Защита от многофазных коротких замыканий

 

 

Защита от междуфазных КЗ отключает поврежденный двигатель с минимальной выдержкой времени и может быть выполнена с помощью:

 

· плавких предохранителей;

· автоматических выключателей;

· токовых отсечек без выдержки времени;

· дифференциальной защиты.

 

Проанализировав информацию из пришел к выводу что:

Защита с применением плавких вставок являются самым простым способом защита, и в тоже время очень надежным и дешевым способом от КЗ. В тоже время защиту с применением плавких вставок, не рекомендуется использовать от перегрузки. Для защиты двигателей будет лучше если использовать комплект плавких вставок т.к. использование одного комплекта вставок не рекомендуется, но возможна, в том случае если будет не очень большой разброс мощностей и поочередного режима работы. В таком случае номинальный ток плавкой вставки выбирают по двигателю большей мощности.

 

 

Если случилось КЗ, то плавкая вставка перегорает раньше, чем КЗ достигает максимального значения, следовательно, плавкие вставки обладают токоограничивающими свойствами. Данное свойства плавких вставок позволяет свести к нулю повреждения при КЗ.

 

Есть и недостатки данной защиты, они заключаются в однократности их действия, неполнофазного режима работы АД и достаточно низкой оперативности из-за замены.

АД при двухфазном питании потребляет ток:

I _дв=(1,8¸2,5)I_н.дв

 

И данный режим работы достаточно долгий, следовательно, двигатель перегревается, происходит старение и разрушение изоляции статорных обмоток. Следовательно, при защите с плавкими вставками, нужна специальная защита от неполнофазного режима работы АД.

 

Еще один недостаток заключается в том, что их нужно время от времени менять. Если правильно выбрать плавкую вставку, то номинальный ток будет меньше пускового тока двигателя. В момент пуска АД время токовая характеристика вставки не изменяется. Это происходит из-за разогрева и старения плавкого проводника пускового тока двигателя. Если АД часто запускать, то периодичность замены вставок возрастает пропорционально частоте пусков.

 

Плавкие вставки имеют следующие времятоковые характеристики:

 

· при токах I _вст = (3 ¸ 4)I_н.вст время перегорания составляет 5-20 c;

· при токах I _вст = (4 ¸ 5)I_н.вст - 2-8 с;

· при токах I _вст = (5 ¸ 7)I_н.вст - 1-4 с;

· при токах I _вст =1,3I_н.вст - 1-2 ч.

 

Плавкие вставки не должны стареть при пусках, торможении и реверсах. Было установлено, что вставки не будут стареть, если ток, который протекает через вставку, меньше половины значения тока, который расплавит ее за тоже время, т.е. если I _вст = 5I_н.вст расплавит вставку за t = 2 ¸ 4 c, то без изменений времятоковой характеристики вставки через нее можно пропустить ток I _вст = 2,5I_н.вст за время t = 2 ¸ 4 c.

 

Простейший вариант защиты электродвигателя с применением плавких вставок приведен на рисунке 2.1. Для обеспечения требований техники безопасности плавкие вставки П1- П3должны быть установлены после рубильника S1 во всех трех фазах. Они являются элементами защиты кабелей питания и цепей управления электрических двигателей (в данном случае кнопок управления S 2, S3 и обмотки магнитного пускателя K1). Защита построена с применением резисторов R1- R3(резисторы выбираются одного номинала) и реле K 2 с нормально замкнутыми контактами K 2.1. В некоторых схемах защит вместо резисторов R1- R3применяют конденсаторы.

 

Основной недостаток этих устройств заключается в не действии защиты при обрыве фазного провода в цепи статора или в корпусе соединительной коробки двигателя. Данные устройства обеспечивают только контроль исправности плавких вставок.

 

 

Рисунок 2.1 – Схема защиты электродвигателя с применением плавких вставок

 

 

Более совершенными защитами электродвигателей от неполнофазного режима работы являются устройства с контролем токов в фазах A,B и С . Представителями такого типа устройств являются фазочувствительные устройства защиты (ФУЗ). Схема устройства защиты электродвигателя с фа-зочувствительным устройством защиты приведена на рисунке 2.2.

 

 

Рисунок 2.2 – Фазочувствительное устройство защиты электродвигателя

 

Устройства ФУЗ-М, …, ФУЗ-5 обеспечивают защиту двигател при заклинивании ротора, а также при симметричных и несимметричных перегрузках. Технические характеристики этих устройств приведены в таблице. 2.1

 

Таблица 2.1 – Технические характеристики устройств ФУЗ-М

 

Параметры	ФУЗ-М	ФУЗ-М2	ФУЗ-М3	ФУЗ-М4	ФУЗ-М5
Диапазон рабоче-	1-2	2-4	4-8	8-16	16-32
го тока, А
Ток срабатывания
защиты при об-
рыве фазы, А, не
более

 

 

Продолжение таблицы 2.1

 

 

Время срабаты-	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1
вания защиты при
обрыве фазы то-
ка, с, не более
Время срабаты-	30-50	30-50	30-50	30-50	30-50
вания защиты при
перегрузке 1,5, с,
не более
Время срабаты-	6-10	6-10	6-10	6-10	6-10
вания защиты при
перегрузке 7,5, с,
не более
Напряжение, В

 

Автоматические воздушные выключатели (автоматы) являются первичными защитными аппаратами прямого действия. Они предназначены для аварийных или оперативных отключений электрической цепи. Электрическая дуга, возникающая при разрыве электрической цепи, гасится в среде окружающего воздуха. Поэтому такие выключатели называются воздушными. Автоматические выключатели для защиты электродвигателя от КЗ выполняются трехполюсными (трехфазными).

Автоматические выключатели в зависимости от исполнения могут выполнять некоторые функции выключателя, контактора, максимального токового реле с фиксированным временем срабатывания или теплового реле с инверсной характеристикой срабатывания, могут иметь в составе независимый, нулевой расцепитель и т.п. Преимущество автоматических выключателей заключается в многократности их действия, возможности регулировки и проверки уставок. В сравнении с плавкими вставками они более точны, надежны и безопасны в работе. При защите электрических двигателей автоматами возможность неполнофазной работы отсутствует. При использовании автоматических выключателей не требуется ТТ, дополнительные источники питания и цепи оперативного тока.

Основные элементы автоматического выключателя изображены на рисунке 2.2. Автоматический выключатель включается с помощью ручного 2 или электромагнитного 1 привода. Отключение выключателя обеспечивается ручным приводом (рукояткой 2), дистанционно при подаче напряжения на обмотку независимого расцепителя 14 (например, с помощью кнопки 17) или при срабатывании расцепителей защит.

 

 

 

Рисунок 2.2 – Схема автоматического выключателя

 

1-электромгнитный привод включения; 2-ручной привод включения; 3-обмотка минимального расцепителя; 4-минимальный расцепитель; 5-рычаги механизма свободного расцепления; 6-удерживающая пружина фиксации защелки; 7-электриическая дуга; 8-пружина фиксации главных контактов; 9-главный подвижный контакт; 10-отключающаяпружина; 11-зубцы фиксирующей и удерживающей защелок; 12-обмотка максимального расцепителя; 13-фиксирующая защелка; 14-обмотка независимого расцепителя; 15- пластины дугогасящей камеры; 16-дугогасительные контакты; 17-кнопка управления независимым расцепителем; 18-электродинамический компенсатор; 19-главные неподвижные контакты; 20-гибкая контактная шина; 21-коромысло.

 

Обмотка максимального расцепителя 12 включается последовательно с контактной системой 9,16,19 автоматического выключателя и является измерительным органом тока. При протекании через обмотку максимального рас-цепителя 12 тока больше значения уставки автоматический выключатель срабатывает, преодолевая усилие удерживающей пружины 6 и выводя из зацепления зубцы удерживающей защелки 11. Контактная система автоматических выключателей, рассчитанных на коммутацию больших токов, выполняется двухступенчатой и состоит из главных 9,19 и дугогасящих 16 контактов. Главные контактные пары 9,19 представляют собой массивные медные контакты с серебряными накладками и имеют

 

низкое значение переходного сопротивления (поскольку через них протекает большой ток). Дугогасящие контакты 16 имеют металлокерамическую поверхность, обеспечивающую устойчивость к температуре дуги. При включении автоматического выключателя автоматического выключателя первыми замыкаются дугогасящие 16, а затем главные 9 и 19 контакты выключателя. После включения выключатель удерживается во влюченном положении с помощью зубцов фиксирующей и удерживающей защелок 11. При снижении или исчезновения напряжения в сети срабатывает минимальный расцепитель 3,4 автоматического выключателя и выключает его, выводя из зацепления зубцы удерживающей защелки 11. При отключении выключателя первой размыкается главная контактная пара и весь ток отключения перераспределяется на дугогасящие контакты. Это исключает образование дуги на главных контактах выключателя. Электрическая дуга с дугогасящих контактов 16 выдувается в дугогасящую камеру магнитным дутьем. Дугогасящая камера выполняется из стальных пластин 15, которые выполняют гашение электрической дуги за счет деления применяется лабиринтно-щелевое гашение дуги.

 

При коммутации больших токов для устранения самопроизвольного отключения выключателя и эффекта приваривания контактов применяется электромеханический компенсатор 18. Компенсатор 18 обеспечивает компенсацию электродинамических усилий на контактах. Токи в шинах 20 имеют разные направления, и при больших значениях токов создается дополнительное электродинамическое усилие прижима контактов. При включении выключателя на КЗ срабатывает максимальный расцепитель. Действие максимального расцепителя преодолевает усилие пружины 6 и производит перемещение рычагов механизма свободного расцепления 5 в верхнюю мертвую точку. Это позволяет отбросить коромысло 21 в крайнее левое положение и разомкнуть контактные группы автоматического выключателя.

 

Токовая отсечка – разновидность релейной защиты, позволяющая обеспечить быстрое отключение при КЗ.

 

Токовая отсечка без выдержки времени может иметь следующие исполнение (рисунок 2.3):

 

· однорелейное;

· двурелейное;

· трехрелейное.

 

Ток срабатывания токовой отсечки выбирают по условию:

 

^I с.з=^kотс ^Iпуск ^,

где I_пуск – максимальное значение пускового тока; k_отс – коэффициент отстройки.

 

 

 

Рисунок 2.3 – Токовая отсечка электродвигателей Ток срабатывания реле KA равен:

I _ср= ^kcх I_сз,

K_Т

где k_сх - коэффициент схемы при трехфазном значении I_пуск .

 

Схема, приведённая на рисунке 2.3,а предназначена для двигателей мощностью <5 МВт. Двухрелейная схема (рисунок 2.3,б) используется для двигателей мощностью 2 МВт и более, имеющих защиты от однофазных замыканий на землю, а так же в тех случаях, когда для двигателей мощностью <2 МВт не удовлетворяются требования чувствительности. Если двигатели мощностью 2 МВт и более оборудованы защитой от замыканий на землю, то используется трехлинейная токовая отсечка (рисунок 2.3,в).

 

Токовая отсечка без выдержки времени устанавливается на двигателях мощностью S_д < 5000 кВт. Причем для двигателей мощностью менее S_д<2000кВт она выполняется однорелейной с включением реле на разностьтоков двух фаз. Если чувствительность отсечки оказывается недостаточной ( k_ч^I < 2,0 при 2-фазном металлическом коротком замыкании на выводах обмотки статора) или, если привод выключателя имеет два реле прямого действия, то применяют двухрелейную отсечку, которая является обязательной для двигателей мощностью S_д > 2000 кВт [4].

 

При запуске АД кроме периодической составляющей пускового тока появляется апериодическая составляющая, обусловленная переходным процессом и током намагничивания. Это приводит к увеличению амплитуды пускового тока в 1,3‒1,8 раз (см. рисунок 2.4). Считается, что процесс пуска машины завершен, когда пусковой ток станет ниже значения 1,25I_н.дв [2].

 

 

 

Рисунок 2.4 – Изменение тока асинхронного электродвигателя при прямом пуске

 

Так как броски тока от двигателя при внешних КЗ и токи пуска и самозапуска дают возможность получить большую чувствительность, следовательно, в схеме дифференциальной защиты оказываются сбалансированными. Схема дифференциальной защиты двигателя приведена на рисунок 2.5.

 

Ток срабатывания токовой отсечки от междуфазных КЗ отстраивается от бросков тока, посылаемых двигателем в первый момент КЗ в сети, питающей двигатель, и от пускового тока при полном напряжении питающей сети и выведенном пусковом сопротивлении в цепи ротора. Ключевым является второе условие.

 

Рисунок 2.5 – Дифференциальная защита двигателя

 

Если в ходе защиты используются быстродействующие реле типа РТ, которые имеют высокий коэффициент возврата (0,85), то для отстройки от апериодической составляющей пускового тока устанавливается промежуточное реле, которое замедляет действие защиты на 0,04-0,06 с. Ток срабатывания защиты в этом случае выбирают из условия возврата реле при максимальном значении периодического пускового тока I_п.пуск , только нужно учитывать, что апериодическая составляющая пускового тока затухает до того, как успеет подействовать промежуточное реле защиты. Первичный ток срабатывания защиты равен:

 

 

_I ^kн^Iп.пуск _,

^с.з= k_воз

где k_н – коэффициент надежности обычно принимается равным 1,2.

Защита, имеющая большую инерционность и плохой коэффициент возврата отсечки (0,3-0,4), сработав под влиянием первоначального броска пускового тока, не сможет вернуться после затухания его апериодической составляющей. Поэтому ток срабатывания подобных реле отстраивается от максимального значения пускового тока I_д.пуск . Первичный ток срабатывания принимается равным:

 

^I c.з ^{= k}н ^I д.пуск ^{= k}н^{1,8 I}п.пуск ^,

где k_н – коэффициент надежности обычно принимается равным 1,2; 1,8 – коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую пускового тока. Вторичный ток срабатывания защиты находится по формуле:

I_с.р= ^{kсх Iс.з},

n_т

где k_сх – коэффициент схемы, учитывающий схему соединения ТТ, используемых для защиты; при соединении ТТ на разность токов двух фаз k_сх = 3 , а при соединении их по схеме неполной звезды k_сх =1; n_т – коэффициент трансформации ТТ защиты [6].

Ток срабатывания дифференциальной защиты двигателей при условии идентичности ТТ дифференциальной схемы принимается равным

 

I _с.з=(1,5¸2) I_н.

 

Чувствительность защиты от междуфазных КЗ двигателя оценивается коэффициентом чувствительности, представляющим собой:

_I (2)

k = k.мин .

^ч I_c.з

где I_k⁽²⁾_.мин – ток двухфазного короткого замыкания в минимальном режиме.