Действующие ПУЭ регламентируют оснащение электродвигателей напряжением выше 1 кВ (ЭД) устройствами защиты от коротких замыканий, замыканий на землю, перегрузки и потери питания. Синхронные ЭД дополнительно должны быть оснащены защитой от асинхронного режима, совмещенной с защитой от перегрузки. Эти требования соответствуют уже устаревшей концепции защиты ЭД, когда главной задачей защиты являлось максимально быстрое отключение поврежденного ЭД от питающей сети.
В настоящее время в связи с существенно выросшей стоимостью ЭД, увеличением ущерба от их внезапного отключения экономически целесообразно качественно улучшить функции защиты ЭД, считает Станислав Лукьянович Кужеков.

Станислав Кужеков, д. т. н., профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), г. Новочеркасск

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 кВ
Защитно-диагностические устройства

С целью предотвращения внезапных отказов электрооборудования его оснащают устройствами технической диагностики (ТД), среди которых особое место занимают системы автоматизированного контроля состояния под рабочими токами и напряжениями. Устройства и системы ТД, так же как и релейная защита (РЗ), решают задачу распознавания повреждений электрооборудования. Основное отличие устройств и систем ТД от РЗ – распознавание повреждений на ранней стадии их развития с целью предупреждения персонала о необходимости своевременной разгрузки оборудования и вывода его в ремонт.
Можно установить аналогию между частью задач, решаемых РЗ и средствами ТД, в особенности системами непрерывного автоматизированного контроля. Главным назначением последних является фиксация момента перехода развития дефектов в опасную фазу, причем в ряде случаев связанную с немедленным отключением контролируемого объекта [1].

Сходство задач, решаемых РЗ и средствами ТД, является объективной причиной их сближения. Иногда это обстоятельство обусловливает необходимость создания комбинированных или защитно-диагностических устройств (ЗДУ). ЗДУ, в частности, целесообразно использовать для распознавания не только электрических, но и механических повреждений агрегатов «электродвигатель–механизм». К ним относятся: эксцентриситет ротора электродвигателя; перекос осей электродвигателя и механизма; повреждение подшипников и др.

Так как в приводимых во вращение механизмах устройства защиты чаще всего отсутствуют, то функции обнаружения и распознания механических повреждений удобно возложить на устройства РЗ электродвигателей, которые в этом случае являются защитно-диагностическими.

Цель статьи заключается в описании принципов построения разработанных коллективом под руководством автора защитно-диагностических устройств, обеспечивающих повышение эффективности функционирования ЭД.

ТРЕБОВАНИЯ И ПАРАМЕТРЫ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ

Анализ показал, что применение усовершенствованных устройств РЗ и ТД позволяет снизить аварийность ЭД, что иллюстрирует табл. 1. В соответствии с этой концепцией было разработано устройство многофункциональной защиты ЭД, содержащее токовую отсечку, защиту от перегрузки, защиту от несимметричных режимов, защиту от асинхронных режимов синхронного ЭД, защиту от однофазных замыканий обмотки статора на землю и защиту от потери питания [2].

Табл. 1. Пути снижения аварийности ЭД средствами РЗ и диагностики

Причина отказа ЭД	Вид отказа	Путь снижения аварийности
Несостоявшийся пуск	Перегрев обмоток статора и контуров ротора	Специальная защита от несостоявшегося пуска
Затянувшийся пуск	Перегрев обмоток статора и контуров ротора	Специальная защита от затянувшегося пуска
Механические повреждения (эксцентриситет ротора, повреждения подшипников, перекос осей валов ЭД и механизма и др.)	Перегрев обмоток ЭД, задевание ротора за статор и др.	Контроль спектрального состава тока статора ЭД
Несимметрия токов и витковые замыкания в обмотке статора	Повреждения изоляции и стали статора ЭД	Специальная защита от витковых КЗ и несимметричных режимов
Заклинивание вращающегося ротора ЭД	Перегрев изоляции и механические повреждения ЭД	Специальная защита от заклинивания ротора
Повторные пуски	Перегрев обмоток статора и ротора ЭД, повреждение обмоток	Совершенствование защиты от перегрузки ЭД
Однофазные замыкания на землю	Пробои изоляции перенапряжениями	Рациональный режим заземления нейтрали питающей электрической сети

Особенностью токовой отсечки являлась повышенная чувствительность, обусловленная тем, что она не реагировала на апериодическую составляющую подводимого тока. Вследствие этого чувствительность отсечки повысилась в 1,8 раза по сравнению с аналогичными устройствами.

В защите от перегрузки использовалась модель тепловых процессов (нагревания и остывания обмотки статора), что исключило повторную подачу напряжения на ЭД до остывания его обмотки.

В защите от витковых замыканий обмотки статора и несимметричных режимов был использован оригинальный способ распознавания: реагирование на разность наибольшего и наименьшего значений фазовых сдвигов между векторами токов фаз статора. Это позволило повысить чувствительность защиты по сравнению с аналогами не менее чем в 1,5 раза.

Защита от асинхронных режимов использовала в качестве признаков указанного режима значения тока статора и фазового сдвига между током и напряжением. Благодаря этому она эффективно реагировала на асинхронные режимы без потери возбуждения, более опасные, чем аналогичные режимы с потерей возбуждения. Защита была освоена в серийном производстве на Грозненском опытно-экспериментальном заводе (ГОЭЗ). Поскольку она решала только часть задач, отмеченных в табл. 1, были также выполнены разработки, описанные ниже.

Асинхронные (АД) и синхронные электродвигатели в первый момент пуска, когда частота вращения ротора равна нулю, представляют собой трансформаторы с закороченной вторичной обмоткой. В соответствии с этим токи статора и ротора содержат три составляющие:

где i_пр – принужденная периодическая с частотой 50 Гц;
i_{св 1} – быстро затухающая свободная апериодическая;
i_{св 2} – медленно затухающая свободная апериодическая.

При развороте ротора медленно затухающая свободная апериодическая составляющая тока ротора наводит в цепях статора переменный ток, частота колебаний которого зависит от скорости вращения и ускорения ротора. Указанный ток описывается приближенной формулой:

,

где I_пр – действующее значение принужденной периодической составляющей тока статора;
ω₂ = (1 – s)ω_с – угловая скорость вращения ротора;
s – скольжение ротора;
ω_с – синхронная угловая скорость вращения ротора;
p – число пар полюсов ЭД;
k – коэффициент, значение которого составляет 0,1–0,15;
Ψ – начальная фаза принужденной периодической составляющей тока статора.

Фрагмент обработанной осциллограммы пускового тока АД показан на рис. 1. На ней видны принужденная периодическая составляющая, быстро затухающая свободная апериодическая составляющая с постоянной времени T_a и периодическая составляющая i_m.sh, наведенная в цепи статора медленно затухающей свободной апериодической составляющей тока ротора. В случае несостоявшегося пуска (отсутствие вращения ротора при наличии напряжения на обмотке статора) в токе статора АД имеют место принужденная периодическая и две свободные апериодические составляющие.

Рис.1. Фрагмент осциллограммы тока статора АД при пуске

T_а – постоянная времени затухания быстрозатухающей апериодической составляющей тока статора;
T_sh, I_m.sh – условные период колебания и амплитуда периодической составляющей тока статора, наведенной медленнозатухающей апериодической соcтавляющей тока ротора, соответственно.

Защита от несостоявшегося пуска АД реагирует на ток, наведенный в цепях статора медленно затухающей свободной составляющей тока ротора. Если она в токе пуска отсутствует, то не более чем через одну секунду защита срабатывает и действует на отключение АД от питающей сети [3].

Защита АД от затянувшегося пуска осуществляет контроль изменения частоты тока, наведенного в цепях статора медленно затухающей свободной составляющей тока ротора. Если указанная частота за заданный отрезок времени (например, 3 с) не достигает расчетного значения, то защита действует на отключение АД [4].

Эффективность указанных защит от ненормальных пусковых режимов обусловлена существенным сокращением времени протекания по обмоткам ЭД пусковых токов, что предотвращает их перегрев и соответственно термические повреждения изоляции.

ЭКСЦЕНТРИСИТЕТ РОТОРА

Опыт эксплуатации АД показал, что серьезным дефектом является эксцентриситет ротора. Эксплуатация электродвигателя с таким видом дефекта не приводит к немедленному выходу его из строя, но снижает надежность работы и т.д. Искажается магнитное поле в воздушном зазоре, создается одностороннее магнитное притяжение, КПД снижается на 1,5–2%, появляются дополнительные высшие гармоники поля, снижается пусковой момент на 10–13%, растут местные нагревы на 5–6%.

Для диагностирования эксцентриситета ротора ЭД применяют различные устройства на основе вибрационных, тепловых, электромагнитных и других методов. Их недостатки заключаются в сложности реализации, связанной с применением датчиков температуры, вибрации и магнитного поля, требуется прокладка дополнительных кабельных линий для связи с устройством обработки информации. Менее распространен метод диагностирования эксцентриситета ротора на основе анализа амплитудно-частотной характеристики потребляемого тока.

Опишем принцип контроля уровня эксцентриситета ротора ЭД. Как известно, частоты гармоник тока статора, вызванных эксцентриситетом ротора, определяются по выражению:

,

где ƒ_сети – частота напряжения питающей сети.

Зависимость воздушного зазора δ от угла поворота ротора при смещении его оси на расстояние d от оси расточки статора определяется по формуле:

где r – радиус рабочей поверхности ротора;
R – радиус внутренней расточки статора;
δ_m = R – r – номинальный воздушный зазор между статором и ротором (рис. 2).

Рис. 2. Эксцентриситет ротора

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены приведенные в табл. 2 значения амплитуд гармоник тока при различных ε = d / δ_m 100% для АД с числом пар полюсов p = 2. Спектральный состав тока статора АД при наличии эксцентриситета ротора представлен на рис. 3.

Таблица 2. Относительные амплитуды гармоник тока при различных уровнях эксцентриситета ротора

Уровень эксцентриситета ε, %	Амплитуды гармоник, дБ на частотах
	≈ 25 Гц	≈ 75 Гц
10	–37	–38
50	–32	–29
80	–27	–26

Рис. 3. Спектральный состав тока статора АД с эксцентриситетом ротора при p = 2:
а) ε =10%,
б) ε =50%

Полученные результаты были положены в основу построения разработанного устройства контроля уровня эксцентриситета ротора [5], которое может быть интегрировано в состав ЗДУ АД. Следует отметить, что на базе указанного устройства могут быть реализованы защиты от повреждения подшипников, перекоса осей валов ЭД и приводимого во вращение механизма, а также от обрыва стержней ротора АД.

Отметим, что в [7] был рассмотрен способ выявления дефектов в АД по току статора электродвигателя.

В конце прошлого века был разработан двухскоростной полюсно-переключаемый АД. Однако используемая в нем неполная дифференциальная защита не обладает требуемой защитоспособностью, так как она нечувствительна к значительной доле внутренних повреждений обмотки статора. Поэтому была разработана специальная защита такого АД от всех видов повреждений обмотки статора [6[. Принцип действия защиты заключается в измерении значений наибольшего и наименьшего напряжений на нейтралях звезд расщепленной обмотки статора, выделении разности их модулей и сравнении полученной разности с заданным значением.

По существу, указанное предложение является поперечной дифференциальной защитой по напряжению на нейтралях звезд трех соединенных в звезду обмоток статора. Вследствие этого защита обладает абсолютной селективностью и реагирует практически на любые междуфазные и витковые замыкания обмоток.

РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ

В настоящее время сети питания ЭД напряжением выше 1 кВ эксплуатируются с изолированной нейтралью (I-сеть) или с компенсацией емкостных токов замыкания на землю (L_в-сеть). Основным достоинством таких режимов нейтрали является потенциальная возможность работы сети с однофазным металлическим замыканием на землю в течение нескольких часов, то есть до перевода питания потребителей на другие источники. При этом РЗ не должна действовать на отключение повреждения – однофазного замыкания на землю (ОЗЗ).

Однако изоляция неповрежденных фаз при ОЗЗ находится под напряжением, превышающим рабочее в раз, что опасно для ЭД и кабелей. Особенно опасны дуговые ОЗЗ, которые приводят к появлению импульсных перенапряжений с высокой кратностью (в 3 и более раза по отношению к нормальному напряжению). Вследствие этого в сети возникают множественные повреждения кабельных линий и ЭД, затрагивающие до 5 и более линий и приводящие к автоматическому отключению последних РЗ от КЗ. Опыт эксплуатации показывает, что в указанных условиях по ряду причин компенсация емкостного тока замыкания на землю, а также высокоомное резистивное заземление нейтрали недостаточно эффективны.

С целью исключения множественных повреждений кабельных линий распределительной электрической сети, а также ЭД может быть использован режим кратковременного низкоомного индуктивного (L_н.кр-сеть) заземления нейтрали сети 6–10 кВ [8]. Такой же режим может быть использован и с резистивным заземлением нейтрали (R_н.кр-сеть). Время существования режима L_н.кр-сети или R_н.кр-сети должно быть минимальным, что обеспечивается автоматическим отключением заземляющего трансформатора от источника питания по истечении допустимого времени (как правило, не более 0,5 с).

Предложенный режим успешно эксплуатируется с 2008 г. в Пятигорских электрических сетях. При этом в течение более чем двух лет множественные повреждения кабельных линий не возникали, а замыкания на землю отключались штатными устройствами защиты от двойных замыканий на землю.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для защиты и контроля состояния ЭД под рабочим напряжением технически и экономически целесообразно использовать защитно-диагностические устройства, обеспечивающие минимизацию повреждений ЭД при авариях и предотвращение их повреждений в опасных ненормальных режимах работы.

В состав указанных устройств, помимо защит, регламентированных ПУЭ, целесообразно включить защиту от механических повреждений ЭД, в частности защиту от эксцентриситета ротора, а также защиту от несимметричных режимов и витковых замыканий в обмотке статора, защиту от ненормальных пусковых режимов (несостоявшегося и затянувшегося пуска) и от заклинивания вращавшегося ротора. Эффективность действия последних особенно высока при времени срабатывания не более 0,1–0,2 от времени нормального пуска.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кужеков С.Л. О связи между релейной защитой и технической диагностикой электрооборудования: материалы конференции «Relay Protection and Automation of Modern EHV Systems (Moscow – Cheboksary, September 10–12, 2007)».
2. Кужеков С.Л., Варфоломеев Е.П., Рубан В.Л. и др. Устройство релейной защиты электродвигателей // Цемент. 1986. № 11.
3. Кужеков С.Л., Шихкеримов И.А., Чмыхалов Г.Н. Защита электродвигателя от несостоявшегося пуска // Известия вузов. Электромеханика. 1988. № 10.
4. Кужеков С. Л., Кужеков С. С. Способ защиты трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от затянувшегося пуска: патент на изобретение № 2178613. Зарегистр. 09.01.2002.
5. Кужеков С.Л., Колпахчьян П.Г., Рогачев В.А., Сербиновский Б. Б. Токи статора асинхронного электродвигателя с эксцентриситетом ротора // Известия вузов. Электромеханика. 2008. № 4. С. 27–35.
6. Кужеков С. Л., Шихкеримов И. А., Кобжув В. М., Пекерман Г. А., Лубяницкая З. М. Способ защиты трехфазного электродвигателя от междуфазных и витковых коротких замыканий обмотки статора / Авт. свид. СССР № 1670734. Заявл. 21.11. 1988. Опубл. 15.08.1991. Бюлл. № 30.
7. Булычев А.В. Защита упреждающего действия для электродвигателей // Новости ЭлектроТехники. 2011. № 5(71). С. 44-47.
8. Хнычев В.А., Корогод А.А., Шупиков А.А., Кужеков С.Л., Бураков И.Ф., Сенчуков А.А. О кратковременном низкоомном индуктивном заземлении нейтрали электрической сети напряжением 6–10 кВ // Энергоэксперт. 2008. № 6. С. 98–102.