство для защиты полюснопереключаемого ЭД содержит промежуточные трансформаторы напряжения UV1 - UV3, нагруженные на блоки выпрямления и сглаживания ACV1 -ACV3, блоки Е1, Е2, соответственно, выделения наибольшего и наименьшего из сигналов, выходы которых через блок Е3 выделения разности наибольшего и наименьшего значений напряжений подключены к пороговому элементу AMS с исполнительным органом на выходе.
Устройство работает следующим образом.
При нормальной работе защищаемого ЭД и симметричном питающем напряжении значения напряжений на нейтралях звезд обмотки статора относительно земли одинаковы и близки к нулю, так как расщепленные обмотки фаз выполнены симметричными. При несимметрии питающего напряжения или в режимах внешних КЗ
(симметричных и несимметричных) напряжения на нейтралях звезд обмотки статора относительно земли одинаковы, так как нейтрали звезд обмотки статора находятся в одинаковых условиях относительно питающей сети. Поэтому разность наибольшего и наименьшего значений напряжений на нейтралях звезд обмотки статора относительно земли не превышает уровень срабатывания элемента сравнения. Если же происходит витковое или несимметричное междуфазное КЗ в обмотке статора ЭД, то нарушается равенство напряжений на нейтралях звезд обмотки статора относительно земли, в результате чего разность наибольшего и наименьшего значений этих напряжений превышает порог срабатывания блока АМ8. Последний срабатывает и подает команду на отключение защищаемого ЭД.
I________1_
Рис. 2. Схема защиты полюснопереключаемого ЭД с контролем напряжения нейтралей
Описанное справедливо и для трехфазных КЗ с неодинаковым числом замкнувшихся витков в каждой из фаз. При трехфазных КЗ с одинаковым числом замкнувшихся витков в каждой из фаз, напряжения на нейтралях звезд обмотки статора относительно земли равны и защита не срабатывает. Вероятность возникновения таких КЗ в обмотке статора ЭД весьма низка. Кроме того при данном виде повреждения успешно действует неполная дифференциальная токовая защита с процентным торможением.
Экспериментальная проверка высказанных положений была произведена с помощью экспериментальной установки, представляющей собой физическую модель полюснопереключаемого ЭД с отводами от обмотки для реализации внутренних КЗ.
За основу физической модели полюснопереключаемого ЭД принят асинхронный двигатель типа А02-62-8У3 с короткозамкнутым ротором, номинальными мощностью Рном = 10 кВт и скоростью вращения пном = 725 об/мин. Обмотка статора размещена в 54- х полузакрытых пазах, что позволяет использовать их для укладки полюснопереключаемой обмотки [3]. Короткозамкнутый ротор ЭД содержит 64 паза сечением 95,7 мм2.
Обмотка статора модели двухслойная, выполнена проводом ПСДКТ сечением 2,37 мм2, диаметры провода кругового сечения ёгол/ёиз = 1,74/2,01 мм, число витков в катушке - 9. Схема обмотки с установленными в ней физическими моделями ТТ приведена на рисунке 3. Число полюсов 8/6, число катушек - 54, схема УУУ/УУУ с подключением питания при 2р = 8 к зажимам 8С1, 8С2, 8С3, а при 2р = 6 - к выводам 6С1, 6С2, 6С3.
Рис. 3. Принципиальная схема обмотки ЭД экспериментальной установки
В части катушек обмотки выполнены отводы со стороны лобовых частей для имитации внутренних повреждений в диапазоне витков от 1 до 45 (доля замкнувшихся витков а = Wr/W^ в пределах 0,018 < а < 0,83, где Wk, Wф - число короткозамкнутых витков и витков в фазе, соответственно. Короткие замыкания витков осуществлялись путем их замыкания контактами автоматического выключателя А3700. Модель дает возможность производить КЗ различных видов: от трехфазных до витковых. При измерениях фиксировались модули и аргументы (фазы) токов во всех фазах и параллельных ветвях.
В таблице 1 приведены результаты экспериментов при линейном напряжении сети равном 220 В. Видно, что при исправной машине разность AUn = |UNmax| - |UNmin| близка к нулю.
При замыкании витков разных фаз значение AUN отлично от нуля и может быть
использовано для идентификации внутренних повреждений в машине. Значение AUN^0 и при витковых КЗ, а при внешних КЗ напряжения на нейтралях получаются одинаковыми и, соответственно, AUN = 0. Значение разности модулей напряжений на нейтралях обмотки, как видно из опытных данных, в зависимости от числа замкнувшихся витков находится в переделах 3... 11% от фазного напряжения.
Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что признак AUn = |UNmax| -|Ui\jmin| позволяет осуществить защиту от внутренних повреждений ЭД (междуфазных и витковых КЗ) с абсолютной селективностью.
Таблица 1. Значения разности модулей напряжений на нейтралях обмотки.
Un12 Ч^вс 1 — Ч^всг Un13 96c1 - 96c3 Un23 96c2 - 96c3
Холостой ход 11,5 11,5 11,5 0
Повреждения в обмотке статора между отводами I - XIII 17,5 7,2 11 10,3
I - XIV 25 11 15 14
IX - V 10,5 10,5 12 1,5
X - VI 9 10,2 13 4
I - IX - XIII 17 12,5 20 7,5
II - X - XIV 28 25 30 5
IX - V - XIII 7 10 15 8
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. с. SU 1670734 A1. Способ защиты трехфазного электродвигателя от междуфазных и витковых коротких замыканий обмотки статора / С.Л. Кужеков, И.А. Шихкеримов, В.М. Кобжув, Г.А. Пекерман, З.М. Лубяницкая. - Опубл. в Б.И. - 1991. - Бюл. №30.
2. Шихкеримов, И.А. Разработка релейной защиты электродвигателей главных циркуляционных насосов АЭС : автореф. дис. канд. техн. Наук [Текст] / И.А. Шихкеримов. - Новочеркасск: НПИ, 1989.
3. Попов, Д.А., и др. Полюснопереключаемые обмотки для многоскоростных асинхронных двигателей [Текст] / Д.А. Попов, С.Д. Попов // Электричество. - 2000. - №2. - С. 30-39.
Pole-switching Windings Protection From Internal Damages S.L. Kuzhekov*, I.A. Shihkerimov*, I.V. Barcheva**
Federal State Budget Educational University of Higher Professional Education «Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)»
(FSBEU of HPE «PSRSP U(NPI) ») 132 Prosveshenija St., Novocherkassk, Rostov region, Russia 346428 * e-mail: stanislavkuzhekov@yandex.ru ; ** e-mail: irena_544@mail.ru
Abstract - This article deals with the variant of protection of double-speed electric motor from internal damages based on the differences control of the greatest and the least voltage models on neutral wires of a winding.
Keywords: double-speed electric motor, protection device, internal damages, voltage on neutral wires of a stator winding.
