Защита электродвигателей напряжением свыше 1000В.

Основными задачами релейной защиты ЭД являются:

своевременное выявление электрических повреждений (жела­тельно на ранних стадиях их возникновения и развития) в ЭД и пусковой аппаратуре, а также опасных для них ненормальных режимов;

формирование и выдача управляющих воздействий на комму­тационные аппараты, систему возбуждения, приводные механизмы и пусковую аппаратуру, которые позволили бы уменьшить объемы разрушений, отключить линию с поврежденным ЭД от питающей сети, не допустить развития опасного ненормального режима, обеспечить возможно меньший простой и быстрое восстановление нормальной работы технологических линий и отдельных механиз­мов.

Эти задачи конкретизируются в общих технических требованиях к релейной защите, ее видам и способам конкретного осуществле­ния. В этом отношении международных стандартов не существует. Практические решения по выбору принципов и методов расчета защит в различных странах не совпадают, так как они исходят из опыта проектирования и эксплуатации конкретных типов двигателей в тех или иных специфических условиях работы электроприводов и электрических сетей. Существенное значение в том, что в настоя­щее время в мировой практике отсутствует единый подход к воп­росам защит ЭД, имеет место и различная интерпретация разными зарубежными фирмами статистики и степени опасности поврежде­ний и анормальных режимов работы.

В РК основные требования к защитам ЭД регла­ментированы ПУЭ. В соответствии с требованиями ПУЭ для асинх­ронных и синхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ должны предусматриваться следующие виды защит: от многофазных замыканий в обмотке статора, от однофазных замыканий фазы обмотки статора на землю (корпус), перегрузки, потери питания, кратковременного или длительного снижения напряжения, а также (для синхронных электродвигателей) от асинхронного режима. Кроме этих защит, в тех случаях, когда по условиям работы питающей сети не исключается возможность длительной опасной несимметрии напряжения на зажимах ЭД, целесообразно преду­смотреть соответствующую защиту от этого режима. Несмотря на реальность витковых замыканий в обмотке статора (см. гл. 2), в настоящее время в [50] не включены требования по выполнению защит от такого вида повреждения. Это в значительной степени связано с отсутствием согласованной стратегии в вопросах их про­ектирования, разработки и изготовления.

Эффективное функционирование релейной защиты обеспечивает­ся селективностью, быстродействием, чувствительностью. Примени­тельно к защитам ЭД от многофазных и однофазных на корпус замыканий в обмотке статора селективность понимают, во-первых, как свойство обеспечить отключение в кратчайшее время всех учитываемых замыканий на защищаемом участке (включающем обычно, кроме части обмотки статора, пусковые устройства и ли­нию, которой ЭД подключен к выключателю), ближайшим к месту повреждения выключателем, а во-вторых, как свойство не сраба­тывать при внешних повреждениях, а также при неопасных рас­четных анормальных режимах. Неселективное отключение ЭД, осо­бенно при пуске и самозапуске, не только нарушает технологи­ческий процесс, но и может привести к повреждению самого двига­теля. Требование быстроты отключения обычно относится только к защитам от многофазных замыканий. Минимальное время ло­кализации повреждения с учетом собственного времени действия за­щиты и полного времени отключения выключателя 6—10 кВ состав­ляет примерно 0,15—0,18 с. Для защит от однофазных замыканий на корпус, если это необходимо для обеспечения несрабатывания при внешних замыканиях на землю, допустимо иметь выдержку времени 1—2 с.

Требования к чувствительности защит ЭД, т. е. способности чет­ко срабатывать при всех учитываемых видах замыканий, оговоре­ны в [50]. Для защит от многофазных замыканий в обмотке статора задают наименьший коэффициент чувствительности при двухфазном металлическом КЗ на выводах ЭД, а для защит от од­нофазных замыканий на корпус — наибольшее допустимое значение первичного тока срабатывания.

Особое значение с учетом условий эксплуатации ЭД, мало­численности квалифицированного обслуживающего персонала, мас­совости защит и необходимости в то же время обеспечить по­стоянную готовность к их эффективному функционированию имеет надежность защиты и ее составляющих. Отказ защиты ЭД, как пра­вило, приводит к очень тяжелым последствиям, прежде всего для самого электродвигателя. -Это объясняется тем, что защита смеж­ного участка сети — сборных шин, к которым подключена линия к ЭД, обычно либо нечувствительна к коротким замыканиям в дви­гателе (особенно при наличии реактора в цепи статора), либо имеет по условиям селективности с защитами отходящих от сборных шин линий выдержку времени 1—2 с. Задержка в отключении короткого замыкания ведет к развитию аварии, значительному увеличению объема разрушения, пожару и поломке механизма, а связанное с ней понижение напряжения на зажимах других электроприемников может полностью нарушить работу технологических агрегатов и линий. Защиты ЭД должны быть просты и удобны в обслуживании, а их долговечность должна быть не менее срока службы самого электродвигателя.

 

Контрольные вопросы

1 Основные задачами релейной защиты ЭД.

2 Основные неисправности ЭД выше 1000В.

3 Чем регламентируется требования к защите ЭД?

Лекция №8
Автоматическое повторное включение (АПВ)

Цель: Изучить назначение, типы и принципиальные схемы АПВ

План:

8.1 Назначение и типы АПВ

8.2 Принципиальные схемы электрического АПВ

Назначение и типы АПВ

Опыт эксплуатации сетей высокого напряжения показал, что если поврежденную линию электропередачи быстро отключить, т. е. снять с нее напряжение, то в большинстве случаев повреждение ликвидируется. При этом электрическая дуга, возникавшая в месте короткого замыкания (КЗ), не успевает вызвать существенных разрушений оборудования, препятствующих обратному включению линии под напряжение.

Самоустраняющиеся повреждения принято называть неустойчивыми. Такие повреждения возникают в результате грозовых перекрытий изоляции, схлестывания проводов при ветре и сбрасывании гололеда, падения деревьев, задевания проводов движущимися механизмами.

Данные о повреждаемости воздушных линий электропередачи (ВЛ) за многолетний период эксплуатации показывают, что доля неустойчивых повреждений весьма высока и составляет 50—90 %.

При ликвидации аварии оперативный персонал производит обычно опробование линии путем включения ее под напряжение, так как отыскание места повреждения на линии электропередачи путем ее обхода требует длительного времени, а многие повреждения носят неустойчивый характер. Эту операцию называют повторным включением.

Если КЗ самоустранилось, то линия, на которой произошло неустойчивое повреждение, при повторном включении остается в работе. Поэтому повторные включения при неустойчивых повреждениях принято называть успешными.

На ВЛ успешность повторного включения сильно зависит от номинального напряжения линий. На линиях 110 кВ и выше успешность повторного включения значительно выше, чем на ВЛ 6—35 кВ. Высокий процент успешных повторных включений в сетях высокого и сверхвысокого на­пряжения объясняется быстродействием релейной защиты (как правило, не более 0,1—0,15 с), большим сечением проводов и расстояний между ними, высокой механической прочностью опор.

Реже на ВЛ возникают такие повреждения, как обрывы проводов, тросов или гирлянд изоляторов, падение или поломка опор и т. д. В кабельных сетях повреждения обусловливаются как особенностями конструкции кабелей, так и причинами их повреждений — механическим разрушением кабелей при земляных и строительных работах. Такие повреждения не могут самоустраниться, поэтому их называют устойчивыми.

При устойчивом повреждении повторно включенная линия будет вновь отключена защитой. Поэтому повторные включения линий при устойчивых повреждениях называют неуспешными.

На подстанциях с постоянным оперативным персоналом или на телеуправляемых объектах повторное включение линий занимает несколько минут, а на подстанциях не телемеханизированных и без постоянного оперативного персонала 0,5—1 ч и более. Поэтому для ускорения повторного включения линий и уменьшения времени перерыва электро­снабжения потребителей широко используются специальные устройства автоматического повторного включения (АПВ). Время действия АПВ обычно не превышает нескольких секунд, поэтому устройства АПВ при успешном включении быстро подают напряжение потребителям. Экономическое значение внедрения АПВ весьма существенно, поскольку стоимость устройств АПВ несоизмеримо мала по сравнению с тем экономическим эффектом, который они дают.

Эффективность действия АПВ определяется не только числом удачных повторных включений, но и количеством потребителей, у которых при этом не нарушается нормальная работа. Экономическую эффективность применения АПВ можно оценить стоимостью продукции, вырабатываемой предприятиями за то время, в течение которого при отсутствии АПВ линии, снабжающие эти предприятия электроэнергией, были бы отключены.

Наиболее эффективно применение АПВ на линиях с односторонним питанием, так как в этих случаях каждое успешное действие АПВ восстанавливает питание потребителей и предотвращает аварию.

В кольцевых сетях отключение одной из линий не приводит к перерыву питания потребителей. Однако и в этом случае применение АПВ целесообразно, так как ускоряет ликвидацию ненормального режима и восстановление нормальной схемы сети, при которой обеспечивается наиболее надежная и экономичная работа.

Согласно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ) [1], применение АПВ обязательно на всех воздушных и смешанных (кабелыно-воздушных) линиях напряжением выше 1 кВ.

Короткие замыкания часто бывают неустойчивыми не только на ВЛ, но и на сборных шинах подстанций. При этом АПВ шин с номинальным напряжением 35 кВ и выше обычно бывает успешным, что связано с малым временем работы релейной защиты шин, большими расстояниями между проводами и повышенной механической прочностью конструкций шин. Автоматическое повторное включение шин имеет высокую эффективность, поскольку каждый случай успешного действия предотвращает аварийное отключение целой подстанции или ее части.

В трансформаторах большинство повреждений (коротких замыканий) носит устойчивый характер. И тем не менее устройствами АПВ оснащаются все одиночно работающие трансформаторы мощностью 1000 кВ А и более и трансформаторы меньшей мощности, питающие ответственную нагрузку.

Устройства АПВ на трансформаторах выполняются так, чтобы их действие происходило только при отключении трансформатора резервной защитой, поскольку процент неустойчивых повреждений трансформаторов ничтожно мал. Резервные защиты трансформаторов действуют на их отключение в большинстве своем при отказах устройств защиты или выключателей, питающихся от этих трансформаторов линий. При этом успешность действия АПВ трансформаторов так же высока, как и АПВ воздушных линий, и составляет 70—90 %. При действии же защит от внутренних повреждений АПВ трансформатора, как правило, не производится.

Автоматическое повторное включение весьма эффективно при ложных и неселективных действиях релейной защиты, при ошибочных действиях персонала, при нарушениях изоляции оперативных цепей, вызывающих «самопроизвольное» (без воздействия персонала, защити и автоматики) отключение выключателей. Применение АПВ позволяет в ряде случаев применить упрощенные схемы релейной защиты и ускорить отключение КЗ.

В распределительных сетях широкое внедрение АПВ. наряду с другими устройствами электроавтоматики, явилось одним из основных средств, позволивших отказаться на большинстве подстанций от постоянного дежурного персонала и перевести их на обслуживание оперативно-выезд­ными бригадами (ОВБ).

Применение АПВ в распределительных сетях позволило также широко использовать подстанции 35—110 кВ, выполненные без выключателей на стороне высшего напряжения. В этих случаях выключатели и АПВ устанавливаются только на питающих линиях со стороны головного участка сети.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К УСТРОЙСТВАМ АПВ

Факторы, определяющие условия эксплуатации устройств АПВ в энергосистемах, обусловливают технические требования, предъявляемые к ним при разработке схем, выборе рабочих уставок р при наладке АПВ.

С точки зрения сохранения устойчивой работы электрической системы желательно иметь максимальное быстродействие АПВ. Однако быстродействие ограничивается опасностью повторного зажигания дуги после подачи напряжения; перерыв в подаче напряжения должен быть больше времени деонизации среды, в которой гасится дуга. Приходится учитывать и то обстоятельство, что условия работы выключателей в цикле АПВ тяжелее обычных. Особенно это относится к масляным выключателям, в которых масло, окружающее место разрыва контактов, при отключении КЗ разлагается и обугливается под действием дуги, теряя изоляционные свойства. Возможность работы в цикле АПВ воздушных выключателей определяется практически только количеством и давлением сжатого воздуха в резервуарах выключателя.

На быстродействие АПВ влияют время готовности привода выключателя к работе на включение, а также время возврата в исходное положение реле защиты, действовавшей при коротком замыкании.

При выполнении устройств АПВ соблюдают еще ряд обязательных условии кроме указанных выше.

Повреждения, появившиеся на присоединениях, отключенных по режиму, в ремонт и т. п., практически всегда носят устойчивый характер. Автоматическое повторное включение в указанных ситуациях приводило бы к развитию повреждений оборудования, необходимости более частых ревизий выключателей. Поэтому при автоматическом отключении выключателя, последовавшем сразу же после его оперативного включения дежурным персоналом, пуск АПВ производиться не должен.

Многократные включения выключателя на КЗ могут привести к тяжелым повреждениям выключателя. Недопустимы многократные повторные включения на КЗ и по условиям устойчивости работы энергосистемы. Поэтому схемы АПВ не должны допускать возможности многократных включений на КЗ.

Несмотря на большое разнообразие существующих в настоящее время схем АПВ, определяемое конкретными условиями их установки и эксплуатации, все они должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Устройства АПВ должны приводиться в действие во всех случаях автоматического, в том числе и самопроизвольного, отключения выключателя, за исключением случаев, когда это отключение произошло сразу же после его оперативного включения от ключа управления или по телеуправлению. Для соблюдения этого условия схемы АПВ выполняются таким образом, что при отключенном положении выключателя устройство АПВ не готово к действию и готовность наступает спустя несколько секунд после включения выключателя.

2. Схемы АПВ должны обеспечивать определенное количество повторных включений, т. е. действовать с заданной кратностью. Однократные АПВ должны действовать 1 раз — после аварийного отключения выключателя (цикл О—В—О), двукратные АПВ—2 раза, после первого и повторного отключений (цикл О—В—О—В—О).

3. Автоматическое повторное включение должно происходить со специально установленной выдержкой времени, выбранной из такого расчета, чтобы обеспечить максимально быстрое восстановление нормального режима работы линии или электроустановки. С другой стороны, для повышения успешности АПВ в таких, например, случаях, когда вероятны повреждения от набросов и касаний проводов механизмами, выдержку времени специально увеличивают до нескольких секунд.

4. Устройство АПВ должно иметь автоматический возврат, т. е. после успешного действия схема должна автоматически (с некоторой выдержкой) возвратиться в состояние готовности к новому действию.

5. Длительность включающего импульса от устройства АПВ должна быть достаточной для надежного включения выключателя.

6. Схемы АПВ должны предусматривать возможность запрета действия АПВ при срабатывании некоторых устройств релейной защиты (например, газовой или дифференциальной защит трансформаторов, действующих при внутренних повреждениях), а также при действии ряда устройств противоаварийной автоматики (частотная разгрузка, автоматика отделения местных электростанций и пр.).

Кроме выполнения указанных выше основных требований в устройствах АПВ должны быть предусмотрены цепи ускорения действия релейной защиты, а также переключающие устройства, обеспечивающие ввод устройств в работу и вывод их из работы оперативным персоналом.

ВИДЫ УСТРОЙСТВ АПВ

Классификация видов АПВ может быть выполнена по следующим признакам:

1. По числу циклов (кратности действия) включения. В эксплуатации получили применение АПВ однократного действия и АПВ двукратного действия. Последние применяются обычно на тупиковых линиях и обеспечивают успешность при втором повторном включении порядка 10— 15%. Трехкратные АПВ не получили применения в энерго­системах СССР, поскольку успешность третьего повторного включения составляет 1,5—3 %.

Однако в ряде случаев оперативному дежурному персоналу разрешается производить третье повторное включение одиночных тупиковых линий после неуспешного действия второго цикла АПВ (спустя 1—2 мин после возникновения КЗ).

2. По способу воздействия на привод выключателя. Различают механические устройства АПВ, встроенные в пружинный или грузовой привод выключателя, и электрические устройства АПВ, осуществляющие воздействие на электромагнит включения выключателя с выдержкой времени.

В конструкциях выпускавшихся ранее пружинных и грузовых приводов предусматривалось механическое устройство АПВ без выдержки времени, не оправдавшее себя с точки зрения надежности действия. Поэтому в выпускаемых в настоящее время пружинных приводах устройства механического АПВ не предусматриваются, что обеспечило упрощение конструкций и повышение надежности действия приводов. Таким образом на всех типах выключателей с любыми типами приводов вновь устанавливаются только электрические устройства АПВ.

3. По виду оборудования, на котором устанавливается АПВ. По виду оборудования различаются: АПВ линий, АПВ шин, АПВ трансформаторов, АПВ электродвигателей (в том числе, нескольких двигателей одновременно — так называемое групповое АПВ).

4. По числу фаз выключателей, на которые воздействуют защита и АПВ. По числу фаз различают: трехфазные, включающие три фазы выключателя после их отключения релейной защитой; однофазные, включающие одну фазу выключателя, отключенную релейной защитой при однофазном КЗ; комбинированные, осуществляющие при междуфазных повреждениях включение трех фаз или включение одной фазы при однофазных КЗ.

5. По способам контроля в цепях пуска АПВ. По способам контроля, определяемым условиями устойчивости параллельной работы генераторов и синхронных двигателей энергосистем, а также условиями допустимой кратности токов несинхронного включения оборудования, устройства трехфазных АПВ классифицируются на следующие типы:

без проверки синхронизма и контроля напряжения (тока), когда нарушение синхронизма исключено — простое (ТАПВ);

без проверки синхронизма в условиях, когда расчетом подтверждена допустимость несинхронных включений — несинхронное (НАПВ);

без проверки синхронизма при наличии быстродействующих выключателей и быстродействующей релейной защиты, в условиях, когда разделившиеся части энергосистемы не успевают перейти на несинхронную работу — быстродействующее (БАПВ);

с проверкой наличия напряжения на включаемом под нагрузку оборудовании, например линии —(АПВНН);

с проверкой отсутствия напряжения на линии (АПВОН)—применяется, в частности, в распределительных сетях на линиях с выделенной нагрузкой;

с ожиданием синхронизма (АПВОС); с улавливанием синхронизма (АПВУС); в сочетании с самосинхронизацией генераторов и синхронных компенсаторов (АПВС).

6. По способам сочетания АПВ с устройствами релейной защиты и различных видов автоматики. Под способами сочетания АПВ с устройствами релейной защиты понимаются:

ускорение действия релейной защиты при АПВ; поочередное действие АПВ, установленных на разных (обычно, последовательно включенных) линиях; АПВ после АЧР;

использование неселективной отсечки в сочетании с АПВ для снижения токов КЗ; сочетание АПВ с АВР;

АПВ в сочетании с действием автоматических секционирующих отделителей и ряд других способов взаимодействия АПВ с релейной защитой и другими автоматическими устройствами, повышающими надежность работы энерго­систем.

7. По виду оперативного тока. На подстанциях с постоянным оперативным током энергия, необходимая для работы реле, входящих в схему АПВ, поступает от аккумуляторной батареи. В схемах на переменном оперативном токе в качестве источников энергии используются трансфор­маторы собственных нужд (CH), трансформаторы тока (TT) и трансформаторы напряжения (TH). Указанные отличия обусловливают особенности схем АПВ, конструктивных данных реле (в частности, обмоточных), применение специальных блоков питания и др.

Длительный опыт эксплуатации устройств АПВ в энергосистемах Советского Союза позволил свести большое разнообразие схем и конструкций, применявшихся на начальных этапах внедрения, к ряду унифицированных решений, обеспечивших внедрение типового проектирования и промышленного выпуска унифицированных панелей АПВ, готовых к установке, наладке и включению в эксплуатацию.

В последующих разделах приводятся описания схем, выбор уставок и рекомендации по наладке и проверке устройств АПВ, наиболее распространенных в сетях и на объектах 6—220 кВ.

 

Контрольные вопросы

1 Основное назначение АПВ.

2 Принцип работы АПВ

3 Перечислите признаки классификация видов АПВ.