Расчет уставок асинхронного двигателя мощностью более 2 МВт

В данной статье будет рассматриваться пример расчета уставок асинхронного двигателя с прямым пуском мощностью более 2 МВт.

Пример

Требуется рассчитать уставки асинхронного двигателя (АД) с прямым пуском типа АДО-3150-6000, защита присоединения будет выполняться на терминале релейной защиты серии БМРЗ-УЗТ-01 ДИВГ.648228.080 производства НТЦ «Механотроника».

Структурная схема релейной защиты электродвигателя с терминалами защиты серии БМРЗ-УЗТ-01 представлена на рис.1.

Схема подключения токовых цепей и цепей напряжения к терминалу защиты серии БМРЗ-УЗТ-01 представлена на рис.2.

Расчет уставок для ячейки питающей устройство плавного пуска типа SYN-START-06-385-032A2-IP20 рассмотрен в статье: «Расчет уставок для ячейки питающей УПП».

Перечень защит для ячейки питающей на прямую АД:

• токовая отсечка (ПУЭ раздел 5.3.46 пункт 2);
• дифференциальная токовая отсечка (применяется если недостаточно чувствительности токовой отсечки, согласно ПУЭ п.5.3.46 пункт 3);
• дифференциальная защита с торможением (ДЗТ) (ПУЭ раздел 5.3.46 пункт 3);
• защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в данном примере не рассматривается (ПУЭ раздел 5.3.48);
• защита от перегрузки (ЗП) (ПУЭ раздел 5.3.49);
• защита минимального напряжения (ЗМН) (ПУЭ раздел 5.3.53);

Исходные данные:

• Мощность на валу двигателя: Pном.дв. = 3150 кВт;
• Коэффициент мощности: cosϕ = 0,83;
• КПД: ƞ = 0,968;
• Напряжение: Uном.дв. = 6 кВ;
• Кратность пускового тока: kпуск = 5,5;
• Двигатель не участвует в самозапуске, по условиям технологического процесса.
• Ток трехфазного кз на вводах питания электродвигателя: Iк.з. = 5 кА;

1. Токовая отсечка

1.1 Определяем номинальный ток электродвигателя:

1.2 Определяем максимальный ток двигателя при прямом пуске при условии, что двигатель не участвует в самозапуске по формуле 2 [Л1,с.5]:

На рисунку 3 представлена пусковая характеристика двигателя, на котором хорошо видно изменение тока двигателя во время пуска.

Если же у вас двигатель участвует в самозапуске тогда значение Iмакс нужно увеличить на 1,4 раза, так как напряжение на двигателе после включения резервного питания может превышать номинальное в 1,3 – 1,4 раза.

Принцип расчета токовой отсечки для ячейки питающей двигатель от сети, такой же как и для ячейки питания УПП, что бы расчет уставок был полноценным, я повторю расчет ТО для данного примера.

1.3 Токовую отсечку следует отстраивать от максимально возможного тока при пуске (самозапуске) двигателя, согласно ПУЭ 7-изд. п.5.3.46 или при подпитке внешнего КЗ [Л1, с.9].

1.4 Определяем первичный ток срабатывания токовой отсечки по выражению 12 [Л1, с.9]:

1.5 Определяем коэффициент чувствительности при двухфазном КЗ на вводах питания двигателя по выражению 14 [Л1, с.9]:

1.6 Исходя из расчета, коэффициент чувствительности меньше 2 (ПУЭ 7-издание п.3.2.21 пункт 8), поэтому в качестве основной защиты двигателя от междуфазных замыканий следует применить дополнительно дифференциальную защиту.

1.7 Токовая отсечка будет выступать в роли резервной защиты. Согласно ПУЭ 7-издание п.3.2.26 для данной токовой отсечки kч ≥ 1,2. В данном примере условие выполняется kч = 1,45 ≥ 1,2.

1.8 Токовая отсечка работает без выдержки времени tс.з. = 0 сек.

2. Дифференциальная токовая отсечка

2.1 Уставка дифференциальной токовой отсечки (ДТО) должна отстраиваться от расчетного максимального тока небаланса в переходном процессе и определяется по формуле 15 [Л1, с.11]:

2.2. Определяем коэффициент чувствительности при двухфазном КЗ на вводах питания двигателя по выражению 18 [Л1, с.13]:

Условие чувствительности защиты выполняется, согласно требованиям ПУЭ 7-изд. п.3.2.21 пункт 5.

2.3 ДТО работает без выдержки времени tс.з. = 0 сек.

3. Дифференциальная защита с торможением

3.1 Согласно [Л1,с.10] для данной серии терминалов ДЗТ может выполняться:

Согласно [Л1,с.10] уставка ДЗТ выбирается по выражению 16:

• Iдзт.нач. = 0,3 Iном.дв. – уставка ДЗТ с током срабатывания меньше номинального тока двигателя, А;
• Iдзт.нач. = 1,2 Iном.дв. – уставка ДЗТ с током срабатывания больше номинального тока двигателя, А;

3.2 Исходя из того, что двигатель в данном примере ответственный, то согласно [Л1,с.10] ток срабатывания дифференциальной защиты должен быть больше номинального тока защищаемого двигателя и определяется по выражению 16:

Iдзт.нач. = 1,2*Iном.дв.= 1,2*378 = 453,6 А

3.3 При выборе уставки Iдзт.нач с током срабатывания больше номинального тока двигателя, следует применить уставку сигнализации небаланса с уставкой Кнб = 0,4 – 0,6. Принимаем уставку Кнб равной 0,5.

3.4 Определяем коэффициент торможения для повышения чувствительности защит терминалов БМРЗ ДИВГ.648228.080 по выражению 17:

3.5 Определяем уставку сквозного тока (тока торможения) Iскв., рекомендуется [Л1,с.10] выбирать из диапазона от 1,0* Iном.дв. до 1,5* Iном.дв.

Для терминалов БМРЗ ДИВГ.648228.080 принимаем:

Iскв. = 1,0* Iном.дв. = 1,0*378 = 378 А

3.6 Уставку по относительному содержанию второй гармонической составляющей в дифференциальном токе (Iдиф.2г) рекомендуется принимать в диапазоне от 0,15 до 0,2. Принимаем значение уставки Iдиф.2г = 0,15.

3.7 Для реализации алгоритма ДЗТ с очувствлением, нужно задать две уставки: Iдзт.груб. и Iдзт.чувст.

• Значение уставки Iдзт.груб. = Iдзт.нач. = 1,2*Iном.дв.= 1,2*378 = 453,6 А;
• Значение уставки Iдзт.чувст. = 0,3*Iном.дв.= 0,3*378 = 113,4 А;

3.8 Определяем коэффициент чувствительности при двухфазном КЗ на вводах питания двигателя по выражению 18 [Л1, с.13]:

3.9 ДЗТ работает без выдержки времени tс.з. = 0 сек.

По результатам выполненных расчетов строим характеристику срабатывания дифференциальных защит, см. рис.4. Выбору подлежат:

• Iдто = 2183 А – ток срабатывания дифференциальной токовой отсечки;
• kторм = tgα = 0,36 (20°) – коэффициент торможения;
• Iдзт.груб. = 453,6 А – ДЗТ с очувствлением;
• Iдзт.чувст. = 113,4 А — ДЗТ с очувствлением;
• Iдзт.груб.*Кнб = 453,6*0,5 = 227 А – характеристика сигнализации небаланса;

4. Защита минимального напряжения

Для отключения ответственных двигателей [Л1, с.43] рекомендуется принимать уставку срабатывания по напряжению в диапазоне 0,4 – 0,5 Uном.дв.

4.1 Определяем первичное напряжение срабатывание защиты:

Uс.з. = 0,5* Uном.дв. = 0,5*6000 = 3000 В

4.2 Согласно [Л1, с.43] время срабатывание защиты выбирается из диапазона 3 – 9 с. Принимаем время срабатывания tс.з. = 9 с, так как двигатель медленно затормаживается из-за большой массы присоединенной на валу АД.

5. Защита от перегрузки

Согласно ПУЭ 7-изд. п.5.3.49 защита от перегрузки должна предусматриваться при следующих условиях:

В терминалах БМРЗ-УЗТ защита от симметричных перегрузок выполняется трехступенчатой.

• Первая ступень предназначена для быстрого отключения двигателя при отказе токовой отсечки (выполняет роль ближнего резервирования).
• Вторая ступень (основная) защищает двигатель от любых перегрузок и действует на отключение.
• Третья ступень действует на сигнал и используется на объектах с дежурным персоналом.

5.1 Определяем ток срабатывания первой ступени отстраиваясь от пускового тока двигателя по выражению 38 [Л1, с.50]:

5.2 Время срабатывания первой ступени tс.з.1 = 0,1 с, данное время позволяет отстроить уставку от броска пускового тока двигателя.

5.3 Определяем ток срабатывания второй ступени по выражению 40 [Л1, с.50]:

5.4 Время срабатывания второй ступени определяется исходя из тепловой постоянной времени охлаждения статора двигателя по выражению 39 [Л1, с.50]:

В связи с тем, что производитель двигателя не предоставил значение тепловой постоянной времени охлаждения статора в расчетах будем использовать минимально допустимую постоянную времени охлаждения статора.

Исходя из требований ГОСТ Р 52776-2007 пункт 9.3.3 согласно которому: — трехфазные двигатели переменного тока мощностью не менее 0,55 кВт с косвенным охлаждением обмоток статора должны выдерживать ток, равный 1,5 номинального тока, в течение 2 мин.

Исходя из выше изложенного можно определить минимально допустимую постоянную времени охлаждения статора по выражению 41 [Л1, с. 51]:

где: tдоп. = 120 с – допустимое время работы при кратности тока k*=1,5.

5.5 Определяем время срабатывания второй ступени при кратности тока равного k*=1,5:

5.6 Определяем время срабатывания третей ступени по выражению 42 [Л1, с.50]:

5.7 Так как двигатель не подвержен технологическим перегрузкам, то согласно [Л1, с.51] рекомендуется принимать время срабатывания в диапазоне от 10 до 20 с (уставка должна быть больше времени пуска двигателя). Принимаем время срабатывания tс.з.3 = 20 с.

Для наглядности построим характеристику защиты от симметричных перегрузок, см.рис.5. Обращаю ваше внимание, что характеристика срабатывания 2-й ступени имеет форму кривой.

Чтобы построить характеристику для 2-й ступени нужно найти несколько точек, для разной кратности тока k*и А = 150 с:

Литература:

1. СТО ДИВГ-046-2017 Методические указания. Расчет уставок. Терминалы релейной защиты синхронных и асинхронных электродвигателей 6 — 10 кВ.
2. Выбор уставок срабатывания защит асинхронных электродвигателей напряжением выше 1 кВ. А.М. Александров, 2000 г.