А) Повреждения электродвигателей

Повреждения и ненормальные режимы работы электродвигателей. Типы защит

а) Повреждения электродвигателей

В обмотках электродвигателей могут возникать замыкания на землю одной фазы статора, замыкания между витками и многофазные короткие замыкания. Многофазные короткие замыкания и замыкания на землю могут также возникнуть на выводах электродвигателей, в кабелях, муфтах и воронках. Так же как и повреждения других электрических машин и аппаратов, короткие замыкания в электродвигателях сопровождаются прохождением больших токов, разрушающих изоляцию и медь обмоток, сталь ротора и статора.
Для защиты электродвигателя от многофазных коротких замыканий служит токовая отсечка или продольная дифференциальная защита, действующая на отключение. Электродвигатели напряжением до 500 В защищаются от коротких замыканий с помощью плавких предохранителей или быстродействующих электромагнитных расцепителей автоматов.Однофазные замыкания на землю в обмотках статора электродвигателей напряжением 3—10 кВ, являющиеся также распространенным видом повреждения, менее опасны, чем короткие замыкания, так как сопровождаются прохождением токов порядка 5—20 А, определяемых емкостным током сети.
электродвигатели мощностью меньше 2 000 кВт, защита от замыканий на землю устанавливается на них при токе замыкания на землю больше 10А, а на электродвигателях мощностью больше 2 000 кВт — при токе замыкания на землю больше 5 А.

б) Ненормальные режимы работы Длительное прохождение по обмоткам электродвигателей токов, превышающих номинальный, является ненормальным режимом, так как может повлечь за собой повреждение электродвигателей.
Допустимое время перегрузки электродвигателей определяется согласно следующему упрощенному выражению:

где t — допустимое время перегрузки, с; — кратность тока электродвигателя по отношению к номинальному; А — коэффициент, зависящий от типа и исполнения электродвигателя.
Величину коэффициента А можно ориентировочно принимать равной: 250 — для закрытых электродвигателей, имеющих большой вес и размеры; 150 — для открытых электродвигателей.
Перегрузка электродвигателей может иметь место как вследствие перегрузки механизмов, их неисправности, например повреждения подшипников и т. п.
Защита от перегрузки должна отключать электродвигатель, на котором она установлена, только в том случае, если без остановки электродвигателя нельзя устранить причину, вызвавшую перегрузку. Использование защиты от перегрузки с действием на отключение целесообразно также в установках без обслуживающего персонала. Ток срабатывания защиты от перегрузки принимается равным:

где kн = 1,1—1,2.

При этом реле защиты от перегрузки смогут сработать от пускового тока, поэтому выдержка времени защиты принимается 10—20 с по условию отстройки от времени пуска электродвигателя. Защита от перегрузки выполняется с помощью индукционного элемента реле типа ИТ-80 (РТ-80) (см. рис 6.3). Если электродвигатель при перегрузках должен отключаться, в схеме защиты используются реле типа ИТ-82 (РТ-82). На электродвигателях, защита которых от перегрузки не должна действовать на отключение, целесообразно использовать реле с двумя парами контактов типа ИТ-84 (РТ-84), обеспечивающие раздельное действие отсечки и индукционного элемента.

24. Основные виды защит электродвигателей. Защиты электродвигателей от междуфазных к.з. (область применения, выбор параметров срабатывания).

Основные виды защит электродвигателей 1. Защита электродвигателей от коротких замыканийЧаще всего междуфазное короткое замыкание возникает в обмотке статора электрической машины, что приводит к масштабным ее разрушениям. Защита электродвигателей от междуфазныхповреждений(коротких замыканий) — является основной и обязательной. 2. Защита электродвигателей от замыкания на землю, когда токи замыкания на землю превышает более 5 (А).3. Защита электродвигателей от перегрузки — это самый распространенный вид защиты электродвигателей, потому как перегрузка по току чаще всего возникает во время эксплуатации электрической машины. Защита от КЗ между фазами является основной РЗ электродвигателей, В качестве РЗ электродвигателей мощностью до 5000 кВт от КЗ согласно ПУЭ применяется МТЗ (токовая отсечка). Наиболее просто токовая отсечка выполняется с реле прямого действия, встроенными в привод выключателя. С реле косвенного действия отсечка выполняется с независимыми токовыми реле по схемам на рис. 19.6 и 19.7. Ток срабатывания должен быть отстроен от броска пускового тока электродвигателя. I_с.р = k_отс k_сх I_{пуск /} K_I где k_сх - коэффициент схемы, равный корню из 3 для схемы на рис. 19.6 и 1 для схемы на рис. 19.7; I_пуск - пусковой ток электродвигателя; k_отс - коэффициент отстройки, значение которого принимается равным: 1,8 - для реле типа РТ-40, действующих через промежуточное реле с временем срабатывания 0,04-0,06 с; 2 - для реле прямого действия и индукционных реле типов РТ-82 и РТ-84. Если ток срабатывания отсечки отстроен от пускового тока электродвигателя, то она надежно отстроена и от тока, который электродвигатель посылает в сеть при внешнем КЗ. Токовую РЗ электродвигателей мощностью до 2000 кВт по однорелейной схеме (рис. 19.6). Недостатком этой схемы является более низкая чувствительность по сравнению с отсечкой, выполненной по схеме на рис. 19.7, к двухфазным КЗ между одной из фаз, на которых установлен ТТ, и фазой без ТТ. Это имеет место, так как ток срабатывания реле отсечки, выполненной по однорелейной схеме, в корень из 3 раз больше, чем в двухрелейной схеме. Поэтому на электродвигателях мощностью 2000-5000 кВт токовая отсечка выполняется двухрелейной. Двухрелейную схему отсечки следует также применять на электродвигателях мощностью до 2000 кВт, если коэффициент чувствительности однорелейной схемы при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя окажется менее двух (k_ч < 2). На электродвигателях мощностью 5000 кВт и более устанавливается продольная дифференциальная РЗ, обеспечивающая более высокую чувствительность к КЗ на выводах и в обмотках электродвигателей, чем токовая отсечка и МТЗ.

Рис. 19.6. Схема однорелейной токовой отсечки электродвигателя: а - цепи тока; б - цепи оперативного постоянного тока	Рис. 19.7. Схема двухрелейной токовой отсечки электродвигателя: а - цепи тока; б - цепи оперативного постоянного тока

Дифференциальная РЗ предусматривается и на электродвигателях мощностью до 5000 кВт, если токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности. Так, например, целесообразно применение дифференциальной РЗ для электродвигателей мощностью 3500 и 4000 кВт. Дифференциальная РЗ обычно выполняется в двухфазном исполнении с реле типа РНТ-565. Ток срабатывания РЗ, который должен быть отстроен от I_нб при пуске электродвигателей, рекомендуется принимать: I_с.з = 2 I_ном Коэффициент чувствительности РЗ при двухфазном КЗ на выводах электродвигателя должен быть не менее двух. В тех случаях когда РЗ с реле РНТ-565, отстроенная от больших токов небаланса, не обеспечивает необходимой чувствительности, используются дифференциальные реле типа ДЗТ-11 с торможением. Подобные РЗ, в частности, применяются на асинхронных электродвигателях типа АТД 5000-8000 кВт, а также на синхронных электродвигателях мощностью более 5000 кВт. Тормозная обмотка реле при этом подключается к ТТ, установленным со стороны нулевых выводов обмотки статора. Такое включение обмотки исключает торможение при повреждении в обмотке статора. Поскольку РЗ в двухфазном исполнении не реагирует на двойное замыкание на землю, одно из которых возникает в обмотке электродвигателя на фазе В, в которой отсутствует ТТ, дополнительно устанавливается специальная РЗ от двойных замыканий на землю, которая выполняется токовым реле, подключенным к ТТНП.

25.Перегрузка электродвигателей. Защита от перегрузки (область применения, выбор параметров срабатывания). 25. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ Перегрузка электродвигателей возникает при затянувшемся пуске и самозапуске; из-за перегрузки приводимых механизмов. Для электродвигателя опасны только устойчивые перегрузки. Сверхтоки, обусловленные пуском или самозапуском электродвигателя, кратковременны и самоликвидируются при достижении нормальной частоты вращения. Значительное увеличение тока электродвигателя получается также при обрыве фазы, что встречается, например, у электродвигателей, защищаемых предохранителями, при перегорании одного из них. При номинальной загрузке в зависимости от параметров электродвигателя увеличение тока статора при обрыве фазы будет составлять примерно (1,6 - 2,5) Iном. Эта перегрузка носит устойчивый характер. Также устойчивый характер носят сверхтоки, обусловленные механическими повреждениями электродвигателя или вращаемого им механизма и перегрузкой механизма. Основной опасностью сверхтоков является сопровождающее их повышение температуры отдельных частей, и в первую очередь обмоток. Повышение температуры ускоряет износ изоляции обмоток и снижает срок службы двигателя. Перегрузочная способность электродвигателя определяется характеристикой зависимости между сверхтоком и допускаемым временем его прохождения: t = T (a-1) / (k-1)где t - допустимая длительность перегрузки, с; Т - постоянная времени нагрева, с; а - коэффициент, зависящий от типа изоляции электродвигателя, а также периодичности и характера сверхтоков (для асинхронных электродвигателей в среднем а = 1,3); к - кратность сверхтока, т. е. отношение тока электродвигателя Iд к Iном k = Iд / Iном Защита с тепловым реле которые реагируют на количество тепла Q, выделенного в сопротивлении его нагревательного элемента. Тепловые реле выполняются на принципе использования различия в коэффициенте линейного расширения различных металлов под влиянием нагревания. Основой такого теплового реле является биметаллическая пластина Нагревание пластины 1 осуществляется нагревательным элементом при прохождении по нему тока. тепловые реле следует применять лишь в тех случаях, когда более простые токовые реле не обеспечивают защиты двигателей           Рис. 19.10. Схема защит электродвигателей от перегрузки: а, в - цепи переменного тока; б, г - цепи оперативного постоянного тока для защит с независимой и с зависимой выдержками времени соответственно. Защита от перегрузки с токовыми реле. Для защиты электродвигателей от перегрузки обычно применяются МТЗ с использованием реле с ограниченно зависимыми характеристиками типа РТ-80 или МТЗ с независимыми токовыми реле и реле времени (рис. 19.10). Преимуществами МТЗ по сравнению с тепловыми являются более простая эксплуатация их и более легкий подбор и регулировка характеристик РЗ. Однако МТЗ не позволяют использовать перегрузочные возможности электродвигателей из-за недостаточного времени действия их при малых кратностях тока. Максимальная токовая РЗ с независимой выдержкой времени в однорелейном исполнении (рис. 19.10, а, 6) применяется на всех асинхронных электродвигателях собственных нужд тепловых и атомных электростанций, а на промышленных предприятиях - для всех синхронных (когда она совмещена с РЗ от асинхронного режима) и асинхронных электродвигателей, являющихся приводами ответственных механизмов, а также для неответственных асинхронных электродвигателей с временем пуска более 12-13 с. Ток срабатывания МТЗ от перегрузки устанавливается из условия отстройки от Iном электродвигателя: Iс.з= kотсIном/ kв Время действия МТЗ от перегрузки tз.п должно быть таким, чтобы оно было больше времени пуска электродвигателя tпycк, а у электродвигателей, участвующих в самозапуске, больше времени самозапуска. Время пуска асинхронных электродвигателей обычно составляет 10-15 с. Поэтому характеристика реле типа РТ-80 должна иметь в независимой части время, не меньшее 12-15 с. На РЗ от перегрузки с независимой характеристикой выдержка времени принимается 12-20 с.

26. Защита электродвигателей от однофазных замыканий на землю в обмотке статора В соответствии с ПУЭ РЗ от замыканий на землю в обмотке статора с действием на отключение устанавливается на электродвигателях мощностью 2000 кВт и более при токах замыкания на землю более 5 А, а на электродвигателях меньшей мощности - при токах замыкания на землю более 10 А. В эксплуатации, однако, при токах замыкания на землю более 5 А РЗ от замыканий на землю часто устанавливают на электродвигателях любой мощности, что способствует ограничению их повреждений при замыканиях на землю. Защита от замыканий на землю реагирует на емкостный ток сети и выполняется с помощью одного токового реле типа РТЗ-51 (РТЗ-50, применявшихся раньше), которое подключается к ТТ нулевой последовательности (ТТНП), установленному на кабеле, питающем двигатель. Применяются ТТНП типов ТЗ, ТЗЛ, T3J1M и др. (рис. 19.11, а). Защита действует так же, как аналогичная РЗ генераторов. В случае, когда питание электродвигателя осуществляется по нескольким параллельным кабелям (двум-четырем), вторичные обмотки ТТНП, надетые на каждый из них, соединяются последовательно или параллельно (см. рис. 19.20). На электродвигателях большой мощности, для питания которых прокладывается больше четырех кабелей, РЗ от замыканий на землю выполняется с одним общим ТТНП типа ТНПШ с подмагничиванием аналогично защите генераторов.

Рис. 19.11. Структурная схема защиты от замыканий на землю в сети собственных нужд 6,3 кВ:
а - защита двигателя от замыканий на землю; б - схема подключения дополнительного трансформатора с заземляющими резисторами

Ток срабатывания РЗвыбирается реагирующих на емкостный ток (50 Гц) (см. гл. 9): I_с.з≥ k_отсk_бI_С где I_c - собственный емкостный ток электродвигателя; k_oтc - коэффициент отстройки, принимаемый равным 1,2-1,3; k₆ - коэффициент, учитывающий бросок емкостного тока электродвигателя при внешних перемежающихся замыканиях на землю. Для РЗ, действующей без выдержки времени, значение этого коэффициента принимается равным 3-4. Для повышения чувствительности РЗ допускается принимать уменьшенное значение K₆ = 1,5 - 2. Защита при этом выполняется с выдержкой времени 1-2 с.

Поскольку мощность ТТНП (типов ТЗ, ТЗР и др.) невелика, для обеспечения максимальной чувствительности РЗ от замыканий на землю к каждому типу ТТНП необходимо подбирать токовое реле на определенный ток срабатывания, имеющее соответствующее сопротивление обмотки (реле РТЗ-51, РТЗ-50, РТ-40/0,2). Для электродвигателей механизмов карьеров, рудников, торфоразработок и других предприятий, где требуется по условиям безопасности незамедлительное отключение замыкания на землю даже при очень малых значениях тока в месте повреждения (0,2-0,5 А) рекомендуется применять более чувствительную направленную РЗ от замыканий на землю типа ЗЗП-1. Для РЗ от двойных замыканий на землю на электродвигателях, оснащенных продольной дифференциальной РЗ в двухфазном исполнении, ко вторичной обмотке ТТНП подключается действующее на отключение второе токовое реле, имеющее I_{С З} = 100 - 200 А.

27. Защита синхронных электродвигателей от асинхронного хода.

Защита синхронных электродвигателей от асинхронного режима может осуществляться при помощи реле, реагирующего на увеличение тока в обмотках статора; она должна быть отстроена по времени от пускового режима и тока при действии форсировки возбуждения. Защита, как правило, должна выполняться с независимой от тока характеристикой выдержки времени. Допускается применение защиты с зависимой от тока характеристикой на электродвигателях с отношением КЗ более 1.

При выполнении схемы защиты должны приниматься меры по предотвращению отказа защиты при биениях тока асинхронного режима. Допускается применение других способов защиты, обеспечивающих надежное действие защиты при возникновении асинхронного режима. Защита синхронных электродвигателей от асинхронного режима должна действовать с выдержкой времени на одну из схем, предусматривающих: 1) ресинхронизацию; 2) ресинхронизацию с автоматической кратковременной разгрузкой механизма до такой нагрузки, при которой обеспечивается втягивание электродвигателя в синхронизм (при допустимости кратковременной разгрузки по условиям технологического процесса); 3) отключение электродвигателя и повторный автоматический пуск; 4) отключение электродвигателя (при невозможности его разгрузки или ресинхронизации, при отсутствии необходимости автоматического повторного пуска и ресинхронизации по условиям технологического процесса).

28. Повреждения и ненормальные режимы работы силовых трансформаторов (автотрансформаторов). Назначение и основные виды защит трансформаторов и автотрансформаторов.

Повреждения: - междуфазные КЗ; - КЗ одной или двух фаз на землю; - КЗ между витками одной фазы (межвитковое); - замыкание между обмотками разных напряжений; - КЗ на вводах, ошиновке и в кабелях (междуфазное и на землю); - «пожар стали».

Ненормальные режимы: - внешнее КЗ; - перегрузка; - понижение уровня масла в баке; - недопустимые повышения напряжения

на трансформаторах устанавливаются следующие виды защит в соответствии с Правилами /1/:

а) Продольная дифференциальная защита – от коротких замыканий в обмотках и на их наружных выводах, для трансформаторов мощностью, как правило, 6,3 МВА и выше; с действием на отключение трансформатора.

б) Токовая отсечка без выдержки времени – от коротких замыканий на наружных выводах ВН трансформатора со стороны питания и в части обмотки ВН, для трансформаторов, не оборудованных продольной дифференциальной защитой; с действием на отключение.

в) Газовая защита – от всех видов повреждений внутри бака (кожуха) трансформатора, сопровождающихся выделением газа из трансформаторного масла, а также от понижения уровня масла, для масляных трансформаторов мощностью, как правило 6,3 МВА и выше; с действием на сигнал и на отключение.

г) Максимальная токовая защита (с пуском и без пуска по напряжению) – от сверхтоков, обусловленных внешними междуфазными замыканиями на сторонах НН или СН трансформатора, для всех трансформаторов, независимо от мощности и наличия других типов релейной защиты; с действием на отключение.

д) Специальная токовая защита нулевой последовательности, устанавливаемая в нулевом проводе трансформатора со схемой соединения Y/Y0 и Δ/Y0 – от однофазных КЗ на землю в сети НН, работающей с глухозаземленной нейтралью (как правило 0,4 кВ); с действием на отключение.

При работе с заземленной нейтралью – токовая защита нулевой последовательности.

е) Максимальная токовая защита в одной фазе – от сверхтоков, обусловленных перегрузкой, для трансформаторов начиная с 400 кВА, у которых возможна перегрузка после отключения параллельно работающего трансформатора или после срабатывания местного или сетевого АВР; с действием на сигнал или на автоматическую разгрузку.

ж) Сигнализация однофазных замыканий на землю в обмотке ВН или на питающем кабеле трансформаторов, работающих в сетях с изолированной нейтралью (с малым током замыкания на землю), к которым относятся сети 3 – 35 кВ.