СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
ELECTRIC MOTORS SHORT-CIRCUIT PROTECTION

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты, и может быть использовано для защиты электродвигателей от коротких замыканий.
Известен способ защиты электродвигателей от коротких замыканий [Федосеев А. М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей: Учеб.пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - С.487-489.], при котором измеряют токи в фазах двигателя со стороны источника питания, сравнивают их с эталонной величиной, и если хотя бы один из них превышает ее, подают команду на отключение выключателя.
Этот способ не позволяет обеспечить высокую чувствительность защиты, так как необходима отстройка от пусковых токов электродвигателя.
Наиболее близким к предлагаемому является способ защиты электродвигателей от коротких замыканий [Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения - М.: Высш.Шк., 2008. - С. 562-563], при котором измеряют токи в каждой фазе со стороны выводов выключателя электродвигателя и его нулевых выводов, сравнивают их по величине, и если разность между ними больше эталонной величины, подают сигнал на отключение выключателя электродвигателя.
Недостатком данного способа является недостаточная чувствительность защиты, так как на мощных электродвигателях необходима отстройка от их номинальных токов в связи с насыщением трансформаторов тока со стороны нулевых выводов электродвигателя.
Задачей изобретения является повышение чувствительности к токам двухфазных коротких замыканий.
Это достигается тем, что в способе защиты электродвигателей от коротких замыканий, также как и в прототипе, измеряют токи в каждой фазе со стороны выводов выключателя электродвигателя и его нулевых выводов, сравнивают их по величине, и если разность между ними больше эталонной величины, подают сигнал на отключение выключателя электродвигателя.
Согласно изобретению сравнивают по величине токи между каждыми двумя фазами как со стороны выводов выключателя, так и со стороны нулевых выводов электродвигателя, и если со стороны выводов выключателя ток в одной из фаз, например А, меньше токов в двух других фазах В и С по абсолютной величине в n раз, где n>1, а со стороны нулевых выводов ток в этой же фазе А больше токов в двух других В и С в m раз, где m>1, то подают сигнал на отключение выключателя электродвигателя.
На фиг. 1 представлено устройство, реализующее заявляемый способ.
На фиг. 2 представлен режим двухфазного короткого замыкания на шинах, от которых двигатель питается, где стрелками показаны направления токов в фазах.
На фиг. 3 представлен режим двухфазного короткого замыкания в кабеле, которым электродвигатель присоединен к шинам, где стрелками показаны направления токов в фазах.
Способ защиты электродвигателей от коротких замыканий может быть реализован с помощью устройства, в котором трансформаторы тока 1, 2, 3 (фиг. 1) подключены в рассечку фаз А, В, С электродвигателя 4 со стороны источника питания. Трансформаторы тока 5, 6, 7 подключены в рассечку фаз А, В, С со стороны нейтрали. Блоки преобразователей тока 8 (ПТ1) и 9 (ПТ2) подключены к вторичным обмоткам трансформаторов тока 1, 2, 3 и 5, 6, 7 соответственно. Входы блока сравнения с эталонной величиной 10 (БС) подключены к вторичным обмоткам трансформаторов тока 1, 2, 3 и 5, 6, 7, а также к нулевой точке соединения этих трансформаторов тока.
Входы блока сравнения и логики 11 (БЛ) подключены к выходам преобразователей тока блоков 8 (ПТ1) и 9 (ПТ2). Выход блока сравнения и логики 11 (БЛ) и выход блока сравнения с эталонной величиной 10 (БС) подключеныв цепь отключения выключателя 12. Выключатель 12 установлен на линии, соединяющей источник питания с электродвигателем 4.
В качестве блоков преобразователей тока 8 (ПТ1) и 9 (ПТ2) могут быть использованы автотрансформаторы типа АТ-32. Блок сравнения с эталонной величиной 10 (БС) и блок сравнения и логики 11 (БЛ) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя amtel АТ89S53.
A1
B1
C1
A2
B2
C2
Трансформаторы тока 1, 2, 3 и 5, 6, 7 преобразуют токи в первичных цепях токопроводов фаз А, В, С электродвигателя 4 со стороны источника питания и со стороны нулевых выводов электродвигателя 4 во вторичные токи, отделяя первичные цепи высокого напряжения 3-10 кВ от вторичных цепей. Блоки преобразователей тока 8 (ПТ1) и 9 (ПТ2) преобразуют вторичные токи фаз А, В, С, полученные от трансформаторов тока 1, 2, 3 и 5, 6, 7 со стороны источника питания и со стороны нулевых выводов электродвигателя 4, в напряжения U,U, UиU,U, U, соответственно.
В блоке сравнения 10 (БС) сравнивают вторичные токи со стороны источника питания и со стороны нулевых выводов электродвигателя 4.
В блоке сравнения и логики 11 (БЛ) обеспечиваются условия срабатывания защиты, которые определяют по одновременному выполнению следующих неравенств для фазы А или В, или С соответственно:
A1
B1
A1
C1
В1
А1
В1
C1
С1
B1
С1
А1
nU<U, nU<U или nU<U, nU<U,или nU<U, nU<U; (1)
A2
B2
A2
C2
В2
А2
В2
C2
С2
А2
С2
В2
U>mU, U>mU или U>mU, U>mU, или U>mU, U>mU, (2)
A1
B1
C1
А1
В1
С1
где U, U, U - напряжения, пропорциональные соответственно токам I, I, I в токопроводах фаз электродвигателя 4 со стороны источника питания;
A2
B2
C2
А2
В2
С2
U, U, U - напряжения, пропорциональные соответственно токам I, I, Iв токопроводах фаз электродвигателя 4 со стороны нулевых выводов;
n, m - коэффициенты пропорциональности,
где n>1 и m>1, их задают в блоке сравнения и логики 11(БС).
1
2
З
Коэффициенты пропорциональности n и m должны быть такими, чтобы блок сравнения и логики 11 (БЛ) не выдавал сигнала при максимальных токах внешнего трехфазного короткого замыкания, когда из-за погрешностей ε=0,1трансформаторов тока и погрешностей ε=0,05самогореализующего устройства отношения токов фаз достигают максимальных величин. Тогда, учитывая коэффициент запаса k=1,05, получаем
<mrow><mtext>n</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mtext>U</mtext><mrow><mtext>B1</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mtext>U</mtext><mrow><mtext>А1</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mtext>k</mtext><mtext>З</mtext></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mtext>1</mtext><mo>+</mo><msub><mtext>ε</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mrow><mtext>1</mtext><mo>−</mo><msub><mtext>ε</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>КЗ</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>КЗ</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mtext>1</mtext><mtext>,25</mtext><mtext>,</mtext></mrow>
КЗ
где I - абсолютное значение максимального тока трехфазного короткого замыкания на выводах электродвигателя 4 без учета перечисленных погрешностей.
В нормальном режиме работы и при внешних трехфазных коротких замыканиях выполняются равенства:
A1
B1
C1
A2
B2
C2
U=U=U и U=U=U,
и поэтому не выполняются неравенства (1) и (2). На выходе блока сравнения и логики 11 (БЛ) сигнал отсутствует и защита не срабатывает. При внешних несимметричных коротких замыканиях (КЗ) и обрывах проводов выполняется только одна пара выше указанных неравенств, например при двухфазном КЗ в точке 13 между фазами В и С (фиг. 2) ток в свободной фазе протекает по обмоткам поврежденных фаз электродвигателя 4 и подпитывает место КЗ. Поэтому выполняется неравенство (2). Но так как неравенство (1) не выполняется, то блок сравнения и логики 11(БЛ) не выдает сигнал, и защита не срабатывает.
При трехфазном КЗ в защищаемой зоне напряжения:
A1
B1
C1
A2
B2
C2
U=U=U и U=U=U,
поэтому блоки преобразователей тока 8 (ПТ1), 9 (ПТ2) и блок сравнения и логики 11 (БЛ) сигнал на отключение не формируют.
В блоке сравнения 10 (БС) сравнивают величины токов, и если выполняются условия:
A1
А2
ЭТ
В1
В2
ЭТ
С1
С2
ЭТ
I-I≥I, I-I≥I и I-I≥I,
ЭТ
где I - эталонная величина,
ЭТ
НОМ
I=1.3·I,
НОМ
где I - номинальный ток электродвигателя 4,
то на выходе блока сравнения 10 (БС) формируется сигнал на отключение электродвигателя 4.
При двухфазном коротком замыкании на выводах электродвигателя 4, например, между фазами В и С, точка 14 (фиг. 3) со стороны источника питания, ток в фазе А становится меньше токов в фазах В и С, а со стороны нулевых выводов наоборот, так как ток в свободной фазе подпитывает место КЗ через поврежденные фазы. Выполняются обе пары неравенств, блок сравнения и логики 11 (БЛ) выдает сигнал, и выключатель 12 отключается.
Использование заявляемого способа позволяет повысить чувствительность защит к двухфазным коротким замыканиям.
ч
Чувствительность защит, как правило, оценивают коэффициентом k чувствительности. Для токовых защит:
ч
к.мин
с.з
k=I/I,
к.мин
где I - минимальный ток короткого замыкания,
с.з
I - ток срабатывания защиты, при достижении которого она дает сигнал на отключение.
ч
ч
КЗ
В1
С1
A1
В1
С1
A1
КЗ
В1
A1
В дистанционных защитах k - это отношение сопротивлений. По аналогии с этими представлениями в заявляемом способе k - это отношение коэффициентов пропорциональности n при двухфазном коротком замыкании и n. Определив ток двухфазного короткого замыкания, например, между фазами В и С на выводах электродвигателя мощностью 8МВт, подключенного к шинам напряжением 6кВ, и питающем их трансформаторе мощностью 25МВа, получаем, что токи, протекающие со стороны источника питания в поврежденных фазах электродвигателя I=I=3800А, а в неповрежденной - I=770А. Разделив I и I на I для режима короткого замыкания, получаем n=I/I=3800/770=4,9. При выполнении защит по заявляемому способу коэффициент чувствительности
чз
КЗ
k=n /n=4,9/1,25=3,9, причем это число не зависит от величины тока короткого замыкания, что очень важно при коротком замыкании через переходное сопротивление. Защита, выполняемая по способу, взятому за прототип, имеет
ч
КЗMIN
СЗ
k=I/I,
СЗ
ОТС
НОМ
гдеI=k·I,
ОТС
где k=2 - 4, в зависимости от того, на каких реле выполняется защита.
ОТС
ч
чз
ч
Принимая k=2, получаем k=3800/(770*2)=2,4. Для электродвигателей меньшей мощности, подключенных к тем же шинам, разница между k и k еще больше.
Таким образом, заявляемый способ позволяет строить защиты, обладающие более высокой чувствительностью к двухфазным коротким замыканиям, чем способ-прототип.