Нагрузочная способность электрооборудования

Многие виды электрооборудования работают с неравномер­ной нагрузкой. У трансформаторов потребительских подстанций от­клонения мгновенного значения тока от среднесуточного могут иногда достигать ±50%. В целом же нагрузка изменяется с опре­деленной периодичностью как в течение суток, так и по сезонам года. Температура охлаждающей среды также колеблется в ши­роких пределах. Для более полного использования мощности в таких условиях допускают некоторую перегрузку электрообору­дования, используя его нагрузочную способность.

Под нагрузочной способностью понимают непродолжительную наибольшую перегрузку, которой электрооборудование может си­стематически подвергаться без сокращения срока службы в кон­кретных условиях эксплуатации, определяемых графиком нагрузки и температурой окружающей среды.

В основе расчета нагрузочной способности лежит тепловой износ изоляции. Под воздействием температуры и ряда других факторов физико-химические свойства изоляции с течением времени необратимо ухудшаются. Она теряет эластичность, рас­трескивается и отслаивается от провода. Хотя электрическая прочность самого диэлектрика практически не снижается, изо­ляция не выдерживает механические нагрузки от вибрации, от теплового расширения и разрушается. Этот процесс называется старением. Скорость старения зависит от температуры, а сум­марный износ - от температуры и времени ее воздействия. Эм­пирическим путем установлено, что при изменении температуры на каждые 8...10 °С срок службы изоляции снижается в 2 раза. В периоды неполной нагрузки температура электрооборудования ниже номинальной, и поэтому происходит замедленное старе­ние, благодаря которому создается «резерв» срока службы изо­ляции, который позволяет перегружать электрооборудование. При этом выбирают такую перегрузку и ее длительность, при которых повышенный износ изоляции соответствует ранее обра­зовавшемуся резерву срока службы и, следовательно, сохраняет­ся нормативная долговечность изделия.

Скорость нарастания температуры изоляции при перегрузке электрооборудования зависит главным образом от его постоян­ной времени нагрева, которая определяет нагрузочную способ­ность. Асинхронные двигатели до 30 кВ имеют небольшую постоянную нагрева (до 20 минут) и, следовательно, малую нагрузочную способность. Погружные электродвигатели имеют повышенное значение постоянной вре­мени нагрева, соответственно больше их нагрузочная способ­ность, что следует учитывать при настройке устройства защиты и выборе режима работы погружных насосных установок.

Постоянная времени нагрева силовых трансформаторов до­стигает нескольких часов. Поэтому трансформаторы могут до­пускать значительную систематическую перегрузку, значение которой регламентирует ГОСТ 14209-85.

Лекция №5 Выбор защитного устройства

При любом и даже должном уровне эксплуатации возможно появление аварийных или ненормальных режимов.

К ним относятся:

- многофазные и однофазные замыкания в обмотках электродвигателя, коробке выводов и внешней силовой цепи;

- короткие замыкания в цепи управления;

- межвитковые замыкания в обмотке двигателей;

- тепловые перегрузки, связанные с нарушением режима работы (в том числе и заклинивании);

- тепловые перегрузки при тяжелых условиях пуска (большая загрузка, понижение напряжения сети);

- тепловые перегрузки при обрыве фазы во внешней силовой цепи или обмотке статора;

- тепловые перегрузки при нарушении условий охлаждения (повреждение вентилятора, засорение и т.д.).

Так как не все электродвигатели загружены до номинала, а некоторые работают в кратковременных режимах то их длительные перегрузки, как правило, не приводят к авариям.

Как было отмечено ранее, в процессе эксплуатации электроприводов возникают различные аварийные ситуации, основные из которых:

- неполнофазный режим (обрыв фазы - ОФ) - 40...50%;

- затормаживание ротора (заклинивание - ЗР) - 20... 25%;

- технологические перегрузки - ТП - 8...10%;

- понижение сопротивления изоляции ПСИ - 10...15%;

- нарушение охлаждения - НО - 8...10%.

Влияние вышеуказанных аварийных режимов работы электродвигателей на их отказ можно проследить по функциональным связям рис. 4.1.

Анализ этих связей позволяет определить оптимальную область применения конкретного вида защиты двигателя и обосновать технические требования к устройствам защиты в зависимости от назначения.

Требования к защитным устройствам в настоящее время возросли, так как двигатели последних серий имеют меньшую массу и запас по тепловому использованию.

Защитные устройства должны обеспечивать:

- непрерывность производства;

- достаточное быстродействие;

- минимальное время возврата после срабатывания;

- надежную работу в реальных условиях производства;

- универсальность;

- удобство в эксплуатации.

Защиты можно разделить на три группы.

К первой относятся специальные устройства, которые реагируют на отдельный специально контролируемый аварийный режим. Это устройства типа ЕЛ-8; ЕЛ-10; Е-511; РОФ; РНФ, отключающие двигатель при неполнофазном и несимметричном напряжении сети; предохранительные муфты - при затормаживании ротора; ЗОУП, РУД - при недопустимом снижении сопротивления изоляции.

Ко второй группе относятся универсальные устройства, которые реагируют на несколько аварийных режимов, контролируя один параметр двигателя. Это тепловые реле типа ТРН, ТРА, РТЛ, РТТ, устройства температурной защиты типа УВТЗ, фазочуствительные устройства типа ФУЗ и др.

Третью группу составляют комплектные устройства, которые реагируют на все основные аварийные режимы, контролируя несколько параметров двигателя. Это устройства защиты типа УЗ-1; станции управления типа ШЭП-5802, «Каскад»; универсальная станция управления и защиты – УСУЗ и ДР.

Рисунок 11.1- Основные функциональные связи при аварийных режимах электродвигателей

По параметру, контролируемому чувствительным (измерительным) органом устройства, все зашиты можно разделить на:

- токовые;

- тепловые;

- температурные;

- фазовые;

- напряжения;

- комплексные.

Самой распространенной является температурно-токовая или тепловая защита.

Принцип действия тепловой защиты основан на использовании механических и физических изменений в телах при нагреве их электрическим током. Тепло, выделяемое при протекании тока, вызывает срабатывание механизма. К тепловым защитам относятся: плавкие предохранители, тепловые токовые реле, автоматические выключатели.

Плавкие предохранители, предназначенные для защиты электродвигателей от коротких замыканий вследствие большого разброса характеристик, недостаточно надежны. При перегорании одной плавкой вставки может установиться неполнофазный режим асинхронного двигателя.

Кроме того, плавкая вставка в процессе эксплуатации окисляется «стареет», площадь ее сечения уменьшается, что может привести к ложным срабатываниям предохранителя. Целесообразнее для защиты электродвигателей от коротких замыканий использовать автоматические выключатели с электромагнитными расцепителями, а от технологических перегрузок - с тепловыми. Наибольшее применение находят выключатели с комбинированными расцепителями. Принципы действия тепловых расцепителей выключателей и тепловых реле магнитных пускателей аналогичны.

Тепловые реле всех типов обладают тепловой инерцией, кроме того наблюдается значительный разброс их защитных характеристик. Эти реле необходимо отстраивать по месту их установки, учитывая рабочий ток двигателя и температуру окружающей среды.

Токовую защиту не рекомендуется использовать для двигателей, работающих в режимах с повторно-кратковременной и резко выраженной случайно-переменной нагрузкой, а также при нарушении системы охлаждения.

При обрыве фазы после включения электродвигателей в зависимости от сочетания условий работы электропривода, ток может увеличиваться до 30-40% номинального. Для изоляции такой ток недопустим, поэтому необходимо регулировать реле.

В повторно-кратковременных режимах постоянная нагрева двигателя и теплового реле различны при соединении обмоток двигателя в треугольник, ток в наиболее нагруженной фазе возрастает быстрее, чем в линейном проводе. Для увеличения чувствительности защиты нагревательные элементы реле, также необходимо соединять в треугольник.

Недостатки защитной аппаратуры, построенной на токовом методе, привели к разработке принципиально новых защитно-отключающих устройств (УВТЗ).

В систему температурной защиты входят температурные датчики, расположенные в лобовой части обмотки электродвигателя и соединенные последовательно (по одному в каждой фазе), и отключающее устройство, которое усиливает сигнал датчиков и передает его в схему управления магнитного пускателя.

В качестве температурных датчиков применяют позисторы СТ14-2, рассчитанные на температуры срабатывания 115, 130, 145 и 160⁰С. При аварийном режиме и увеличении температуры обмотки двигателя выше допустимой, сопротивление датчиков резко возрастает, отключающее устройство размыкает своими контактами цепь катушки магнитного пускателя и двигатель отключается от сети. Эта цепь будет разомкнута до тех пор, пока обмотка статора не охладится до заданной температуры.

Основные недостатки УВТЗ:

- реагирует не на причину, а на следствие аварийного режима;

- при заклинивании остается в аварийном режиме до перегрева обмотки, что вызывает старение изоляции;

- установка датчиков возможна только в заводских условиях или при ремонте;

- надежно при перегрузе до 1,5 – 1,6 номинального тока и при скорости роста температуры от 3 до 7,5⁰С/с;

- требуются дополнительные кабели для соединения с пускозащитной аппаратурой;

- не обеспечивает электробезопасность, допуская работу на двух фазах (при замыкании фазы на корпус и перегорании предохранителя до нагрева датчиков в течение 3-8 минут корпус двигателя может оказаться под напряжением).

Одну из модификаций УВТЗ разработал Калыков Б.Р. Он дополнил защиту блоком реле времени для измерения продолжительности перегрева и сравнении ее с допустимой.

Для защиты электродвигателей при неполнофазных режимах применяют фазочувствительные устройства (ФУЗ), принцип действия которых заключается в следующем. В ее основе лежит измерение угла сдвига фаз между токами нагрузки электродвигателей. Для измерения этого формируется два напряжения U₁ и U₂ при помощи двух фазовращательных трансформаторов Т₁ и Т₂, включенные в фазы АВ и ВС встречно. Разность фаз напряжений, формирующихся при аварийных режимах, отличается от разности фаз напряжений при нормальном режиме работы (в полнофазном режиме φ=90⁰, при обрыве 0 или 180⁰). При обрыве ток в катушке исполнительного реле возрастает, фазовый детектор фиксирует этот сигнал и воздействует на реле защиты. Для защиты от перегрузки создана модификация ФУЗ-М, в которой введен узел контроля перегрузки (контроль напряжения U₁ или U₂). Фазочувствительные устройства защиты выпускают пяти типоразмеров.

Таблица 5.1- Технические данные типоразмеров ФУЗ-М

Типоразмер	ФУЗ-1М	ФУЗ-2М	ФУЗ-ЗМ	ФУЗ-4М	ФУЗ-5М
Диапазон рабочих токов, А	1...2	2...4	4...8	8...16	16...32

ФУЗ-М не защищают двигатель от перегрева, вызванного нарушением условий охлаждения. В модификации ФУЗ-У введен позистор, установленный на корпусе двигателя. Последняя модификация ФУЗ не позволяет двигателю включиться при сопротивлении изоляции ниже нормы. Фазочувствительное устройство, включенное через трансформаторы тока, защищает электродвигатель большой мощности. Опыт эксплуатации показал, что электродвигатели с такими устройствами выходят из строя значительно реже.

Выбор типа защиты по техническим характеристикам производят с учетом структуры аварийных режимов, ожидаемых у конкретного электропривода.

Выбор типа защиты по экономическому критерию состоит в том, чтобы найти такое устройство защиты, дополнительные затраты на которое контролируются достигаемым снижением затрат на капитальный ремонт защищаемого электрооборудования и технологического ущерба.

Лекция №6 Техническое диагностирование электрооборудования