Проблемные вопросы защиты обмоток статора АД от витковых замыканий

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Межвитковые замыкания витков в фазе обмотки статора являются достаточно распространенным и тяжёлым видом повреждения, так как значение тока в короткозамкнутых витках может быть соизмеримо со значениями тока многофазных КЗ. При этом изменение потребляемого фазой тока незначительно и недостаточно для срабатывания максимальной токовой защиты, токовой отсечки или дифференциальной токовой защиты на ранней стадии развития аварийного процесса. По этой причине выполнение чувствительной защиты от межвитковых замыканий представляет собой сложную задачу [10, 11].

Рассмотрим, что происходит при витковом замыкании в отдельной фазе статора (например, в фазе А) на примере простейшей двухслойной двухполюсной обмотки с диаметральным шагом. Пусть число пазов на полюс и фазу у такой обмотки равно единице, а катушечная группа и фаза состоит из двух секций, соединённых в электрическом отношении последовательно. На рис. 1a показано замыкание между секциями одной фазы, соединёнными последовательно и находящимися в верхнем и нижнем слое паза, при этом образуется короткозамкнутый виток. С физической точки зрения это сравнимо с появлением на статоре четвертой неподвижной обмотки, замкнутой накоротко. Вращающееся магнитное поле обмотки статора будет индуктировать в ней ЭДС подобно тому, как оно индуктирует ЭДС в обмотке ротора во время пуска при скольжении, равном единице. И хотя ЭДС в короткозамкнутом витке будет во столько раз меньше ЭДС фазы, во сколько раз число короткозамкнутых витков меньше общего числа витков в фазе обмотки, но и величина их полного сопротивления будет во столько же раз меньше полного сопротивления фазы. Поэтому в короткозамкнутом витке установившийся ток короткого замыкания будет равен пусковому току данного двигателя. Кратности пусковых токов различных типов асинхронных двигателей даются в каталогах и находятся в пределах 5÷7,3.

В соответствии с законом саморегулирования АД при поддержании постоянной величины действующего значения напряжения, подаваемого на обмотку статора, такой ток короткого замыкания в 1% закороченных витков вызовет увеличение тока в неисправной фазе только на 5÷7%. Этого недостаточно для срабатывания максимальной токовой защиты, токовой отсечки и дифференциальной токовой защиты, тем более, что двигатель перед аварией мог работать с неполной нагрузкой.

На рис. 1b показано замыкание между секциями, когда катушечные группы для образования фазы соединены параллельно. В этом случае образуется не один, а два короткозамкнутых контура. Двухслойные обмотки часто изготавливают с сокращённым шагом секций для устранения высших гармоник напряжений. В таком случае в одном пазу могут находиться витки секций разных фаз. На рис. 1c показано замыкание витков секций фазы А и фазы С при соединении фаз треугольником. В этом случае образуется сложный короткозамкнутый контур, по которому протекает ток короткого замыкания, включая проводники обмотки фазы B.

Рис.1. Вероятные короткие замыкания обмоток статора: а – между секциями одной фазы, находящимися в верхнем и нижнем слое паза; b – между секциями одной фазы, соединёнными параллельно; с - витков секций фазы А и фазы С при соединении фаз треугольником

Некоторые авторы полагают, что необязательно устанавливать релейную защиту от виткового замыкания ввиду её сложности и считают, что в процессе развития аварии она либо перейдёт в замыкание на корпус, либо в замыкание между фазами. По их мнению, в случае виткового замыкания двигатель будет отключен этими максимальными защитами [12,13].

Однако срабатывание максимальной токовой защиты при витковом замыкании произойдёт тогда, когда ток фазы достигнет значений не менее 2,5÷3I_Н, что соответствует повреждению 40÷50% витков фазы и значительному повреждению сердечника. При восстановлении такого двигателя необходимо полностью заменить сердечник статора и обмотку, а стоимость ремонта составляет около 70% стоимости нового двигателя.

Исследования показывают, что в процессе образования короткозамкнутого витка при пробое витковой изоляции между секциями глухое металлическое замыкание устанавливается не сразу. Этот процесс перемежается аварийной циклической коммутацией цепи, что стимулирует сильную электрическую дугу при большой температуре горения. Процесс вызывает лавинообразное повреждение изоляции, оплавление зубцов статора и расширение зоны повреждения. Поэтому очень важно мгновенно определить вид повреждения и отключить двигатель для уменьшения зоны повреждения, времени и денежных затрат на ремонт.

В конструкции защиты от витковых замыканий, реагирующей на потоки рассеяния лобовых частей статорной обмотки двигателя, чувствительным элементом является кольцевая измерительная катушка, расположенная внутри двигателя в непосредственной близости от лобовой части обмотки так, чтобы её плоскость была перпендикулярна оси вращения ротора, её геометрический центр находился на этой оси, а её выводы были подключены к реагирующему органу (РО). [14]. Данное устройство имеет существенные недостатки, которые создали серьёзные препятствия в практической реализации. Данная защита при несимметрии напряжения может срабатывать на отключение двигателя так, как будто произошло витковое замыкание между секциями одной фазы.

Действительно, при симметричном фазном напряжении и отсутствии межвиткового замыкания фазные токи тоже симметричны, т.е. одинаковы по величине и сдвинуты по фазе на 120 электрических градусов (рис. 2a). Три фазных тока, проходя по лобовым частям обмотки, создают три одинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов потоков рассеяния, которые индуктируют в измерительной катушке блока защиты три одинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов ЭДС, сумма которых равна нулю.

Однако при несимметрии питающего напряжения [15] или возникновении межвиткового замыкания фазные токи, проходящие по лобовым частям обмотки, становятся неодинаковыми по величине. Это вызывает появление трёх неодинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов потоков рассеяния, которые индуктируют в измерительной катушке три неодинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов ЭДС. В этом случае на выходе измерительной катушки появляется некомпенсированное напряжение, которое подаётся на вход реагирующего органа и вызывает ложное срабатывание защиты (Рис. 2b).

Рис.2.Физические процессы в обмотках статора и измерительной катушке двигателя: а – фазные токи в обмотках статора при отсутствии межвиткового замыкания и симметричном питающем напряжении; b – ЭДС, индуктируемые потоками рассеяния лобовой части обмотки статора в измерительной катушке при межвитковом замыкании в фазе А

В рассматриваемом устройстве потоки рассеяния лобовых частей обмотки, проходят, в основном, по воздуху, имеющему малую магнитную проницаемость, что обусловливает незначительную их величину. Это существенно снижает чувствительность измерительной катушки, которая отделена в осевом направлении от лобовой части обмотки воздушным промежутком. Кроме того, в данной защите существенное влияние на величину напряжения измерительной катушки оказывают помехи, обусловленные осевым потоком рассеяния, вызванного статическим и динамическим эксцентриситетами, а также потоками рассеяния короткозамкнутого кольца обмотки ротора [16].

Для предупреждения ложного срабатывания защиты при несимметрии питающего напряжения, предлагается в блок защиты (pис. 3) встроить двухобмоточный тороидальный трансформатор 1. Первичная трёхфазная обмотка 2 трансформатора соединена звездой и подключена к трёхфазной цепи 3, питающей двигатель 4. Выходы вторичной однофазной обмотки 5 подключены параллельно и встречно выходам измерительной катушки 6, подключенной к реагирующему органу 7. При симметрии питающего напряжения сумма магнитных потоков, создаваемых токами первичной трёхфазной обмотки 2 тороидального трансформатора 1 равна нулю, и на выходе вторичной однофазной обмотки 5 напряжение отсутствует.

Рис.3. Модифицированное устройство релейной защиты

При возникновении асимметрии питающего напряжения в режиме работы двигателя 4 под нагрузкой фазные токи также становятся неодинаковыми. Они проходят по лобовым частям 8 обмотки статора и создают три неодинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов потока рассеяния. Последние будут индуктировать в измерительной катушке 6 три неодинаковых по величине и сдвинутых по фазе на 120 электрических градусов ЭДС. В сумме ЭДС уже не дадут ноль, и на выходе измерительной катушки появится напряжение.

В то же время при несимметричном питающем напряжении сумма магнитных потоков, создаваемых токами первичной трёхфазной обмотки тороидального трансформатора, не равна нулю. На выходе вторичной однофазной обмотки появится напряжение, равное по величине и противоположное по направлению напряжению на выходе измерительной катушки. Вследствие этого напряжение на реагирующий орган 7 не подаётся, и защита не срабатывает.

При симметричном питающем напряжении на выходах вторичной однофазной обмотки тороидального трансформатора встречное напряжение отсутствует. При возникновении межвиткового замыкания в фазе статорной обмотки на реагирующий орган подаётся напряжение от измерительной катушки, защита срабатывает по сигналу «витковое замыкание в фазе обмотки статора», и двигатель отключается от сети.

Для того чтобы существенно увеличить чувствительность измерительной катушки, которая отделена в осевом направлении от лобовой части обмотки воздушным промежутком, предложено измерительную катушку вставить в п-образный паз кольцевого магнитного сердечника 9, установленного внутри электрического двигателя 4, причём паз сердечника должен быть обращен к находящейся в непосредственной близости лобовой части 8 статорной обмотки двигателя. Кроме этого, магнитный сердечник 9, охватывающий измерительную катушку, будет служить магнитным экраном для помех, обусловленных осевым потоком рассеяния, вызванного статическим и динамическим эксцентриситетами, а также потоком рассеяния короткозамкнутого кольца обмотки ротора.

Выводы

Из обзора и анализа материалов, посвященных проблемам защиты электрических машин, с учетом изложенного опыта разработок и исследований авторов, вытекает следующее: многочисленные попытки создания и внедрения релейных защит от межвиткового замыкания обмотки статора не получили широкого применения из-за сложности конструкции и недостаточной чувствительности к замыканиям между витками одной фазы статора. Авторы статьи поддерживают идею создания защиты от витковых замыканий путём реагирования кольцевой измерительной катушки, расположенной внутри двигателя, на потоки рассеяния лобовых частей статорной обмотки двигателя при коротком замыкании внутри обмотки, в комбинации с микропроцессорными защитами. Усовершенствования защиты, предлагаемые авторами статьи, позволяют отстроиться от ложного срабатывания при несимметрии питающего напряжения, повысить чувствительность и перейти к практической реализации защиты. Очевидно, что в комплексе с микроэлектронной и микропроцессорной защитой, предлагаемое устройство способно обеспечить высокую эффективность защиты, включая защиту обмоток статора электрических машин от межвитковых кротких замыканий.

Список литературы

1. Рясков Ю.И. Шайтор Н.М., Горпинченко А.В. Релейная защита электрических машин в энергетических системах и комплексах // Сборник научных трудов СевГУ Энергетические установки и технологии. - 2020. - T.6. №1. C.77-82.

2. Воробьев А.Э., Фатьянов С.О. Анализ причин отказов в работе асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве и в промышленном производстве // Вестник Совета молодых ученых Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. 2017. № 2 (5). С. 169-174.

3. Привалов Е.Е. Диагностика асинхронных двигателей электроэнергетического оборудования. Москва, 2015. 70 с.

4. Сафин Н.Р., Прахт В.А., Дмитриевский В.А. Диагностика неисправностей обмотки статора асинхронных двигателей // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. 2015. Т. 1. С. 139-146.

5. Gazyrin V.E., Osintsev A.A., Librinov L.L., Frobva E.I. Verification of distance relay of relay protection and emergency control automation equipment in asynchronous mode by standard devices of the retom test complex // Power Technology and Engineering. 2018. T. 52. № 2, рр. 242-247.

6. Волобуев С.В. Технико-экономическая оценка повышения эффективности защиты асинхронных двигателей от ненормальных режимов работы тепловыми реле // В сборнике: Эколого-мелиоративные аспекты рационального природопользования. Материалы Международной научно-практической конференции. 2017. С. 234-238.

7. Брейдо И.В., Сеныкина И.Ю., Нурнаганбетова Г.С. Способ косвенной защиты от перегрева для электроприводов горношахтных установок // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т.329. № 2. С. 65-73.

8. Анисинов К.В., Попов А.Е. Сравнение аналоговой и микропроцессорной релейных защит // В сборнике: Ключевые проблемы и передовые разработки в современной науке. Сборник научных трудов по материалам I Международной научно-практической конференции. 2017. С. 107-111.

9. Гуревич В.И. Уязвимости микропроцессорных реле защиты. Проблемы и решения. Москва, 2014. 256 с.

10. Богдан А.В., Соболь А.Н. Информационные признаки повреждения обмотки статора для построения релейной защиты автономного асинхронного генератора // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2017. Т. 60. № 6. С. 72-76.

11. AndreevA.M., Andreev I.A., Lyakhovsky Y.Z. Choosing expert evaluations of diagnostic tests of electric insulation for high-voltage electric machines // Russian Electrical Engineering. 2018. T. 89, no 5, рр. 318-321.

12. Мосалев В.А. Основные направления совершенствования релейной защиты для электродвигателей // Сборник статей ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА. Ижевск, 2015. С. 59-60.

13. Юдаев И.В., Волобуев СВ., Феклистов А.С. Повышение эффективности тепловых устройств защиты асинхронных двигателей // Вестник аграрной науки Дона. 2018. Т. 4. № 44. С. 94-98.

14. Клецель М.Я., Новожилов А.Н., Поляков В.Е. Электрическая трехфазная машина с встроенным блоком для защиты от повреждения обмотки статора // Авторское свидетельство СССР, № 1046852, 1983).

15. Наумов И.В., Шевченко М.В., Белоусова Е.А. Управление режимами работы асинхронного двигателя в условиях несимметрии напряжении питающей сети // Сборник научных трудов энергетика и информационные технологии / Ответственный редактор О.А. Пустовая. Благовещенск, 2017. С. 89-96.

16. Antonov V.I., Naumov V.A., Fomin A.I., Soldatov A. V. Adaptive structural analysis of input signals of digital and relay protection and automation // Russian Electrical Engineering. 2015. T. 86. № 7, рр. 391-397.

References

1. Ryaskov Yu. I. Shaitor N. M., Gorpinchenko A.V. Relay protection of electric machines in power systems and complexes / / Sbornik nauchnykh trudov SevSU Energeticheskie ustanovki i tekhnologii. - 2020. - T. 6. No. 1. - p. 77-82.

2. Vorobiev A. E., Fatyanov S. O. Analysis of the causes of failures in the operation of asynchronous electric motors in agriculture and in industrial production // Bulletin of the Council of young scientists of the Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev. 2017, no 2 (5). pp. 169-174.

3. Privalov E. E. Diagnostics of asynchronous motors of electric power equipment. Moscow, 2015. 70 р.

4. Safin N. R., Pracht V. A., Dmitrievsky V. A. Diagnostics of faults of stator winding of asynchronous motors // Automation in electric power industry and electrical engineering. Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin. 2015, vol.1, pp. 139-146.

5. Gazyrin V. E., Osintsev A. A., Librinov L.L., Frobva E.I. Verification of distance relay of relay protection and emergency control automation equipment in asynchronous mode by standard devices of the retom test complex // Power Technology and Engineering. 2018. 52, no 2. pp. 242-247.

6. Volobuev S. V. Technical and economic assessment of increasing the efficiency of protection of asynchronous motors from abnormal modes of operation by thermal relays // In the collection: Ecological and meliorative aspects of rational nature management. Materials of the International scientific and practical conference. 2017. pp. 234-238.

7. Breido I.V., Sinicina I.Y., Nurmaganbetova G.S. Method indirect overheat protection for electric mining installations // Proceedings of the Tomsk Polytechnic University. Engineering of geo-resources. 2018, vol. 329, no 2. pp. 65-73.

8. Anisimov K. V., Popov A. E. Comparison of analog and microprocessor relay protection // In the book: Key issues and new developments in modern science, Collection of scientific works on materials of I International scientific-practical conference. 2017. pp. 107-111.

9. Gurevich V. I. Vulnerabilities of microprocessor protection relays. Problems and solutions. Moscow, 2014. 256 р.

10. Bogdan A.V., Sobol A. N. Informational signs of damage to the stator winding for constructing relay protection of an autonomous asynchronous generator // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Electro-mechanics. 2017. Vol. 60. No. 6. pp. 72-76.

12. Moskalev V. A. Main directions of improvement of relay protection for electric motors // Collection of articles of the Izhevsk State Agricultural Academy. Izhevsk, 2015. pp. 59-60.

13. Yudaev I. V., Volobuev S. V., Feklistov A. S. Improving the efficiency of thermal protection devices for asynchronous motors // Bulletin of Agrarian Science of the Don. 2018. Vol. 4. No. 44. pp. 94-98.

14. Kletsel M. Ya., Novozhilov A. N., Polyakov V. E. Electric three-phase machine with a built-in block for protection from damage to the stator winding // Copyright certificate of the USSR, No. 1046852, 1983).

15. Naumov I. V., Shevchenko M. V., Belousova E. A. Control of the modes of operation of an asynchronous motor in the conditions of asymmetry of the supply network voltage // Sbornik nauchnykh trudov energetika i informatsionnye tekhnologii / Executive editor O. A. Pustovaya. Blagoveshchensk, 2017. рр. 89-96.

Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 134; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!