ЗАЩИТА НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ СОВЕРШЕННЫХ УСТРОЙСТВ

Аварийным режимам работы асинхронных электродвигателей 0,4 кВ, наиболее часто возникающим в процессе эксплуатации, их причинам и способам защиты двигателей от повреждений была посвящена серия статей Михаила Соркинда («Новости ЭлектроТехники» № 2, 3 и 4, 2005).
Тему продолжает Валентин Александрович Сушко. Он считает, что устройства защиты низковольтных электродвигателей, представленные на российском рынке, не полностью соответствуют своему назначению, и предлагает возможные пути выхода из сложившейся ситуации.

Валентин Сушко, к.т.н., ведущий научный сотрудник ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары

В настоящее время низковольтные электродвигатели защищаются от внутренних повреждений предохранителями или автоматическими выключателями (АВ) с электромагнитными, электронными расцепителями или с внешними электронными устройствами токовой защиты, воздействующими на независимые расцепители АВ.
От тепловой перегрузки низковольтные электродвигатели защищаются:

• предохранителями;
• пускателями с тепловыми токовыми реле или с внешними электронными устройствами защиты от тепловой перегрузки;
• АВ с электротепловыми расцепителями с регулируемой уставкой по току или с электронными расцепителями с функцией защиты от перегрузки.

• пускатели с трехфазными тепловыми токовыми реле с ускоренным срабатыванием при обрыве фазы или с внешними электронными устройствами защиты от обрыва фазы и несимметричных режимов;
• АВ с электротепловыми расцепителями с ускоренным срабатыванием при обрыве фазы или с электронными микропроцессорными (МП) расцепителями с функцией защиты от обрыва фaзы.

Двигатели могут испытывать тепловую перегрузку токами обратной последовательности при фазных токах ниже токов трогания тепловых реле. Это можно показать с помощью применяемой в микропроцессорных (МП) терминалах защиты высоковольтных двигателей европейских фирм псевдотепловой модели [2], в которой эквивалентный фазный ток тепловой перегрузки рассчитывается по формуле:

где I_нб.ф – действующее значение наибольшего фазного тока;
I₂ – действующее значение составляющей тока обратной по-следовательности;
k – коэффициент весомости тока I₂, который может иметь следующие значения: 0–2,25–4,5–9.
Для асинхронных двигателей k определяется следующим образом [2]:

где М_пуск, М_н – пусковой и номинальный вращающий момент двигателя;
I_пуск, I_б – пусковой и базисный ток двигателя;
S_н – номинальное скольжение.
Обычно для асинхронных двигателей типовым значением является k = 4,5. Например, при «слипании» фаз или при обрыве фазы со стороны ВН у понижающего трансформатора со схемой соединения обмоток «треугольник–звезда–11» с заземленной нейтралью ток в одной из фаз в 2 раза превышает токи в двух остальных фазах [3]. При этом абсолютные значения токов прямой и обратной последовательности равны, то есть | I₁ | = | I₂ |.
Допустим, что наибольший фазный ток несколько меньше тока трогания теплового реле:

I_нб.ф = | I₁ | + | I₂ | < 1,2I_н.дв ,

где I_н.дв – номинальный ток двигателя. Тогда при значении k =4,5 в вышеприведенной формуле для расчета эквивалентного фазного тока тепловой нагрузки двигателя I_экв.ф. < 1,75, а при k = 9 I_экв.ф. < 2,16.
Таким образом, при рассмотренном несимметричном режиме сети перегрузка двигателя по эквивалентному току тепловой перегрузки составит соответственно при двух различных значениях k до 75% и до 116% сверх номинальной тепловой нагрузки двигателя и при отсутствии срабатывания теплового реле. Ясно, что при таком длительном режиме повреждение двигателя неизбежно вследствие перегрева и разрушения изоляции статорной обмотки. Повреждения двигателей возможны и в других несимметричных режимах, вызванных несимметрией нагрузок в фазах или обрывами фаз через переходное сопротивление, когда максимальный фазный ток не достигает тока трогания теплового реле.
В связи с этим для исключения возможного повреждения двигателей следует использовать пускатели с тепловыми реле или автоматические выключатели для защиты двигателей, дополняя их еще одним устройством. Таковым являются электротепловые расцепители и мониторы напряжения, реагирующие на напряжение обратной последовательности, с уставками срабатывания на минимально возможном уровне [4], с учетом предельно допустимой несимметрии сети по напряжению обратной последовательности [5] и коэффициента возврата монитора напряжения, то есть на уровне 5–6%.
Если же длительно существующая в сети несимметрия по напряжению обратной последовательности превышает предельно допустимую в 4% [5], необходимо увеличивать уставку монитора напряжения по напряжению обратной последовательности при одновременной замене двигателя двигателем большей мощности или принимать меры по снижению механического момента нагрузки.

В процессе совершенствования автоматических выключателей для защиты двигателей зарубежные производители ввели в них МП расцепители (начиная с номинальных токов 100 А и более), выполняющие функции защиты от внутренних повреждений, перегрузки и от обрыва фазы.
К сожалению, с появлением электронных МП расцепителей практически не произошло совершенствование защиты двигателей от несимметричных режимов по току по сравнению с максимальными тепловыми расцепителями с ускоренным срабатыванием при обрыве фазы. Технические характеристики электронных МП расцепителей в части функций перегрузки и реагирования на несимметричный режим обрыва фазы повторяют характеристики тепловых реле и соответствуют стандарту МЭК 60947-4-1 [6]. Они реагируют на «чистый» обрыв фазы или, в лучшем случае, срабатывают, когда ток в одной или двух фазах становится ниже 40% от уставки по току защиты от перегрузки и остается на таком уровне несколько секунд.
Таким образом, вышеизложенные замечания в отношении возможных повреждений двигателей из-за несовершенства технических характеристик тепловых реле и максимальных тепловых расцепителей АВ остаются справедливыми и в отношении электронных МП расцепителей АВ для защиты двигателей. Итак, производители АВ ограничивают возможности совершенствования МП устройств на уровне электромеханических тепловых реле, выпускаемых в соответствии со стандартом МЭК 60947-4-1 [6], которые достигли практического предела совершенствования.

Сложившаяся ситуация с несовершенством методов выявления несимметричных режимов по току объясняется, вероятно, стремлением изготовителей АВ применять более дешевые и менее производительные МП с использованием аналого-цифровой обработки информации о скалярных величинах, пропорциональных фазным токам, получаемых после выпрямления синусоидальных токов выпрямительными мостами. Более совершенные методы выявления несимметричных режимов по току требуют цифровой обработки информации о векторных величинах и применения цифровых фильтров тока обратной последовательности.
ГОСТ 13109-97 [5] устанавливает, что несимметрия напряжений для трехпроводных трехфазных сетей характеризуется коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности. Из принципа независимости различных последовательностей в симметричных системах следует, что в симметричных системах различные последовательности не влияют друг на друга [1]. Таким образом, напряжение обратной последовательности на входе симметричной схемы вызывает ток обратной последовательности, который определяется напряжением обратной последовательности и сопротивлением схемы обратной последовательности и не зависит от параметров прямой последовательности.
Из ГОСТ 13109-97 вытекает, что несимметрия токов в трехфазной трехпроводной схеме может характеризоваться коэффициентом несимметрии по току обратной последовательности, равному отношению тока обратной последовательности в фазах к номинальному току, умноженному на 100%. Ток обратной последовательности может определяться с помощью фильтра тока обратной последовательности. Другие методы определения несимметрии токов в трехфазной трехпроводной сети, как следствие, противоречат этому ГОСТу и могут давать положительный результат только в каких-то частных случаях. ГОСТ 13109-97 разрешает вычислять напряжение обратной по-следовательности по приближенной формуле U_2i = 0,62(U_нбi – U_нмi), где U_нбi, U_нмi – наибольшее и наименьшее действующие значения из трех междуфазных напряжений при i-ом наблюдении с учетом гармонических составляющих этих напряжений при коэффициенте искажения синусоидальности кривых напряжений, не превышающем 5%. Погрешность этой формулы – не более 8%.
Используя соотношения составляющих обратной последовательности для токов и напряжений при переходе от схемы соединений «треугольник» к схеме «звезда» [1], можно преобразовать приведенную выше приближенную формулу для напряжения обратной последовательности в формулу для тока обратной последова­тельности в фазах трехпроводной линии, которая примет вид:

,

где I_нбi, I_нмi – наибольшее и наименьшее из трех действующих значений фазных токов в линии при i-ом наблюдении с учетом гармонических составляющих этих токов при коэффициенте искажения синусоидальности кривых тока, не превышающем 5%.
Очевидно, что относительная погрешность при использовании этой формулы, как и исходной для напряжения обратной последовательности, не превышает 8%. Гармонический состав токов при использовании вышеприведенной формулы должен учитывать полосу пропускания частот устройства, в котором реализуется этот алгоритм.
Если коэффициент искажения синусоидальности кривых тока превышает 5%, с учетом полосы пропускания частот устройства защиты, необходимо вводить корректировку коэффициента 1,074 в приведенной выше формуле для расчета тока обратной последовательности.

В России АВ для защиты двигателей не выпускаются. Двигатели защищаются от коротких замыканий АВ для распределительных сетей, а от перегрузки – пускателями с тепловыми реле, в том числе с ускоренным срабатыванием при обрыве фазы, устройствами с использованием микроэлектронной или МП элементной базы. Следует отметить, что устройства защиты двигателей аналогового типа быстро вытесняются МП устройствами с аналого-цифровой обработкой информации.
В устройствах защиты двигателей аналогового типа для выявления несимметричных режимов по току применялись как фильтры тока обратной последовательности, так и косвенные методы определения несимметрии. Эти методы основывались на выявлении снижения амплитуды тока одной из фаз по отношению к двум другим или по глубине пульсаций трехфазных выпрямленных напряжений, пропорциональных фазным токам.
У нас в стране фильтровыми токовыми защитами впервые была оснащена значительная часть двигателей в угле- и горнодобывающей промышленности еще в 60-е годы прошлого столетия [3]. Уставки защит по току обратной последовательности составляли 0,2–0,25Iн. Эти защиты надежно защищали двигатели при несимметрии напряжений в питающей сети и при обрыве фаз через переходные сопротивления в цепи питания двигателей. В целом результаты эксплуатации этих защит в горнодобывающей промышленности были положительными и дали большой экономический эффект.
Выпускаемые в настоящее время в России МП устройства защиты низковольтных двигателей по функциям защиты от обрыва фазы и несимметричных режимов по току во многом повторяют алгоритмы электронных МП расцепителей АВ для защиты двигателей, выпускаемых инофирмами, со всеми их недостатками, которые были указаны выше. В ряде случаев из технических описаний МП устройств защиты двигателей невозможно достоверно установить алгоритмы обработки информации о токах, что затрудняет оценку технического уровня таких устройств.
Необходимо отметить, что выпускаемые отечественными производителями МП устройства защиты двигателей не соответствуют требованиям по невосприимчивости к помехам, которые предъявляются к устройствам защиты, воздействующим на пускатели по ГОСТ Р 50030.4.1-2002 (МЭК 60947-4-1-2000) [6]. В большинстве МП терминалов защиты высоковольтных двигателей функция защиты от тепловой перегрузки при несимметричных режимах дублируется в виде собственно защиты от тепловой перегрузки, псевдотепловая модель которой учитывает влияние тока обратной последовательности, и в виде максимально-токовой защиты обратной последовательности. В некоторых типах МП терминалов защиты высоковольтных двигателей эта функция фактически утраивается путем введения дополнительной защиты максимального напряжения обратной последовательности. К сожалению, в МП устройствах защиты низковольтных двигателей от тепловой перегрузки влияние тока обратной последовательности не учитывается, а сама токовая защита от несимметричного режима по току имеет указанные выше изъяны, которые в ряде режимов могут приводить к повреждению двигателя.
С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что с промышленным производством вместо аналоговых устройств защиты двигателей МП устройств защиты значительно возрос разрыв между техническим уровнем МП терминалов защиты высоковольтных двигателей и техническим уровнем защиты низковольтных двигателей. Если у первых произошел значительный рост технических преимуществ за счет качественно лучших алгоритмов защиты от тепловой перегрузки и заклинивания ротора, то технические качества последних в ряде случаев даже снизилось. В частности, это произошло в связи с прекращением применения токовых защит обратной последовательности и использованием косвенных методов определения несимметрии токов, которые не соответствуют принципам выявления несимметрии в трехфазных цепях, оговоренным в ГОСТ13109-97.

1. Существующие способы защиты низковольтных электродвигателей от тепловой перегрузки с помощью тепловых реле и электротепловых расцепителей с ускоренным срабатыванием автоматических выключателей при обрыве фазы не обеспечивают защиту от тепловой перегрузки двигателей в ряде случаев при несимметричных режимах по току, не связанных с «чистым» обрывом фазы. Для исключения этого недостатка указанных устройств защиты двигателей может быть предложено дополнять их мониторами напряжения, которые должны реагировать на напряжение обратной последовательности с уставками на уровне около 5–6%. Такие микропроцессорные мониторы наиболее просто могут быть реализованы с использованием упрощенной формулы для определения напряжения обратной последовательности, предусмотренной ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
2. Микропроцессорные расцепители импортных автоматических выключателей для защиты двигателей по функции защиты от обрыва фазы и несимметричных режимов повторяют технические характеристики тепловых токовых реле с ускоренным срабатыванием при обрыве фазы, соответствуют стандарту МЭК 60947-4-1-2000 и также не обеспечивают защиту двигателей при некоторых несимметричных режимах по току, не связанных с «чистым» обрывом фазы. Такие автоматические выключатели целесообразно дополнять мониторами напряжения, как указано в п.1 настоящих выводов.
3. В связи с тем, что в России не выпускаются автоматические выключатели для защиты двигателей, приходится применять автоматические выключатели для распределительных сетей и дополнять их внешними устройствами микропроцессорных защит двигателей, которые по функциям защиты от несимметричных режимов по току во многом повторяют недостатки импортных микропроцессорных расцепителей автоматических выключателей со всеми вытекающими отсюда последствиями.
4. Совершенствование технических характеристик микропроцессорных расцепителей автоматических выключателей и внешних устройств токовых защит двигателей по выявлению несимметричных режимов по току в трехпроводной сети возможно только на базе методов, вытекающих из ГОСТ 13109-97 и основанных на измерении коэффициентов несимметрии токов по обратной по-следовательности. При этом совершенствование устройств защиты возможно в следующих направлениях:

• применение цифровой обработки информации с использованием цифровых фильтров симметричных составляющих токов обратной последовательности, вычисление действующего значения этого тока и коэффициента несимметрии тока по обратной последовательности;
• применение аналого-цифровой обработки информации с аналоговым фильтром симметричных составляющих тока обратной последовательности, вычисление действующего значения этого тока и коэффициента несимметрии по току обратной по-следовательности;
• использование приближенной формулы для вычисления тока обратной последовательности, вытекающей из приближенной формулы для определения напряжения обратной последовательности по ГОСТ 13109-97 и основанной на вычислении наибольшей разности действующих значений фазных токов, вычисление коэффициента несимметрии по току обратной по-следовательности.

1. Вагнер К.Ф., Эванс Р.Д. Метод симметричных составляющих. В применении к анализу несимметричных электрических цепей. – Л.-М.: Главная редакция энергетической литературы, 1936.
2. Schneider Electric. Серия Sepam. Sepam1000+. Подстанция. Трансформатор. Двигатель. Сборные шины. Защита и контроль. – 2001.
3. Гимоян Г.Г., Лейбов Р.М. Релейная защита подземного электрооборудования и сетей. – М.: «Недра», 1970.
4. Сушко В.А. О техническом уровне микропроцессорных мониторов напряжения // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 4 (34).
5. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
6. ГОСТ Р 50030.4.1-2002 (МЭК 60947-4-1-2000). Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 4-1. Контакторы и пускатели.