УСТРОЙСТВО ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
CURRENT PROTECTION DEVICE OF ELECTRIC MOTORS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к технике релейной защиты, в частности к токовым защитам электродвигателей при междуфазных коротких замыканиях (КЗ), имеющих выведенную нулевую (нейтральную) точку.
Известно, что единственной защитой, которая охватывает всю обмотку статора электродвигателя при междуфазных коротких замыканиях, является дифференциальная защита. В соответствии с Правилами устройства электроустановок дифференциальная защита является основной защитой от между фазных КЗ для электродвигателей мощностью 5 МВт и более. Для электродвигателей от 2 до 5 МВт основной защитой при достаточной чувствительности может быть токовая отсечка. Если чувствительность токовой отсечки недостаточная, то в качестве основной защиты применяется дифференциальная защита. Основной защитой электродвигателей мощностью менее 2 МВт от междуфазных КЗ является токовая отсечка. Для электродвигателей 5 МВт и более токовая отсечка используется в качестве резервной защиты.
Известны также максимальные токовые защиты электродвигателей, предназначенные для защиты электродвигателей от перегрузки и способные выполнять функции резервирования при междуфазных КЗ, содержащие токовые реле, подключенные к датчикам тока в обмотке статора электродвигателя, реле времени и исполнительный блок [Чернобровов Н.Н., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем, 2007, стр. 183]. При междуфазных КЗ в обмотке статора электродвигателей срабатывают токовые реле и с выдержкой времени через исполнительный блок отключают электродвигатель от сети.
Недостатком указанного технического решения является большое время срабатывания, так как выдержка времени защиты отстраивается от времени пуска электродвигателей. Поэтому такие защиты используются для защиты электродвигателей от перегрузки или от затянувшегося пуска. Другим недостатком известного устройства в качестве резервной защиты при междуфазных КЗ является наличие мертвой зоны при КЗ вблизи нулевой точки, в которой обмотки трехфазного электродвигателя соединяются в звезду.
Известны фильтровые защиты электродвигателей обратной последовательности [Гимоян Г.Г. Релейная защита горных электроустановок, 1978, стр. 191]. Такие защиты содержат фильтры токов обратной последовательности, которые включены на токи электродвигателей со стороны источников питания.
Недостатком указанного технического решения является низкая чувствительность к внутренним несимметричным междуфазным КЗ вблизи нейтральной точки. Такая защита защищает только часть обмотки статора со стороны питающих выводов.
Известны токовые отсечки электродвигателей, которые при наличии дифференциальной защиты являются резервной защитой электродвигателей, а при отсутствии дифференциальной защиты являются основной защитой электродвигателей от между фазных КЗ [Чернобровов Н.Н., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем, 2007, стр. 707].
Недостатком указанного технического решения является низкая чувствительность к внутренним междуфазным КЗ, особенно к несимметричным КЗ. Такая защита защищает только часть обмотки статора со стороны питающих выводов. Чувствительность таких защит проверяется по току КЗ только на выводах электродвигателя.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство токовой защиты, содержащее первый блок токовых реле со стороны вводов электродвигателя, второй блок токовых реле со стороны выведенной нулевой точки, логический элемент ИЛИ и исполнительный блок [Пат. 164467 РФ Устройство токовой защиты электродвигателей; опубл. 10.09.2016, бюл. №25]. Блоки токовых реле содержат токовые реле, исполнительный блок содержит промежуточное реле. Выходы исполнительного блока являются выходами устройства и действуют на отключение выключателя электродвигателя. При КЗ в обмотке статора электродвигателя срабатывают токовые реле блока, определившего повреждение, через элемент ИЛИ проходит сигнал на исполнительный блок, и без выдержки времени через него отключают электродвигатель от сети.
Недостатком указанного технического решения является недостаточная чувствительность при несимметричных коротких замыканиях, особенно при несимметричных коротких замыканиях вблизи нейтральной точки.
Задачей изобретения является повышение чувствительности устройства токовой защиты к несимметричным коротким замыканиям в обмотке статора.
Указанная задача решается тем, что устройство токовой защиты электродвигателей, содержащее первый блок токовых реле, входы которого подключены к фазным токам обмотки статора со стороны источника питания, второй блок токовых реле, входы которого подключены к фазным токам обмотки статора со стороны нулевых выводов электродвигателя, и исполнительный блок, дополнительно содержит первый фильтр токов обратной последовательности, входы которого подключены к фазным токам обмотки статора со стороны источника питания, и второй фильтр токов обратной последовательности, входы которого подключены к фазным токам обмотки статора со стороны нулевых выводов электродвигателя, причем выходы первого и второго блоков токовых реле, а также выходы первого и второго фильтров токов обратной последовательности подключены к входам логического блока ИЛИ, выход которого подключен к исполнительному блоку.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.
На фиг. 2 показана схема подключения устройства к электрической сети и электродвигателю.
Устройство содержит: 1 - первый блок токовых реле; 2 - первый фильтр токов обратной последовательности; 3 - второй блок токовых реле; 4 - второй фильтр токов обратной последовательности; 5 - логический элемент ИЛИ; 6 - исполнительный блок.
1
1
2
2
Входы блока 1 токовых реле подключены к фазным токам I в обмотке статора со стороны источника питания (со стороны питающей сети); входы фильтра 2 подключены к фазным токам I в обмотке статора со стороны источника питания; входы блока 3 токовых реле подключены к фазным токам I в обмотке статора со стороны нулевых выводов обмоток статора, соединенных в звезду; входы фильтра 4 подключены к фазным токам I в обмотке статора со стороны нулевых выводов обмоток статора, соединенных в звезду.
На фиг. 2 обозначено: 7 - статор электродвигателя с тремя фазными обмотками; 8, 9, 10, 11, 12 и 13 - датчики токов; А, В, С - фазные выводы обмотки статора (выводы со стороны питающей сети); а, b, c - нулевые выводы обмотки статора; 0 - нулевая (нейтральная) точка.
1.a
1.b
1.c
2.a
2.b
2.c
Устройство работает следующим образом. При внутреннем КЗ, например, при трехфазном КЗ в точке К (фиг. 2), в обмотках статора со стороны источника питания потечет ток КЗ. При этом на вход блока 1 токовых реле и на вход первого фильтра 2 токов обратной последовательности (фиг. 1, 2) поступят фазные токи КЗ I, I, I. При металлическом трехфазном КЗ к замкнувшейся части обмотки от точки К до нулевой точки 0 (фиг. 2) питание из сети не поступает. Однако в замкнувшихся витках также протекают токи. Обусловлено это тем, что под действием тока КЗ, протекающего в неповрежденной части обмотки со стороны сети (от фазных выводов А, В, С до точки К), в магнитопроводе электродвигателя создается магнитный поток, который создает ЭДС индукции в замкнувшихся витках (от точки К до нулевых выводов a, b, c). По теории, изложенной в [Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ, 1987, стр. 49], поврежденный электродвигатель при этом можно рассматривать как трехобмоточный трансформатор, первичной обмоткой которого служит неповрежденная часть обмотки, а вторичными обмотками являются обмотка ротора и поврежденная часть обмотки. При этом в поврежденной части обмотки наводится трансформаторная ЭДС. Под действием трансформаторной ЭДС в поврежденной (замкнувшейся) части обмотки статора электродвигателя точки К до нулевых выводов a, b, c протекают токи КЗ. В результате на вход блока 3 токовых реле и на вход второго фильтра 4 токов обратной последовательности поступают фазные токи I, I, I (фиг. 1, 2).
1.а
2.b
1.c
2.a
2.b
2.c
Фазные токи I, I, I в начале обмотки (в неповрежденной части) и фазные токи I, I, I в поврежденной части обмотки зависят от места КЗ внутри электродвигателя. Изменение токов КЗ в обмотках статора исследовано в [Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ, 1987, стр. 49-57].
1.a
1.b
1.c
2.a
2.b
2.c
Заявленный технический результат достигается за счет того, что первый фильтр 2 токов обратной последовательности, включенный на фазные токи I, I, I в начале обмотки, и второй фильтр 4 токов обратной последовательности, включенный на фазные токи I, I, I со стороны нейтральной точки, выделяют токи обратной последовательности, возникающие при несимметричных коротких замыканиях. Токи обратной последовательности на выходе первого фильтра 2 токов обратной последовательности снижаются по мере удаления точки КЗ от начала обмотки статора. При этом защиты, использующие только один фильтр токов обратной последовательности, имеют мертвую зону вблизи нейтральной точки. В предлагаемом устройстве ток обратной последовательности на выходе второго фильтра 4 токов обратной последовательности увеличивается по мере удаления точки КЗ от начала обмотки статора. При этом происходит повышение чувствительности защиты к несимметричным коротким замыканиям вблизи нейтральной точки, что повышает эффективность функционирования устройства и увеличивает длину его зоны действия, что снижает вероятность выхода электродвигателей из строя, и в конечном счете снижает время простоя технологических агрегатов и повышает устойчивость технологических систем.
Предлагаемое устройство предназначено для резервирования дифференциальной защиты электродвигателей мощностью 5 МВт и более, а также для резервирования дифференциальной защиты электродвигателей мощностью от 2 до 5 МВт в случае недостаточной чувствительности токовой отсечки. Изобретение может также использоваться в качестве основной защиты для электродвигателей мощностью менее 2 МВт при наличии выведенной нулевой точки. Использование предлагаемого устройства особенно удобно в тех случаях, когда нулевая точка обмотки статора 0 (фиг. 2) с помощью прокладки обратных силовых кабелей создается непосредственно в ячейке электродвигателя в распределительном устройстве подстанции 6, 10 кВ.