Особенности защиты синхронных двигателей

При рассмотрении РЗ синхронных электродвигателей необходимо учитывать их особенности:

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 роторе асинхронного электродвигателя. Когда скольжение электродвигателя 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 пусковых токов мощные синхронные электродвигатели пускаются через реактор, который затем шунтируется. Защиты синхронных электродвигателей должны быть отстроены от токов, возникающих при их пуске или самозапуске, имеющем место при восстановлении напряжения в сети.

Момент синхронного электродвигателя зависит от напряжения сети U_d, ЭДС электродвигателя E_d и угла сдвига δ между U_d и E _d. Без учета потерь в статоре и роторе:

(21.28)

где Xd – синхронное сопротивление двигателя.

При постоянных значениях U_д и E_d каждой нагрузке электродвигателя соответствует определенное значение угла δ. В случае понижения напряжения в сети, как следует из выражения (21.28), 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 (увеличение δ) или снижении возбуждения (уменьшение E _d).

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

При нарушении синхронизма частота вращения электродвигателя уменьшается, и он 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.

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 более 0,4…0,5 номинальной недопустима.

В связи с этим, появляется необходимость в специальной РЗ от асинхронного режима, которая должна реализовать мероприятия, обеспечивающие 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 электродвигатель вновь втягивается в синхронизм. Признаком нарушения синхронизма электродвигателя является появление колебаний тока в статоре и переменного тока в роторе.

Исследования и опыт эксплуатации показывают, что после отключения КЗ 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 асинхронный момент электродвигателя настолько увеличится, что он сможет снова втянуться в синхронизм.

21.5. Защиты, применяемые на синхронных двигателях. На синхронных электродвигателях устанавливаются следующие РЗ:

· от междуфазных повреждений в статоре;

· от замыканий обмотки статора на землю;

· от перегрузки;

· от асинхронного хода;

· от понижения напряжения в сети.

Защита от междуфазных повреждений выполняется мгновенной в виде токовой отсечки или продольной дифференциальной защиты по такой же схеме, как у асинхронных электродвигателей. Отличие заключается в том, что РЗ синхронного электродвигателя одновременно с отключением выключателя двигателя включает автомат гашения поля АГП. Ток срабатывания отсечки отстраивается от пусковых токов и токов самозапуска электродвигателя. Крупные электродвигатели оборудуются продольной дифференциальной РЗ в двухфазном исполнении. Защита от замыканий обмотки статора на землю применяется при токах замыкания на землю более 5 А. Защита от перегрузки обычно выполняется совмещенной с РЗ от асинхронного хода (рис.21.7).

 

Рис.21.7. Схема защиты синхронного электродвигателя от асинхронного режима: на электромеханических реле. а – цепи тока; б – цепи постоянного оперативного тока	Рис.21.8. Изменение тока статора синхронного электродвигателя при асинхронном режиме.

 

В качестве пускового органа в схеме РЗ от асинхронного режима и перегрузки используется токовое реле КА типа РТ-40. Это реле воздействует при срабатывании на промежуточное реле KL 1контакты которого KL 1.1 вцепи реле времени КТ замыкаются мгновенно, а размыкаются с замедлением. При асинхронном режиме реле времени КТ не успевает возвратиться за время ∆t спада тока между циклами качаний (рис. 21.13) и постепенно, за несколько периодов качаний набирает время и срабатывает на отключение. Для надежной работы РЗ время возврата t _B03 якоря промежуточного реле KL 1должно быть больше времени ∆ t (рис.21.8), в течение которого ток качаний недостаточен для действия реле, т. е. t_воз > ∆t. Выдержка времени РЗ выбирается больше времени затухания пусковых токов электродвигателя. Как показал опыт эксплуатации устройство защиты двигателя от перегрузки должно иметь выдержку на возврат ИО защиты порядка 0.5с, что позволяет ее успешно использовать в качестве защиты от асинхронного режима.

Реле времени КТ имеет две выдержки времени. По истечении первой выдержки времени замыкается контакт КТ 1,после чего промежуточное реле KL 2подает команды на осуществление ресинхронизации.

В случае, если ресинхронизация не происходит и качания тока продолжаются, замыкаются контакты реле времени КТ2, после чего промежуточное реле KL 3, замкнув свои контакты, подает команды на отключение выключателя и АГП.

Для предотвращения срабатывания РЗ при форсировке возбуждения, когда увеличивается ток статора, цепь обмотки реле времени размыкается контактом KL 4.1. На синхронных двигателях большой мощности в качестве защиты от асинхронного режима возможно применение реле сопротивления, как на генераторах.

Уставка по току такой комбинированной защиты выбирается так же как обычная защита от перегрузки: ток срабатывания по формуле (л.17), выдержка времени отстраивается от времени пуска двигателя с учетом времени возврата реле KL 1:

(21.2)

Учитывая возможность затягивания процесса разворота двигателя, время запаса (t з)принимается равным 2…3 с.

Время возврата реле KL1 должно перекрывать время возврата токового реле в период асинхронного режима: t_{возKL 1} > ∆t. Можно принять t_{возKL 1}равным 0,5…0,7с.

В устройстве MiCOM Р241 имеется защита, предназначенная для выявления асинхронного режима, действующая по величине коэффициента мощности сosφ. Эта защита способна четко выявить отключение возбуждения и переход двигателя в асинхронный режим без возбуждения.

Защита минимального напряжения выполняется так же, как на асинхронных электродвигателях.

Выбор защиты минимального напряжения для отключения СД. Как правило, синхронный двигатель не допускает подачи несинхронного напряжения в случае, если возбуждение его включено (во избежание его включения в противофазу). Поэтому при исчезновении напряжения или его посадке, синхронные двигатели должны отключаться от сети, а после восстановления напряжения могут включаться вновь, если их включение необходимо, и они имеют схему автоматического повторного пуска. Возможен также их перевод в асинхронный режим отключением возбуждения, и подачей возбуждения после появления напряжения.

С целью предотвращения подачи напряжения на возбужденные синхронные двигатели, автоматика, которая подает напряжение на шины, должна выполняться с контролем отсутствия напряжения, (достаточно 0,3 U _ном ). Недопустимо, например, выполнение АВР только по признаку отключения выключателя питающего ввода.

Защита минимального напряжения для синхронного двигателя выбирается как 1-я ступень минимального напряжения для асинхронных двигателей:

(21.3)

Отключение синхронных двигателей при понижении частоты. Для ускорения подачи напряжения с помощью устройств АВР или АПВ целесообразно отключать двигатели автоматикой понижения частоты. После отключения питающего напряжения двигатель быстро тормозится, и частота напряжения, которое синхронный двигатель генерирует на шины, быстро падает. При быстром его отключении, сразу исчезает напряжение подпитки и пускается схема АВР (АПВ).

При выборе уставки по частоте, следует иметь в виду другую автоматику, которая установлена в питающей системе – автоматическая частотная разгрузка (АЧР). Поэтому, уставка отключения СД по частоте должна быть отстроена от самой низкой уставки быстродействующей АЧР, которая в настоящее время равна 46,5 Гц и 0.5с. Если двигатель сам подключен к какой-то очереди АЧР, в качестве уставки можно принять уставку этой очереди. Если нет, можно принять уставку по частоте равной: 46 Гц и 0,5с. Существует так же автоматика, блокирующая АЧР при реверсе активной мощности синхронных двигателей.