Совершенствование защит асинхронных электродвигателей 0,4 кВ от перегрузки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Кимкетов, Мурат Майевич

• Кимкетов, Мурат Майевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кимкетов, Мурат Майевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Существующие принципы построения расцепителей.

1.1.1. Электромагнитные расцепители.

1.1.2. Электродинамические расцепители.

1.1.3. Индукционно-динамические расцепители.

1.1.4. Полупроводниковые расцепители.

1.1.5. Комбинированные (совмещенные) расцепители.

1.2. Влияние графика нагрузки и пуска асинхронного двигателя на тепловое старение изоляции.

1.3. Мероприятия по повышению срока службы обмоток статора асинхронных двигателей 0,4 кВ.

1.4. Транзисторная защита от перегрузки без оперативного питания.

1.5. Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ

ПОСТРОЕНИЯ ЗАЩИТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

2.1. Автоматический выключатель с жидкостным замедлителем.

2.2. Оптимизация защит электродвигателей по постоянной времени.

2.2.1. Повышение эффективности защиты от перегрузки мощных электродвигателей.

2.3. Минимизация потерь при функционировании защит от перегрузки выполненных автоматическими выключателями и тепловыми реле.

2.4. Использование трансформаторов тока для повышения эффективности тепловой защиты электродвигателя.

2.5. Расчет измерительного трансформатора тока для тепловой защиты электродвигателя 0,4 кВ.

2.6. Выводы к главе II.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ,

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ.

3.1. Настройка теплового реле.

3.2. Пуско-наладочные мероприятия при производстве автоматических выключателей.

3.3. Экспериментальное определение параметров тепловой защиты.

3.4. Расширение пределов измерений и контроль погрешности нагрузочного трансформатора комплектного испытательного устройства.

3.5. Компьютерное исследование и проектирование эффективной тепловой защиты.

3.6. Программа определения первоочередности технических мероприятий, снижающих износ изоляции асинхронного электродвигателя.

3.7. Выводы к главе III.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование защит асинхронных электродвигателей 0,4 кВ от перегрузки»

Актуальность темы. В современных условиях эффективность научно-технического прогресса зависит не только от наращивания выпуска новейшей техники, но и лучшего использования основных фондов, увеличения объема произведенной продукции с каждой единицы электрооборудования. В промышленности и сельском хозяйстве наибольшее применение нашли асинхронные электродвигатели (АД), для эксплуатации которых характерен ускоренный износ и повышенная годовая аварийность. Ежегодно вследствие перегрузки, коротких замыканий, недостаточного качества электрической энергии выходят из строя до 25-40% электродвигателей [2, 6, 11-13, 16].

Ежегодные затраты на ремонт АД достигают сотен миллионов рублей и продолжают увеличиваться по мере накопления числа электрических машин в хозяйствах. Решение этой проблемы возможно, в частности путем расширения функциональных возможностей электродвигателей. Кроме того, разработка и широкое внедрение систем релейной защиты как элемента технической диагностики является одним из важнейших факторов повышения эффективности использования электродвигателей, резкого сокращения расходов на их эксплуатацию. тепловые реле, автоматические выключатели, встроенную температурную защиту. На параметры срабатывания влияют факторы, действие которых носит случайный характер (трение в механизме, различие чувствительности биметаллических пластин и так далее) [7, 9, 13, 29].

На практике возникают трудности при выполнении чувствительной защиты от перегрузки АД с тяжелым пуском [54]. Действительно, допустимое время нагрева АД определяется известной приближенной формулой г

Для защиты АД от работы с длительными перегрузками применяют ш А

В-1)

Согласно техническим условиям (ТУ) на электрические машины мощностью более 0,55 кВт они выдерживают полуторакратную перегрузку (£=1,5) в течение 2 мин [3]. Тогда постоянная А составляет 150 с. Ампер-секундная характеристика защиты электродвигателя должна приближаться к указанной зависимости, т.е. где к- кратность тока в защите 1*(„/1с.з*(н)

При пусковом токе 1п*(н) защита не должна его отключить, т.е. должна срабатывать со временем кзаг^п. Нетрудно установить, что в этом случае

В частности при ¿„=20 с; кп*(н)—1\ кзап= 1,2 ток срабатывания приближается к трехкратному. В таких случаях правила устройства электроустановок (ПУЭ) разрешают указанное допущение [1], что является серьезным недостатком защит, использующих в качестве элемента выдержки времени инерционные звенья.

В связи с вышеизложенным, задача реализации указанного выше ТУ для АД с тяжелым пуском является актуальной для любой элементной базы защиты.

Цель работы. Целью диссертации является совершенствование защит АД напряжением 0,4 кВ от перегрузки при тяжелых пусках.

Методика исследований. Исследования проводились с помощью аналитических и экспериментальных методов. В процессе исследований применялись: методы аппроксимации кривой намагничивания стали измерительного трансформатора тока, методы расчета магнитных и тепловых цепей, экспериментальные методы исследования, натурные эксперименты, а также с компьютерное моделирование ЭВМ.

150 к2-!'

В-2)

В-3)

Научная новизна. В работе разработаны методы теоретического и экспериментального исследования, а именно:

Обосновано использование насыщающихся трансформаторов тока в тепловом реле. Получена аналитическая зависимость времени срабатывания реле от параметров трансформатора тока;

Предложен вероятностный метод расчета тока срабатывания защиты АД от перегрузки, позволяющий минимизировать ущерб возникающий при неэффективном функционировании защиты;

Разработан вычислительный алгоритм, позволяющий автоматизировать экспериментальное определение параметров защиты АД 0,4 кВ;

Разработана защита асинхронного двигателя от перегрузки, использующая насыщающиеся трансформаторы тока, новизна которой подтверждена решением о выдаче патента №2001106747 от 4.02.03;

Усовершенствован автоматический выключатель с жидкостным замедлителем. Новизна изобретения подтверждена решением о выдаче патента №2001124408 от 27.02.03;

Определена рациональная постоянная времени тепловой защиты АД мощностью более 0,55 кВт. Предложен экспериментальный способ определения постоянной времени по двум замерам тока и времени срабатывания.

Основные положения, представляемые к защите:

- Теоретические и экспериментальные результаты учета оптимальной постоянной времени тепловой защиты асинхронного электродвигателя;

- Анализ влияния токоотводов на функционирование тепловой защиты для электродвигателей мощностью более 0,55 кВт;

- Подход при определении влияния наиболее значимого фактора на повреждаемость АД;

- Усовершенствованный автоматический выключатель с жидкостным замедлителем;

- Расчет запаздывания нагрева пластины биметалла теплового расцепителя;

Теоретическая и практическая целесообразность, эффективность применения тепловой защиты с насыщающимися трансформаторами тока;

- Способ повышения эффективности защит АД по условию минимума ущерба.

Практическая ценность исследования состоит в разработке эффективной защиты АД с использованием насыщающихся трансформаторов тока с витковой коррекцией, автоматического выключателя с жидкостным замедлителем, разрешающим тяжелые пуски, а также принципа тепловой задержки в термоэлементе тепловой защиты.

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждалась и получила одобрение на заседании кафедры электроснабжения Карачаево-Черкесского государственного технологического института.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались: -на научно-технической конференции Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии (г. Ставрополь, 2000 г.);

-на научно-практических конференциях Карачаево-Черкесского государственного технологического института (1998-2003 г.г.);

-на научном семинаре Региональной энергетической комиссии (РЭК) (г. Черкесск, 2002 г.);

-на объединенном семинаре кафедр электротехники и ЭПП Кубанского государственного технологического университета (г. Краснодар, 2003 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 16 печатных работах, в том числе: 9 статей в центральной печати, 2 положительных решений на выдачу патента РФ.

Во введении обоснована актуальность исследований и сформулирована цель, дано общее представление о работе.

В первой главе приведен анализ расцепителей защит на различных физических принципах. В связи с этим рассмотрены электромагнитные, электродинамические, индукционно-динамические, полупроводниковые, комбинированные расцепители. Показано влияние графика нагрузки и пуска

АД на тепловое старение изоляции. Проанализирована схема транзисторной защиты электродвигателя от перегрузки без блока питания. Систематизированы мероприятия по повышению срока службы обмоток статора асинхронных двигателей 0,4 кВ и отмечено, что проведение известных мероприятий не устраняет, тем не менее, необходимость разработки новых и рациональный выбор уставок существующих защитных устройств, в чем автор и видит задачу настоящего исследования.

Вторая глава диссертационного исследования расцепитель с жидкостным замедлителем и получены основные соотношения. Для тепловой защиты определены оптимальная уставка и постоянная времени термоэлемента. Выявлено влияние токоотводов на результирующую постоянную времени тепловой защиты. Предложено использовать тепловые линии задержки в термоэлементе расцепителя защиты в случае тяжелых пусков защищаемого двигателя. На основе вероятностных методов произведена оптимизация уставки срабатывания защиты от перегрузки по минимуму потерь. Предложена новая защита асинхронного двигателя с тяжелым пуском, подключенная через насыщающиеся трансформаторы тока и разработана методика расчета с использованием прямоугольной характеристики намагничивания.

В третьей главе на основании теоретических и экспериментальных исследований приведены практические рекомендации по выявлению причин ложного срабатывания защит от перегрузки. Даны рекомендации учитывающие выводы полученные в диссертации по настройке тепловых реле и автоматических выключателей. Рассмотрены вопросы применения комплектного устройства «Сатурн» при испытаниях защит. Выполнены компьютерные исследования по расчету параметров защит с насыщающимися трансформаторами тока. При экспериментальном определении параметров тепловых защит впервые предложен метод двух замеров, позволяющий оценить постоянную времени тепловой защиты без демонтажа защитного аппарата.

Разработаны алгоритмы и выполнен компьютерный анализ тепловых вторичных защит с насыщающимися измерительными трансформаторами тока, а также программа, позволяющая выявить первоочередность технических мероприятий, снижающих износ изоляции электродвигателей.

В заключении сформулированы основные полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Кимкетов, Мурат Майевич

3.7. Выводы к главе III

1. Приведены рекомендации по проведению мероприятий при выявлении фактов срабатывания защиты, вызванных технологическими перегрузками и несимметрией напряжения питающей сети.

2. На основании экспериментальных исследований разработаны методы настройки тепловых реле. Приведена схема испытательного устройства, уточнены средние защитные характеристики тепловых реле.

3. Приведены результаты пуско-налад очных производственных испытаний автоматических выключателей на заводе НВА в г. Черкесске.

4. Впервые предложен метод экспериментального определения постоянной времени тепловой защиты на основе двух замеров. Составлена программа обработки замеров на ЭВМ.

5. Предложено широкое внедрение испытательной установки «Сатурн», для которой показана возможность расширения пределов измерений и контроля насыщения нагрузочного трансформатора.

6. Выполнено компьютерное исследование и предложена программа для проектирования оптимальной тепловой защиты, позволяющая рассчитать сечение магнитопровода, первичные и вторичные витки насыщающихся трансформаторов тока.

7. На основании материалов по износу изоляции, приведенных в первой главе диссертации, была составлена программа, позволяющая установить, какие технические мероприятия, снижающие износ изоляции асинхронного двигателя, необходимы в первую очередь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные автором результаты теоретических и экспериментальных исследований сводятся к следующему:

Показано, что эксплуатационная надежность электродвигателей определяется вероятностными характеристиками и ее повышение наиболее эффективно за счет совершенствования защит от перегрузки. В результате проведенного анализа установлено, что серийные тепловые реле, особенно прямого включения, в принципе не могут быть эффективными из-за сравнительно большой инерционности тепловых элементов и потери тепла через токоотводы. Поэтому для электродвигателей, начиная с мощности 12 кВт, рекомендовано внедрение вторичных тепловых реле.

Выполнен анализ методов построения защит электродвигателей. При этом, наряду с другими конструкциями, обращено внимание на устройство автоматического выключателя с жидкостным замедлителем, предложенным автором. В этом выключателе использована специальная дополнительная обмотка, позволяющая обеспечить прохождение длительных пусковых токов.

На основании анализа решения дифференциального уравнения нагрева теплового расцепителя и требования ТУ на электродвигатели мощностью более 0,55 кВт рассчитана оптимальная постоянная времени расцепителя. При этом, используя нормальный закон распределения вероятности перемещения срабатывания, получена оптимальная уставка срабатывания. Для выполнения эффективных защит электродвигателей с тяжелыми пусками впервые разработан специальный насыщающийся измерительный трансформатор тока ^ (НИТТ) с витковой коррекцией. Предложен способ расчета НИТТ с использованием прямоугольной характеристики намагничивания (ПХН), позволяющий рассчитать параметры защиты. Показана возможность использования тепловых линий задержки для обеспечения тяжелых пусков защиты двигателя. Разработанная автором эффективная тепловая защита электродвигателя 0,4 кВ получила широкое применение на ряде предприятий.

Разработан метод оптимизации защит от перегрузки автоматическими выключателями и тепловыми реле при наличии статистических данных о ф распределении токов нагрузки и перегрузки, на основании которого получена удобная аналитическая формула для расчета уставки срабатывания, позволяющая минимизировать потери в эксплуатации.

При экспериментальном определении параметров тепловых защит впервые предложен метод двух замеров, позволяющий оценить постоянную времени тепловой защиты без демонтажа защитного аппарата.

Разработаны программы и выполнен компьютерный анализ тепловых вторичных защит с насыщающимися измерительными трансформаторами тока, что позволило оперативно определять сечение его магнитопровода, количество ^ первичных и вторичных витков для практически любого заданного времени пуска.

Составлена компьютерная программа, позволяющая установить, какие технические мероприятия, снижающие износ изоляции электродвигателей, необходимы в первую очередь.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кимкетов, Мурат Майевич, 2003 год

1. Правила устройства электроустановок. Минэнерго СССР. 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986, Раздел 3, с. 645. Беляев A.B. Выбор аппаратов защит и кабелей в сетях 0,4 кВ. - Л.: Энергоатомиздат, 1988, с. 250.

2. Машины электрические вращающиеся, Общие технические требования, М., Издательство стандартов, 1982, с. 40-41.

3. Грундулис А.О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. -Колос, 1982, с. 64.

4. Мелентьев Л.А. Системные исследования в электроэнергетике. М.: Наука, 1983, с. 101.

5. Таев И.С. Электрические аппараты управления. М.: Высшая школа, 1984 г, с. 52.

6. Казарновский Д.М., Тареев В.М. Испытание электроизоляционных материалов и изделий. Л.: 1980, с. 213.

7. Ермолин Н.П., Жерихин И.П. Надежность электрических машин. Л.: Энергия, 1976, с. 135.

8. Овчаров В.В. Эксплуатационные режимы работы и непрерывная диагностика электрических машин в сельскохозяйственном производстве. Киев: Изд-во УСХА. 1990, с. 168. - ISBN 5-7987-0044-5. 166 с.

9. Тубис Я.Б., Белов Г.К. Температурная защита асинхронных двигателей в сельскохозяйственном производстве. -М.: Энергия, 1977, с. 96.

10. Любалин В.Э. Исследование зависимости показателей надежности асинхронных электродвигателей от основных эксплуатационных факторов // Сб. трудов ВЗПИ, вып. 129, сер. Электрические машины. М.:1981, с. 58-60.

11. Мантров М.И. Расчет изоляции электрических машин. М., 1964, с. 111.

12. Тищенко H.A. Проблема надежности электродвигателей // Электричество, 1978, №11, с. 7-13; № 12, с. 16-19.

13. К.К. Намитоков, В.Н. Терешин, Т.Г. Аветисова и др. Выбор аппарата защиты для объектов народного хозяйства // Сборник научных трудов. ВНИПКТИ электроаппаратостроения. - 1990 г., с. 84-102.

14. К.К. Намитоков, В.Н. Терешин и др. Особенности защиты асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором // Сборник научных трудов, с. 58.

15. А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. Асинхронные двигатели серии 4А. М.: Энергоиздат, 1982, с. 230.

16. Овчаров В.В. Исследование перегрузочных характеристик тепловых реле // Труды МЭИ - 1972. - Вып. 103, с. 15-20.

17. Кропачев И.Г. Устройство защиты от обрыва фазы и перегрузки // -Промышленная энергетика, 1979, № 9, с.30-33.

18. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. М.: ГЭИ, 1963, с. 528.

19. Кузнецов P.C. Координация защитных характеристик аппаратов теплового действия и перегруженной способности асинхронных двигателей // Электротехника, № 4, 1983 г. 16 -18 с.

20. Овчаров В.В. Радченко Н.Я. Защиты компрессорных установок с электроприводом от перегрузок. Компрессорное и холодильное машиностроение, 1973, №2, с. 12-17.

21. Кузнецов P.C., Строганов Н.И. Позисторная защита // Электротехника, № 12, 1980 г. 26 с.

22. Зинченко В.Ф., Кимкетов М.Д., Оптимизация функционирования тепловой защиты электродвигателей // Промышленная энергетика, № 10, 1998, с. 20.

23. Зинченко В.Ф., Кимкетов М.Д., Зинченко JI.B., Кимкетов М.М. Влияние токоотводов на работу тепловых реле защиты электродвигателя // -Промышленная энергетика, 1999, № 1, с. 38-39.

24. Л.Ф. Дмоховская, В.П. Ларионов, Ю.С. Пинталь и др. Техника высоких напряжений. М.: Энергия, 1976. 340 с.

25. Кашпар Ф. Термобиметаллы в электротехнике. М.: ГЭИ, 1961. 80 с.

26. Намитоков К.К., Брезинский В.Г., Терешин В.Н. Контактное устройство для автоматического выключателя // A.c. №531204. -Бюлл. изобр., 1976, №37.

27. Карпенко Л.Н. Быстродействующие электродинамические отключающие устройства. Л. Энергия, 1973. 154 с.

28. Намитоков К.К. Испытания аппаратов низкого напряжения // М.: Энергоатомиздат. 1985 г., с. 247 .

29. Кузнецов P.C. Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 В. М., «Энергия», 1970.

30. Муцкевич Г.Ф. и др. Автоматический выключатель // A.C. № 296172, Бюлл. изобр., 1971, № 8.

31. Намитоков К.К., Брезинский В.Г., Терешин В.Н. Автоматический выключатель // A.c. №558323, Бюлл. изобр., 1977, №18.

32. Намитоков К.К., Брезинский В.Г., Терешин В.Н. Автоматический выключатель // Дополнительное изобретение к A.c. №558323, Бюлл. изобр., 1977, №18.

33. Намитоков К.К., Брезинский В.Г., Ланда Л.М. Автоматический выключатель // A.c. №545015, Бюлл. изобр., 1977, №4.

34. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. М., 1980, с. 543.39.