автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Совершенствование защит асинхронных двигателей от внутренних повреждений

РГ5

f . сч " X

í^ . ■ . 1 j / (j llv.'.'i ■■■■•■

Министерство энергетики л топливных ресурсов Республики Казахстан

КАЗАХСКИИ НАУЧНО-ИССЛВДОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ имени академика ШЛ. Чокина

На правах рукописи

МАНУКОВСКШ АНАТОЛИИ ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 621.316.925

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕИ ОТ ВНУТРЕННИХ ПОВРЕЗДЕНИИ

Специальность 05.14.02 - "Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление юли"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Алматы - 1S95

Работа выполнена на кафедре "Электрические станции" Павлодарского государственного университета.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Клецель М.Я.

Официальные оппоненты: член-корреспондент АН Узбекистана,

доктор технических наук, профессор Насыров Т.Х.

кандидат технических наук, доцент Нуршанов М.А.

Ведущее предприятие: Институт энергии (г. Алматы)

Защита диссертации состоится: " 22 * иаЯ _ 1995 г.

в _ часов на заседании специализированного Совета КР 27.08.02

Казахского научно-исследовательского института энергетики имени Ш.Ч. Чокина по адресу: 480012, г. Алматы, ул. Байтурсынулы, 85.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах), заверенный гербовой печатью, просим направить по вышеуказанному адресу ученому секретарю Совета, тел. 67-08-60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_" _ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета КР 27.08.02, к.Т.н.

О.К. Ерекеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современный этап развития электроэнергетики в странах СНГ характеризуется резким замедлением тег,шов ееодз новых мощностей и интенсивным старением находящегося в эксплуатации оборудования, которое своевременно не заменяется. Нарушаются графики и ухудшается качество профилактических ремонтов. В указанной ситуации возрастают роль релейной защиты (РЗ) и требования к ней. В первую очередь это относится к защитам электродвигателей (ЭД) напряжением вше 1 кВ, т.к. они составляют подавляющее большинство всех высоковольтных электроустановок. Директивные материалы не нормируют обеспечение ЭД полноценной РЗ. Не предусматривается оборудование асинхронных двигателей (АД) защитами от затянувшегося пуска, опрокидывания, заклинивания ротора, витковых замыканий (ВЗ) и эксцентриситета ротора (ЭР) несмотря на то, что число аварий, происходящих по указанным причинам, значительно. На некоторых электростанциях частота аварий только по причине эксцентриситета достигает четырех в год. Появившиеся в последние годы чувствительные защиты от ВЗ не снабжены устройствами для определения места повреждения и содержат ненадезхные элементы, исправность которых не контролируется в процессе работы. В связи с этим совершенствование защиты ЭД представляет собой актуальную задачу.

Совершенствование защиты ЭД от внутренних повреждений может производиться как за счет увеличения количества информации о состоянии защищаемого двигателя путем встраивания в него датчиков нетрадиционных для РЗ типов - индукционных измерительных преобразователей, герконов, и т.д., так и за счет применения более тонких методов выделения нужной информации из сигналов традиционных датчиков в комплексе с применением более сложных алгоритмов обработки полученной информации.

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с целевой программой Госкомобр СССР по проблеме "Разработка методов и средств экономки всех видов ресурсов (Экономия электроэнергии, направление 2)", отраслевыми планами Минэнерго СССР и КазССР и тематикой работ научно-исследовательского сектора КазГТУ.

Цель работы - повышение технического совершенства защиты асинхронных двигателей путем создания новых и совершенствования известных защит, способных фиксировать повреждения, не распозна-

ваемые традиционные защитами.

Задачи исследований :

- создание устройства защиты АД он ненормальных режимов - затяжного пуска, опрокидывания и заклинивания ротора - без использования тахогенератора;

- разработка устройств защиты от ВЗ, способных практически одновременно с отключением поврежденного АД указать место повреждения обмотки статора;

- определение области применения защиты от ВЗ на кольцевом измерительном преобразователе (КИП) в качестве защиты от замыканий на землю (33);

- выявление наиболее информативных признаков появления эксцентриситета в работающем АД и на этой основе создание пригодного для серийного производства устройства защиты АД от эксцентриситета ротора.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались фундаментальные положения теории релейной защиты, теоретических основ электротехники, прикладной математики и электрических машин, а также метода физического и математического моделирования и метод натурного эксперимента.

Научная новизна работы

1. Предложено для построения защиты АД от опрокидывания, затянувшегося пуска и заклинивания ротора использовать зависимость частоты зуоцовой гармошки ротора от скольжения, получая информацию с помощью КИП, установленного в зоне лобовых частей обмотки статора.

2. Показано, что защита от ВЗ с КИП обладает достаточной чувствительностью к замыканиям обмотки статора АД на землю, если мощность двигателя не ■ превышает 250...630 кВт, а ток 33 сети превосходит 25...16 А.

3. Разработаны способы и устройства на индукционных датчиках и герконах, определяющие поврежденную секцию обмотки статора АД в момент отключения ВЗ по изменению напряженности магнитного поля в зоне ее лобовых частей. Экспериментально доказано, что параметры герконов, применяемых в этих устройствах, при воздействии на них магнитных полей, созданных токами поврежденных ЭД, находятся в пределах, позволяющих использовать их в качестве измерительных органов защит.

4. Предложено выявлять эксцентриситет ротора в работающем АД путем контроля соответствующих гармоник напряженности магнитного поля в торцевой зоне АД или огибающей тока статора АД. Разработаны устройства защиты, реализующие эти способы. Получены формулы для расчета уставок защиты.

5. Дана методика расчета блока питания для устройств защиты, в которой параметры трансформатора и выпрямителя- определяются аналитически как функции размеров магнитопровода.

Практическая ценность работы

1. Дополнение защиты от ВЗ на КИП новыми блоками позволяет выявлять затянувшийся пуск АД, опрокидывание, заклинивание ротора и его эксцентриситет, а также повысить надежность функционирования. Учет рекомендаций работы по использованию защиты от ВЗ на КИП в качестве защиты от 33 (корпус) на этапе проектирования электроустановок в ряде случаев дает возможность удешевить их РЗ.

2. Создано пригодное для серийного производства устройство защиты от эксцентриситета, способное выявлять в работающем АД радиальный сдвиг ротора, превышающий 0,7...О,8 номинального воздушного зазора, и не требующее использования нетрадиционных датчиков.

3. Разработанные способы и устройства быстрого обнаружения поврежденной секции в работающем АД позволяют увеличить срок службы двигателя и уменьшить время и стоимость послеаварийных ремонтов.

4. Предложенная методика расчета блока питания для устройств защиты позволяет полностью автоматизировать расчет с помощью простейших средств вычислительной техники, а при применении в условиях дефицита магнитопроводов - еще и повысить его точность.

Реализация результатов работы

32 комплекта защиты от эксцентриситета ротора внедрено на двигателях собственных нужд Павлодарской ТЗЦ-З, 10 комплектов этой зга защиты установлено в опытную эксплуатацию на ТЭЦ-2.

К защите представляются :

Принцип выделения информации о скорости вращения ротора АД из сигнала КИП, алгоритм ее обработки и устройство защиты от ненормальных режимов на их основе; методика оценки чувствительности защиты от ВЗ на КИП к замыканиям на землю; принципы получения информации о величине эксцентриситета ротора в работающем АД и устройства, их реализующие; новые способы и устройства, опреде-

ляющие поврежденную секции обмотки статора АД; результаты экспериментальных исследований свойств герконов; методика расчета блоков питания устройств РЗ.

Апробация работы. Диссертация и отдельные разделы работы докладывались и обсуждались на:

Всесоюзной конференции "Современные методы и средства быстродействующего преобразования режимных параметров энергосистем" (г.Челябинск, 1991 г.); XIV сессии семинара ученых-энергетиков СНГ "Кибернетика электрических систем" по тематике "Диагностика электрооборудования" в Новочеркасском политехническом институте (1992 г.); расширенном заседании кафедры "Электрические станции" КазГГУ (г.Павлодар, 1994 г.); заседании секции "Электротехника" Ученого Совета Казахского научно-исследовательского института энергетики (г. Алматы, 1995 г.).

Публикации. Содержание диссертации отражено в трех статьях, опубликованных центральными журналами, и в семи авторских свидетельствах на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, которые изложены на 99 страницах машинописного текста и иллюстрируются 49 рисунками и тремя таблицами на 36 страницах, списка литературы из 106 наименований и семи приложений на 54 страницах, содержащих в основном материалы, относящиеся к практической реализации и внедрению результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность избранной теш, определены цель и задачи работы, отражены ее научная новизна и практическая ценность. Указаны методы исследований и положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об апробации и реализации работы.

В первой главе рассмотрены повреждения АД и способы их выявления. Проведен анализ 11 различных защит от ВЗ на соответствие предъявляемым к ним требованиям по чувствительности и быстродействию. Сделан вывод о том, что из всех рассмотренных современным требованиям удовлетворяют защиты, реагирующие на разность между токами трех фаз, на разность между максимальным и минимальным временем сдвига по фазе между ниш, и на не симметрию магнитного поля АД. Отмечено, что чувствительность последних близка к идеальной, а быстродействие позволяет не только предотвратить перегрев обмотки

при ВЗ, но и обеспечить безопасность эксплуатации АД во взрыво- н пожароопасных средах. Кратко рассмотрена реализация этих защит на кольцевом и точечных индукционных датчиках. Проанализированы причины, сдеркивающие внедрение появившихся в последнее десятилетке высокочувствительных защит от ВЗ. В качестве главной из них названа необходимость длительного и трудоемкого поиска поврежденной секции после срабатывания защиты. Сделан вывод о.необходимости разработки автоматических устройств, способных быстро определять поврежденную секцию без разборки ЭД.

Кратко рассмотрены процессы возникновения и развития повреждений в обмотке статора и причины, их вызывающие. Отмечено, что при небольших (до 10 А) токах 33 и дуговом характере замыканий внутри паза они могут самоустраняться.

В качестве главной причины недостаточно четкой работы защит от 33 указана недостаточная доля охватываемых ими витков обмотки статора. Поставлена задача оценить возможность использования для защиты от 33 защиты от ВЗ на КИП.

Проанализирована работа традиционных защит от перегрузки и потери питания в некоторых ненормальных режимах АД: при его опрокидывании, во время затянувшегося пуска и при заклинивании ротора. Констатируется, что эти защиты не всегда способны защитить обмотку статора от перегрева в указанных режимах. Проведен анализ технических решения в этой области, который показал, что проблема построения комплексной защиты АД от опрокидывания, затянувшегося пуска и заклинивания ротора еще полностью не решена.

Рассмотрены причины возникновения и развития эксцентриситета ротора. Показано, что большинство имеющихся технических решений по контролю воздушного зазора АД не позволяют осуществлять его ео время работы АД и потому непригодны для построения устройств защиты, а те, которые это • позволяют, требуют для своей реализации укладки дополнительных измерительных катушек в пазы статора и прокладки соединительного кабеля между двигателем и устройством контроля, что значительно затрудняет их использование в крупных высоковольтных АД. Это вызывает необходимость разработки устройства защиты, способного еыявлять эксцентриситет в работающем АД и свободного от указанных недостатков.

Во второй главе указываются пути расширения возможностей использования рассмотренных в первой главе защит на индукционных дат-

чиках. Проанализирована работа защиты от ВЗ на КИП при замыканиях обмотки статора на землю [4]. ВДС срабатывания защиты на КИП

^сз = котс?нб ' (1 *

где Р б - МДС небаланса, вызванного погрешностями Форш КИП, его неточной установкой и отклонением'геометрических параметров лобовой части обмотки статора от проектной, котс = 1,2 - коэффициент отстройки. При 33 Гсз = Г33 и создается токами 1А и 1в, протекающими по виткам фаз у?А и а также токами 1с и 1х, текущими к месту повреждения от линейного вывода фазы С и со стороны нейтрали, причем намагничивающая сила при 33

¿33 = *а"а + - + - а>*с • где а = У13Л/ф, \7з - число витков обмотки фазы от нейтрали ЭД до точки 33, 7/а = ??в = VIс = т/ф. 1'нб определена исходя из того, что рассматриваемая защита при ВЗ выявляет = кИф витков, где к = 0,004...0,015, т.е. Рнб = Рвз, где Рвз - намагничивающая сила, возникающая при замыкании т/кз витков. На основе представления поврежденной обмотки в виде трансформатора Рвз = \3(1СК2 - 1СХ), где I и I - проекции тока в фазе С и в ее короткозамкнутых витках на горизонтальную ось, лекащую в плоскости, перпендикулярной оси двигателя. Подстановка полученных после преобразований выражений для модулей ¥вз и Роэ в (1) и решение полученного уравнения относительно а позволяет определить зону действия защиты (ЗДЗ) при 33. Анализ результатов расчета зоны действия в зависимости от тока 1° замыкания сети на землю для режимов номинальной нагрузки, холостого хода и пуска АД мощностью от 125 до 3000 кВт при к = 0,005 и к = 0,02 позволил выявить следующие закономерности:

- ЗДЗ увеличивается с ростом тока с уменьшением номинальной мощности АД и при повышении чувствительности защиты от ВЗ;

- ЗДЗ зависит от режима работы двигателя: принимая максималь-. ное значение во время холостого хода и незначительно уменьшаясь в -номинальном режиме, она сильно уменьшается во время пуска.

Сделан вывод о том, что защита от ВЗ на КИП при мощности АД до 250...630 кВт в сетях с 1° > 16...25 А может одновременно выполнять роль защита от замыканий'обмотки статора на землю (корпус). . В остальных случаях ее чувствительность к 33 недостаточна.

Если АД оборудован КИП, то он без больших дополнительных зат-

рат может быть оснащен комплексной защитой от витковых. замыканий, затянувшегося и несостоявшегося пуска, опрокидывания и заклзавша-ния ротора. Скорость вращения вала, необходимая для работы этой защити, контролгоуется по одной из зубцовых гармоник ротора (ЗГР) магнитного поля торцевой зоны АД. Анализ спектров напряжения К1Ш, полученных экспериментально на нескольких АД (один из них прхпзеден на рис. 1), показывает, что, наряду с зубцовымд гармониками статора, частоты которых неизменны, наибольшие амплитуды имеют ЗГР с частотами Г1 и Г?, зависящими от ско'лькения э по закону

где X частота сети, г2 - количество зубцов ротора, р - число пар полюсов АД. Амплитуды ЗГР таковы, что их выделение и измерение не представляет трудностей. Задача выделения ЗГР с большей амплитудой облегчается тем, что амплитуда двух упомянутых гармоник обычно различаются между собой в 2,5...6 раз. Рассматривается устройство защиты от ненормальных режимов, обеспечивающее более Еысокие быстродействие и надежность функционирования по сравнению с традиционной защитой от перегрузки. Повышение быстродействия и надежности в предложенном устройстве достигнуто благодаря тому, что идентификация режимов работы АД осуществляется путем отслеживания и анализа фактической динамита разгона и торможения двигателя. Частота вращения ротора контрол1фуется с помощью активных полосно-пропускан-щих фильтров (ППФ), подключенных к КИП. Изменение напряжения на выходе одного ППФ показано на рис.2. ЗубцоЕые гармоники статора в некоторых АД имеют большие, чем у ЗГР, амплитуда, однако они не мешают работе устройства, так как не попадают в полосы пропускания ППФ. Сигналы о прохождении контрольных частот вращения, формируемые измерительным органом, обрабатываются простым логическим блоком, определяющим вид повреждения. Отличительной особенностью предложенного принципа выявления ненормальных режимов является использование общего измерительного органа для ,всех перечисленных видов ненормальных режимов, что позволяет упростить и удешевить устройство защиты.

Приводятся результаты экспериментального исследования помехоустойчивости защиты, доказывающие, что соотношения "сигнал-помеха" на выходах измерительного органа находятся на уровне, достаточном для ее практической реализации. Определены требования к параметрам

(2)

и,

20

15 10 5 8

450 550 650 750 850 950 1050 f, Гц

Piic.I. Спектр напряжения на выходе Kffl, встроенного в двигатель АО-31-4, в рехине х.х.

-N

..........Л-РУ* те i ——^Vy^y

Рис.2. Осциллограмма напряжения на выходе ГП® при разгоне АД

L

/ /СГГ

■ i i ( . L 1 r I

ШФ.

Появление в последнее десятилетие защит от ВЗ, способных отключить АД на ранней стадии развития повреждения, при которой возможно его самоустранение, делает целесообразным автоматическое повторное включение (АПВ) ЭД после их отключения этими защитами. В работе предложено устройство защиты АД на точечных индукционных датчиках МП с автоматом повторного включения однократного действия, выявляющее целесообразность его обратного включения в зависимости от тяжести происшедшего ВЗ. Датчики установлены внутри АД напротив лобовых частей обмотки статора на расстоянии одного полюсного деления друг от друга и подключены к входам диодной схемы сравнения модулей напряжений, работающей на циркуляцию токов. На выходе схемы сравнения включены параллельно соединенные реагирующий элемент (РЭ), конденсатор и реле времени (РВ). При отсутствии короткозамкнутых витков в обмотке статора напряжения на выходах датчиков одинаковы, поэтому напряжение на РЭ, РВ и конденсаторе равно нулю. При возникновении ВЗ симметрия МП, нарушается, что приводит к увеличению напряжения на конденсаторе. Максимальное напряжение и скорость нарастания этого напряжения тем больше, чем больше витков замкнется (рис.3). Увеличение напряжения вызывает срабатывание реагирующего элемента и запуск реле времени. УстаЕка по напряжению у РВ ЕЫбрана меньшей, чем у РЭ, поэтому оно запускается раньше, чем срабатывает РЭ, на время Д1;. Скорость нарастания напряжения

и - и

V = -, (3)

и дг

где Ирэ и ирв - уставки по напряжению РЭ и РВ. Отсюда видно, что величина М однозначно связана со скоростью нарастания напряжения и может характеризовать количество замкнутых витков. Если в качестве устаЕки реле времени принять дг , которой соответствует количество замкнутых витков, обеспечивающее невозобновление дуги после повторного включения, то по очередности срабатывания РВ и РЭ можно различить степень тяжести ВЗ и выявить целесообразность АПВ: срабатывание РЭ раньше РВ (скорость нарастания Еелика, кривая 1 на рис.3) свидетельствует о большом количестве замкнувшихся витков и необходимости выдачи сигнала на отключение АД с запретом АПВ, в противном случае (кривая 2) АПВ разрешается, а в случае, когда напряжение превышает и , но не достигает и (кривая 3), повреж-

Рис.3. Графики нарастания напряжения на реагирующем элементе и реле времени при различной тяжести повреждения обмотки статора.

дение признается легким, и защита работгэт с выдержкой времени (за это время ВЗ может самоустраниться и без отключения двигателя), действие АПВ разрешается. Указанная логика работы легко реализуется подключенным к выходам РВ и РЭ блоком, содержащим два элемента И, два элемента ПАМЯТЬ и один элемент ИЛИ.

В третьей главе решается задача определения поврежденной секции обмотки статора при ВЗ без разборки ЭД. Предложены способы решения этой задачи, основанные на измерении ГШ секций с помощью датчиков, располагающихся в зоне их лобовых частей. Для реализации первого способа достаточно двух датчиков 3 и 4, закрепляемых на роторе 1 АД таким образом (рис.4), что при его вращении они последовательно перемещаются вдоль лобовых частей 16 всех секций. Секцию отсчета 20 фиксируют по положению ротора. Счет секций производят по пульсациям МП при движении датчиков' вдоль лобовых частей. Одновременно с началом отсчета измеряют' напряженности МП двух секций, смещенных на 2т, (и - полюсное деление обмотки статора), сравнивают их между собой и, если они равны друг другу, то продолжают счет, а по достижении последней секции начинают счет сначала, в противном случае прекращают счет, отключают машину от

Рис.5. Структурная схема устройства для осуществления способа определения поврелдепнои сектлш в момент отключения ЭД

сети и по показаниям счетчика фиксируют поврежденную секщш. Предложены два устройства для реализации способа, различающиеся принципами формирования сигналов счета секций и организацией съема сигналов с вращающихся датчиков. Оба устройства не только мгновенно определяют номер поврежденной секции, но и отключают АД от сети, т.е. выполняют функции его защиты от ВЗ.

Показано, что на точность измерения МП отдельных секций главное влияние оказывают помехи, созданные токами других секций обмотки статора. Предложено с целью повышения точности производить измерение МП поврежденной секции после отключения АД, когда помехи от токов в неповрежденных секциях отсутствуют. Экспериментальные исследования по определению времени затухания тока в короткозамк-нутых витках обмотки статора АД различной мощности (от- 1 до 8000 кВт), после их отключения от сети показали, что оно составляет не менее 0,5-2 с в любом режиме их работы. Предложено также устройство (рис.5) для реализации способа с кольцевым 1 и точечными 5...20 измерительными преобразователями, подключенными соответственно к блоку 3 защиты от ВЗ и блокам 21-21 выявления поврежденной секщш, каждый из которых состоит из инвертора 23, порогового элемента 24, ИБ-триггера 25, и элемента И 26. Номер поврежденной секции высвечивается на индикаторе 22. Устройство защищает АД от ВЗ и выявляет поврежденную секцию за время, не превышающее 0,1 с после отключения выключателя.

Показано, что при большом количестве датчиков, входящих в состав такого рода устройств, целесообразно вместо аналоговых датчиков применять дискретные. Это позволяет исключить из схем большое количество пороговых элементов. Разработана защита АД от ВЗ на дискретных датчиках 1Я1, автоматически определяющая поврежденную секцию. Датчики расположены напротив лобовых частей обмотки статора по окружности в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора. Фиксация ВЗ в защите происходит по появлению неодновременности срабатывания и возврата у пар датчиков, расположенных на расстоянии одного полюсного деления друг от друга. Показано, что применение герконов в этом устройстве позволяет дополнительно упростить его за счет одновременного их использования как для измерения МП и регистрации факта превышения уставки, так и для реализации необходимых логических функций на их контактах, причем наибольший эффект приносит использование герконов с переключающий контактами.

Исследованы свойства герконов с целью выяснения возможности их использования в подобных устройствах защиты. Проведены эксперименты по выявлению дрейфа параметров герконов з течение срока их службы. Показано, что ресурс выпускаемых отечественной промышленностью герконов (0,5...1,0 млн. срабатываний) достаточен для обеспечения срока службы описанного устройства в течение 20...40 лет, причем параметры герконов после выработки гарантированного заводом ресурса практически не отличаются от параметров новых герконов. Заметных изменений параметров не происходит и в случае, когда в течение всего гарантированного срока службы геркон работает в мощных магнитных полях кратностью до 150-300 по отношению к его намагничивающей силе срабатывания. Для проведения исследования воздействий полей такой силы создана специальная установка. Получены зависимости времени срабатывания и дребезга контактов герконов разных типов от кратности намагничивающего поля, которые нужно учитывать в устройствах, контролирующих одновременность срабатывания пар герконов. Предложен метод регулировки чувствительности герконов, основанный на применении регулируемого по величине поля под-магничивания, отличающийся тем, что это поле после срабатывания геркона снимается, а через заданное время создается снова. Метод позволяет регулировать чувствительность в сторону повышения в пределах 1...10 крат по отношению к исходной без снижения коэффициента возврата герконов.

Четвертая глава посвящена выявлению эксцентриситета ротора в работающем АД. Известно, что при эксцентриситете, обусловленном радиальным смещением ротора АД относительно статора, з воздушном зазоре АД возникают дополнительные вращающиеся магнитные поля с числом пар полюсов р ± 1; г> ± 1 и ц ± 1, где р - число пар полюсов АД; V = р^ + 1), ц = <\Ъ2 + р: Ч = 1.2,3.....Эти же поля появляются при эксцентриситете и в торцевой зоне АД.- Показано, что известные методы расчета амплитуд гармоник полей в воздушном зазоре не могут быть непосредственно применены для расчета полей в торцевой зоне из-за слишком больших погрешностей, обусловленных допущением о сохранении параллельности осей ротора и статора1 при эксцентриситете. Рассмотрен более приближенный к практике случай эксцентриситета с непараллельным смещением осей. ЕыЕедены более точные формулы для расчета амплитуд полей с числом пар полюсов р ± 1. Доказано, что использование дополнительных полей с V ± 1 и ц ± 1 па-

рами полисов для выявления эксцентриситета затруднено из-за малости амплитуд и резкого их увеличения в режимах пуска и опрокидава-ния АД. Прояснена физическая картина процессов, происходящих в АД при эксцентриситете. Показано, что появление дополнительных полей при эксцентриситете физически обусловлено модуляцией вращающегося Ш вследствие изменения магнитной проводимости воздушного зазора вдоль расточки статора, а модуляция Ш в зазоре, в свою очередь, вызывает модуляцию МП рассеяния (в том числе и в торцевой зоне) и тока статора АД. Установлено, что амплитуды несущих частот, соответствующее полям с р ± 1, практически не зависят от эксцентриситета, а изменение боковых достигает 6...8 крат по отношению к уровню "фона". Предложено выявлять эксцентриситет в работающем АД по появлению в МП торцевой зоны или в токе статора боковых- частот

(где 1 - частота сети, п = 1, 2, 3, ... , 1 = 2п - 1 для в (4) и 1 = 2п для знака "+"), соответствующих дополнительным полям с р ± 1 параш полюсов. Приведены данные экспериментов, подтверждающие справедливость теоретических выводов и практическую реализуемость предложенных способов.

Разработано устройство защиты [93, фиксирующее эксцентриситет во время работы АД путем контроля гармонического состава МП с помощью КИП, размещаемого в торцевой зоне АД, одновременно защищающее АД от БЗ и автоматически контролирующее исправность своих основных узлов. Показано, что входящий в его состав ППФ должен быть автоматически перестраиваемым, иметь добротность не нюхе 200250 и крутизну склонов амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) не менее 45...50 ДБ на октаву.

Установлено, что контроль боковых частот гармоник тока статора позволяет еыявлять эксцентриситет в работающем АД на основе информации, получаемой от ТТ, без применения специальных датчиков. Предложено в качестве информативной для устройства, реализующего этот контроль, использовать частоту

что позволяет значительно снизить требования к входящему в его состав ППФ. На этой основе создано пригодное для промышленного использования устройство защиты, не содержащее КИП и не требующее про-

re.i = Гс Ь * —]

(4)

(5)

кладки соединительного кабеля, способное фиксировать в работающем АД радиальное смещение ротора, превышающее 0,7...О,8 номинальной величины воздушного зазора. Устройство . содержит последовательно соединенные трансреактор, полосно-загракдавщий и полосно-пропуска-ющий фильтры, детектор, пороговый элемент, элемент времени и исполнительный орган. Проанализировано влияние помех на работу устройства, намечены и обоснованы пути отстройки от них. Разработана простая методика расчета уставок защиты.

Проанализированы различные способы получения питающих напряжений 5-30 В для устройств защиты АД от внутренних повреждений. Показано, что существующая методика расчета блоков питания (БП), выполненных по классической схеме "понижающий трансформатор - выпрямитель - сглаживающий фильтр", трудоемка и плохо поддается автоматизации даже с помощью современных средств (ВТ), а при невозможности выбора магнитопровода с габаритами, близкими к расчетным, к тому же еще и не точна. Разработана методика расчета БП, свободная от указанных недостатков. Она учитывает сегодняшнюю ситуацию в снабжении магнитопроЕодзми и легко поддается автоматизации с помощью любых средств ВТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований сеодятся к следующему:

1. Показано, что защита от ВЗ на КИП при мощности АД Рн > 250 ...630 кВт в сетях с током замыкания на землю 1° > 25...16 А одновременно выполняет роль защиты от замыканий на землю (корпус). В других случаях ее чувствительность к 33 недостаточна. Разработано устройство для осуществления автоматического повторного включения АД после ВЗ. Доказана целесообразность такого включения.

2. Предложен принцип выделения информации о скорости вращения ротора АД из сигнала КИП, размещаемого в торцевой зоне двигателя, основанный на использовании зависимости частоты зубцовых гармоник ротора от скольжения, и на его основе разработано устройство защиты АД от затянувшегося пуска, опрокидывания и заклинивания ротора.

3. Разработаны способы и устройства на герконах и индукционных измерительных преобразователях, определяющие поврежденную секцию обмотки статора АД в момент отключения при ВЗ по изменению

распределения напряженности МП в зоне ее лобовых частей, не требующие, в отличие от традиционных, разборки двигателя. Показано, что параметры герконов при воздействии на них сильных МП, созданных токами поврежденных ЗД, находятся в пределах, позволяющих исполь-пользовать их в качестве измерительных органов защит.

4. Предложен способ выявления эксцентриситета ротора, основанный на контроле гармонического состава МП в торцевой зоне АД, позволяющий фиксировать эксцентриситет во время работы двигателя. Уточнена методика расчета и выбора наиболее информативных гармоник для выявления эксцентриситета. Разработано'устройство для осуществления способа и определены параметры его основных узлов.

5. Создано устройство зашиты от эксцентриситета ротора, способное фиксировать в работающем АД смещение ротора, превышающее 0,7 ...0,8 номинальной величины воздушного зазора, по появлению в токе статора составляющей с частотой Гэ = ic(1 —где р - число пар полюсов АД, f - частота тока в сети. Даны формулы для выбора уставок защиты.

6. Разработана методика расчета блока питания для устройств релейной защиты, позволяющая добиться полной автоматизации расчета на основе любых современных средств ВТ, ориентированная на применение в условиях дефицита магнитопроводов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. A.c. СССР Je1495896. Способ защиты электрической машины от коротких замыканий/М.Я Клецель, A.B. Мануковский, А.Н. Новожилов - Опубл. В Б.И. » 27, 1989.

2. Клецель М.Я., Мануковский A.B., Новожилов А.Н. Работа защит, встроенных в электродвигатели, при замыканиях обмотки статора на земли.//Тезисы Всесоюзной научно-технической конференции "Современные методы и средства быстродействующего преобразования режимных параметров энергосистем." - Челябинск, 1990,

3. A.c. СССР Ä1591128. Электрическая машина с встроенным блоком для защиты от повреждений обмотки статора/М.Я Клецель, А.О. Круглов, A.B. Мануковский и А.Н. Новожилов. - Опубл. в Б.И. J6 33, 1990.

4. Клецель М.Я., Мануковский A.B., Новожилов А.Н. Чувствитель-

ность защит, встроенных в электродвигатели, к замыканиям обмотки статора на землю.//Электромеханика, 1991, А 2, с. 95-99 (Мзв. высш. учеб. заведений).

5. A.B. Мануковский. Расчет маломощного трансформатора на программируемом микрокалькуляторе.//Энергетика, 1991, J6 2, с.53-56 (Мзв. высш. учеб. заведений).

6. A.c. СССР №1658289. Электрическая машина с устройством защиты /М.Я Клецель, A.B. Мануковский, Я.З. Чепелюк и О.И. Гадаиев. - Опубл. в Б.М. № 23, 1991.

7. A.c. СССР а 1695444. Устройство•защиты электродвигателя от повреждений при ненормальных'режимах./М.Я. Клецель, И.Н. Солоду-хин, A.B. Мануковский, А.Н. Новожилов, Н.П. Савонькин и В.П. Швецов.//Б.И., 1991, Я 44.

8. A.c. СССР & 1700674. Устройство защиты электрической машины с выключателем и автоматом повторного включения.//Клецель М.Я., Мануковский A.B., Новожилов А.Н.//Б.И., 1991, Л 47.

9. A.c. СССР .№1708125. Устройство для защиты трехфазной электрической машины от повреждений./О.И. Гаджиев, В.В.Кирейцев, М.Я Клецель, А.Н. Новожилов, A.B. Мануковский и С.А. Семи-кин.//Опубл. в Б.И., 1991,

10. A.c. СССР JÊ1744750. Способ защиты электрической машины от коротких замыканий/Б.Б. Каратаев, М.Я Клецель, А.Н. Метельский, A.B. Мануковский, А.Г. Кошель и C.B. Рузов. - Опубл. в Б.И. № 24, 1992.

11. Клецель М.Я., Мусин В.В., Алишев Ж.Р., Мануковский A.B. Свойства герконов, применяемых в релейной защите.//Электричество, Л 9, 1993, с. 18-21. - М.: Энергоатомиздат.

RESUME

The problems or asynchronous motors (AM) provision with protections from Inside damages which are impossible to reveal by traditional protections are being solved by developing new arrangements based on the anallses of information about magnetic flow In front zone of (AM) obtained by means ol induction measuring transformers or contacts with magnetic control. Much attention is paid to arrangements lor revealing of eccentricity of rotor In the running AM, the arrangement working on the basis of analyses of Information obtained from current transformers included.

M A 3 M Y H Ы

Асинхронды козгалткштарды (AK) 1шк1 бул1яулерден, дэстурл1 цоргаулармен танылмайтын, коргаулармен камтамасыз ету маселелер! АК шетк1 аймагнндагы магнитт!к агын туралы информацияны индукция-лщ елшеу1шг1к турленд1рг1штер яки геркондар аркылы алып талдайтын жана курылгылар жасалу колымен шеш1лед1. Улкен назар жумыс 1степ жаткан АК-тын ротор эксцентриситета табатын курылгыларга аударыл-ган, сонвд 1ш1нде ток трансформаторларынан алынатын информацияны талдау нег!з1нде.