УСТРОЙСТВО ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к технике релейной защиты, в частности к токовым защитам электродвигателей, имеющих выведенную нулевую (нейтральную) точку.
Полезная модель относится к токовым защитам электродвигателей от междуфазных коротких замыканиях (КЗ), имеющих выведенную нулевую (нейтральную) точку, 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 в случае недостаточной чувствительности токовой отсечки. Полезная модель может также использоваться в качестве основной защиты для электродвигателей мощностью менее 2000 кВт.
Известно, что единственной защитой, которая охватывает всю обмотку статора электродвигателя при междуфазных коротких замыканиях (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 для защиты электродвигателей от перегрузки или от затянувшегося пуска. Другим недостатком известного устройства в качестве резервной зашиты при междуфазных КЗ является наличие мертвой зоны при КЗ вблизи нулевой (нейтральной) точки, в которой обмотки трехфазного электродвигателя соединяются в звезду.
Известно, что 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 блок токовых реле и исполнительный блок [Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ, 1987, стр. 199]. Блок токовых реле содержит токовые реле, исполнительный блок содержит промежуточное реле. 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 наличие мертвой зоны при КЗ в обмотке статора вблизи нулевой точки, что снижает эффективность функционирования устройства и длину его зоны действия. Этот недостаток обусловлен тем, что к устройству подводятся фазные токи статора только со стороны источника питания и не используются фазные токи статора со стороны нулевых выводов.
Задачей полезной модели является создание нового устройства токовой защиты электродвигателей с достижением следующего технического результата: повышение эффективности функционирования защиты электродвигателей за счет устранения мертвой зоны при КЗ вблизи нулевой точки электродвигателя.
Указанная задача решается тем, что устройство токовой защиты включает первый блок токовых реле, входы которого подключены к фазным токам обмотки статора со стороны источника питания, исполнительный блок, дополнительно содержит второй блок токовых реле, входы которого подключены к фазным токам обмотки статора со стороны нулевых выводов электродвигателя, причем выходы первого и второго блоков токовых реле 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.
На фиг. 3 представлены графики изменения тока в обмотках электродвигателя при внутреннем трехфазном КЗ.
1
2
Устройство токовой защиты электродвигателей, содержит: 1 - первый блок токовых реле, 2 - второй блок токовых реле; 3 - логический элемент ИЛИ; 4 - исполнительный блок. Входы блока 1 токовых реле подключены к фазным токам I в обмотке статора со стороны источника питания (со стороны питающей сети); входы блока 1 токовых реле подключены к фазным токам I в обмотке статора со стороны нулевых выводов обмоток статора, соединенных в звезду.
На фиг. 2 обозначено: 5 - статор электродвигателя с тремя фазными обмотками; 6, 7, 8, 9, 10 и 11 - датчики токов; А, В, С - фазные выводы обмотки статора (выводы со стороны питающей сети); а, в, с - 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 (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) напряжение 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 а, в, 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 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 а, в, с протекают токи КЗ. В результате на вход блока токовых реле 2 поступают фазные токи I, I, I (фиг. 1, 2).
1.A
1.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 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].
1.A
1.B
1.C
2.A
2.B
2.C
Заявленный технический результат достигается тем, что блок токовых реле 1, включенный на фазные токи I, I, I в начале обмотки, реагирует на короткие замыкания в начале обмотки (со стороны источника), а блок токовых реле 2, включенный на фазные токи I, I, I со стороны нейтрали реагирует на короткие замыкания в конце обмотки (со стороны нейтрали). При этом происходит устранение мертвой зоны при КЗ вблизи нулевой точки электродвигателя, что повышает эффективность функционирования устройства и увеличивает длину его зоны действия.
На фиг. 3 приведены графики изменения тока в обмотках электродвигателя при внутреннем трехфазном КЗ, На фигуре 3 обозначено: 12 - график изменения фазного тока со стороны нулевой точки; 13 - график изменения фазного тока со стороны источника питания; 14 - ток срабатывания устройства.
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. Сплошными линиями 12 и 13 отмечены графики, приведенные в [Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ, 1987, стр. 51]. Пунктирной линией выполнена аппроксимация графика 12 в область значений α, превышающих 0,5.
Устройство не должно срабатывать в нормальном режиме работы электродвигателя и при пуске. Поэтому ток срабатывания устройства должен превышать пусковой ток. На фиг. 3 ток срабатывания представлен горизонтальной прямой 14.
1.A
1.B
1.C
Линии 13 и 14 пересекаются при α=0,34. При α<0,34 график 13 проходит ниже прямой 14, поэтому ток КЗ в начале обмотки меньше тока срабатывания. Это значит, что блок токовых реле 1, к которому подводятся фазные токи I, I, I, будет срабатывать при α>0,34, и не будет работать, если при трехфазном КЗ доля замкнувшейся части обмотки будет меньше, чем 0,34 (α<0,34).
2.A
2.B
2C
Линии 12 и 14 пересекаются при α=0,8. При α<0,8 график 12 проходит выше прямой 14, поэтому ток КЗ в поврежденной (замкнутой) части обмотки больше тока срабатывания. Это значит, что блок токовых реле 2, к которому подводятся фазные токи I, I, I, протекающие в замкнутой части обмотки, будет работать, если трехфазное КЗ будет в точке К при α<0,8.
Известное техническое решение содержит только блок 1 токовых реле, включенных на фазные токи в начале обмотки электродвигателя, и не содержит блок 2 токовых реле. Поэтому известное устройство будет срабатывать только при α>0,34, и не будет работать, если при трехфазном КЗ доля замкнувшейся части обмотки, считая от нулевой точки, будет меньше, чем 0,34.
Блок 1 токовых реле срабатывает при α>0,34, а блок 2 токовых реле при α<0,8. Так как блоки токовых реле 1 и 2 подключены к исполнительному блоку 4 через логический блок 3 ИЛИ (фиг. 1), то предлагаемое устройство в случае трехфазного КЗ будет срабатывать при любом значении α, то есть, при любом месте внутреннего КЗ. При двухфазных КЗ токи КЗ снизятся по сравнению с трехфазным КЗ. При этом уменьшится зона действия и токового блока 1 и токового блока 2. Но во всех случаях предлагаемое устройство не будет иметь мертвой зоны при КЗ в обмотке статора, близких к нулевой точке.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство срабатывает при КЗ, близких к нулевой точке обмоток статора, соединенных в звезду. За счет этого, в отличие от прототипа, предлагаемое устройство не имеет мертвой зоны при КЗ, близких к нулевой точке, что повышает длину защищаемой зоны и эффективность функционирования токовых защит. 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 в случае недостаточной чувствительности токовой отсечки. Полезная модель может также использоваться в качестве основной защиты для электродвигателей мощностью менее 2000 кВт при наличии выведенной нулевой точки. Использование предлагаемой защиты 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 6, 10 кВ подстанции.