СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ОТ ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ И СДВИГА РОТОРА
METHOD OF TURN-TO-TURN SHORT-CIRCUIT AND ROTOR SHIFT PROTECTION OF ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты, и может быть использовано для защиты электродвигателей.
Известен способ защиты электродвигателей от витковых замыканий обмотки статора [Гимоян Г.Г. Релейная защита горных электроустановок. - М. Недра, 1978. - 349 с.], при котором измеряют составляющие токов прямой и обратной последовательности и, если эти токи больше эталонной величины, отключают электродвигатель.
Этот способ не позволяет обеспечить достаточную чувствительность защиты к витковым замыканиям.
Известен способ защиты электродвигателя от витковых замыканий и сдвига ротора [KZ 29177 А4, Н02Н 7/08, Н02Н 5/04, опубл. 17.11.2014], выбранный в качестве прототипа, при котором контролируют положение выключателя электродвигателя и фиксируют момент его включения. С этого момента отсчитывают время, необходимое для пуска электродвигателя и измеряют сумму магнитных потоков со стороны его первого и второго торцов. Сравнивают сумму магнитных потоков с первого торца с первым эталоном, сумму магнитных потоков со второго торца - со вторым эталоном, а разность этих сумм магнитных потоков - с третьим эталоном. По окончании времени, необходимого для пуска электродвигателя, переключают задатчик эталонов на меньшие по величине. В случае превышения сумм магнитных потоков или их разности соответствующих эталонов, отключают электродвигатель от сети.
Недостатком данного способа является малая чувствительность защиты к витковым замыканиям и к небольшим сдвигам ротора вдоль продольной оси электродвигателя, так как необходима отстройка от сумм магнитных потоков, создаваемых токами электродвигателя при его самозапусках.
Задачей изобретения является повышение чувствительности к витковым замыканиям в обмотках электродвигателя и к сдвигам ротора вдоль его продольной оси.
п
п
Это достигается тем, что в способе защиты электродвигателя от витковых замыканий и сдвига ротора, так же, как и в прототипе, контролируют положение выключателя электродвигателя и фиксируют момент его включения. С этого момента отсчитывают время t, необходимое для пуска электродвигателя, и постоянно измеряют суммы магнитных потоков со стороны его первого и второго торцов. Сравнивают сумму магнитных потоков с первого торца с первым параметром срабатывания защиты (эталоном), сумму магнитных потоков со второго торца - со вторым эталоном, а разность этих сумм магнитных потоков - с третьим эталоном. По окончании времени t переключают эталоны с больших на меньшие по величине. В случае превышения сумм магнитных потоков или разности между ними соответствующих эталонов, отключают электродвигатель от сети.
ш
доп
ш
доп
з
сам
Согласно изобретению, одновременно с измерением сумм магнитных потоков с обоих торцов электродвигателя и сравнением их и разности между ними с соответствующими эталонами, постоянно измеряют напряжение U на шинах питания электродвигателя и сравнивают его с допустимым напряжением U. Если напряжение U≤U, то отсчитывают время t, большее суммарного времени срабатывания защиты и отключения выключателя электродвигателя, и переключают эталоны с меньших на большие по величине. После этого отсчитывают время t, необходимое для обеспечения самозапуска электродвигателя, и по окончании этого времени обратно переключают эталоны с больших на меньшие по величине. При отключении выключателя электродвигателя по любым причинам переключают эталоны с меньших на большие по величине.
Использование меньших параметров срабатывания (эталонов) при работе в режиме нагрузки электродвигателя, чем при его самозапуске, позволяет, по сравнению с прототипом, повысить чувствительность защиты к витковым замыканиям в обмотках электродвигателя и к сдвигам ротора вдоль его продольной оси.
На фиг. 1 дана аппаратная схема устройства для защиты электродвигателя от витковых замыканий и сдвига ротора.
На фиг. 2 показана схема закрепления преобразователя (вид с торца электродвигателя).
Способ защиты электродвигателя от витковых замыканий и сдвига ротора может быть осуществлен с помощью устройства, которое содержит первый 1 (ПР1) и второй 2 (ПР2) преобразователи магнитных потоков в токи (фиг. 1), установленные с обоих торцов электродвигателя 3 (ЭД). Первый преобразователь 1 (ПР1) через первый выпрямитель 4 (ВЫП1) подключен к входам вычитателя 5 (ВЫЧ) и первого блока сравнения с эталонной величиной 6 (БС1). Второй преобразователь 2 (ПР2) через второй выпрямитель 7 (ВЫП2) подключен к входам вычитателя 5 (ВЫЧ) и второго блока сравнения с эталонной величиной 8 (БС2). Выход вычитателя 5 (ВЫЧ) подключен к входу третьего блока сравнения с эталонной величиной 9 (БС3).
Выходы первого 6 (БС1), второго 8 (БС2), третьего 9 (БС3) блоков сравнения с эталонной величиной подключены к входам первого элемента ИЛИ 10 (ИЛИ1). Выход первого элемента ИЛИ 10 (ИЛИ1) через промежуточное реле 11 (РП) подключен к выключателю 12 (В) электродвигателя 3 (ЭД). Реле положения выключателя 13 (РПВ) входом подключено к выключателю 12 (В), а выходом - к входу первого реле времени 14 (РВ1) и через элемент НЕ 15 (НЕ) к первому входу блока задания эталонов 16 (БЗЭ). Выход первого реле времени 14 (РВ1) через второй элемент ИЛИ 17 (ИЛИ2) подключен ко второму входу блока задания эталонов 16 (БЗЭ).
Реле напряжения 18 (РН) входом через трансформатор напряжения 19 (ТН) подключено к шинам 20 питания электродвигателя 3 (ЭД). Выход реле напряжения 18 (РН) подключен к входу второго реле времени 21 (РВ2). Выход второго реле времени 21 (РВ2) подключен к третьему входу блока задания эталонов 16 (БЗЭ) и к входу третьего реле времени 22 (РВ3). Выход третьего реле времени 22 (РВ3) подключен к входу второго элемента ИЛИ 17 (ИЛИ2). Блок задания эталонов 16 (БЗЭ) выходами подключен к входам первого 6 (БС1), второго 8 (БС2), третьего 9 (БС3) блоков сравнения с эталонной величиной.
Первый 1 (ПР1) и второй 2 (ПР2) преобразователи идентичны и каждый содержит одновитковое кольцо 23 (фиг. 2) из стандартной жилы алюминиевого или медного провода. В рассечку 24 кольца 23 установлен трансформатор тока 25 (ТТ) (например, типа Т-0,66У3). Кольцо 23 при помощи жгутов 26 закреплено на проушинах 27 бандажного кольца 28 в торце электродвигателя 3 (ЭД) в непосредственной близости от лобовых частей обмотки статора 29.
В качестве первого 4 (ВЫП1) и второго 7 (ВЫП2) выпрямителей могут быть использованы, например, выпрямители типа В УК-170/13. Вычитатель 5 (ВЫЧ), первый 6 (БС1), второй 8 (БС2), третий 9 (БС3) блоки сравнения с эталонной величиной, блок задания эталонов 16 (БЗЭ), элемент НЕ 15 (НЕ), первый 10 (ИЛИ1), второй 17 (ИЛИ2) элементы ИЛИ, первое 14 (РВ1), второе 21 (РВ2), третье 22 (РВ3) реле времени могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53. В качестве промежуточного реле 11 (РП) и реле положения выключателя 13 (РПВ) могут быть использованы промежуточные реле РП-210-РП-215. В качестве выключателя 12 (В) использованы типовые выключатели, марка которых зависит от напряжения питания электродвигателя 3 (ЭД) (например, при напряжении 10 кВ выключатели ВМП-10, МГ-10 или ВЭМ-107, выпускаемые промышленностью). В качестве реле напряжения 18 (РН) может быть использовано реле напряжения РН-111М.
Были проведены испытания электродвигателя типа 4АРМ-8000/6000. Этот двигатель имел следующие параметры, которые были использованы в ходе испытаний:
п
1) время t, необходимое для пуска электродвигателя, равное 5 с;
сам
2) время t, необходимое для обеспечения самозапуска электродвигателя, равное 3 с;
доп
3) допустимое напряжение U на шинах питания электродвигателя, равное 3600 В.
Вначале были определены параметры срабатывания защиты. Для этого в обоих торцах электродвигателя 3 (ЭД) в непосредственной близости от лобовых частей обмотки статора 29 при помощи жгутов 26 на проушинах 27 бандажных колец 28 были закреплены одновитковые кольца 23, в рассечку 24 которых были подключены трансформаторы тока 25 (ТТ).
э1
э2
э3
э1
э2
э3
В режимах нагрузки на выходах трансформаторов тока 25 (ТТ) первого 1 (ПР1) и второго 2 (ПР2) преобразователей магнитных потоков в токи были зафиксированы токи небаланса  и , созданные в одновитковых кольцах 23 суммами магнитных потоков с первого и второго торцов электродвигателя 3 (ЭД) соответственно. Токи небаланса через первый 4 (ВЫП1) и второй 7 (ВЫП2) выпрямители поступали на входы первого 6 (БС1) и второго 8 (БС2) блоков сравнения с эталонной величиной, а также на вход вычитателя 5 (ВЫЧ). Абсолютное значение разности тока небаланса  поступало с выхода вычитателя 5 (ВЫЧ) на вход третьего блока сравнения с эталонной величиной 9 (БС3). Чтобы устройство защиты не срабатывало в режимах нагрузки без повреждений, первый I, второй I, третий I параметры срабатывания защиты (эталоны) в первом 6 (БС1), втором 8 (БС2) и третьем 9 (БС3) блоках сравнения с эталонной величиной соответственно с помощью блока задания эталонов 16 (БЗЭ) были установлены равными I=0,15 А, I=0,18 А, I=0,03 А.
э1
э2
э3
э1
э2
э3
э1
э2
э3
В режимах пуска электродвигателя 3 (ЭД) токи небаланса  и  на выходах первого 1 (ПР1) и второго 2 (ПР2) преобразователей, а также их разность , возрастали, в сравнении с токами небаланса , ,  в режимах нагрузки, и были равны , , . Чтобы устройство защиты при этом не срабатывало, сразу после отключения выключателя 12 (В) электродвигателя 3 (ЭД) по любым причинам, с выхода реле положения выключателя 13 (РПВ) через элемент НЕ 15 (НЕ) поступал сигнал на первый вход блока задания эталонов 16 (БЗЭ), который переключал первый I, второй I, третий I эталоны в первом 6 (БС1), втором 8 (БС2) и третьем 9 (БС3) блоках сравнения с эталонной величиной соответственно с меньших, равных I=0,15 А, I=0,18 А, I=0,03 А, на большие по величине, равные I=0,9 А, I=1,08 А, I=0,18 А.
п
э1
э2
э3
э1
э2
э3
э1
э2
э3
В момент включения выключателя 12 (В) электродвигателя 3 (ЭД) реле положения выключателя 13 (РПВ) подавало сигнал на первое реле времени 14 (РВ1). Через время t=5 с, необходимое для пуска электродвигателя 3 (ЭД), с выхода первого реле времени 14 (РВ1) сигнал через второй элемент ИЛИ 17 (ИЛИ2) поступал на второй вход блока задания эталонов 16 (БЗЭ), который переключал первый I, второй I, третий I эталоны в первом 6 (БС1), втором 8 (БС2), третьем 9 (БС3) блоках сравнения с эталонной величиной соответственно с больших, равных I=0,9 А, I=1,08 А, I=0,18 А, на меньшие по величине, равные I=0,15 А, I=0,18 А, I=0,03 А.
1
2
1
2
3
1
3
э1
э3
При замыканиях одного витка в обмотке статора 29 во время пуска электродвигателя 3 (ЭД) токи I и 1 на выходах первого 1 (ПР1) и второго 2 (ПР2) преобразователей, а также их разность , были равны I=1,73 А, I=1,02 А, I=0,71 А. Таким образом, токи I и I стали больше первого I=0,9 А и третьего I=0,18 А эталонов, установленных в это время в первом 6 (БС1) и третьем 9 (БС3) блоках сравнения с эталонной величиной соответственно, и на их выходах появились сигналы, поступившие через первый элемент ИЛИ 10 (ИЛИ1) на вход промежуточного реле 11 (РП). Промежуточное реле 11 (РП) сработало и подало сигнал на отключение выключателя 12 (В).
1
2
1
2
3
1
3
э1
э3
При замыканиях одного витка в обмотке статора 29 в режиме нагрузки электродвигателя 3 (ЭД) токи I и I на выходах первого 1 (ПР1) и второго 2 (ПР2) преобразователей, а также их разность , были равны I=0,29 А, I=0,17 А, I=0,12 А. Таким образом, токи I и I стали больше первого I=0,15 А и третьего I=0,03 А эталонов, установленных в это время в первом 6 (БС1) и третьем 9 (БС3) блоках сравнения с эталонной величиной соответственно, и на их выходах появились сигналы, поступившие через первый элемент ИЛИ 10 (ИЛИ1) на вход промежуточного реле 11 (РП). Промежуточное реле 11 (РП) сработало и подало сигнал на отключение выключателя 12 (В).
1
2
1
2
3
3
э3
При сдвиге ротора вдоль продольной оси электродвигателя 3 (ЭД) на 2 мм в режиме пуска токи I и I на выходах первого 1 (ПР1) и второго 2 (ПР2) преобразователей, а также их разность , были равны I=0,72 А, I=1,02 А, I=0,3 А. Таким образом, ток I стал больше третьего эталона I=0,18 А, установленного в это время в третьем блоке сравнения с эталонной величиной 9 (БС3), и на его выходе появился сигнал, поступивший через первый элемент ИЛИ 10 (ИЛИ1) на вход промежуточного реле 11 (РП). Промежуточное реле 11 (РП) сработало и подало сигнал на отключение выключателя 12 (В).
1
2
1
2
3
3
э3
При сдвиге ротора вдоль продольной оси электродвигателя 3 (ЭД) на 2 мм в режиме нагрузки токи I и I на выходах первого 1 (ПР1) и второго 2 (ПР2) преобразователей, а также их разность , были равны I=0,12 А, I=0,17 А, I=0,05 А. Таким образом, ток I стал больше третьего эталона I=0,03 А, установленного в это время в третьем блоке сравнения с эталонной величиной 9 (БС3), и на его выходе появился сигнал, поступивший через первый элемент ИЛИ 10 (ИЛИ1) на вход промежуточного реле 11 (РП). Промежуточное реле 11 (РП) сработало и подало сигнал на отключение выключателя 12 (В).
ш
доп
Одновременно с измерением сумм магнитных потоков с обоих торцов электродвигателя и сравнением их и разности между ними с соответствующими эталонами, с помощью трансформатора напряжения 19 (ТН) измеряли напряжение U на шинах 20 питания электродвигателя 3 (ЭД) и сравнивали его с допустимым напряжением U=3600 В.
ш
доп
з
Понижение напряжения U на шинах 20 питания электродвигателя 3 (ЭД) ниже допустимого U=3600 В при коротком замыкании не повлияло на работу защиты, так как второе реле времени 21 (РВ2), которое запустилось при срабатывании реле напряжения 18 (РН), не успело сработать, поскольку выдержка времени t=0,1 с, установленная на нем, была больше суммарного времени срабатывания защиты и отключения выключателя 12 (В) электродвигателя 3 (ЭД), равного 0,09 с.
ш
доп
э1
э2
э3
э1
э2
э3
э1
э2
э3
1
2
сам
э1
э2
э3
э1
э2
э3
э1
э2
э3
При понижении напряжения U на шинах 20 питания электродвигателя 3 (ЭД) до U=3600 В при самозапуске во время перерыва питания 2,5 с, второе реле времени 21 (РВ2) сработало и подало сигнал на третий вход блока задания эталонов 16 (БЗЭ), который переключил первый I, второй I, третий I эталоны в первом 6 (БС1), втором 8 (БС2), третьем 9 (БС3) блоках сравнения с эталонной величиной соответственно с меньших, равных I=0,15 А, I=0,18 А, I=0,03 А, на большие по величине, равные I=0,45 А, I=0,54 А, I=0,09 А. Это было необходимо для того, чтобы предотвратить срабатывание защиты от токов I=0,3 А и I=0,36 А на выходах первого 1 (ПР1) и второго 2 (ПР2) преобразователей, а также от их разности , возникших после подачи напряжения на электродвигатель 3 (ЭД), потерявший питание. Одновременно с подачей сигнала на третий вход блока задания эталонов 16 (БЗЭ) второе реле времени 21 (РВ2) запустило третье реле времени 22 (РВ3). Через время t=3 с, необходимое для обеспечения самозапуска электродвигателя 3 (ЭД), с выхода третьего реле времени 22 (РВ3) сигнал через второй элемент ИЛИ 17 (ИЛИ2) поступил на второй вход блока задания эталонов 16 (БЗЭ), который переключил первый I, второй I, третий I эталоны в первом 6 (БС1), втором 8 (БС2), третьем 9 (БС3) блоках сравнения с эталонной величиной соответственно с больших, равных I=0,45 А, I=0,54 А, I=0,09 А, на меньшие по величине, равные I=0,15 А, I=0,18 А, I=0,03 А.