Чувствительность и селективность расцепителей автоматических выключателей

Селективность. Для обеспечения селективного отключения последовательно установленных автоматических выключателей защитные характеристики их расцепителей не должны пересекаться, причем уставки тока у расцепителя выключателя QF1, расположенного ближе к источнику питания, должны быть больше, чем у расцепителя автоматического выключателя QF2, более удаленного от источника питания сети. В том случае, если характеристика расцепителя первого выключателя, выбранная по условиям, изложенным в п. 11.5, не удовлетворяет требованиям селективности, его уставки принимаются выше расчетных. Но и при этом не всегда удается получить селективно действующую защиту во всем диапазоне токов короткого замыкания. Для неселективных автоматических выключателей это может быть, если максимальная ток внешнего короткого замыкания Iк.вн.max оказывается выше наибольшего тока настраиваемой уставки отсечки. У селективных выключателей, имеющих трехступенчатую защиту, ток срабатывания первой ступени Iс.зI строго фиксирован. Селективного действия добиться нельзя, если Iс.зI < Iк.вн.max(3).

При согласовании защитных характеристик среднюю погрешность действия расцепителей принимают равной Δt = ±20 % независимо от типа выключателя. В этом случае для любого значения тока перегрузки и тока короткого замыкания селективность обеспечивается, если O,8 tс.з1 >= tс.з2 или tс.з1 >= 1,5 tс.з2.

16.1. Виды повреждений и ненормальных режимов работы электродвигателей
и требования к их защитам

Повреждения и защиты от них. К повреждениям, возникающим в обмотке статора электродвигателей переменного тока, относятся многофазные короткие замыкания, однофазные повреждения на землю и замыкания между витками одной фазы (витковые замыкания). Повреждениями синхронных электродвигателей и электродвигателей постоянного тока являются также обрывы в цепях возбуждения. Для синхронных электродвигателей представляют опасность замыкания на земли обмотки ротора.

Многофазные короткие замыкания всегда сопровождаются значительным возрастанием тока в поврежденном электродвигателе и понижением напряжения в питающей сети. Такие повреждения опасны не только для электродвигателя, но и для других неповрежденных электроприемников, поэтому на электродвигателях предусматривается быстродействующая защита от многофазных коротких замыканий в его обмотках и соединениях с коммутационным аппаратом, действующая на отключение.

Однофазное повреждение на землю в обмотке статора определяется режимом заземления нейтралей в питающей сети. Есл нейтрали глухо заземлены, что обычно характерно для четырехпроводных сетей напряжением до 1 кВ, то ток однофазного короткого замыкания представляет опасность для поврежденного электродвигателя, поэтому и при таких повреждениях электродвигатель должен отключаться защитой без выдержки времени. Обычно это возлагается на защиту от многофазных коротких замыканий, выполняемой трехфазной. Специальную защиту от однофазных коротких замыканий на землю, как правило, не предусматривают.

В сетях с изолированными или заземленными через дугогасящие реакторы нейтралями однофазные замыкания на землю, как правило, непосредственной опасности для поврежденного электродвигателя и для системы электроснабжения в целом не представляют. Поэтому специальная защита от замыкания на землю, действующая на отключение, устанавливается на двигателях мощностью Р =< 2 МВт лишь в тех случаях, когда ток замыкания на землю Iз >= 10 А. На электродвигателях мощностью Р > 2 МВт такая защита предусматривается при токах замыкания на землю Iз >= 5 А. Однако, по некоторым данным ток замыкания на землю Iз >= 5 А представляет непосредственную опасность и для электродвигателей мощностью Р < 2 МВт. Поэтому предлагается защиту электродвигателей независимо от их номинальной мощности выполнять одинаково. Опасность однофазных замыканий на землю заключается и в том, что они могут переходить в двойные замыкания на землю в разных точках. В этом случае значения токов повреждения могут достигать значения тока двухфазного КЗ. Отключение электродвигателя при двойных замыканиях на землю возлагается обычно на защиту от замыкания на землю. Если она имеет выдержку времени, то в ее схему дополнительно вводят реле тока, срабатывающее при токах повреждения первичных, равных 50-100 А, и отключающее электродвигатель без выдержки времени.

Витковые замыкания в обмотке опасны для электродвигателя в связи с тем, что наведенные в замкнувшихся витках токи могут намного превышать номинальный ток. При этом из-за теплоты, выделяемой в замкнувшихся витках, происходит повышенный нагрев магнитопровода и неповрежденной части обмотки и, как следствие, дальнейшее разрушение изоляции. Ток в неповрежденной части обмотки при витковых замыканиях изменяется незначительно, поэтому защиты, включенные на полные токи фаз, не могут использоваться для действия при таких повреждениях. Для этого в случае необходимости рекомендуется применять фильтровую токовую защиту. Имеются и другие предложения.

Обрывы в цепях возбуждения синхронных электродвигателей происходят очень редко, поэтому защита от этих повреждений предусматривается только для некоторых мощных электродвигателей. Более вероятен обрыв в цепях возбуждения двигателей постоянного тока. При обрыве цепи возбуждения электродвигатель или тормозится (если на валу есть нагрузка), или чрезмерно повышает частоту вращения (незагруженный электродвигатель с независимым возбуждением или с параллельным самовозбуждением). И то, и другое нежелательно, так как при торможении значительно возрастает ток якоря, а работа с чрезмерной скоростью может привести к разрушению электродвигателя. Поэтому электродвигатели постоянного тока средней и большой мощности снабжаются защитой от обрыва цепи возбуждения.

Замыкания на землю обмотки ротора. Как и для турбогенераторов, опасно замыкание на землю во второй точке обмотки возбуждения синхронного электродвигателя. Его защита от этого вида повреждения может быть выполнена аналогично защите турбогенератора. Однако в соответствии с Правилами устройства электроустановок такая защита необязательна.

Ненормальные режимы работы и защита от них. Все учитываемые ненормальные режимы работы электродвигателя сопровождаются прохождением сверхтока в его обмотке. Опасно прежде всего тепловое действие сверхтока, которое определяет допустимые значения и продолжительность прохождения сверхтока. Чем больше кратность k тока перегрузки относительно номинального тока, тем меньше допустимое время перегрузки tпер = А/(k2 - 1), где А - коэффициент, зависящий от типа и исполнения электродвигателя. Для закрытых электродвигателей с большими массой и размерами А = 250; для открытых А = 150.

Основными причинами возникновения сверхтоков являются технологические перегрузки приводимых во вращение механизмов, понижение напряжения в питающей сети и последующее его восстановление и обрыв одной фазы обмотки статора. Для синхронных электродвигателей причиной появления сверхтока является также асинхронный режим.

Сверхтоки технологической перегрузки. В условиях эксплуатации некоторые электродвигатели перегружаются приводимыми в движение механизмами. При недопустимой длительности перегрузки электродвигатель должен быть разгружен. Технологические перегрузки могут устраняться автоматически или обслуживающим персоналом без остановки механизма или только после его остановки (например, завал угля в дробилке), поэтому защита от перегрузки имеет выдержку времени и может выполняться с действием на автоматическую разгрузку механизма, на сигнал или на отключение электродвигателя.

Сверхтоки при понижении напряжения. Момент вращения Мвр электродвигателя зависит от напряжения Uс на его выводах. Так, для асинхронного электродвигателя Мвр = k U2, поэтому понижение напряжения например при коротком замыкании в питающей сети, приводит к снижению момента вращения и уменьшению числа оборотов электродвигателя. Он может даже остановиться, если вращающий момент станет меньше противодействующего момента механизма. Последующее восстановление нормальной работы (самозапуск) при возрастании напряжения после отключения короткого замыкания сопровождается прохождением по обмоткам сверхтоков самозапуска. Токи самозапуска для большинства электродвигателей опасности не представляют, так как режим самозапуска кратковремен. Однако при одновременном самозапуске многих электродвигателей, подключенных к одной и той же сети, в ряде случаев начальное значение восстанавливающегося напряжения оказывается Uост.сзп < (0,55...0,7) Uном, что затрудняет восстановление нормальной работы. Поэтому часть менее ответственных электродвигателей при понижении напряжения должна отключаться минимальной защитой напряжения, чтобы облегчить самозапуск более ответственных электродвигателей. При недостаточной мощности источника питания наряду с неответственными необходимо отключать и часть ответственных механизмов. Они повторно включаются устройством АПВ по окончании самозапуска неотключенных электродвигателей. Минимальную защиту напряжения необходимо также устанавливать на электродвигателях механизмов, самозапуск которых недопустим по условиям технологического процесса или по условиям техники безопасности.

Сверхтоки при обрыве фазы. Сверхтоки, вызываемые обрывом фазы, наиболее часто возникают при защите электродвигателя или его питающей сети плавкими предохранителями. При этом вращающий момент уменьшается. Поведение работающего электродвигателя после обрыва фазы (работа с пониженной скоростью или торможение) зависит от противодействующего момента механизма. Если к сети с оборванной фазой подключается неподвижный электродвигатель, то, поскольку он развернуться не может, по его обмотке может длительно проходить опасный для него начальный пусковой ток. Перегорание предохранителя в одной фазе или нарушение контакта в одном полюсе коммутационного аппарата при правильном выборе предохранителей и высокой культуре эксплуатации электрооборудования происходят очень редко. Поэтому обычно специальная защита от работы электродвигателя на двух фазах не устанавливается, а ее функции выполняют другие защиты от перегрузок. Применение защиты от обрыва фазы оправдано, если электродвигатель работает в длительном режиме с большой нагрузкой без постоянного наблюдения персонала, а повреждение электродвигателя влечет за собой существенный ущерб.

Необходимо заметить что токовые защиты от перегрузки часто отказывают в действии при обрыве фазных проводов. Этим объясняются многочисленные предложения по совершенствованию существующих и разработке новых устройств защиты от обрыва проводов и перегрузки. Очевидно, наиболее универсальной защитой электродвигателей напряжением до 1 кВ от всех ненормальных режимов, сопровождающихся возрастанием тока и в связи с этим интенсивным нагревом электродвигателя, является встроенная температурная защита.

Сверхтоки синхронных электродвигателей при асинхронном режиме. Из рассмотрения упрощенного выражения момента вращения синхронного электродвигателя Мвр = (kEqUс/Xd)sinδ следует, что устойчивая работа синхронного электродвигателя возможна только при механических нагрузках, при которых угол δ между напряжением сети U и ЭДС электродвигателя Е не превышает π/2. Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается переходом за угол π/2, снижением момента вращения и возникновением асинхронного режима. Причинами уменьшения момента вращения и возникновения в связи с этим асинхронного режима являются также снижение напряжения U, и уменьшение тока возбуждения электродвигателя. При асинхронном режиме ток статора возрастает, а ротор и приводимый в движение механизм подвергаются действию знакопеременного момента, что может привести к их повреждению. Синхронные электродвигатели напряжением до 1 кВ не имеют специальной защиты от асинхронного режима. Ее функции, как правило, выполняют защиты от перегрузки по току статора. Специальная защита предусматривается на синхронных электродвигателях напряжением выше 1 кВ. Ее стремятся выполнить с действием на устройства, восстанавливающие синхронную работу электродвигателя, например на устройство ресинхронизации или на автоматическую разгрузку механизма. Защита может действовать и на отключение с повторным автоматическим пуском. При невозможности ресинхронизации или разгрузки электродвигателя защита действует на отключение. Во всех случаях ее выполняют с выдержкой времени.

Опасно для синхронных электродвигателей также и несинхронное включение, которое может иметь место при работе устройств АПВ и АВР источников питания. Для двигателей, не допускающих такого включения, предусматривается защита, отключающая их при выявлении факта потери питания. Действие защиты может сопровождаться не отключением электродвигателей, а их ресинхронизацией.

Защиты электродвигателей выполняются на основе отдельных электромеханических и полупроводниковых реле. Эти защиты обычно нечувствительны к неполнофазным режимам, к витковым замыканиям, они не учитывают возможности появления ряда режимов, опасных для электродвигателей, таких, например, как процесс старения изоляции, недовозбуждение и перевозбуждение синхронных электродвигателей, перенапряжения и др. В связи с этим разработаны многофункциональные устройства релейной защиты отдельных объектов, более точно учитывающие режимы работы и перегрузочные характеристики защищаемого оборудования.

При повреждении электродвигателя ответственного механизма может нарушаться технологический процесс, что в ряде случаев недопустимо. Технологический процесс не нарушится, если ввести в работу резервный механизм. Для этого применяют устройство АВР электродвигателя резервного механизма. Оно действует не только при отключении электродвигателя основного механизма, но и при недопустимом отклонении параметров технологического процесса.