УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
SAFETY DEVICE OF ELECTRIC MACHINES

Изобретение относится к области защиты электрических машин, в частности автономных асинхронных генераторов с емкостями самовозбуждения, от внутренних витковых и межфазных коротких замыканий в обмотке статора и от неисправности подшипников.
Известно изобретение по авторскому свидетельству СССР №1046852, кл. Н02K 11/00, Н02Н 7/08, Электрическая трехфазная машина с встроенным блоком для защиты, блок защиты содержит катушку, снабженную дополнительным третьим выводом, делящим ее на две части с соотношением витков 1 пуск./1 ном. и два последовательно замыкающих геркона, которые прикреплены к лобовым частям катушечных групп разных фаз и подключены к выводам катушки, содержащей большее число витков встроенного блока.
Эти технические решения имеют тот недостаток, что требуют дополнительных технологических операций на внутренней части машины, требующих разборки и сборки машины, а также изготовления дополнительных токовыводящих проводников. К тому же, чувствительность герконов при контроле параметров обмоток часто не отвечает требованиям защитного устройства.
Известно устройство по авторскому свидетельству СССР №1646826, кл. Н02Н 7/08, Н02K 11/00, Электрическая трехфазная машина, содержащая статор, ротор и блок защиты от витковых замыканий обмотки статора с реагирующим органом, функционально связанным с кольцом, закрепленным внутри электрической машины так, что его плоскость перпендикулярна оси вращения ротора, а геометрический центр находится на этой оси, при этом выполнено короткозамкнутым и охвачено ферромагнитным сердечником, на котором размещена обмотка, присоединенная к реагирующему органу. Блок защиты формирует сигнал защиты при появлении несимметрии в магнитном поле лобового рассеяния трехфазной обмотки. Такая несимметрия поля появляется при возникновении витковых коротких замыканий.
Это изобретение имеет следующие недостатки:
- размещение кольца, охваченного ферромагнитным сердечником, внутри машины сопряжено с необходимостью разборки и сборки машины и представляет сложную технологическую операцию;
- наводимое в кольце электромагнитное поле не дает точного представления о характере нарушения изоляции и возникновении короткого замыкания в обмотке, что приводит к необходимости усложнения схемы блока защиты;
- возможны ложные срабатывания защиты при несимметричной нагрузке генератора;
- сложность блока защиты не позволяет обеспечить его высокую надежность в работе и предопределяет высокую стоимость.
В качестве прототипа заявленного устройства используется устройство по патенту РФ №2313890, кл. Н02Н 7/08, G01M 15/00, Н02K 15/00, Устройство защиты машин переменного тока, содержащее электрическую машину с трехфазной обмоткой на статоре, подключенную через выключатель с электромагнитным приводом защитного отключения к электрической сети, обмотку возбуждения, присоединенную к возбудителю, также снабженному приводом защитного отключения, защитное устройство, подключенное к приводу защитного отключения выключателя и возбудителя, имеет вибродатчик, установленный на корпусе электрической машины, подключенный на вход защитного устройства, состоящего из последовательно соединенных блока сравнения амплитуды вибрации с эталонным значением, усилителя и исполнительного механизма, при этом исполнительный механизм защитного устройства включен в цепь питания электромагнитного привода защитного отключения выключателя и возбудителя.
Это известное изобретение позволяет в случае появления витковых коротких замыканий обмотки статора и неисправности подшипников отключать электрическую машину от сети в случае электрического двигателя и возбудитель в случае синхронного генератора. Однако данное устройство не может быть применено для защиты автономного асинхронного генератора, работающего независимо от сети, от внутренних витковых и межфазных коротких замыканий в обмотке статора и неисправности подшипников, т.к. не имеет привода защитного отключения автономного асинхронного генератора от емкостей самовозбуждения.
Внутренние витковые и межфазные короткие замыкания в обмотке статора автономного асинхронного генератора при 3-15% замкнутых витков и номинальной емкости конденсаторной батареи нарушают режим работы, вызывают значительные токи в короткозамкнутом контуре и не вызывают развозбуждения генератора.
Техническим решением задачи является расширение функциональных возможностей защитного устройства.
Поставленная задача достигается тем, что устройство защиты электрических машин, содержащее электрическую машину с трехфазной обмоткой на статоре, подключенную через выключатель с электромагнитным приводом защитного отключения к электрической сети, обмотку возбуждения, присоединенную к возбудителю, снабженному приводом защитного отключения, защитное устройство, подключенное к приводу защитного отключения выключателя и возбудителя, имеет вибродатчик, установленный на корпусе электрической машины, подключенный на вход защитного устройства, состоящего из последовательно соединенных блока сравнения амплитуды колебаний с эталонным значением, усилителя и исполнительного механизма, включенного в цепь питания электромагнитного привода защитного отключения выключателя и возбудителя, дополнительно имеет элемент защиты, состоящий из выключателя с электромагнитным приводом защитного отключения электрической машины от емкостей самовозбуждения, который подключен к защитному устройству, исполнительный механизм которого включен в цепь питания привода защитного отключения электрической машины от емкостей самовозбуждения.
Расширение функциональных возможностей устройства защиты путем осуществления защиты автономного асинхронного генератора от внутренних витковых и межфазных коротких замыканий в обмотке статора и неисправности подшипников за счет введения элемента защиты, состоящего из выключателя с электромагнитным приводом защитного отключения электрической машины от емкостей самовозбуждения, подключенного к защитному устройству, исполнительный механизм которого включен в цепь питания привода защитного отключения электрической машины от емкостей самовозбуждения, соответствует критерию «новизна».
По сравнению с прототипом устройство позволяет защищать автономный асинхронный генератор с емкостями возбуждения от внутренних витковых и межфазных коротких замыканий в обмотке статора и обрыва стержней короткозамкнутого ротора. Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства, обеспечивающего высокую чувствительность к данным повреждениям, состоит, в частности, в уменьшении размера повреждений электрической машины и, в частности, автономного асинхронного генератора, уменьшении стоимости и времени послеаварийного ремонта. Изобретение позволяет получить простую и надежную защиту электрических машин и, в частности, автономных асинхронных генераторов с емкостями самовозбуждения малой и средней мощности. Таким образом, способ обладает признаками, соответствующими критерию «положительный эффект».
По данным патентной и научно-технической литературы не обнаружена аналогичная заявляемой совокупность признаков, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема управления и защиты машины, на фиг.2 представлена блок-схема защитного устройства (нумерация позиционных обозначений на фиг.1 и 2 общая).
Устройство защиты содержит защищаемую электрическую машину 1, вибродатчик 2, который крепится на корпусе машины 1, вибродатчик 2 подключается к входу защитного устройства 3, выход которого подключен к электромагнитному отключающему механизму коммутационного аппарата 4, который обеспечивает подключение к сети трехфазной статорной обмотки машины, к цепи управления возбудителя 5 (к выходу возбудителя подключена обмотка возбуждения синхронной машины) и к отключающему механизму коммутационного аппарата 10, обеспечивающему подключение к конденсаторной батарее трехфазной статорной обмотки машины (для автономных асинхронных генераторов). При использовании защитного устройства для асинхронных машин, работающих с сетью, возбудитель 5 и привод защитного отключения 10 не используются. В случае использования защитного устройства для автономных асинхронных генераторов привод защитного отключения 4 и возбудитель 5 не используются. Блок питания 9 выходами подключен к блокам 6 и 7 и обеспечивает работу этих блоков. Блоки 6, 7, 8 и 9 в совокупности составляют защитное устройство 3.
Сигналом вибродатчика 2 является электрическое напряжение. В блоке сравнения 6 суммарный сигнал датчика 2 сравнивается с заданным эталонным напряжением, соответствующим нормальному режиму работы машины, и при превышении сигнала датчика установленной эталонной величины формируется электрический сигнал на выходе блока 6. При величине сигнала датчика 2 меньше установленной эталонной величины на выходе блока 6 сигнал отсутствует.
Устройство работает следующим образом. При включении коммутационного аппарата 4, возбудителя 5 или коммутационного аппарата 10 (фиг.1) исправная электрическая машина 1 приводится в действие, при этом корпус машины 1 подвергается нормальным колебаниям, фиксируемым вибродатчиком 2 (величина которых регламентируется ГОСТом 12327-79). Сигнал вибродатчика 2 подается на устройство защиты 3. При этом амплитуда колебаний корпуса машины 1 меньше заданной величины, защитное устройство 3 не формирует сигнал защиты и электрическая машина 1 работает нормально. В случае отсутствия сигнала на выходе блока сравнения 6 срабатывание исполнительного механизма 8 и отключение выключателя 4, возбудителя 5 и выключателя 10 не происходит.
При возникновении виткового короткого замыкания в обмотке статора нарушается равновесие магнитодвижущих сил трехфазной обмотки, появляются электромагнитные силы одностороннего тяжения ротора, вследствие чего появляются дополнительные колебания корпуса машины 1 и сигнал вибродатчика 2 превышает пороговое значение. Блок сравнения амплитуд колебаний 6 формирует сигнал защиты. Сигнал на выходе блока сравнения 6 усиливается усилителем 7 и вызывает срабатывание исполнительного механизма 8 защитного устройства. Исполнительный механизм 8 приводит в действие привод аварийного отключения выключателя 4, который вызывает защитное отключение машины от сети, возбудителя 5, который снимает с машины 1 напряжения возбуждения и возбудителя 5, и привода аварийного отключения выключателя 10, который отключает машину от конденсаторной батареи (фиг.1).
Аналогичные процессы протекают при неисправности подшипников, только вместо сил одностороннего тяжения причиной появления дополнительных колебаний корпуса машины 1 будет нарушение центровки ротора.
При работе электрической машины в режиме автономного асинхронного генератора в случае внешних коротких замыканий, а также при внутренних витковых и межфазных коротких замыканиях в обмотке статора при большом числе замкнувшихся витков (более 30% витков при номинальной емкости конденсаторной батареи) генератор теряет возбуждение и защита не требуется.
Предложенное техническое решение имеет существенные преимущества перед известными защитными устройствами, заключающиеся в простоте реализации как блока защиты, так и монтажа датчика сигналов и высоком быстродействии защиты, позволяет получить простую и надежную защиту автономного асинхронного генератора с емкостями самовозбуждения от внутренних витковых и межфазных коротких замыканий и может найти широкое применение для защиты асинхронных генераторов малой и средней мощности. Устройство также защищает электрическую машину от других неисправностей, вызывающих увеличение амплитуды колебаний корпуса, таких как разбалансировка валов электрической и сопряженной с ней машиной (первичным двигателем для генератора или рабочей машиной для двигателя), обрыв стержней в короткозамкнутом роторе и др. Использование изобретения повышает надежность работы электрической машины, упрощает и удешевляет защитное устройство.