CC BY
91
УДК 621.313.333
ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА УСТАВОК ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 КВ
В.В. КУРГАНОВ, А.Г. БАРАНОВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого», Республика Беларусь
Перегрузка электродвигателя (ЭД) вызывает чрезмерный нагрев обмоток и может привести к повышенному износу или разрушению изоляции. Защита от перегрузки ЭД на аналоговых реле выполняется с использованием обратнозависимой от тока выдержкой времени (индукционный элемент реле типа РТ-82). Вместе с тем, такой принцип выполнения защиты не отслеживает температуру защищаемого объекта. При повторном пуске ЭД с горячего состояния реле РТ-82 имеет такую же выдержку времени, как и при пуске холодного двигателя.
Более совершенный принцип выполнения защиты от перегрузки используется в современных микропроцессорных цифровых реле типов Sepam 2000, Spam 150, БМРЗ и др., в которых температура ЭД косвенно отслеживается как при нагреве, так и при охлаждении. Защита срабатывает, когда интегральная температура превысит допустимое значение.
Тепловая модель двигателя описывается следующим выражением [1]:
где в - интегральная температура модели в относительных единицах; вНАЧ -начальная температура (температура предшествующего режима); I* - кратность тока перегрузки по отношению к значению номинального тока двигателя, увеличенному на 5 %; I - текущее время, с; Т - тепловая постоянная времени двигателя, с; р - коэффициент изменения начальной температуры модели, значение которого принимается в зависимости от заданных условий.
Первое слагаемое выражения (1) отражает процесс нагрева, а второе -охлаждение двигателя.
В отечественной практике возникают затруднения при определении тепловой постоянной времени Т, поскольку в паспортах на двигатели и каталогах нет данных
о ее величине. В качестве тепловой характеристики ЭД в зарубежной практике используется параметр ¿6х, под которым подразумевается предельно допустимое время нахождения холодного двигателя в заторможенном состоянии при 6-кратном токе. У обычных двигателей параметр 4х превышает максимальное время пуска примерно в два раза (4х - 2 Гпуск.тах) [2].
Для определения связи между параметром 4х и постоянной Т, решим уравнение (1) относительно Р.
(1)
Т 1П[(/*2 - Qm4p)/(I* - боткл)].
(2)
Приняв за предельно допустимую температуру 110%, при которой необходимо отключить (0откл = 1,1), получим.
Iбх = Т 1п[(62 -0• 0,5)/(62 -1,1)] = Т/32.
Отсюда постоянную времени нагрева Тн можно определить по следующей формуле. Тн = 60- ¿пуск.тах, где ^пусктах - время пуска, определяемое из опыта пуска ЭД при его полной загрузке. В условиях эксплуатации значение ¿пуск.тах зачастую невозможно определить, так как двигатели, как правило, запускаются с разгруженными механизмами. Известно, что время пуска ЭД находится в обратно пропорциональной зависимости от избыточного момента на валу (разностью между электромагнитным моментом и моментом сопротивления приводного механизма) [3]. Поэтому в первом приближении можно записать.
Т = 60t / кЗ, (3)
н пуск.опыт З ’ V /
где кз - коэффициент загрузки ЭД на момент проведения опыта пуска.
После отключения ЭД процесс его остывания характеризуется постоянной времени остывания Т0, значение которой намного больше постоянной времени нагрева. Т0 = (2^4)Тн. Это объясняется отсутствием принудительной вентиляции остановленного двигателя [3].
Ниже на конкретном примере показано, как тепловая модель цифрового реле отслеживает температуру обмотки двигателя при его включении и отключении.
Предположим, из каталога и опытных данных известно, что кратность пускового тока двигателя равна 61ном, а время пуска при полной загрузке - ^уск = 5 сек, тогда Тн = 60-5 = 300 с; То = 4Тн = 4-300 = 1200 с.
Согласно правилам технической эксплуатации (ПТЭ) двигатели обязаны обеспечивать 2 пуска из холодного состояния и 1 из горячего состояния. Поэтому в
тепловой модели принимаемр = 0,5 при 1дв > 1,051ном.дв ир = 1 при 1дв ^ 1,051ном.дв .
При включении двигателя из холодного состояния (внач = 0) температуру его обмотки к концу пуска определим по (1).
и = I*2 (1 - е -/Т ) + 0 = (б/1,05)2 (1 - е ~5/300) = 0,54,
то есть двигатель будет нагрет до 54 % допустимой температуры. Здесь и далее температура окружающей среды не учитывается.
Если после окончания пуска двигатель перейдет в режим нормальной работы с номинальным током, то процесс изменения температуры будет описываться выражением (1), в котором коэффициент р = 1. Например, спустя 10 мин (600 с) после пуска температура двигателя составит.
и = (1/1,05)2 • (1 - е~б00/300) + 0,54е~б00/300 • 1 = 0,86 (86 %) .
Установившееся же значение температуры двигателя нормального режима при t = ^ составит.
и = I*2 =(1/1,05)2 = 0,91
Можно показать, что защита разрешит пуск двигателя, работающего с полной загрузкой, и из горячего состояния при температуре равной 91 % (здесь р принимается равным 0,5).
Как видно, при самозапуске ЭД (из горячего состояния) температура обмоток не превысит допустимого значения и в процессе установившейся работы его температура снова установится на уровне 91 %.
Проверим требование ГОСТ183-74 на отечественные электродвигатели, допускающего нахождение ЭД в течение 2 минут в режиме перегрузки 1,5-кратным током.
Поскольку процесс нагрева и охлаждения двигателя происходит по экспоненциальному закону, то для его полного остывания должно пройти время не менее 3 Т0 = 3 • 1200 = 3600 с, т. е. 1 час.
Рассмотренная тепловая модель справедлива и для трансформаторов, но в этом случае принимают Тн = Т0 и р = 1 .
В качестве уставок защиты от перегрузки в цифровое реле, например, Sepam 2000, вводят значения постоянных времени Тн и Т0, а также температуру в процентах, при которой защита должна действовать на сигнал и на отключение, например, 98 % и 110 %, соответственно.
При аварийном отключении ЭД защитой от перегрузки его пуск в дальнейшем блокируется до охлаждения двигателя до заданной температуры.
Цифровые реле измеряют значения симметричных составляющих токов прямой и обратной последовательностей (1пр и 1обр). Последняя появляется при несимметрии и неполнофазном режиме. Составляющая обратной последовательности генерирует в роторе двигателя токи значительной амплитуды, которые создают существенное повышение температуры в обмотке ротора. Повышенная интенсивность нагрева двигателя при появлении тока обратной последовательности учитывается в тепловой модели следующим образом.
Вычисляется эквивалентный ток. 1экв = у 1^ + К1 о2бр , где К - коэффициент
усиления влияния тока обратной последовательности на допустимую перегрузку.
При отсутствии необходимых данных значение К принимается равным 4 для отечественных двигателей и около 6 для зарубежных [4]. Вычисление кратности тока I* в выражениях (1) и (2) производится по величине эквивалентного тока.
Например, определим предельное время перегрузки двигателя при неполнофазном режиме (обрыв фазного провода). В этом случае, поскольку !пр = !обр, значение эквивалентного тока составит.
в = (6/1,05)2 • (1 -е~5/30°) + 0,91е~5/30° • 0,5 = 0,987 .
в = (1,5/1,05)2 • (1 - е-120/300) + 0,91е-120/30° • 0,5 = 100 % .
Следовательно, требования ГОСТа выполняются.
Определим температуру ЭД через 25 мин после его отключения.
в = 0 + 0,91е-1500/1200 •! = 0,26.
Подставив в (2) значение /экв, получим:
(2,236/1,05)2 -0,91 • 0,5 _
t_ = 3001^^----------------^ = 52 c.
откл.
(2,236/1,05)2 -1
Следовательно, данный двигатель при неполнофазном режиме отключится защитой от перегрузки за время около 52 с.
На современных цифровых реле имеется возможность выполнить защиту двигателя от затяжного пуска и заклинивания ротора. Первая защита срабатывает и отключает двигатель, если ток двигателя от начала процесса пуска превышает значение 3!ном в течение заданного времени t1 « 2tпyск. Начало пуска обнаруживается в момент увеличения потребляемого тока от 0 до значения более 5 % номинального тока. Вторая защита срабатывает, если пуск завершен, двигатель работает нормально и в установившемся режиме неожиданно ток двигателя достигает значения более 3!ном и держится в течение заданного времени Ь = 3^4 с.
Заключение
Таким образом, для уточнения уставок тепловой защиты двигателя в условиях эксплуатации необходимо провести опыт пуска ЭД при максимально возможной его загрузке и по формуле (3) вычислить значение первой уставки Тн цифрового реле. В зависимости от условий охлаждения остановленного двигателя и его конструкции (естественная или принудительная вентиляция, ЭД на открытом воздухе или в закрытом помещении, взрывозащищенное исполнение ЭД и т. д.), определяется вторая уставка Т0 = (2^4)Тн. Чем больше принята уставка Т0, тем хуже условия охлаждения и, следовательно, при отключении ЭД защитой от перегрузки цифровое реле разрешит его повторный пуск через более продолжительное время. Третья и четвертая уставки - это предельная интегральная температура двигателя, с превышением которой реле действует сначала на сигнал QcИгH. = (95-100) %, а затем на отключение QoTкл. = (110-115) %.
Литература
1. Корогодский В.И. и др. Релейная защита электродвигателей напряжением выше
1 кВ. - М.: Энергоатомиздат, 1987.
2. Motor protection relay SPAM 150 C. Asea Brown Boveri. 34 SPAM 8 EN 1 F, 199305-10.
3. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. - М.: Госэнергоиздат, 1963.
4. Информационные материалы по цифровым реле ALSTOM и SEPAM 2000.
Получено 17.11.2004 г.
