Расчет уставок асинхронного двигателя мощностью 315 кВт

Содержание

• 1. Общая часть
• 2. Исходные данные
• 3. Токовая отсечка
• 4. Защита от замыканий на землю (земляная защита)
• 5. Защита от перегрузки
• 6. Защита минимального напряжения
• 7. Результаты расчетов

1. Общая часть

Требуется выполнить расчет уставок для защиты асинхронного двигателя мощностью 315 кВт для насосной станции ускоренного охлаждения листа на металлургическом комбинате.

Питание двигателя осуществляется от ячейки типа КУ-10Ц производства ООО «Высоковольтный союз», кабелем АПвЭВнг – 3х95 мм2, длина кабельной линии составляет 600 м. Для защиты двигателя будет применяться терминал защиты 7SJ6226-5EB21-3HFO фирмы “Siemens”. Схема главных цепей шкафа КРУ представлена на рис.1.

Рис.1 –Схема главных цепей шкафа КРУ

Данный терминал позволяет выполнить защиту асинхронного двигателя, согласно ПУЭ для двигателей до 2 МВт, а именно:

• токовая отсечка срабатывает без выдержки времени (основная защита), защищает от многофазных КЗ, согласно ПУЭ раздел 5.3.46 пункт 1;
• защита от однофазных замыканий на землю, действует на отключение АД, согласно ПУЭ раздел 5.3.48;
• защита от токов перегрузки нужно предусматривать, если по технологическим процессам, возможна перегрузка двигателя, согласно ПУЭ раздел 5.3.49, в моем случае защита работает на отключение, так как двигатель работает без постоянного дежурного персонала, более подробно все нюансы выполнения данной защиты описано в ПУЭ раздел 5.3.49;

Для токовых защит подключаем трансформаторы тока к терминалу, см. рис.2.

Рис.2 – Токовые цепи терминала защит 7SJ6226-5EB21-3HFO

в связи с тем что по условиям технологического процесса самозапуск данного двигателя не предусматривается, нужно выполнить защиту минимального напряжения, согласно ПУЭ раздел 5.3.53. Чтобы реализовать данную защиту нужно завести в терминал цепи напряжения, см. рис.3.

Рис.3 – Цепи напряжения терминала защит 7SJ6226-5EB21-3HFO

Обязательно рекомендую перед началом расчета уставок ознакомится с разделами ПУЭ 5.2.43 – 5.3.54 «Защита асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением выше 1».

Итак, разобравшись какие нужно предусматривать защиты для асинхронного двигателя, перейдем непосредственно к расчету. Расчет будет выполняться по методике представленной в книге: «Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ» А.М. Александров, 2000 г.

2. Исходные данные

• Технические характеристики асинхронного двигателя следующие:
• КПД — 95,4%;
• Коэффициент мощности — 0,92;
• Кратность пускового тока — 7,1;
• Ток 3х фазного КЗ на шинах 6 кВ в минимальном режиме согласно расчета ТКЗ составил Iк.з.min=7,739 кА;
• Длина линии: L = 600 м;
• Кабель марки – АПвЭВнг – 3х95 мм2;
• Коэффициент трансформации трансформаторов тока nт =100/5;
• Вторичные обмотки трансформаторов тока выполнены по схеме «неполная звезда»;
• Тип защиты — 7SJ6226-5EB21-3HFO.

3. Токовая отсечка

Первичный ток срабатывания токовой отсечки выбирается по условию отстройки от максимального действующего значения тока, протекающего по обмотке статора АД при его пуске (самозапуске).

Если перерыв питания АД более 0,5 сек, то расчетным током является пусковой ток АД, а при перерыве питания питания менее 0,5 сек за расчетный ток принимается больший из пускового тока и тока несинхронного включения – подключения АД с непогасшим полем к источнику электроснабжения.

В моем случае перерыв питания АД будет более 0,5 сек, поэтому выбираем токовую отсечку по условию отстройки от пусковых токов асинхронного двигателя.

Зона действия токовой отсечки охватывает: питающий кабель 6 кВ и обмотки статора асинхронного двигателя.

Если же у Вас перерыв питания менее 0,5 сек расчет несинхронного включения АД подробно рассмотрен в книге: «Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ» А.М. Александров, 2000 г, стр.10.

Но перед тем как рассчитывать ток срабатывания токовой отсечки, нам нужно рассчитать ток короткого замыкания в конце линии.

Расчет будем вести в именованных единицах.

3.1 Определяем сопротивление системы:

где: Uc=6,3 кВ — напряжение среднее (для расчетов токов КЗ);

3.2 Определяем сопротивление кабеля:

где:

• Худ.=0,121 Ом/км – удельное сопротивление кабеля АПвЭВнг – 3х95 мм2 (выбирается из каталожных данных Завода-изготовителя);
• n – количество ниток в кабеле;
• L – длина защищаемой линии, м;

3.3 Рассчитав все сопротивления, определяем суммарное сопротивление:

3.4 Определяем ток трех фазного КЗ в конце защищаемой линии:

3.5 Определяем номинальный ток асинхронного двигателя:

где:

• Pном.дв- номинальная мощность электродвигателя, кВт;
• Uном.дв — номинальное линейное действующее напряжение двигателя, кВ;
• η- номинальный к.п.д. электродвигателя;
• cos φ — номинальный коэффициент мощности электродвигателя.

3.6 Определяем первичный ток срабатывания защиты, отстраиваясь от пускового тока АД:

где:

• kотс — коэффициент отстройки, для терминалов фирмы “Siemens” равен 1,1–1,15;
• kпуск – кратность пускового тока;

3.7 Определяем ток срабатывания реле:

где:

• Kсх = 1 – коэффициент учитывающий схему соединения, для схемы соединения «неполная» звезда;
• nт = 100/5 – коэффициент трансформации ТТ;

3.8 Определяем коэффициент чувствительности при двухфазном КЗ на выводах АД в минимальном режиме питающей сети с учетом двухфазной трехрелейной схемы:

Если бы мы использовали двухрелейную схему, чувствительность защиты соответственно уменьшилась бы в 2 раза. Также при расчете чувствительности не следует в ток КЗ добавлять ток отдачи от других АД.

Если же у Вас не обеспечивается чувствительность токовой отсечки, то в этом случае нужно предусматривать продольную дифференциальную защиту, также дифференциальная защита предусматривается для двигателей мощность более 5 МВт взамен токовой отсечки, согласно ПУЭ.

4. Защита от замыканий на землю (земляная защита)

4.1 Определяем удельный емкостной ток замыкания на землю для кабеля АПвЭВнг – 3х95 мм2:

где:

• Uф — фазное напряжение сети, кВ;
• ω=2Пf=314(рад/с);
• Со = 0,407 мкФ/км- емкость одной фазы сети относительно земли, согласно каталога на кабель АПвЭВнг – 3х95 мм2;

4.2 Определяем собственный емкостной ток линии:

4.3 Определяем полную мощность асинхронного двигателя, при этом мощность в кВт переводим в МВA:

4.4. Определяем собственный емкостной ток АД:

Как мы видим из расчета для двигателей не большой мощности, собственный емкостной ток незначительный, поэтому расчеты собственного емкостного тока для такой мощности можно не выполнять.

Например для двигателя мощностью Р=5 МВт напряжением 10 кВ собственный емкостной ток может иметь значение Iс.дв=0,17 А.

4.5 Определяем собственный емкостной ток присоединения:

Ic=Iс.фид.макс.+Iс.АД = 0,774 + 0,00617 = 0,78 А

4.6 Определяем первичный расчетный ток срабатывания защиты от замыканий на землю в обмотке статора АД пр этом отстраиваемся от броска собственного емкостного тока присоединения при внешнем замыкании на землю:

где:

• kн – коэффициент надежности (принимаем равным 1,2);
• kброск. – коэффициент «броска», который учитывает бросок емкостного тока в тот момент, когда возникает ОЗЗ, для современных цифровых реле, можно принимать значения kброск.=1–1,5;
• Ic – максимальный емкостный ток защищаемого фидера.

4.7 Определяем коэффициент чувствительности защиты, в связи с тем что на секции находится большое количество присоединений, приводить расчет полностью всех присоединений я не буду, принцип расчета тока ОЗЗ рассмотрен в статье: «Расчет однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью».

Итак суммарный емкостной ток на секции с минимальным количеством включенных ячеек составил I_сΣ = 6,8 А.

Защита работает без выдержки времени.

5. Защита от перегрузки

Защиту от перегрузки асинхронного двигателя нужно отстраивать от номинального тока АД. Напоминаю, по технологическим процессам защита от перегрузки асинхронного двигателя работает на отключение.

В соответствии с ПУЭ номинальная мощность АД должна сохраняться при отклонении напряжения ±10%, т.е:

5.1 Определяем ток срабатывания релейной защиты от перегрузки АД:

где:

• kотс. – коэффициент отстройки, равный 1,05 при работе РЗ на сигнал и 1,1-1,2 при действии на отключении, принимаем 1,1.
• kотс. – коэффициент возврата, для микропроцессорных (цифровых) терминалов равен 0,96.

5.2 Определяем ток срабатывания реле:

Выдержка времени релейной защиты выбирается из условия надежного несрабатывания защиты при пуске, для этого нам нужно знать максимальное допустимое время пуска АД, которое берется из технической информации на АД.

К сожалению, большинство производителей не приводить такие данные в каталогах. Поэтому нужно запрашивать у завода-изготовителя значения допустимого времени пуска по условию предельного нагрева статора и ротора при номинальном напряжении.

Если же завод-изготовитель не предоставляет такие данные, время пуска определяется уже непосредственно при наладке защиты.

Есть возможность рассчитать аналитическим методом, данный расчет достаточно сложный и опять же все упирается в исходные данные.

6. Защита минимального напряжения

В связи с тем что у меня ответственный двигателей и самозапуск АД после останова не допустим по технологическим процессам. Уставку срабатывания выбираем равной 50% от номинального напряжения и выдержкой времени 0,5 сек.

6.1 Определяем первичное напряжение срабатывания защиты:

Uc.з. = 0,5*Uном = 0,5*6000=3000 (В)

6.2 Определяем напряжение срабатывания реле:

Uc.p.втор= Uc.з./nт=3000/60=50 (В)

где: nт=6000/100 – коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Если же у Вас двигатель не ответственный, то уставка выбирается равной 70% от номинального напряжения и выдержкой времени 0,5-1,0 сек.

7. Результаты расчетов

Результаты расчетов сводим в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты расчетов

Наименование присоединения	Наименование вида защиты	Тип реле защиты	Уставки по току, А	Уставки по времени, сек
Асинхронный двигатель 315 кВт	Токовая отсечка	7SJ6226-5EB21-3HFO	Ic.з=270,1	—
			Ic.р=13,5
			Kч=21,74 > 2
	Защита от замыканий (земляная защита)		Ic.з=1,17	—
			Kч=4,8 > 1,5-2
	Защита от перегрузки		Ic.з=43,7	уточняется при наладке
			Ic.р=2,2
	Защита минимального напряжения		Uc.з=3000 В	0,5
			Uc.р=50 B