Расчет уставок синхронного двигателя мощностью 800 кВт

Содержание

• 1. Общая часть
• 2. Данные для расчета
• 3. Токовая отсечка
• 4. Защита от асинхронного режима (потери возбуждения)
• 5.1 Защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ)
• 5.2 Защита от двойных замыканий на землю
• 6. Защита от токов перегрузки
• 7. Расчет уставок устройства резервирования при отказе выключателя (УРОВ)
• 8. Результаты расчетов

1. Общая часть

Требуется выполнить расчет уставок для защиты существующего синхронного неявнополюсного двигателя серии СТД-800-2 на напряжение 6 кВ мощностью 800 кВт для насосной станции №26А. Питание двигателя осуществляется существующим кабелем типа ААШв — 3х95, длина кабеля составляет 85 м. Для защиты двигателя применяется современное микропроцессорное устройство защиты типа Sepam M41 (фирмы Schneider Electric).

Для защиты синхронного двигателя будут применяться следующие защиты в соответствии с ПУЭ, а именно:

• 1. Токовая отсечка, работающая без выдержки времени применятся для защиты от междуфазных замыканий (см. ПУЭ раздел 5.3.46).
• 2. Защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) выполняется двухступенчатой действует на сигнал (см. ПУЭ раздел 5.3.48):
• первая ступень выполняет функцию защиты от однофазных замыканий на землю;
• вторая ступень выполняет функцию защиты от двойных замыканий на землю.
• 3. Защита от асинхронного режима действует на отключения двигателя (см. ПУЭ раздел 5.3.50 и 5.3.51).
• 4. Защита от токов перегрузки действует на сигнал (см. ПУЭ раздел 5.3.49).
• 5. Так как в существующем РУ-6 кВ выполняется УРОВ, то нужно будет выполнить расчет уставок УРОВ. В общем же случае выполнение УРОВ не обязательно для электроустановок 6-10 кВ согласно ПУЭ.

2. Данные для расчета

• 1. Данные двигателя:
• 1.1 Мощность на валу двигателя – Рном.дв=800 кВт;
• 1.2 Полная мощность: Sном.дв = 935 кВА;
• 1.3 Коэффициент полезного действия (КПД) – ηном.дв=0,963;
• 1.4 Кратность пускового тока – kпуск.=5,58;
• 1.5 Коэффициент мощности – cosφ=0,9;
• 2. Длина линии – L = 85 м;
• 3. Кабель марки – ААШв – 3х95 мм2;
• 4. Напряжение – Uном.дв = 6 кВ;
• 5. Значение токов трехфазного КЗ на секции шин РУ-6 кВ рассчитанных при максимальном и минимальном режиме работы сети с учетом режима подпитки от других электродвигателей: Iк.з.min = 4850 А, Iк.з.max = 5500 А.
• 6. Вторичные обмотки трансформаторов тока выполнены по схеме «полная звезда»;
• 7. Тип защиты — Sepam M41 (фирмы Schneider Electric).

Пуск двигателя асинхронный, прямой, от полного напряжения сети с включенным резистором в цепь обмотки возбуждения. Двигатель не участвует в самозапуске.

В данном расчете реакторный пуск двигателя не рассматривается.

3. Токовая отсечка

Токовую отсечку отстраиваем от тока трехфазного КЗ на шинах питания двигателя Iк.з.max, вычисленное при максимальном режиме работы сети с учетом режима подпитки от других электродвигателей.

Рассчитывая уставки для синхронного двигателя следует учитывать, что машина запускается в асинхронном режиме. Когда скорость вращения достигает значения близкой к синхронной — выполняют переключение обмотки возбуждения с резистора на напряжение возбуждения и двигатель втягивается в синхронизм.

3.1 Определяем значение номинального тока электродвигателя:

Выбираем трансформаторы тока стороны питания электродвигателя: ТОЛ-10 с сердечником типа Р, коэффициентом трансформации – 150/5.

3.2 Определяем значение пускового тока электродвигателя при условии, что он в самозапуске не участвует и осуществляется прямой пуск двигателя:

3.3 Определяем сопротивление системы в максимальном режиме с учетом подпитки от двигателя:

3.4 Определяем пусковое сопротивление электродвигателя::

3.5 Определяем пусковой ток двигателя с учетом сопротивления питающей сети:

3.6 Определяем первичный ток несрабатывания токовой отсечки при пуске двигателя:

3.7 Определяем ток срабатывания реле:

3.8 Определяем значение тока двухфазного КЗ на вводах питания электродвигателя и коэффициента чувствительности защиты при двухфазном КЗ:

Выдержку времени защиты принимаем равной нулю.

В связи с тем, что рассчитывая таким способом чувствительность токовой отсечки в большинстве случаев получается низкой, рекомендуется дополнительно вводить вторую ступень МТЗ с независимой характеристикой и током срабатывания [Л3. с7]:

Выдержка времени второй ступени МТЗ для отстройки от броска пускового тока двигателя выбирается равной:

Использование второй ступени МТЗ существенно повышает чувствительность защиты, однако расчет коэффициента чувствительности в соответствии с требованиями ПУЭ должен осуществляться по параметрам срабатывания ТО.

В данном случае чувствительности отсечки достаточно и выполнение второй ступени МТЗ не требуется.

4. Защита от асинхронного режима (потери возбуждения)

Защита синхронного двигателя от асинхронного режима (потери возбуждения) сводиться к определению сверхпереходного сопротивления и индуктивного сопротивления прямой последовательности. Данную защиту лучше выполнять с помощью реле сопротивления.

Для того чтобы рассчитать уставки данной защиты, мы должны знать:

• x»_d – сверхпереходное сопротивление СД, Ом;
• x_d – индуктивное сопротивление прямой последовательности СД, Ом.

Выбираем расчетные индуктивные сопротивления из таблицы 1 для двигателя типа СТД-800-2. Справочные данные на двигатель взяты из [Л1.с211].

Если же у Вас в паспорте на синхронный двигатель такие данные отсутствуют. Единственный выход получить данные для расчета это направить официальное письмо на завод-изготовитель с просьбой о предоставлении данных для расчета СД от асинхронного режима.

В противном случае определять эти данные нужно будет уже непосредственно на объекте при пуско-наладочных работах.

Хотя в соответствии со стандартами: ГОСТ 183-74, ГОСТ 533-85, ГОСТ 5616-81, ГОСТ 609-84 завод-изготовитель обязан производить приемо-сдаточные испытания, которые включают также определение: сверхпереходного сопротивления СД и индуктивного сопротивления прямой последовательности СД.

Определение сверхпереходного сопротивления и индуктивного сопротивления путем испытаний подробно описано в книге: «Справочник по электрическим машинам. Том 1» И.П.Копылова, Б.К. Клокова 1988 г страница 211.

4.1 Определяем базисное сопротивление по формуле:

4.2 Определяем сверхпереходное сопротивление двигателя в именованных единицах получаемого из формулы:

4.3 Определяем индуктивное сопротивления прямой последовательности двигателя получаемого из формулы:

После этого нужно построить круговую характеристику см. рисунок 1, которая будет иметь вид:

Рисунок 1 – Характеристика защиты электродвигателя СТД-800-2 от потери возбуждения

Таблица 1 — Расчетные индуктивные сопротивления и постоянные времени синхронных двигателей серии СТД

Тип двигателя	Uн, В	x»d, %	x’d, %	xd, %	x2, %	x0, %	τ’do, c	τa, c	τ»d, c	τa, c
СТД-630-2	6000 10000	14,68 14,28	22,73 21,91	181,0 175,0	17,91 17,39	5,70 5,48	2,51 2,51	0,314 0,314	0,0392 0,0393	0,0347 0,0308
СТД-800-2	6000 10000	14,25 14,53	22,79 23,30	188,0 192,0	17,39 17,73	5,90 6,03	2,81 2,81	0,318 0,318	0,0397 0,0398	0,0373 0,0314
СТД-1000-2	6000 10000	13,31 12,76	22,20 21,10	193,0 183,8	16,20 15,57	6,16 5,83	2,81 2,81	0,322 0,323	0,0403 0,0403	0,0395 0,0317
СТД-1250-2	6000 10000	13,78 13,73	28,00 20,72	163,0 163,0	15,80 16,75	4,62 4,58	2,86 2,88	0,367 0,366	0,0460 0,0458	0,0562 0,0404
СТД-1600-2	6000 10000	12,85 13,39	22,00 21,10	165,0 171,6	15,70 16,34	4,71 4,93	3,05 3,05	0,371 0,375	0,0454 0,0470	0,0588 0,0404
СТД-2000-2	6000 10000	13,44 13,28	22,13 21,97	186,7 186,5	16,40 16,20	5,42 5,35	3,20 3,20	0,379 0,377	0,0475 0,0471	0,0523 0,0426
СТД-2500-2	6000 10000	14,25 15,05	22,20 23,63	154,5 163,6	17,40 18,36	4,07 4,32	3,66 3,66	0,527 0,529	0,0659 0,0662	0,0740 0,0565
СТД-3200-2	6000 10000	14,04 14,39	23,13 23,48	169,0 169,3	17,13 17,56	4,49 4,58	3,89 3,89	0,533 0,539	0,0660 0,0674	0,0782 0,0544
СТД-4000-2	6000 10000	14,80 14,29	25,57 24,58	192,1 185,1	18,05 17,43	5,10 4,88	4,02 4,02	0,535 0,534	0,0669 0,0667	0,0596 0,0560
СТД-5000-2	6000 10000	13,70 13,61	24,90 24,81	196,4 196,3	16,70 16,60	5,32 5,30	4,29 4,29	0,544 0,542	0,0680 0,0667	0,0697 0,0598
СТД-6300-2	6000 10000	15,31 15,54	26,8 26,77	214,8 218,5	18,70 18,96	7,31 6,70	5,76 5,80	0,720 0,709	0,0900 0,0886	0,0935 0,0845
СТД-8000-2	6000 10000	14,32 14,47	25,70 25,84	219,0 219,2	17,47 17,65	6,72 6,76	6,06 6,06	0,711 0,714	0,0888 0,0893	0,1060 0,0777
СТД-10000-2	6000 10000	12,57 12,91	23,26 24,40	206,0 219,4	15,30 15,75	6,45 6,82	6,46 6,50	0,729 0,722	0,0911 0,0902	0,948 0,0840
СТД-12500-2	6000 10000	12,00 12,09	23,53 23,60	218,4 218,5	14,63 14,75	6,805 6,83	6,72 6,72	0,724 0,727	0,0905 0,0908	0,1060 0,0773

Таблица 2 — Расчетные индуктивные сопротивления и постоянные времени синхронных двигателей

Тип двигателя	Uн, В	x»d, %	x»q, %	x’d, %	xd, %	xq, %	τ»d, c	τq, c	τ’d, c	τa, c
СТМ-12000-2, 12000 кВт	10000	11,7	—	18	188	188	0,096	0,4	0,766	0,29
СТМ-3500-2, 3500 кВт	6000	11	—	18	172	172	0,065	—	0,512	0,09
СТM-3500-2, 3500 кВт	10000	12	—	18	174	174	0,066	—	0,529	0,09
СТM-1500-2, 1500 кВт	6000	12	—	18	159	159	0,048	—	0,382	0,09
СД-12-46-6, 400 кВт	6000	—	—	—	154,7	82,1	0,00946	—	0,616	—
ДСП-116/49-4, 1300 кВт	6000	23	24	30	170	85	0,0034	—	0,45	—
ДСП-213/59-16, 2000 кВт	6000	19	—	32	82	50	0,0071	—	0,63	—
ДСП-140/74-4, 2000 кВт	6000	12,5	13,4	17,5	129	70	0,0043	—	0,0043	0,092
ДСП-140/74-4, 3000 кВт	6000	18	20,1	28	200	—	—	—	—	—
СМ-165/85-6, 3800 кВт	6000	16	17	25	130	70	0,006	—	0,7	0,08
МС-322-8/6, 1000 кВт	6000	15,2	17,4	24,4	96	59	0,00932	0,0132	0,56	0,092
СДСЗ-17-41-16, 1200 кВт	6000	14,2	15,3	24,2	78,5	49	0,0056	0,00728	0,35	0,0495
СДЗ-13-34-6А, 450 кВт	6000	13,3	14,3	19,3	144	83	0,014	—	0,27	0,026
ДСЗ-19У16-12, 6550 кВт	6000	18	—	30,8	117	68,7	0,00771	—	0,878	0,11
СД-12-46-8, 320 кВт	6000	16,4	17,6	23,5	161	104,6	0,00708	—	0,257	0,0356
СДУ-18-54-16, 3200 кВт	6000	14	16	21	102	54	0,011	0,017	0,344	0,058

5.1 Защита от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ)

Защита от однофазных замыканий на землю выполняется с учетом отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присоединения.

5.1.1 Определяем электрическую емкость для неявнополюсного синхронного двигателя:

где:

• Sном.дв – полная мощность синхронного двигателя в (МВА);
• Uном.дв – номинальное напряжение в (кВ).

5.1.2 Определяем емкостной ток для СД при ОЗЗ:



где:


• f – номинальная частота питающей сети в (Гц);
• Uном.дв – номинальное напряжение в (В).

5.1.3 Определяем собственный емкостной ток линии:



где:


• Ic =0,9 А/км – удельный емкостной ток, выбирается из таблицы 3 для кабелей из бумажной изоляции.
• L = 0,085 км –длина кабельной линии.

Таблица 3 – Точное значение емкостного тока кабельной линии с бумажной изоляцией



5.1.4 Определяем первичный ток срабатывания защиты от ОЗЗ синхронного двигателя:



где:


• kн – коэффициент надежности (принимаем равным 1,2);
• kбр. – коэффициент «броска», который учитывает бросок емкостного тока в тот момент, когда возникает ОЗЗ, для терминалов Sepam kбр.=1-1,5 [Л6. с 42];
• kв = 0,95 – коэффициент возврата реле;

5.1.5 Определяем вторичный ток срабатывания реле с учетом коэффициента трансформации трансформатора тока нулевой последовательности типа ТЗЛМ:



Коэффициент трансформации трансформатора тока выбираем из таблицы 4.

Таблица 4 – Коэффициенты трансформации трансформаторов тока нулевой последовательности (ТТНП)



Приводить расчет ОЗЗ полностью всех присоединений на секции я не буду, принцип расчета тока ОЗЗ рассмотрен в статье: «Расчет однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью».

Суммарный емкостной ток на секции с минимальным количеством включенных ячеек составил IсΣ = 5,5 А.

5.1.6 Определяем коэффициент чувствительности защиты:



Для отстройки от переходных процессов выдержку времени принимаем равной 0,1 сек.

Для машин небольшой мощности и коротких кабельных линиях подключения электродвигателя расчетное значение параметра срабатывания защиты может оказаться меньше минимального тока срабатывания терминала. В этом случае ток срабатывания защиты принимают равным значению минимального тока срабатывания реле.


5.2 Защита от двойных замыканий на землю

Защита необходима в случае выполнения защиты от однофазных замыканий на землю с действием на сигнализацию или если защита от ОЗЗ работает с выдержкой времени 0,1 ‒ 0,5 с. Защиту можно не применять, если для защиты двигателя от междуфазного КЗ применяется ТО или продольная дифференциальная защита выполненные в трехфазном исполнении.

Ток срабатывания защиты от двойных замыканий на землю принимается без расчетов 100 А (первичных). Защита выполняется без выдержки времени согласно [Л3. с 29].


6. Защита от токов перегрузки

Защита от симметричных токов перегрузки будет выполняться двухступенчатой, третья ступень не предусматривается.

6.1 Первая ступень будет выполнена с выдержкой времени и действовать на отключение двигателя. Ток срабатывания защиты отстраиваем от пусковых токов двигателя.



где:
kпуск.=5,58 — кратность пускового тока;


6.2 Определяем ток срабатывания реле для первой ступени:



где:
nт =150/5 — коэффициентом трансформации ТТ;


Время срабатывания первой ступени принимаем 0,1 сек, которое позволяет отстроится от пусковых токов двигателя.

6.3 Определяем ток срабатывания второй ступени защиты от перегрузки:



6.4 Определяем ток срабатывания реле для второй ступени:



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.


Можно определить минимально допустимую постоянную времени охлаждения статора:



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


6.5 Определяем время срабатывания второй ступени по формуле:



где:
k* = kпер/Iном.дв — кратность тока статорной обмотки двигателя (ток перегрузки отнесенный к номинальному току АД) .



7. Расчет уставок устройства резервирования при отказе выключателя (УРОВ)

Функция УРОВ в терминале Sepam M41 выполняется путем контроля тока после отключения выключателя.

Когда происходит отключение двигателя выключателем, терминал защиты Sepam M41 должен зафиксировать нулевое значение тока, если же после подачи сигнала на отключение выключателя, терминал фиксирует наличие тока. Происходит срабатывания УРОВ с выдержкой времени.

Рекомендуется в качестве уставки по току пуска УРОВ принять:

Ic.з.=(0,05-0,1)* Iном.дв

7.1 Определяем ток срабатывания УРОВ:

Ic.з.=0,1* Iном.дв=0,1*89 = 8,9 А

Во избежание ложных срабатываний выключателя, рекомендуется применять уставку по времени для УРОВ в диапазоне: tуров=0,3 — 0,5 сек. Принимаем уставку по времени 0,5 сек.


8. Результаты расчетов

Результаты расчетов сводим в таблицу 5. Таблица 5 – Результаты расчетов


Наименование присоединения	Наименование вида защиты	Тип реле защиты	Уставки по току, А	Уставки по времени, сек
Синхронный двигатель 800 кВт	Токовая отсечка	Sepam M41	Ic.з=1193	—
			Ic.р=40
			Kч=3,54 > 2
	Защита от замыканий (земляная защита)		Ic.з=0,23	0,1
			Ic.р=0,01
			Kч=22,9 > 1,5-2
	Защита от двойных замыканий на землю		Ic.з=100	—
	Защита от перегрузки Первая супень		Ic.з=627	0,1
			Ic.р=21
	Вторая ступень		Ic.з=101	1,6
			Ic.р=3,4
	Защита от асинхронного режима		x»d=2,2 Ом	—
			xd=94,9 Ом
	УРОВ		Ic.з=8,9	0,5

Литература:

1. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М.И.Слодарж, 1977 г.
2. Справочник по электрическим машинам. Том 1. И.П.Копылова, Б.К. Клокова 1988 г.
3. Соловьев А.Л., Гондуров С.А. и др. Релейная защита электродвигателей напряжением 6–10 кВ терминалами БМРЗ. Методика расчета. С.А.Гондуров, С.В. Михалев, М.Г. Пирогов, А.Л. Соловьев. 2014 г.
4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание. 2008г.
5. ГОСТ Р 52776-2007 – Машины электрические вращающиеся.
6. Методика расчета уставок защит Sepam. Выпуск №3. 2006 г.
Всего наилучшего! До новых встреч на сайте Raschet.info.