Вопрос 40 41

а) Некоторые особенности синхронных электродвигателей

При рассмотрении защиты синхронных электродвигателей необходимо учитывать их особенности. Отметим наиболее важные из них:

1. Пуск большинства синхронных электродвигателей производится при отсутствии возбуждения прямым включением в сеть. Для этой цели на роторе синхронного электродвигателя предусматривается дополнительная короткозамкнутая обмотка, выполняющая во время пуска ту же роль, что и в короткозамкнутом асинхронном электродвигателе. Когда скольжение двига­теля приближается к нулю, включается возбуждение и электро­двигатель втягивается в синхронизм под влиянием появляюще­гося при этом синхронного момента.

Во время пуска синхронный электродвигатель потребляет из сети повышенный ток, который по мере уменьшения сколь­жения затухает, так же как и у асинхронного электродвигателя. Для уменьшения понижения напряжения и величины пуско­вых токов мощные синхронные электродвигатели пускаются через реактор, который затем шунтируется. Защиты синхронных электродвигателей, как и защиты асинхронных электродвига­телей, должны быть отстроены от токов, возникающих при их пуске или самозапуске, имеющих место при восстановлении напряжения в сети.

2. Момент синхронного электродвигателя зависит от напряжения сети U_Д, э. д. с. электродвигателя Е_d и угла сдвига δ между U_д и Е_d. Без учета потерь в статоре и роторе

где х_d и х_q — продольное и поперечное реактивные сопротивле­ния двигателя.

При постоянных значениях U_д и Е_d каждой нагрузке электро­двигателя соответствует определенное значение угла δ.

В случае понижения напряжения в сети, как следует из выражения (18-14), момент М_д уменьшается. Если при этом он окажется меньше момента сопротивления М_с механизма, то устойчивая работа синхронного электродвигателя нарушается, возникают качания и электродвигатель выходит из синхронизма. Нарушение устойчивости возможно также при перегрузке электродвигателя или снижении возбуждения.

Эффективным средством повышения устойчивости электродви­гателя является форсировка возбуждения, увеличивающая Е_d. Опыт показывает, что при глубоких понижениях напряжения (до нуля) синхронные электродвигатели, работающие с номи­нальной нагрузкой, выходят из синхронизма, если перерыв питания превосходит 0,5 с.

При нарушении синхронизма скорость вращения электро­двигателя уменьшается и ои переходит в асинхронный режим. При этом в пусковой обмотке и цепи ротора появляются токи, создающие дополнительный асинхронный момент, под влия­нием которого синхронный электродвигатель может остаться в работе с некоторым скольжением. На асинхронный момент электродвигателя накладывается момент, обусловленный током возбуждения в роторе, имеющий переменный знак. Поэтому результирующий момент электродвигателя имеет переменную величину, что вызывает колебания скорости вращения ротора и тока статора двигателя.

Токи, появляющиеся в статоре, роторе и пусковой обмотке электродвигателя при асинхронном режиме, вызывают повы­шенный нагрев их, поэтому длительная работа синхронных электродвигателей в асинхронном режиме с нагрузкой больше 0,4—0,5 номинальной недопустима.

В связи с этим появляется необходимость в специальной защите от асинхронного режима. Защита от асинх­ронного режима должна или осуществить ресинхронизацию электродвигателя, или отключить его. Ресинхронизация со­стоит в том, что с электродвигателя снимается возбуждение {при этом его асинхронный момент повышается и скольжение уменьшается), через некоторое время включается возбуждение и двигатель вновь втягивается в синхронизм. Признаком нару­шения синхронизма электродвигателя является появление ко­лебаний тока в статоре и переменного тока в роторе.

3. Исследования и опыт эксплуатации показывают, что после отключения к. з. или включения резервного источника питания многие синхронные электродвигатели могут самоза­пускаться, т. е. вновь (сами) втягиваться в синхронизм.

Самозапуск синхронных электродвигателей возможен, если после восстановления напряжения под влиянием возросшего асинхронного момента (пропорционально скольжение эле-

ктродвигателя настолько уменьшится, что он сможет снова втянуться в синхронизм.

Возможность самозапуска зависит от параметров электро­двигателя, его нагрузки и уровня напряжения.

Ввиду большого значения самозапуска синхронных электро­двигателей их защиты должны надежно отстраиваться от токов, возникающих в режиме самозапуска.

б) Защиты, применяемые на синхронных электродвигателях

На синхронных электродвигателях устанавливаются следую­щие защиты:

а) от междуфазных повреждений в статоре;

б) от замыканий обмотки статора на землю;

в) от перегрузки;

г) от асинхронного режима;

д) от понижения напряжения.

Защита от междуфазных повреждений является основной и обязательной защитой любого синхронного двигателя. Она выполняется мгновенной в виде токовой отсечки или продольной дифференциальной защиты по такой же схеме, как и у асинхронных электродвигателей. Отличие заключается только в том, что защита синхронного электродвигателя одно­временно с выключателем отключает АГП. Ток срабатывания отсечки отстраивается от пусковых токов и токов самозапуска электродвигателя. При этом в случае прямого пуска синхрон­ного электродвигателя от сети пусковые токи его за счет меньшего реактивного сопротивления часто получаются большими, чем у равновеликих по мощности асинхронных двигателей.

Крупные синхронные электродвигатели оборудуются обычно продольной дифференциальной защитой. В целях упрощения на электродвигателях до 5 000 кВ • А дифференциальную защиту выполняют двухфазной. На более мощных электродвигателях защиту устанавливают на трех фазах, что позволяет обеспечить быстрое отключение электродвигателя при двойном замыкании на землю (одно в электродвигателе и второе в сети.)

Защита от замыканий обмотки статора электродвигателя на землю применяется при токах замыкания на землю больше 10 А. Защита выполняется с действием на отключение таким же образом, как у асинхронных электродвигателей, и поэтому в данном разделе подробнее не рассматривается.

З ащита электродвигателя от перегру­зки осуществляется при помощи токового реле, включенного в одну фазу. При наличии постоянного дежурного персонала защита может выполняться с действием на сигнал с I_с.з = 1,25 I_ном и выдержкой времени, превышающей по возможности время затухания пусковых токов. При отсутствии дежур­ного персонала защиту от перегрузки рекомендуется выполнять двумя комплектами, один из которых действует на сигнал, а второй, более грубый — на отключение. Сигнал о перегрузке подается для вызова персонала, который должен прийти в поме­щение, где находится электродвигатель, и принять меры по его разгрузке. Отключающий комплект выполняется с I_с.з = (1,5 ÷ 1,75) I_ном и выдержкой времени, отстроенной от пусковых токов. На электродвигателях с частыми перегрузками может применяться защита с с тепловыми реле, действующими на отключение. Однако тепловые реле следует использовать только в крайних случаях ввиду их относительной сложности и только при условии на­дежности конструкции и до­статочной стабильности ха­рактеристики.

Защита от асинхронного режима выпол­няется реагирующей на колебания тока в статоре или роторе двигателя, возникающие в этом режиме (рис. 18-20).

Самой простой защитой является токовая (рис. 18-21). Она выполняется при помощи зависимого токового реле (рис. 18-21, а) или посредством мгновенного токового реле, действующего на вспомогательное промежуточное реле с замедленным размыка­нием контактов (рис. 18-21, б). Действие этой защиты основано на том, что она не успевает возвратиться за время А{ спада тока между циклами качаний (рис. 18-20) и постепенно, за несколько периодов качаний набирает время и срабатывает на отключение. Ток срабатывания такой защиты (имеется в виду наименьший ток качаний, при котором защита замыкает цепь отключения) определяется не только уставкой на реле, но и зависит от продолжительного периода качаний. Для на­дежной работы защиты время возврата t_воз (подвижной системы токового реле в схеме на рис. 18-21, а или якоря промежуточ­ного реле в схеме на рис. 18-21,6) должно быть больше времени ∆t (рис. 18-20), в течение которого ток качаний недостаточен для действия реле, т. е. t_воз > ∆t. Выдержка времени защиты выбирается больше времени затухания пусковых токов двига­теля.

Для выполнения рассматриваемой защиты применяется реле РТ-80 и РТ-90.

Б олее совершенной по своему принципу является защита, реагирующая на появление переменного тока в цепи ротора, выполняемая по схеме на рис. 18-22. Нормально в цепи ротора проходит постоянный ток, и защита не действует, так как ток во вторичной обмотке трансформатора тока отсутствует. При качаниях в роторе индуктируется переменный ток, под влиянием которого защита приходит в дейст­вие. Чтобы исключить возврат реле времени В в момент спада тока при большом периоде качаний, в схеме предусмотрено промежуточное реле П с замедленным возвратом, кото­рое поддерживает ток в реле времени, если провалы тока не превышают времени отхода якоря. Выдержка времени на защите устанавливается больше продолжительности несим­метричных к. з. в сети, во время которых токи обратной последова­ тельности, возникающие в статоре, индуктируют переменный ток в роторе, могущий вызвать ложное действие защиты.

Вместо трансформатора тока в схеме на рис. 18-22 можно включить дроссель, к зажимам которого подключается токовое . реле Т. Сопротивление дросселя при постоянном токе ничтожно, и поэтому напряжение на его зажимах близко к нулю и ток в реле Т отсутствует. При переменном токе на зажимах дросселя появляется напряжение, достаточное для действия реле Т.

Защита от понижения напряжения яв­ляется вспомогательной и устанавливается только в следующих случаях:

1) на электродвигателях неответственных механизмов для облегчения самозапуска ответственных электродвигателей;

2) на электродвигателях, самозапуск которых оказывается невозможным;

3) на электродвигателях ответственных механизмов, произ­вольный самозапуск которых недопустим по условиям технологии производства или техники безопасности.

Схема защиты выполняется так же, как и асинхронных эле­ктродвигателей и синхронных компенсаторов. Уставки защиты зависят от ее назначения. На защитах, установленных для обеспе­чения самоаапуска ответственных электродвигателей, напряжение срабатывания берется равным уровню напряжения, при ко­тором обеспечивается надежный самозапуск, т. е.

Выдержка времени в этом случае отстраивается от мгновенно действующих защит в сети и принимается равной 0,5 с.

На электродвигателях, самозапуск которых невозможен, на­пряжение срабатывания берется равным 0,5U_ном, исходя из того, что двигатели, работающие с полной нагрузкой, могут выйти из синхронизма при понижении напряжения в сети на 50% или ниже. Выдержка времени, как и в предыдущем случае, принимается равной 0,5 с. На защитах, отключающих электродвигатели по условиям технологии или техники безопасности, напряжение срабатывания выбирается также по уровню, опасному по условиям устойчивости, т. е. U_с._з = 0,5U_ном, а время — максимальным ко условию выбега (остановки) электродвигателя (больше времени остановки).