УСТРОЙСТВО РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ СТАТОРНОЙ ОБМОТКИ ДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
RELAY PROTECTION DEVICE AGAINST INTER-WINDING FAULT OF ALTERNATING-CURRENT MOTOR STATOR WINDING

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано для защиты трехфазных электродвигателей от замыкания между витками одной фазы статора.
Известны устройства для защиты электродвигателей от замыканий между витками одной фазы, содержащие фильтры симметричных составляющих, входы которых подключены к преобразователям тока, а выходы к реагирующему органу [1] (аналог). К недостаткам упомянутых устройств относятся сложность конструкции, недостаточная чувствительность к замыканиям между витками одной фазы статора.
Известно также устройство для защиты трехфазного электродвигателя от внешних, внутренних коротких замыканий и анормальных режимов [2] (аналог), содержащее промежуточные трансформаторы тока, подключенные к фильтрам тока прямой и обратной последовательности, один из которых в свою очередь подключен к одному выпрямительному мосту, а другой, через разделительный трансформатор, к другому выпрямительному мосту: выходы обоих мостов подключены к трем параллельно включенным исполнительным реле, одноименные концы которых разделены двумя диодами. Недостатком известного устройства, является низкая чувствительность к витковым замыканиям, а также отстройка срабатывания исполнительного реле обратной последовательности по времени от внешних коротких замыканий, что приводит к увеличению объема повреждения двигателя при витковых замыканиях.
Наиболее близким по совокупности признаков (прототипом) является электрическая трехфазная машина с встроенным блоком для защиты от повреждения обмотки статора [3], содержащая блок защиты, выполненный в виде измерительного кольца из витков изолированного провода так, чтобы его плоскость была перпендикулярна оси вращения ротора, его геометрический центр находился на этой оси, а выходы витков упомянутого кольца были подключены к реагирующему органу.
Несмотря на кажущуюся простоту, устройство имеет существенные недостатки, которые создадут серьезные препятствия в практической реализации.
1. Данная защита не отстроена от несимметрии питающего напряжения и при несимметрии напряжения срабатывает на отключение двигателя так, будто произошло витковое замыкание между секциями одной фазы. При симметричном фазном напряжении фазные токи тоже симметричны, т.е. одинаковы по величине и сдвинуты по фазе на 120 электрических градусов. Три фазных тока, проходят по лобовым частям обмотки, создают три одинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов потоков рассеяния, которые индуктируют в измерительной катушке блока защиты три одинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов ЭДС, сумма которых равна нулю. При несимметрии питающего напряжения, которое по ГОСТ не должно быть более 4%, а в реальных сетях по статистике составляет 10 и более процентов, приводит к тому, что фазные токи, проходящие по лобовым частям обмотки, становятся неодинаковыми по величине. Это вызывает появление трех неодинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов потоков рассеяния, которые индуктируют в измерительной катушке три неодинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов ЭДС. В этом случае на выходе измерительной катушки появляется нескомпенсированное напряжение, оно подается на вход реагирующего органа, и срабатывает защита, хотя виткового замыкания, на которое рассчитана защита, нет. Для того, чтобы отстроиться от ложного срабатывая защиты, авторы вынуждены существенно увеличивать величину выходного напряжения измерительной катушки, при котором реагирующий орган срабатывает на отключение двигателя. Это приводит к значительному уменьшению чувствительности защиты при витковом замыкании, задержке срабатывания защиты и, как следствие, к увеличению объема повреждения, времени ремонта и затрат на восстановление.
2. Данная защита имеет недостаточную чувствительность, обусловленную тем, что при витковом замыкании в одной фазе появляются короткозамкнутые витки, в которых проходит ток короткого замыкания, вызывающий асимметрию фазных токов и появление потока рассеяния лобовых частей обмотки, проходящего, в основном, по воздуху, имеющему малую магнитную проницаемость, что обусловливает незначительную величину потока рассеяния. Это существенно снижает чувствительность измерительной катушки, которая отделена в осевом направлении от лобовой части обмотки воздушным промежутком.
3. В данной защите существенное влияние на величину напряжения измерительной катушки оказывают помехи, обусловленные осевым потоком рассеяния, вызванного статическим и динамическим эксцентриситетами, а также потоками рассеяния короткозамкнутого кольца обмотки ротора.
В основу изобретения поставлена задача повышения чувствительности защиты от межвитковых замыканий внутри обмотки статора двигателя блоком, встроенным в корпус машины.
Это достигается с помощью того, что в блок защиты входит двухобмоточный тороидальный трансформатор, у которого первичная трехфазная обмотка, соединенная звездой, подключена к трехфазной цепи, питающей двигатель, а выходы вторичной однофазной обмотки подключены параллельно и встречно выходам измерительного кольца, подключенным к реагирующему органу, при этом измерительное кольцо вставлено в п-образный паз кольцевого магнитного сердечника, установленного внутри электрического двигателя, причем паз сердечника обращен к находящейся в непосредственной близости лобовой части статорной обмотки двигателя.
Введение признака «в блок защиты входит двухобмоточный тороидальный трансформатор, у которого первичная трехфазная обмотка, соединенная звездой, подключена к трехфазной цепи, питающей двигатель, а выходы вторичной однофазной обмотки подключены параллельно и встречно выходам измерительного кольца, подключенным к реагирующему органу» необходимо для того, чтобы предлагаемая защита была отстроена от несимметрии питающего напряжения и не срабатывала на отключение двигателя так, будто произошло витковое замыкание между секциями одной фазы.
Введение признака «измерительное кольцо вставлено в п-образный паз кольцевого магнитного сердечника, установленного внутри электрического двигателя, причем паз сердечника обращен к находящейся в непосредственной близости лобовой части статорной обмотки двигателя» необходимо для того, чтобы, с одной стороны, существенно увеличить чувствительность измерительной катушки, которая отделена в осевом направлении от лобовой части обмотки воздушным промежутком за счет уменьшения магнитного сопротивления путей прохождения потоков рассеяния лобовых частей обмотки статора, а с другой стороны, магнитный сердечник, охватывающий измерительную катушку, служит магнитным экраном для помех, обусловленных осевым потоком рассеяния, вызванного статическим и динамическим эксцентриситетами, а также потоком рассеяния короткозамкнутого кольца обмотки ротора.
Техническая сущность устройства поясняется на фиг. 1. Блок защиты состоит из двух частей: измерительного кольца 1 и тороидального трансформатора 5. Обмотка измерительного кольца выполнена из некоторого числа витков изолированного провода и вставлена в п-образный паз кольцевого магнитного сердечника 10, прикрепленного внутри электрического двигателя 8. Магнитный сердечник крепится непосредственно к подшипниковому щиту 14 с помощью трех регулировочных стоек 12, которые затягиваются гайками 13. При помощи регулировочных стоек измерительное кольцо устанавливается так, чтобы его плоскость была перпендикулярна оси вращения вала ротора 2, его геометрический центр был на этой оси, и оно находилось в непосредственной близости от лобовой части обмотки 11 двигателя. Выходы 3 измерительного кольца подключены к реагирующему органу 4. Двухобмоточный тороидальный трансформатор 5 имеет первичную трехфазную обмотку 6, подключенную к трехфазной сети 7, питающей двигатель 8 и вторичную однофазную обмотку 9, выходы которой подключены параллельно и встречно выходам 3 измерительного кольца 1, подключенного к реагирующему органу 4. Тороидальный трансформатор 5 предназначен для того, чтобы предлагаемая защита была отстроена от несимметрии питающего напряжения и не срабатывала на отключение двигателя при наличии несимметрии так, будто произошло витковое замыкание между секциями одной фазы. Тороидальный трансформатор 5 устанавливается в пусковой станции двигателя 8.
При симметричном питающем напряжении в режимах работы двигателя: под нагрузкой, пуска, междуфазных симметричных внешних или внутренних коротких замыканиях три симметричных фазных тока проходят по лобовым частям 11 обмотки, создают три одинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов потоков рассеяния, которые индуктируют в измерительной катушке блока защиты три одинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов ЭДС, которые в сумме дают ноль, и на выходах 3 измерительного кольца 1 напряжение отсутствует. Также при симметрии питающего напряжения сумма магнитных потоков, создаваемых токами первичной трехфазной обмотки 6 тороидального трансформатора 5 в магнитопроводе, равна нулю и на выходах вторичной однофазной обмотки 9 напряжение отсутствует. Таким образом, напряжение на реагирующий орган 4 не подается, и защита не срабатывает.
H
Если при симметричном питающем напряжении произойдет замыкание между секциями одной фазы, находящимися в верхнем и нижнем слое паза, то при этом образуется короткозамкнутый виток. С физической точки зрения это сравнимо с появлением на статоре четвертой неподвижной обмотки, замкнутой накоротко. Вращающееся магнитное поле обмотки статора будет индуктировать в ней ЭДС подобно тому, как оно индуктирует ЭДС в обмотке ротора во время пуска при скольжении, равном единице. И хотя ЭДС в короткозамкнутом витке будет во столько раз меньше ЭДС фазы, во сколько раз число короткозамкнутых витков меньше общего числа витков в фазе обмотки, но и величина полного сопротивления будет во столько же раз меньше сопротивления всей фазы. Поэтому в короткозамкнутом витке установившийся ток короткого замыкания будет равен пусковому току данного двигателя, который находится в пределах 5÷7I. В соответствии с законом саморегулирования асинхронного двигателя при поддержании постоянной величины действующего значения напряжения, подаваемого на обмотку статора, такой ток короткого замыкания в 1% закороченных витков от общего числа витков в фазе вызовет увеличение тока в неисправной фазе на 5÷7%. Это приведет к тому, что три неодинаковых фазных тока, протекая по лобовым частям 11 обмотки, создадут три неодинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов потока рассеяния, которые будут индуктировать в измерительной катушке блока защиты три неодинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов ЭДС, которые в сумме уже не дадут ноль, и на выходах 3 измерительного кольца 1 появится напряжение. При симметричном питающем напряжении на выходах вторичной однофазной обмотки тороидального трансформатора встречное напряжение отсутствует, на реагирующий орган подается напряжение от измерительного кольца, защита срабатывает по сигналу «витковое замыкание в фазе обмотки статора», и двигатель отключается от сети.
При возникновении асимметрии питающего напряжения в режиме работы двигателя под нагрузкой фазные токи также становятся неодинаковыми, проходят по лобовым частям 11 обмотки и создают три неодинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов потока рассеяния, они будут индуктировать в измерительной катушке блока защиты три неодинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов ЭДС, которые в сумме уже не дадут ноль, и на выходах 3 измерительного кольца 1 появится напряжение. Но при несимметричном питающем напряжении сумма магнитных потоков, создаваемых токами первичной трехфазной обмотки 6 тороидального трансформатора 5 в магнитопроводе, теперь не равна нулю, и на выходах вторичной однофазной обмотки 9 появится напряжение, равное и встречное напряжению на выходах 3 измерительного кольца 1. Вследствие этого напряжение на реагирующий орган 4 не подается, и защита не срабатывает.
Полагаем, что предложенное техническое устройство релейной защиты от витковых замыканий статорной обмотки двигателя переменного тока обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новой для устройств релейной защиты от витковых замыканий и, следовательно, соответствует критерию "новизна".
Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства не известна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам разработки подобных устройств, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".
Разработка, конструирование и внедрение устройства релейной защиты от витковых замыканий статорной обмотки двигателя переменного тока не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Достоинствами предлагаемого устройства релейной защиты от витковых замыканий статорной обмотки двигателя переменного тока является повышенная чувствительность к витковым замыканиям статорной обмотки и отстроенность от срабатывания при несимметрии питающего напряжения.
Литература:
1. Гимоян Г.Г. Релейная защита горных электроустановок. 2-е изд., перераб. и доп. - М, Недра, 1978, с. 194.
2. А.с. №729729, кл. Н02 Н7/08. Устройство для защиты трехфазного электродвигателя от внешних, внутренних коротких замыканий и анормальных режимов.
3. А.с. №1046852, кл. Н02 K11/00, Н02 Н7/08. Электрическая трехфазная машина с встроенным блоком для защиты от повреждения обмотки статора, 07.10.83, бюл. №37, авторы: М.Я. Клецель, А.Н. Новожилов, В.Е. Поляков.