В процессе эксплуатации различных электроустановок возникают аварийные режимы. Основные из них - короткие замыкания, технологические перегрузки, неполнофазные режимы, заклинивание ротора электрической машины.
Аварийные режимы работы электродвигателей
Под коротким замыканием понимается режим, когда ток перегрузки превышает номинальный в несколько раз. Перегрузочный режим характеризуется превышением тока в 1,5 - 1,8 раза. Технологические перегрузки приводят к увеличению температуры обмоток электродвигателя выше допустимой, постепенному разрушению ее и выходу из строя.
Неполнофазный режим (потеря фазы) возникает в случае перегорания предохранителя в фазе, обрыва провода, нарушения контакта. При этом происходит перераспределение токов, по обмоткам электродвигателя начинают протекать повышенные токи, не исключается остановка механизма и выход электрической машины из строя. Наиболее чувствительны к неполнофазным режимам электродвигатели малой и средней мощности, т. е., которые наиболее часто используются в промышленности и сельском хозяйстве.
Заклинивание ротора электрической машины может возникнуть при разрушении подшипника, заклинивании рабочей машины. Это наиболее тяжелый режим. Скорость нарастания температуры обмотки статора достигает 7 - 10 °С в секунду, через 10 - 15 с температура двигателя выходит за допустимые пределы. Наиболее опасен такой режим для двигателей малой и средней мощности.
Наибольшее количество аварийных выходов из строя электродвигателей обусловлено технологическими перегрузками, заклиниванием, разрушением подшипникового узла. До 15 % отказов происходит из-за обрыва фаз и возникновения недопустимой несимметрии напряжений.
Виды электрических аппаратов для защиты электродвигателей
Для защиты электрооборудования от аварийных режимов серийно выпускаются автоматические выключатели, предохранители, тепловые реле, устройства встроенной температурной защиты, фазочувствительная защита и другие аппараты.
При выборе типа защиты учитываются конкретные условия эксплуатации, быстродействие, надежность, удобство эксплуатации, экономические показатели.
В электроустановках до 1000 В защита от коротких замыканий обычно осуществляется плавкими предохранителями или электромагнитными расцепителями максимального тока, встроенными в автоматические выключатели.
Помимо этого, защита от коротких замыканий электродвигателей может осуществляться токовым реле, включенным в одну из фаз статора непосредственно или через трансформатор тока и реле времени.
Защиту от перегрузок подразделяют на два типа: защиту прямого действия, реагирующую на превышение тока, и защиту косвенного действия, реагирующую на превышение температуры. Наиболее распространенным типом токовой защиты, используемой для защиты электродвигателей от перегрузок (в том числе и от заклинивания), являются тепловые релеле. Они выпускаются серии ТРН, ТРП, РТТ, РТЛ. Трехфазные тепловые реле РТТ и РТЛ защищают также от обрыва фазы.
Фазочувствительная защита (ФУЗ) защищает от обрыва фазы, заклинивания механизма, коротких замыканий, пониженного сопротивления изоляции электродвигателя.
Защита от перегрузок и заклинивания механизма может осуществляться также с помощью специальных предохранительных муфт. Указанный тип защиты используется на прессовом оборудовании. Для защиты от обрыва фаз серийно выпускаются реле обрыва фаз типа Е-511, ЕЛ-8, ЕЛ-10, современные электронные и микропроцессорные реле.
К защите косвенного действия относится и встроенная температурная защита УВТЗ, реагирующая не на значение тока, а на температуру обмотки электродвигателя, независимо от причины, вызвавшей нагрев. В настоящее время, для этих целей все чаще используются современные электронные и микропроцессорные тепловые реле, реагирующие на изменение сопротивления встроенных в обмотку статора электродвигателя терморезисторов.
Порядок выбора типа защиты для электродвигателей
При выборе типа защиты необходимо руководствоваться следующими положениями:
-
наиболее ответственные электроприемники, отказ в работе которых может привести к большому ущербу, подверженные систематическому загрязнению, или работающие в условиях повышенной температуры, а также с резкопеременной нагрузкой (дробилки, пилорамы, измельчители кормов) целесообразно защищать встроенной температурной защитой и автоматическими выключателями или предохранителями.
-
Защита маломощных электродвигателей (до 1,1 кВт), которые обслуживаются высококвалифицированным персоналом, может осуществляться тепловыми реле и предохранителями.
-
Защиту электродвигателей средней мощности (более 1,1 кВт), работающих без обслуживающего персонала, рекомендуется защищать фазочувствительными устройствами.
Указанные рекомендации основываются на результатах анализа работы аппаратов защиты в условиях аварийных режимов. При этом установлены следующие особенности функционирования защитных устройств.
При небольших перегрузках и длительных режимах работы надежно работают тепловые реле, фазочувствительная защита, встроенная температурная защита. Выбор предпочтительного аппарата в этом случае необходимо производить с учетом экономических показателей. При переменных нагрузках с периодом колебаний нагрузки, соизмеримым с постоянной нагрева двигателя, тепловые реле действуют ненадежно и следует применять встроенную температурную защиту или фазочувствительную защиту. При случайных нагрузках большей надежностью обладают защитные устройства, действующие в функции температуры, а не тока.
При включении электропривода в неполнофазную сеть по его обмоткам проходит ток, близкий к пусковому, и защитные аппараты срабатывают надежно. Но если обрыв фазы произошел после включения электродвигателя, то сила тока зависит от нагрузки. Тепловые реле в этом случае обладают значительной зоной нечувствительности и лучше применять фазочувствительную защиту и встроенную температурную защиту.
При затяжных пусках применение тепловых реле нежелательно. Если пуск осуществляется при пониженном напряжении, тепловое реле может ложно отключить электродвигатель.
При заклинивании ротора электродвигателя или рабочей машины ток в его обмотках в 5 - 6 раз превышает номинальный. Тепловые реле в этой ситуации должны в течение 1 - 2 с отключить электродвигатель. Однако температурная защита при перегрузках по току в 1,6 раза и выше имеет большую динамическую погрешность, поэтому электродвигатель может быть не отключен, возникнет недопустимый перегрев обмоток и резкое сокращение срока службы электрической машины. Тепловые реле и встроенная температурная защита при больших перегрузках работают с низкой эффективностью. Лучше в таких ситуациях использовать фазочувствительную защиту.
При применении современных тепловых реле РТТ и РТЛ частота отказов электрооборудования значительно ниже, чем при использовании реле типа ТРН, ТРП и в ряде случаев сравнима с частотой отказов при установке встроенной температурной защиты.
В настоящее время, для защиты особо важных электродвигателей применение находят современные универсальные микропроцессорные устройства защиты, совмещающие в себе все типы защиты и имеющие возможность гибкой настройки параметров срабатывания.
Область применения различных устройств защиты зависит от числа выходов электрооборудования из строя, размеров технологического ущерба при отключении, затрат на приобретение аппаратуры защиты. Для выбора предпочтительного варианта необходимо технико-экономическое сравнение.