УСТРОЙСТВО ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С БЛОКИРОВКОЙ ОДНОГО БЛОКА ТОКОВЫХ РЕЛЕ
DEVICE FOR CURRENT PROTECTION OF ELECTRIC MOTORS WITH INTERLOCKING OF ONE UNIT OF CURRENT RELAYS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к технике релейной защиты, в частности к токовым защитам электродвигателей.
Изобретение относится к токовым защитам электродвигателей от междуфазных коротких замыканий (КЗ), имеющих выведенную нулевую точку (нейтраль), и предназначено для резервирования дифференциальной защиты электродвигателей мощностью 5000 кВт и более, а также для резервирования дифференциальной защиты электродвигателей мощностью от 2000 до 5000 кВт. Изобретение может также использоваться в качестве основной защиты как для электродвигателей мощностью от 2000 до 5000 кВт, так и для электродвигателей мощностью менее 2000 кВт.
Известно, что единственной защитой, которая охватывает всю обмотку статора электродвигателя при междуфазных КЗ, является дифференциальная защита. В соответствии с Правилами устройства электроустановок дифференциальная защита является основной защитой от междуфазных КЗ для электродвигателей мощностью 5000 кВт и более. Для электродвигателей от 2000 до 5000 кВт 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 2000 кВт от междуфазных КЗ является токовая отсечка. Для электродвигателей 5000 кВт 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 только для защиты электродвигателей от перегрузки или от затянувшегося пуска и не используются для защиты от междуфазных КЗ внутри электродвигателя.
Известны токовые отсечки электродвигателей, которые при наличии дифференциальной защиты являются резервной защитой электродвигателей, а при отсутствии дифференциальной защиты являются основной защитой электродвигателей от междуфазных 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. 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 (токовая отсечка), 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, логический блок ИЛИ, входы которого подключены к выходам первого и второго блоков токовых реле, а выход подключен к исполнительному блоку [Шабанов В.А., Алексеев В.Ю., Путинцева А.А. Пат. №164467, опубл. 10.09.2016, бюл. №25]. Выход исполнительного блока является выходом устройства и действует на отключение выключателя электродвигателя. При КЗ в обмотке статора электродвигателя срабатывают токовые реле и без выдержки времени через исполнительный блок отключают электродвигатель от сети.
Недостатком указанного технического решения является низкая чувствительность к внутренним междуфазным КЗ в минимальных режимах питающей электрической сети. Такая защита в минимальных режимах питающей электрической сети защищает только часть обмотки статора, причем первый блок токовых реле защищает часть обмотки статора со стороны питающих выводов, второй блок токовых реле защищает часть обмотки статора со стороны нейтрали (нулевых выводов), при этом часть обмотки статора между защищаемыми частями оказывается вне зоны действия обоих блоков токовых реле. Этот недостаток обусловлен тем, что ток срабатывания защиты отстраивается от пусковых токов электродвигателя и токов включения при самозапуске. Это обуславливает завышенный ток срабатывания и, как следствие, низкую чувствительность и низкую эффективность функционирования.
Задачей изобретения является создание нового устройства токовой защиты электродвигателей с блокировкой одного блока токовых реле с достижением следующего технического результата: повышение эффективности функционирования токовой защиты электродвигателей за счет блокирования первого блока токовых реле защиты в симметричных режимах без КЗ, а именно: при пуске и при самозапуске электродвигателя и при внешних КЗ. Блокирование первого блока токовых реле защиты электродвигателя осуществляется только при равенстве значений тока в обмотке статора со стороны питания и тока в обмотке статора со стороны нейтрали.
Указанная задача решается тем, что устройство токовой защиты электродвигателей с блокировкой одного блока токовых реле, включающее 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, а выход подключен к первому входу логического блока ИЛИ, выход которого подключен к входу исполнительного блока, согласно изобретению дополнительно содержит первый фильтр тока прямой последовательности, подключенный к фазным токам обмотки статора со стороны источника питания, второй фильтр тока прямой последовательности, подключенный к фазным токам обмотки статора со стороны нулевых выводов электродвигателя, блок сравнения и логический блок И, причем выходы первого и второго фильтров тока прямой последовательности подключены к входам блока сравнения, выход которого подключен к первому входу логического блока И, к второму входу которого подключен выход первого блока токовых реле, а выход логического блока И подключен к второму входу логического блока ИЛИ.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.
На фиг. 2 показана схема подключения устройства к электрической сети и электродвигателю.
На фиг. 3 представлены графики изменения токов при внутреннем КЗ.
1
2
Устройство токовой защиты электродвигателей содержит: 1 - первый блок токовых реле, 2 - второй блок токовых реле; 3 - первый фильтр тока прямой последовательности; 4 - второй фильтр тока прямой последовательности; 5 - блок сравнения токов прямой последовательности; 6 - логический блок И; 7 - логический блок ИЛИ; 8 - исполнительный блок. Входы блока 1 токовых реле и входы фильтра 3 тока прямой последовательности подключены к фазным токам I в обмотке статора со стороны источника питания (со стороны питающей сети); входы блока 2 токовых реле и входы фильтра 4 тока прямой последовательности подключены к фазным токам I в обмотке статора со стороны нулевых выводов обмоток статора, соединенных в звезду.
На фиг. 2 обозначено: 9 - статор электродвигателя с тремя фазными обмотками; 10, 11, 12, 13, 14 и 15 - датчики токов; А, В, С - фазные выводы обмотки статора (выводы со стороны питающей сети); а, b, с - нулевые выводы обмотки статора; 0 - нулевая точка (нейтраль).
Устройство работает следующим образом.
При пуске и самозапуске электродвигателя, а также при внешних КЗ блок 2 токовых реле не работает, т.к. ток срабатывания блока 2 токовых реле больше пускового тока и тока в обмотке статора при внешних КЗ, блок 1 токовых реле срабатывает, т.к. ток срабатывания блока 1 токовых реле больше номинального тока, но меньше пускового тока электродвигателя. Однако при пуске, самозапуске электродвигателя и при внешних КЗ токи в обмотке статора со стороны источника питания и токи со стороны нулевых выводов равны между собой. При этом токи прямой последовательности в обмотке статора со стороны источника питания на выходе первого фильтра 3 тока прямой последовательности и токи прямой последовательности в обмотке статора со стороны нулевых выводов на выходе второго фильтра 4 тока прямой последовательности также равны между собой. При этом на выходе блока 5 сравнения токов прямой последовательности нет сигнала. Поэтому на входе, а следовательно, и на выходе логического блока И 6 сигнал не появляется. При этом логический блок И 6 блокирует прохождение сигнала с выхода блока 1 токовых реле на вход логического блока ИЛИ 7, и устройство не работает. Таким образом при пуске, самозапуске и при внешних КЗ, т.е. когда в обмотке статора со стороны источника питания и со стороны нулевых выводов токи равны, работа устройства блокируется через блок 5 сравнения токов прямой последовательности и логический блок И 6.
1.a
1.b
1.с
2.a
2.b
2.c
1.a
1.b
1.c
2.a
2.b
2.c
1.a
1.b
1.c
2.a
2.b
2.c
При внутреннем междуфазном КЗ, например, в точке К (фиг. 2), в обмотках статора со стороны источника питания будет протекать ток КЗ. При этом на вход блока 1 токовых реле (фиг. 1, 2) поступят фазные токи КЗ I, I, I В фазах обмотки статора со стороны нулевых выводов (в замкнувшихся витках) также будут протекать 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 а, b, с). 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 внутреннем трехфазном КЗ 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 от точки К до нулевых выводов а, b с протекают токи КЗ. В результате на вход блока токовых реле 2 поступают фазные токи I, I, I (фиг. 1, 2). 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 ЭД. 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]. Блок 1 токовых реле, включенный на фазные токи I, I, I в начале обмотки, реагирует на КЗ в начале обмотки (со стороны источника), а блок 2 токовых реле, включенный на фазные токи I, I, I со стороны нейтрали, реагирует на КЗ в конце обмотки (со стороны нейтрали). При этом в зависимости от места КЗ внутри электродвигателя срабатывает либо блок 1 токовых реле, либо блок 2 токовых реле. Блок 1 токовых реле действует на отключение электродвигателя только в том случае, если токи КЗ в обмотке статора со стороны источника питания и со стороны нулевых выводов отличаются по величине. При этом срабатывает блок 5 сравнения токов прямой последовательности, на выходе блока 5 сравнения токов прямой последовательности появляется сигнал, который через логический блок И 6 поступает на вход логического блока ИЛИ 7, и устройство срабатывает. Блок 2 токовых реле действует на отключение электродвигателя непосредственно через логический блок ИЛИ 7.
Ток срабатывания блока 1 токовых реле известного устройства отстраивается от пусковых токов и токов самозапуска. При этом ток срабатывания блока 1 токовых реле в известном устройстве имеет завышенное значение. Это снижает чувствительность известного устройства. В результате зона действия блока 1 токовых реле в минимальных режимах питающей сети может быть недостаточной, что снижает эффективность токовой защиты.
Введение блокировки блока 1 токовых реле позволяет, в отличие от прототипа, не отстраивать ток срабатывания блока 1 токовых реле от пусковых токов, токов самозапуска и токов при внешних КЗ. Это позволяет принимать ток срабатывания блока 1 токовых реле меньше пускового тока. В результате увеличивается как чувствительность блока 1 токовых реле, так и зона действия блока 1 токовых реле при внутренних КЗ. При этом повышается эффективность действия токовой защиты.
TO
Сравним зоны действия блока 1 токовых реле в известном устройстве и блока токовых реле 1 в предлагаемом устройстве. Ток срабатывания блока 1 токовых реле I в известном устройстве принимается по выражению:
отс.ТО
пуск
где К - коэффициент отстройки для токовой отсечки; I. - расчетный пусковой ток.
T1
Ток срабатывания блока 1 токовых реле I в предлагаемом устройстве принимается по выражению:
отс.Т1
ном
где К - коэффициент отстройки для блока 1 токовых реле; I. - номинальный ток электродвигателя.
T1
TO
отс.ТО
отс.Т1
T1
TO
Ток срабатывания блока 1 токовых реле I в предлагаемом устройстве меньше тока срабатывания I в известном устройстве. Во-первых, в известном устройстве ток срабатывания отстраивается от пускового тока, а в предлагаемом устройстве - от номинального тока, который в (3-7) раз меньше пускового тока. Во-вторых, в известном устройстве коэффициент отстройки токовой отсечки К учитывает бросок пускового тока (с коэффициентом 1,8), либо бросок тока включения при самозапуске (с коэффициентом 1,4) [Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Соловьев А.Л. Релейная защита электродвигателей напряжением 6-10 кВ терминалами БМРЗ, 2013, с. 5]. В предлагаемом устройстве коэффициент отстройки К учитывает только отклонение тока в обмотке статора от номинального значения и его достаточно принимать равным (1,1-1,2). Поэтому ток срабатывания I блока 1 токовых реле в предлагаемом устройстве в несколько раз меньше тока срабатывания I блока 1 токовых реле известного устройства. При этом зона действия блока 1 токовых реле предлагаемого устройства будет больше зоны действия блока 1 токовых реле известного устройства.
На фиг. 3 обозначено: 16 - график изменения фазного тока со стороны нулевых выводов; 17 - график изменения фазного тока со стороны источника питания; 18 - ток срабатывания блока 1 токовых реле со стороны источника питания; 19 - ток срабатывания блока 2 токовых реле со стороны нулевых выводов.
По оси абсцисс отложена доля замкнувшихся витков α, считая от нейтральной точки 0 до точки К; по оси ординат отложены токи в обмотках статора (I, о.е.) в относительных единицах по отношению к номинальному току двигателя. Приведенные графики, аналогичны графикам, приведенным в [Шабанов В.А., Алексеев В.Ю., Путинцева А.А. Пат. №164467, опубл. 10.09.2016, бюл. №25] и [Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ, 1987, стр. 51], но построены для минимального режима питающей сети.
Устройство не должно срабатывать в нормальном режиме работы электродвигателя и при пуске. Поэтому ток срабатывания блока 2 токовых реле должен превышать пусковой ток и выбирается по выражению (1). На фиг. 3 ток срабатывания блока 2 токовых реле представлен горизонтальной прямой 19. При этом блок 2 токовых реле срабатывает в интервале точек КЗ от α=0 до α=0,33. Ток срабатывания блока 1 токовых реле отстраивается от номинального тока по выражению (2). На фиг. 3 ток срабатывания блока 1 токовых реле представлен горизонтальной прямой 18. При этом блок 1 токовых реле срабатывает в интервале точек КЗ от α=0,1 до α=1,0. В интервале точек КЗ от α=0,1 до α=0,33 срабатывают оба блока токовых реле, т.е. и блок 1 токовых реле и блок 2 токовых реле.
В известном устройстве оба блока токовых реле 1 и 2 имеют одинаковый ток срабатывания, представленный на фиг. 3 горизонтальной прямой 19. При этом блок токовых реле 1 срабатывает в интервале точек КЗ от α=0,59 до α=1,0, в то время как блок токовых реле 1 в предлагаемом устройстве срабатывает в интервале точек КЗ от α=0,1 до α=1,0. То есть, в предлагаемом устройстве вследствие снижения тока срабатывания увеличилась зона действия блока токовых реле 1. При КЗ в интервале точек КЗ от α=0,33 до α=0,59 в известном устройстве не работают оба блока токовых реле, и известное устройство отказывает. В то время как предлагаемое устройство работает в диапазоне точек КЗ от α=0 до α=1,0 кроме точки α=0,507.
При КЗ в точке α=0,507 кривые 16 и 17 пересекаются. Это значит, что при α=0,507 фазные токи, а, следовательно, и симметричные составляющие прямой последовательности фазных токов равны между собой. Поэтому при КЗ в этой точке на выходе блока 5 сравнения токов прямой последовательности сигнал не формируется, и сигнал на первом входе логического блока ИЛИ 7 не появляется. В то же время при α=0,507 ток КЗ со стороны нулевых выводов может быть как больше, так и меньше тока срабатывания блока 2 токовых реле, как это показано на фиг. 3. Если ток КЗ в точке пересечения графиков больше тока срабатывания блока 2 токовых реле, то устройство срабатывает. Если ток КЗ в точке пересечения графиков меньше тока срабатывания блока 2 токовых реле, как это показано на фиг. 3, то блок 2 токовых реле, и устройство в целом не работает.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство имеет расширенную защищаемую зону при внутренних КЗ в электродвигателе, а величина незащищаемой части обмотки статора либо отсутствует, либо снижается до одной точки, в зависимости от величины тока КЗ в случае, когда токи КЗ со стороны источника питания и токи со стороны нулевых выводов равны между собой. Увеличение длины защищаемой зоны повышает эффективность функционирования предлагаемого устройства. Это снижает вероятность выхода электродвигателей из строя, и, в конечном счете, снижает время простоя технологических агрегатов, повышает устойчивость технологических систем и может найти широкое применение в технике релейной защиты и автоматики.
Предлагаемое устройство предназначено для резервирования дифференциальной защиты электродвигателей мощностью 5000 кВт и более, а также для резервирования дифференциальной защиты электродвигателей мощностью от 2000 до 5000 кВт. Изобретение может также использоваться в качестве основной защиты для электродвигателей мощностью менее 2000 кВт при наличии выведенной нулевой точки. Изобретение может также использоваться в качестве основной защиты для электродвигателей мощностью менее 2000 кВт, не имеющих выведенной нулевой точки. В этом случае второй блок токовых реле не используется.
Предложенное устройство предназначено для установки в ячейках распределительных устройств трансформаторных подстанций, питающих крупные электродвигатели с выведенной нулевой точкой