Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г., НТЦ «Механотроника», С-Петербург

Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты

 

В первой части данной работы [1] были рассмотрены примеры расчета уставок токовой отсечки, а во второй [2] - пример расчета уставок дифференциальных защит с применением дифференциальной токовой отсечки, уставки по току срабатывания которых меньше номинального тока электродвигателя.

Примеры расчета уставок для дифференциальных защит, токи срабатывания которых превышают номинальный ток электродвигателя, рассмотрены в [10].

Методика расчета уставок защиты от однофазных замыканий на землю приведена в работе [14].

Продолжим рассмотрение методик расчета уставок для цифровых устройств релейной защиты. Как и ранее, расчёт уставок производим в первичных значениях токов, а после его окончания все уставки переводим во вторичные значения токов.

Часть 5 Защита электродвигателей от перегрузки

В соответствии с требованиями ПУЭ [4] защита от перегрузки должна предусматриваться на электродвигателях, перегрузка  которых возможна из-за:

- технологических особенностей работы приводимого ими механизма;

- особо тяжелых условий пуска и самозапуска (длительность прямого пуска непосредственно от сети не менее 20 с);

- чрезмерного увеличения продолжительности пуска при понижении напряжения в сети.

На электродвигателях, подверженных перегрузке по технологическим причинам, вызванным особенностью работы приводимого им механизма, защита, как правило, должна действовать на сигнал и обеспечивать автоматическую разгрузку механизма.

Защита от перегрузки может действовать на отключение электродвигателя при:

        - невозможности его своевременной разгрузки без останова;

        - отсутствии постоянного обслуживающего персонала;

        - тяжелых условиях запуска и самозапуска.

На электродвигателях, имеющих принудительную вентиляцию, следует устанавливать защиту, действующую на сигнал и отключение электродвигателя при повышении температуры или прекращении действия вентиляции.

Согласно требованиям ПУЭ для защиты электродвигателей от перегрузки следует предусматривать контроль тока  в одной фазе. Защита должна иметь зависимую или независимую от тока выдержку времени, отстроенной от длительности пуска электродвигателя в нормальных условиях и самозапуска после действия АВР и АПВ.

Выдержка времени защиты от перегрузки синхронных электродвигателей, во избежание излишних срабатываний при длительной форсировке возбуждения, должна быть по возможности близкой к наибольшей допустимой по тепловой характеристике электродвигателя.

В схемах управления электродвигателями, защищаемыми от токов КЗ предохранителями, не имеющими вспомогательных контактов для сигнализации об их перегорании, необходимо контролировать ток в двух фазах питающей сети.

Обычно для защиты электродвигателей от перегрузки в микропроцессорных устройствах цифровой защиты используют одну из ступеней алгоритма максимальной токовой защиты МТЗ, обеспечивающую контроль тока в двух или трёх фазах. Однако времятоковая характеристика такой защиты не всегда совпадает с перегрузочной характеристикой электродвигателя.

В основу работы нового алгоритма защиты от перегрузки положена математическая модель, графически представленная на рис. 1.

 

Первая ступень алгоритма имеет независимую характеристику и срабатывает при протекании тока I_с.з.1 в течение промежутка времени t _2.1 и реагирует на механическую блокировку ротора двигателя, обеспечивая быстрое отключение двигателя от источника питания. Одновременно эта ступень выполняет функцию ближнего резервирования алгоритма максимальной токовой отсечки [1].

Ток срабатывания этой ступени должен быть отстроен от пускового тока электродвигателя, а вычисляют его значение по формуле (33):

 

 

Где  - кратность пускового тока электродвигателя;

  - коэффициент возврата. Значение коэффициента приводится в документации на конкретное исполнение цифрового устройства релейной защиты.

Методику расчета уставок защиты от перегрузки рассмотрим на примере асинхронного двигателя серии А4, соответствующего требованиям ГОСТ 183-74 [15].

Данные для расчета:

Мощность на валу двигателя:

Номинальный ток двигателя: А

Напряжение:

Кратность пускового тока:

Пуск АД прямой от напряжения питающей сети, время пуска (по проекту): .

Охлаждение обмоток статора – косвенное. Вентилятор охлаждения закреплен на валу двигателя.

        Определим первичный ток срабатывания первой ступени защиты от перегрузки:

 

 

Вторая ступень защиты выполняется с инверсной характеристикой и работает с действием на отключение электродвигателя. Время срабатывания защиты определяется по формуле (34):

 

 

В расчетах защит электродвигателей используют тепловую постоянную времени охлаждения статора А. В общем случае значение этой постоянной должен указывать производитель электродвигателя. Если в документации значение этой величины отсутствует, то можно воспользоваться формулой (35), приведенной в работе [17]:

 

 

Где  - допустимое время работы при кратности тока .

Эта формула позволяет оценить минимально допустимую постоянную времени охлаждения статора А. Например, согласно требованиям стандартов [15, 16], трёхфазные двигатели отечественного производства мощностью не менее 0,55 кВт с косвенным охлаждением обмоток статора, должны в течение 2 мин выдерживать ток, равный 1,5 I_ном.

       

 

        В зависимости от типа и мощности защищаемого электродвигателя значение А может находиться в диапазоне от 60 до 300 с.     Используя формулу (34) и полученный с помощью формулы (35) результат, можно рассчитать время срабатывания второй ступени защиты от перегрузки.

 

 

        Ток срабатывания второй ступени защиты от перегрузок определяют по формуле (36):

 

, А                                                                   (36)

 

Где   - коэффициент возврата.

        Отметим, что пуск второй ступени защиты  происходит при токе, равном 1,8  . Теперь, используя формулу (36) можно определить ток пуска второй ступени защиты в первичных значениях:

 

 

Третья ступень рассматриваемой защиты имеет независимую характеристику. Действие этой ступени предусмотрено на сигнализацию. Таким образом, данную ступень защиты следует применять на объектах с дежурным персоналом.

Так как пуск третьей ступени защиты осуществляется при кратности тока 1,05  (для отстройки от перегрузок), то  для определения уставки срабатывания используют соотношение (37):

 

где  - коэффициент отстройки защиты от симметричных перегрузок;

 - коэффициент возврата (значение указано в руководстве по эксплуатации на конкретное исполнение цифрового устройства).

       

 

        Время срабатывания третьей ступени защиты выбирается разным, в зависимости от наличия или отсутствия перегрузок, вызванных технологическими особенностями работы приводимого механизма, но в любом случае оно должно превышать время пуска электродвигателя.

        При отсутствии технологических перегрузок время срабатывания выбирают от 10 до 20 с, а при наличии технологических  перегрузок время срабатывания должно превышать допустимое время технологической перегрузки.

       

 

        На основании расчетных данных строим характеристику защиты (рис. 2).

 

 

Литература

 

1. Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г. Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Токовая отсечка. //Материал размещен на странице: http://bmrz-zakharov.narod.ru/raschet/to.htm

2. Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г. Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Дифференциальная защита электродвигателя. //Материал размещен на странице http://bmrz-zakharov.narod.ru/raschet/DZT_DTO.htm

3. Королев Е.П., Либерзон Э.М. Расчеты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты. М.: Энергия, 1980.

4. Правила устройства электроустановок. М.: Госэнергонадзор России, 1998, 608 с.

5. Шабад М.А. Трансформаторы тока в схемах релейной защиты. Экспериментальная и расчетная проверки. Конспект лекций. СПб, ПЭИПК, 2010.

6. Шнеерсон Э.М. Цифровая релейная защита. М.: Энергоатомиздат, 2007, 549 с.

7. Александров А.М. Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1987/

8 Информация об алгоритмах, выполняемых блоками БМРЗ и БМРЗ-100 различных исполнений и модификаций // Материал размещен на странице: http://bmrz-zakharov.narod.ru/algoritmy.htm

9. Алгоритмы защиты, выполняемые БМРЗ// Материал размещен на странице: http://bmrz-zakharov.narod.ru/new/_ANSI.htm

10 Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г.Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Часть 3. Алгоритм дифференциальной защиты электродвигателя с торможением.// Материал размещен на странице: http://bmrz-zakharov.narod.ru/raschet/DZT_DTO2.htm//

11. Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных двигателей. М.: Энергия, 1977.

12. Шабад М.А. Защита от однофазных замыканий на землю в сетях 6-35 кВ. СПб, ПЭИПК, 2001

13. Рекомендации по выбору алгоритмов зашит электродвигателей, предусмотренных в блоках БМРЗ и БМРЗ-100// Материал размещен на странице: http://bmrz-zakharov.narod.ru/Zash.htm

14. Гондуров С.А., Михалев С.В., Пирогов М.Г., Захаров О.Г.Расчет уставок для цифровых устройств релейной защиты. Часть 4. Защита от замыканий на землю// Материал размещен на странице: http://bmrz-zakharov.narod.ru/raschet/ZZ2.htm

15. ГОСТ 183-74. Межгосударственный стандарт. Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия, изд. июль 2001 г. (отменен 01.07.2010 г)

16. ГОСТ Р 52776-2007. Национальный стандарт РФ. Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики. (введен 01.01.2008 г.)

17. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. – М.:Энергоатомиздат, 1987