Защита и управление двигателями среднего напряжения: полное руководство для инженеров.

Защита и управление двигателями среднего напряжения включают в себя датчики, реле, автоматические выключатели и контакторы — все это направлено на предотвращение катастрофических отказов двигателей с номинальным напряжением от 1 кВ до 35 кВ. Таким образом, для регистрации любых перегрузок, коротких замыканий, замыканий на землю или дисбалансов фаз необходима адекватно спроектированная защитная цепь, способная задолго до того, как они станут серьезными и начнут повреждать оборудование стоимостью в сотни тысяч долларов.

В 2023 году на медном руднике в Чили произошло замыкание на землю через обмотку статора, после чего произошел скачок в фазное короткое замыкание на шламонасосе мощностью 1,500 л.с. и напряжением 6.6 кВ. Двигатель был оснащен тепловой защитой от перегрузки. Стандартная комплектация. Но отсутствовали реле защиты от замыкания на землю и дифференциальная защита. Стоимость ремонта составила 85 000 долларов. Время простоя за четыре дня составило 320 000 часов, а общие потери превысили 400 000 часов. Защита, которая могла бы предотвратить это, — многофункциональное реле на 12 000 часов — так и не была предусмотрена.

Вы уже знаете, что двигатели среднего напряжения представляют собой значительные капиталовложения, а отказы обходятся дорого. Цель состоит в создании системы защиты, которая учитывает все риски. Насос мощностью 250 кВт на водоочистной станции потребует иной защиты, чем компрессор мощностью 5 МВт на нефтеперерабатывающем заводе. Это руководство подробно расскажет читателю, как принимать подобные решения.

Для получения полной технической информации о преобразователях частоты и системах преобразования энергии см. наш раздел Полное руководство по высоковольтным преобразователям частотыПеред выбором пускового механизма и защиты для вашего двигателя среднего напряжения убедитесь, что вы всё понимаете. Основы работы частотно-регулируемых приводов среднего напряжения чтобы вы могли правильно интерпретировать технические характеристики.

Основные выводы

• Выход из строя подшипников является причиной 51% поломок электродвигателей; надлежащая защита сокращает незапланированные простои на 25% и более.
• Рынок реле защиты электродвигателей среднего напряжения достиг 1.59 млрд долларов США в 2024 году и растет со среднегодовым темпом роста 7.2%.
• Для двигателей мощностью >= 750 кВт требуется устройство ANSI 87M (дифференциальный); для всех двигателей требуется устройство 49 (тепловой).
• Вакуумные контакторы подходят для частого переключения; автоматические выключатели — для защиты от неисправностей; во многих областях применения необходимы и те, и другие.
• Устойчивые к электрической дуге распределительные щиты (тип 2B) снижают риск травм от электрической дуги примерно на 95% по сравнению со стандартными конструкциями.
• Затраты, связанные с простоями в промышленности, варьируются от... $30,000to$Более 500 000 в час в зависимости от сектора.

Что такое защита и управление двигателями среднего напряжения?

Определение классов напряжения и мощности для двигателей среднего напряжения

В рамках стандарта IEC среднее напряжение охватывает диапазон от 1 кВ до 35 кВ; с другой стороны, стандарты ANSI определяют его в диапазоне от 2.4 кВ до 69 кВ. К распространенным напряжениям для двигателей среднего напряжения относятся 2.3 кВ, 3.3 кВ, 4.16 кВ, 6.6 кВ, 6.9 кВ, 11 кВ и 13.8 кВ. Номинальная мощность обычно составляет от 200 кВт до более чем 10 000 кВт.

Системы защиты и управления для этих двигателей имеют принципиально иные принципы, чем для низковольтных систем. Низковольтные двигатели (ниже 1 кВ) обычно оснащаются автоматическими выключателями в литом корпусе и тепломагнитными реле перегрузки. С другой стороны, для средневольтных двигателей требуются специальные реле защиты, вакуумные контакторы или автоматические выключатели, трансформаторы тока и, в большинстве случаев, дифференциальная защита. Это говорит о том, что риски выше, токи короткого замыкания также больше, а координация защиты может быть более сложной.

Цепочка защиты: датчик — реле — автоматический выключатель — двигатель

Все системы защиты двигателей среднего напряжения построены по одной и той же схеме. Трансформаторы тока измеряют линейный ток и подают его на защитное реле. Реле анализирует ток, сравнивая его с запрограммированными пороговыми значениями и временными кривыми. При обнаружении неисправности реле посылает сигнал срабатывания на автоматический выключатель или вакуумный контактор. Коммутирующее устройство размыкается, отключая двигатель от сети.

Каждое звено в этой цепи должно быть правильно подобрано по размеру и скоординировано. Трансформатор тока с неправильным коэффициентом трансформации насыщается во время запуска двигателя и выдает ложные показания. Реле с неподходящими настройками срабатывает при нормальном пусковом токе. Автоматический выключатель, срабатывающий слишком медленно, пропускает ток короткого замыкания достаточно долго, чтобы вывести двигатель из строя. Система сильна настолько, насколько сильно её самое слабое звено.

Почему двигателям среднего напряжения требуется специальная защита по сравнению с двигателями низкого напряжения?

Двигатели среднего напряжения создают три проблемы, которых нет в системах низкого напряжения. Во-первых, токи короткого замыкания намного выше. В системе 6.6 кВ могут возникать токи короткого замыкания от 20 до 50 кА. Энергия, выделяемая при коротком замыкании, пропорциональна квадрату тока. Короткое замыкание, которое при напряжении 480 В сработало бы безвредно, при напряжении 6.6 кВ может вывести оборудование из строя.

Во-вторых, пусковой ток двигателя более значителен по сравнению с настройками защиты. Двигатели среднего напряжения обычно потребляют в 5-7 раз больше тока полной нагрузки во время пуска. Система защиты должна различать этот нормальный пусковой ток и реальную неисправность. Для этого требуются сложные реле с тепловыми моделями и регулируемыми кривыми зависимости тока от времени.

Во-третьих, экономические последствия поломки гораздо серьезнее. Двигатель среднего напряжения мощностью 1,000 л.с. стоит... $100,000to$Замена обойдется в 300 000 единиц. Простой на предприятии непрерывного технологического процесса может стоить... $100,000to$500 000 в час. Надлежащая защита — это не расходы. Это страховка с измеримой отдачей.

Хотите узнать, как меняются требования к защите в разных отраслях? Хотя данное руководство охватывает общие принципы защиты электродвигателей среднего напряжения, многие из тех же принципов применимы к пуску электродвигателей и защите насосов нефтегазовой отрасли.

Функции защиты двигателя и номера устройств по стандарту ANSI.

Устройство 49 — Защита от тепловой перегрузки

Тепловая защита от перегрузки — это минимальная защита, необходимая для каждого двигателя среднего напряжения. Устройство 49 использует математическую тепловую модель для оценки температуры обмотки двигателя на основе тока и времени. Реле рассчитывает накопленное тепло с помощью алгоритма I2t и срабатывает, когда теплоемкость достигает заданного порогового значения.

Современные микропроцессорные реле позволяют регулировать тепловые постоянные времени в соответствии с фактическими тепловыми характеристиками двигателя. Кривые классов 10, 20 и 30 определяют скорость срабатывания реле при шестикратном увеличении тока полной нагрузки. Для насосного двигателя с высокой инерцией может использоваться реле класса 30. Для вентиляторного двигателя с низкой инерцией может использоваться реле класса 10.

Ключевым параметром является ток полной нагрузки, который должен соответствовать номинальному току двигателя, указанному на паспортной табличке. Распространенная ошибка — использование тока с коэффициентом запаса прочности двигателя вместо истинного тока полной нагрузки. Это приводит к ложным срабатываниям при работе двигателя в нормальном режиме нагрузки.

Устройство 50/51 — Мгновенная и временная защита от перегрузки по току

Защита от перегрузки по току предотвращает короткие замыкания и сильные перегрузки. Устройство 50 обеспечивает мгновенное срабатывание при сильных повреждениях. Устройство 51 обеспечивает срабатывание с задержкой по времени при перегрузках меньшей величины, следуя кривой обратной зависимости от времени.

Для двигателей среднего напряжения элемент 50 обычно устанавливается выше пускового тока двигателя, чтобы избежать ложных срабатываний. Обычно его устанавливают в 1.5–2 раза выше тока блокировки ротора. Элемент 51 устанавливается чуть выше тока полной нагрузки, при этом кривая обеспечивает пуск, но срабатывает при длительной перегрузке.

Координация с вышестоящей системой защиты имеет решающее значение. Для обеспечения селективности реле двигателя должно сработать раньше автоматического выключателя фидера. Если первым сработает фидер, питание отключится на всех двигателях этого фидера, а не только на неисправном.

Устройство 46 — Отрицательная последовательность / Дисбаланс тока

Защита от обратной последовательности обнаруживает дисбаланс фаз, который вызывает чрезмерный нагрев ротора двигателя. Дисбаланс напряжения всего в 3.5% приводит к возникновению тока обратной последовательности приблизительно в 25%, вызывая перегрев и последующий выход из строя стержней ротора.

Устройство 46 измеряет отношение тока отрицательной последовательности к току положительной последовательности и срабатывает, когда дисбаланс превышает установленный пороговый уровень. Типичные настройки варьируются от 15% до 25% тока отрицательной последовательности с задержкой от 5 до 10 секунд. Эта защита необходима для двигателей на предприятиях со слабыми или несбалансированными системами электропитания.

Устройство 51N — Защита от замыкания на землю

Защита от замыкания на землю обнаруживает пробой изоляции между фазной обмоткой и землей. В системах среднего напряжения с резистивным заземлением токи замыкания на землю намеренно ограничиваются до 5-10 А. Это предотвращает повреждение оборудования, но требует использования чувствительных релейных устройств.

Устройство 51N использует трансформатор тока нулевой последовательности (оконный трансформатор тока) или остаточное соединение фазных трансформаторов тока для обнаружения тока заземления. Обычно устанавливаются значения от 10% до 20% от номинального тока заземляющего резистора с задержкой по времени от 0.5 до 2 секунд. Иногда используется мгновенная защита от замыкания на землю (50N), но она может вызывать ложные срабатывания из-за работы ограничителей перенапряжения.

Для двигателей мощностью 750 кВт и выше, а также для двигателей, работающих в незаземленных системах, защита от замыкания на землю имеет важное значение. Без нее замыкание на землю может развиваться незаметно, пока не перерастет в межфазное замыкание с катастрофическими последствиями.

Устройство 87М — Защита дифференциала двигателя

Дифференциальная защита сравнивает ток, поступающий в двигатель, с током, выходящим из двигателя. В нормальных условиях эти токи равны. При внутренней неисправности токи расходятся, и реле срабатывает мгновенно.

Устройство 87M рекомендуется для всех двигателей мощностью 750 кВт и выше, двигателей, используемых в ответственных технологических процессах, а также двигателей, работающих в системах без заземления или с высоким сопротивлением заземления. Оно обнаруживает межфазные замыкания, межвитковые замыкания и некоторые замыкания на землю с гораздо большей чувствительностью, чем реле защиты от перегрузки по току.

Для работы схемы требуется шесть трансформаторов тока (три у выключателя, три на нейтрали двигателя) или один трансформатор тока с окном для самобалансирующейся дифференциальной защиты. Обычно устанавливаются значения от 10% до 20% от тока полной нагрузки двигателя без преднамеренной задержки по времени. Защита работает быстро, чувствительно и не зависит от пускового тока.

Устройства 37, 27/59 и 38/49RTD — Дополнительная защита

Помимо основных функций, несколько дополнительных защит повышают надежность двигателя. Устройство 37 (пониженный ток) обнаруживает кавитацию насоса, поломку валов или потерю нагрузки. Устройства 27 (пониженное напряжение) и 59 (повышенное напряжение) защищают от опасных условий напряжения. Устройство 38/49RTD контролирует температуру подшипников и статора непосредственно с помощью встроенных резистивных датчиков температуры.

Для двигателей мощностью 250 кВт и выше настоятельно рекомендуется мониторинг температуры с помощью терморезисторов. Прямое измерение температуры обеспечивает более высокую точность, чем расчет с помощью тепловой модели, особенно для двигателей с переменным профилем нагрузки или высокими температурами окружающей среды.

Проектирование центра управления двигателями среднего напряжения (ЦОДН).

Компоненты и архитектура MV MCC

Центр управления двигателями среднего напряжения представляет собой собранный на заводе комплект распределительных устройств, в котором размещаются пусковые устройства двигателей, защитные реле, измерительные приборы и силовые трансформаторы управления. Каждый блок содержит выключатель, автоматический выключатель или предохранители, вакуумный контактор, защитное реле, трансформаторы тока и силовой трансформатор управления.

Выключатель изоляции обеспечивает визуальное подтверждение отключения для проведения технического обслуживания. Автоматический выключатель или предохранители обеспечивают защиту от короткого замыкания. Вакуумный контактор обеспечивает нормальные операции переключения. Защитное реле контролирует состояние двигателя и инициирует срабатывание. Измерительные трансформаторы подают масштабированные сигналы тока и напряжения на реле и измерительные приборы.

Коллекторы управления среднего напряжения (MV MCC) обычно изготавливаются в соответствии со стандартами NEMA с номинальным напряжением от 2.4 кВ до 7.2 кВ. Номинальный ток составляет от 200 А до 4,000 А. Пусковые устройства на основе вакуумных контакторов обычно рассчитаны на двигатели мощностью до 3,800 кВт при напряжении 6.6 кВ, в зависимости от производителя и конструкции.

Варианты с возможностью входа внутрь и без возможности входа внутрь

Встраиваемые в корпус распределительные щиты (MCC) имеют внутренний проход, позволяющий техническим специалистам получать доступ к оборудованию изнутри корпуса. Это упрощает техническое обслуживание и уменьшает необходимость в свободном доступе сзади. Встраиваемые конструкции распространены на крупных промышленных предприятиях, где имеется достаточно места.

Для обслуживания невстраиваемых распределительных щитов (РЩ) необходим доступ спереди и сзади. Они занимают меньше места, но требуют дополнительного пространства за производственной линией. Невстраиваемые конструкции предпочтительны в случаях, когда пространство ограничено или РЁТ установлен у стены.

Выбор зависит от имеющегося пространства, подхода к техническому обслуживанию и требований безопасности. Конструкция с проходными дверями улучшает доступность, но увеличивает стоимость примерно на 15-20%. Для предприятий, требующих частого технического обслуживания, дополнительные затраты часто оправданы.

Устойчивость к электрической дуге и показатели безопасности

Устойчивые к дуговому разряду распределительные щиты предназначены для сдерживания давления и энергии внутреннего дугового разряда, безопасно отводя горячие газы от персонала. Стандартные распределительные щиты такой защиты не обеспечивают. Внутренняя дуга в стандартном распределительном щите генерирует энергию, которая может превышать 40 кал/см², чего достаточно для получения смертельных ожогов.

Стандарт ANSI C37.20.7 определяет три типа доступности. Тип 1 обеспечивает защиту только спереди. Тип 2 распространяет защиту на переднюю, боковые и заднюю части. Тип 2B обеспечивает дополнительную защиту между отсеками, гарантируя, что дуга в одном пусковом устройстве не распространится на соседние устройства.

Устойчивые к электрической дуге распределительные щиты снижают риск травм примерно на 95% по сравнению со стандартными конструкциями. Дополнительные затраты составляют 25-40% по сравнению со стандартными распределительными щитами. Для объектов с высокой степенью риска для персонала инвестиции оправданы уже только с точки зрения безопасности. После модернизации с целью повышения устойчивости к электрической дуге обычно наблюдается снижение страховых премий на 10-20%.

На одном из европейских нефтеперерабатывающих заводов во время планового технического обслуживания в стандартном распределительном щите среднего напряжения произошла электрическая дуга. Энергия дуги превысила 40 кал/см². Двое техников получили тяжелые ожоги, на восстановление которых потребовались месяцы. На предприятии все распределительные щиты среднего напряжения были заменены на дугостойкие конструкции типа 2B. За восемь лет эксплуатации подобных инцидентов больше не происходило.

Типы NEMA и экологические рейтинги

NEMA определяет типы корпусов в зависимости от степени защиты от воздействия окружающей среды. Тип 1 предназначен для общего использования внутри помещений. Тип 12 обеспечивает защиту от пыли и капель в промышленных условиях. Тип 3R обеспечивает защиту от дождя на открытом воздухе. Тип 4X обеспечивает защиту от промывки и коррозии для химических заводов.

Для распределительных щитов среднего напряжения минимальный тип 12 является обязательным для промышленного применения. Пыль и влага являются основными причинами повреждения изоляции в оборудовании среднего напряжения. В пыльной среде реле защиты двигателя может не сработать, поскольку загрязнение препятствует правильной работе выходных контактов.

В нефтехимической и горнодобывающей промышленности могут потребоваться взрывозащищенные или герметичные корпуса. Требования к взрывозащищенным зонам см. в нашем руководстве по взрывозащищенным системам управления двигателями. В таких условиях требуются специализированные корпуса, выходящие за рамки стандартных стандартов NEMA.

Методы запуска двигателей среднего напряжения

Ограничения на запуск системы Direct-On-Line (DOL)

Прямой пуск (DOL) предполагает прямое подключение двигателя к источнику питания при полном напряжении. Двигатель потребляет ток в 5-7 раз больше тока полной нагрузки и развивает пусковой момент в 1.5-2 раза больше момента полной нагрузки. DOL — это простой, надежный и недорогой способ запуска. Однако он подходит не для всех областей применения.

Пусковой ток вызывает провалы напряжения, которые могут нарушить работу другого оборудования на той же шине. Запуск двигателя мощностью 1,000 л.с. в слабой системе может снизить напряжение на 15-20%, что приведет к отключению контакторов, неисправности приводов и перезагрузке систем управления. Прямой запуск (DOL) обычно применяется к двигателям мощностью менее 500 кВт или к системам с высокой мощностью источника питания.

Еще одна проблема — механические удары. Внезапное приложение крутящего момента создает высокую нагрузку на муфты, шестерни и приводное оборудование. Конвейерные ленты могут проскальзывать. Валы насосов могут перекручиваться. Вентиляторы могут вибрировать. Автоматический прямой ток непригоден для применений, где необходимо минимизировать механические нагрузки.

Устройства плавного пуска: интеграция управления крутящим моментом и защиты.

Устройства плавного пуска среднего напряжения (СВ) снижают пусковой ток и крутящий момент за счет регулирования напряжения, подаваемого на двигатель. Как правило, устройство плавного пуска СВ ограничивает пусковой ток до значения, в 3-4 раза превышающего ток полной нагрузки, с контролируемым нарастанием крутящего момента. Это в конечном итоге исключает провалы напряжения и механические удары.

Современные устройства плавного пуска среднего напряжения оснащены функциями защиты двигателя, включая электронную защиту от перегрузки, защиту от блокировки ротора, защиту от дисбаланса тока и обнаружение замыкания на землю. Включение всех этих функций в единую интегрированную систему еще больше упрощает всю систему за счет минимизации количества посторонних компонентов. Тем не менее, защита устройства плавного пуска должна быть согласована с вышестоящими автоматическими выключателями.

Устройства плавного пуска среднего напряжения доступны для напряжений от 2.3 кВ до 15 кВ и номинальной мощности от 200 до 10 000 кВт. К распространенным областям применения этих устройств относятся насосы, вентиляторы, компрессоры и конвейеры, где плавный пуск повышает эффективность, при этом скорость вращения системы не обязательно изменяется.

Пуск с помощью частотно-регулируемого привода для крупных синхронных двигателей

Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) обеспечивают наиболее контролируемый метод пуска. ЧРП запускает двигатель с пониженной частотой и напряжением, а затем плавно повышает их до номинальных значений. Пусковой ток обычно ограничивается 1-1.5-кратным током полной нагрузки. Пусковой момент полностью контролируется.

Для крупных синхронных двигателей часто единственным практически осуществимым методом является пуск с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП). Синхронные двигатели не могут запускаться непосредственно от сети без специальных приспособлений. ЧРП доводит двигатель до синхронной скорости, подает возбуждение и бесперебойно синхронизируется с сетью.

Компромисс заключается в стоимости и сложности. Частотно-регулируемый привод для двигателя мощностью 5,000 кВт может стоить... $500,000to$1 000 000. Система защиты также должна учитывать гармоники, синфазное напряжение и токи в подшипниках, создаваемые приводом.

Пуск при пониженном напряжении (автотрансформатор и реактор)

Автотрансформаторный и реакторный пуск снижают пусковое напряжение за счет создания импеданса между источником питания и двигателем. Автотрансформаторные пусковые устройства обеспечивают настройку отводов на 50%, 65% или 80%. Реакторные пусковые устройства обеспечивают фиксированное процентное снижение.

Эти методы проще и дешевле, чем устройства плавного пуска или частотно-регулируемые приводы. Однако они обеспечивают меньший контроль и, как правило, требуют перехода к полному напряжению, что создает второй пусковой ток. В новых установках их постепенно заменяют устройствами плавного пуска.

Таблица выбора начального метода

Начальный метод	Пусковой ток	Начальный крутящий момент	Стоимость	Best For
предусмотрены	5-7x FLC	1.5-2x FLT	Низкий	Небольшие двигатели, мощные системы
Реактор/Автомобиль	3-5x FLC	0.5-1x FLT	Low-Medium	Экономически целесообразная модернизация
Софт Стартер	3-4x FLC	0.5-1x FLT	Средний	Насосы, вентиляторы, компрессоры
VFD	1-1.5x FLC	Полностью контролируемый	Высокий	Крупные синхронные электродвигатели с регулируемой скоростью.

Готовы выбрать подходящий метод запуска для вашего приложения? Обратитесь к нашей инженерной команде для проведения анализа размеров двигателя, прочности системы и механических требований, специфичного для вашего проекта.

Вакуумные контакторы против автоматических выключателей для управления двигателями

Вакуумный контактор: частое переключение и длительный срок службы.

Вакуумные контакторы используют герметичные вакуумные баллоны для прерывания тока. Вакуум обеспечивает превосходную диэлектрическую прочность и гашение дуги. Вакуумные контакторы могут выполнять сотни тысяч операций без технического обслуживания. Это делает их идеальными для двигателей, которые часто запускаются и останавливаются.

Типичные номинальные значения тока составляют от 200 А до 1,200 А при напряжении до 7.2 кВ. Номинальные значения тока короткого замыкания ограничены и обычно составляют 8-12 кА. Вакуумные контакторы не могут прерывать высокие токи короткого замыкания. Для защиты от короткого замыкания они используют предохранители или автоматические выключатели, расположенные выше по цепи.

Вакуумные контакторы являются стандартом для распределительных щитов среднего напряжения, где двигатели запускаются и останавливаются несколько раз в день. Типичными областями применения являются насосы на водоочистных сооружениях, вентиляторы в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также компрессоры на промышленных предприятиях. Длительный механический срок службы снижает затраты на техническое обслуживание и замену оборудования в течение всего срока его эксплуатации.

Автоматический выключатель: защита от короткого замыкания и селективность

Автоматические выключатели обеспечивают как нормальное переключение, так и прерывание токов короткого замыкания. Современные вакуумные автоматические выключатели способны прерывать токи короткого замыкания от 25 до 50 кА. Они обладают регулируемыми характеристиками срабатывания и могут быть сброшены после короткого замыкания без замены.

Для двигателей, работающих непрерывно и редко останавливающихся, автоматический выключатель может быть экономичнее, чем комбинация контактора и предохранителя. Выключатели также обеспечивают лучшую избирательность в сложных распределительных системах. Электронные блоки отключения позволяют точно координировать действия с защитой вышестоящих и нижестоящих узлов.

Компромисс заключается в механическом сроке службы. Вакуумный выключатель рассчитан на 10 000–30 000 срабатываний. Для двигателя, который запускается один раз в день, это составляет от 27 до 82 лет службы. Для двигателя, который запускается 20 раз в день, срок службы выключателя составляет всего от 1.4 до 4 лет.

Координация предохранителей и контакторов

При использовании в сочетании с вакуумными контакторами предохранители должны срабатывать при коротком замыкании до того, как контактор начнет действовать. При попытке разомкнуть контактор при коротком замыкании контакты могут свариться, или трубки могут выйти из строя. Правильно подобранные предохранители гарантируют срабатывание предохранителей до срабатывания контакторов.

В случае короткого замыкания используется координация типа 2, которая обычно применяется в тяжелых условиях эксплуатации для обеспечения бесперебойной работы контактора и реле, несмотря на вредное воздействие коротких замыканий. В отличие от этого, координация типа 1 допускает некоторую степень повреждения. Координация типа 2 предпочтительна в критически важных областях применения и при обработке материалов, где необходима быстрая работа технологического процесса.

Когда каждый подход имеет смысл

Большинство покупателей считают, что вакуумные контакторы всегда являются правильным выбором для управления двигателями среднего напряжения. В действительности же решение зависит от частоты переключения, режима работы при коротком замыкании и подхода к техническому обслуживанию.

Вакуумные контакторы следует выбирать, когда двигатель часто запускается и останавливается, когда приоритетом является срок службы механических компонентов и когда предохранители или автоматические выключатели, расположенные выше по цепи, обеспечивают достаточную защиту от короткого замыкания. Контакторы также предпочтительны, когда требуется координация типа 2 и необходимо минимизировать затраты на замену.

Автоматические выключатели следует выбирать, когда двигатель работает непрерывно, когда режим работы при коротком замыкании высок и когда критически важна селективность защиты вышестоящего уровня. Выключатели также предпочтительны, когда замена предохранителей нецелесообразна или когда требуется электронная координация отключения.

В таблице ниже приведено краткое изложение сравнения.

фактор	Вакуумный контактор + предохранитель	Автоматический выключатель
Механическая жизнь	10 000–30 000 операций	10 000–30 000 операций
Работа при коротком замыкании	Ограниченный (зависит от предохранителя)	Высокий (25-50 кА)
Обслуживание	Очень низкий	Низкая-умеренная
Координация	На основе предохранителя	Электронный расцепитель
Сброс после возникновения ошибки	Заменить предохранитель	Сбросить выключатель
Стоимость	Низкая	Высокая
Лучше всего	Частые старты	Непрерывная работа, высокая вероятность сбоя

Координация защиты для двигателей среднего напряжения

Принципы координации реле-выключателя-предохранителя

Координация защиты обеспечивает срабатывание устройства, расположенного ближе всего к месту неисправности, в первую очередь, изолируя только неисправное оборудование. Для двигателя среднего напряжения это означает, что реле двигателя должно сработать раньше, чем автоматический выключатель фидера, который, в свою очередь, должен сработать раньше, чем главный выключатель.

Координация анализируется с помощью кривых зависимости времени от тока. Каждое защитное устройство имеет характеристическую кривую, показывающую время срабатывания в зависимости от тока. Кривые наносятся на один и тот же график. Для правильной координации кривая реле двигателя должна быть ниже и левее кривой фидерного выключателя при всех уровнях тока.

Распространенная ошибка — установка мгновенного значения перегрузки по току двигателя слишком близко к пусковому току. Если заданное значение составляет 1.5 раза больше тока заблокированного ротора, а фактический пусковой ток равен 1.6 раза, реле срабатывает при каждом пуске. Настройка должна учитывать колебания параметров двигателя и напряжения питания.

Требования к координации типа 2

Координация типа 2 требует, чтобы при коротком замыкании не произошло повреждения контактора или реле перегрузки. Срабатывает только предохранитель или автоматический выключатель. После устранения неисправности контактор может возобновить работу без ремонта или замены.

Для достижения координации типа 2 требуется тщательный выбор предохранителя. Предохранитель должен устранить неисправность в течение времени, допустимого для контактора. Это проверяется путем испытаний или сравнения энергии пробоя контактора (I2t) с общей энергией срабатывания предохранителя I2t. Если I2t предохранителя меньше, чем I2t контактора, достигается координация типа 2.

Для критически важных технологических двигателей координация типа 2 имеет решающее значение. Насос в системе охлаждения воды не может ждать замены контактора. Система защиты должна устранять неисправность и обеспечивать немедленный перезапуск после ее устранения.

Компромисс между избирательностью и чувствительностью

Селективность и чувствительность часто находятся в противоречии. Высокочувствительное реле быстро обнаруживает небольшие неисправности, но может срабатывать при обычных помехах. Селективное реле хорошо взаимодействует с вышестоящими устройствами, но может допускать протекание тока короткого замыкания на большее расстояние.

Инженер должен сбалансировать эти приоритеты. Для критически важного двигателя чувствительность может иметь приоритет. Для некритичного двигателя в системе с жесткой координацией более важна избирательность. Универсального ответа нет. Правильный баланс зависит от критичности процесса, надежности электроснабжения и возможностей технического обслуживания.

Распространенные ошибки координации и как их избежать

Три ошибки координации являются причиной большинства проблем с защитой двигателей среднего напряжения.

Во-первых, не будем учитывать время разгона двигателя. Насосному двигателю с высокой инерцией может потребоваться 15 секунд для достижения полной скорости. Тепловая модель реле должна учитывать это ускорение без срабатывания. Если тепловая постоянная времени установлена ​​слишком короткой, реле сработает во время нормального запуска.

Во-вторых, несоответствие коэффициентов трансформации трансформаторов тока. Трансформатор тока 1,000/5, питающий реле, настроенное на 500/5, выдает показания, равные половине фактического тока. Реле не испытывает перегрузки и не срабатывает. Коэффициенты трансформации трансформаторов тока должны точно соответствовать настройкам реле.

В-третьих, игнорирование координации при замыкании на землю. В системах с резистивным заземлением ток замыкания на землю невелик. Реле замыкания двигателя на землю должно быть более чувствительным, чем реле замыкания на землю фидера. Если реле фидера более чувствительно, оно отключает весь фидер при одном замыкании двигателя.

Пример расчета: насосный двигатель мощностью 1,000 л.с., напряжением 6.6 кВ.

Рассмотрим электродвигатель насоса мощностью 1,000 л.с., напряжением 6.6 кВ и током полной нагрузки 78 А. Система защиты включает в себя многофункциональное реле, трансформаторы тока 100/5, вакуумный контактор и предохранители.

Тепловая перегрузка (Устройство 49): Установлен ток 78 А, класс 20. Тепловая постоянная времени установлена ​​на 20 минут в соответствии с тепловой мощностью двигателя.

Перегрузка по току (устройство 50/51): Элемент 50 настроен на 550 А (7x FLC), что выше тока блокировки ротора, равного 6x FLC. Элемент 51 настроен на 85 А с очень обратной кривой, что позволяет осуществлять запуск, но срабатывание защиты при длительной перегрузке.

Замыкание на землю (устройство 51N): Система имеет резистивное заземление с током замыкания на землю 10 А. Реле настроено на первичный ток 2 А с задержкой 0.5 секунды, что обеспечивает чувствительное обнаружение без ложных срабатываний.

Дифференциал (устройство 87М): Шесть трансформаторов тока обеспечивают дифференциал циркулирующего тока. Настройка составляет 8 А (10% от FLC) без преднамеренной задержки. Это позволяет обнаруживать внутренние неисправности за миллисекунды.

Проверка координации: Характеристики реле защиты двигателя должны согласовываться с защитой фидера, расположенного выше по потоку. При максимальном токе короткого замыкания реле защиты двигателя срабатывает через 50 мс. Автоматический выключатель фидера срабатывает через 200 мс. Селективность сохраняется.

Управление дуговым разрядом и дугоустойчивое управление двигателем

Категории опасности возникновения электрической дуги в распределительных щитах среднего напряжения

Дуговой разряд — это электрический взрыв, вызванный замыканием между находящимися под напряжением проводниками. В оборудовании среднего напряжения дуговой разряд приводит к повышению температуры до 20 000 градусов Цельсия, давлению более 200 фунтов на квадратный дюйм и уровню звука выше 140 дБ. Энергия разряда измеряется в калориях на квадратный сантиметр (кал/см²). Значение выше 1.2 кал/см² требует использования средств индивидуальной защиты, рассчитанных на защиту от электрической дуги.

Стандартные противоэлектромеханические костюмы среднего напряжения могут генерировать энергию разряда, превышающую 40 кал/см². При таком уровне даже самые тяжелые защитные костюмы обеспечивают ограниченную защиту. Единственная эффективная стратегия — предотвратить возникновение электрической дуги или локализовать её.

Стандарты проектирования, устойчивые к воздействию электрической дуги (IEC 62271-200, ANSI C37.20.7)

Устойчивые к дуговому разряду распределительные устройства безопасно удерживают и отводят энергию дуги. Стандарты IEC 62271-200 и ANSI C37.20.7 определяют процедуры испытаний и критерии производительности. Оборудование должно выдерживать стандартизированное внутреннее дуговое замыкание в течение заданного времени, обычно от 0.5 до 1.0 секунды.

В конструкции используются усиленные элементы, предохранительные вентиляционные отверстия и изолированные шинные системы. Каналы сброса давления отводят горячие газы в безопасное место, как правило, через крышу. Изолированные шинные системы предотвращают возникновение межфазных замыканий.

Системы сброса давления и вентиляции

Ключевым элементом конструкции, устойчивой к дуговому разряду, является сброс давления. При возникновении дуги давление быстро возрастает. В дугоустойчивых распределительных щитах используются предохранительные заслонки или каналы, которые открываются при заданном давлении, отводя газы от персонала.

Вентиляция может осуществляться через верхнюю часть распределительного щита или через специальный воздуховод. Верхняя вентиляция проще, но требует зазора над распределительным щитом. Вентиляция через воздуховод позволяет вывести воздуховод к наружной стене, уменьшая требования к внутреннему пространству.

Прокладка вентиляционного канала должна быть тщательно спланирована. Если вентиляционное отверстие заблокировано или имеет недостаточный диаметр, внутри распределительного щита повышается давление, что может привести к открытию дверей. Это превращает внутреннюю дугу во внешнюю опасность.

Передовые методы обеспечения безопасности персонала

Устойчивые к дуговому разряду распределительные щиты повышают безопасность, но не устраняют всех рисков. Соблюдение правил техники безопасности остается крайне важным. По возможности всегда отключайте оборудование от сети перед техническим обслуживанием. Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты, если работы под напряжением неизбежны. Поддерживайте чистоту рабочего пространства в соответствии с требованиями NFPA 70E и IEEE 1584.

Регулярное инфракрасное сканирование позволяет обнаруживать ослабленные соединения до того, как они перерастут в дуговые замыкания. Мониторинг частичных разрядов выявляет деградацию изоляции на ранних стадиях. Прогнозирующее техническое обслуживание снижает вероятность возникновения дуговых разрядов на 60-80%.

Стандарты и требования к защите электродвигателей среднего напряжения

Серия стандартов IEEE/ANSI C37 для защиты двигателей

Стандарт IEEE C37.96 является основным руководством по защите электродвигателей. Он охватывает выбор функций защиты, рекомендации по настройке и принципы координации. Стандарт ANSI C37.20 определяет стандарты конструкции распределительных устройств. Стандарт ANSI C37.20.7 конкретно рассматривает дугостойкие распределительные устройства.

Для пуска двигателей руководство по проектированию системы содержится в стандарте IEEE 399 (Brown Book). Стандарт NEMA MG1 Part 20 определяет стандарты производительности двигателей. Стандарт NEMA MG1 Part 31 определяет требования к двигателям, работающим от инвертора и питаемым от частотно-регулируемого привода.

IEC 62271 для распределительных устройств и щитов управления.

Стандарт IEC 62271-200 определяет стандарты для распределительных устройств, включая классификацию дуговых замыканий. Классификация внутренних дуговых замыканий (IAC) для AFLR (передняя, ​​боковая, задняя части) соответствует доступности по стандарту ANSI Type 2. Стандарт IEC 61869 определяет стандарты для измерительных трансформаторов.

В стандарте IEC 60034-30 для определения КПД электродвигателей установлены классы (IE1, IE2, IE3, IE4). Во многих странах для новых установок теперь требуются двигатели класса IE3. Система защиты должна быть совместима с характеристиками высокоэффективных двигателей, включая более высокие пусковые токи.

IEC 61850 для связи на подстанциях

Современные цифровые реле защиты поддерживают стандарт IEC 61850 для связи с системами SCADA и DCS. Система обмена сообщениями GOOSE обеспечивает одноранговую связь между реле со скоростью менее 4 миллисекунд. Это позволяет создавать распределенные схемы защиты и защиту шин.

В стандарте IEC 61850 для защиты электродвигателей среднего напряжения предусмотрен дистанционный мониторинг состояния реле, записей о неисправностях и значений настроек. Бригады технического обслуживания могут диагностировать проблемы, не выезжая на объект. Это сокращает среднее время ремонта и повышает доступность оборудования.

Стандарт NEMA MG1 для электродвигателей

Стандарт NEMA MG1 определяет габариты двигателя, его рабочие характеристики и стандарты испытаний. Он устанавливает коэффициенты запаса прочности, повышение температуры и характеристики запуска. Настройки защитных реле должны учитывать фактические характеристики двигателя, определенные в стандарте MG1.

Ключевым моментом является изменение тока заблокированного ротора для энергоэффективных двигателей. Компания NEC скорректировала настройки магнитного срабатывания с 13-кратного до 17-кратного значения тока полной нагрузки для энергоэффективных двигателей конструкции B. Защитные реле должны быть настроены соответствующим образом, чтобы избежать ложных срабатываний.

Требования к сертификации UL и CE

Стандарт UL 891 распространяется на распределительные щиты и шкафы управления для Северной Америки. Маркировка CE требует соответствия Директиве по низковольтному оборудованию и Директиве по электромагнитной совместимости. Для экспортных рынков в Китае требуется сертификация CCC.

При выборе средств защиты двигателей среднего напряжения для международных проектов убедитесь, что все компоненты имеют необходимые сертификаты. Реле с маркировкой CE, но без сертификата CCC, не может использоваться в Китае. Контактор с сертификатом UL, но без сертификата IEC, может быть не принят в Европе.

 

Классы двигательной активности (IE2, IE3, IE4)

Международные классы эффективности определяют минимальные стандарты эффективности. IE2 — это базовый уровень. IE3 (премиум-эффективность) снижает потери на 10-15% по сравнению с IE2. IE4 (сверхпремиум-эффективность) снижает потери на 20-25%. Во многих странах сейчас для двигателей с мощностью выше определенного уровня требуется соответствие стандарту IE3.

Более эффективные двигатели имеют другие электрические характеристики. Пусковой ток, как правило, выше. Коэффициент мощности может быть ниже при частичной нагрузке. Защитное реле должно быть запрограммировано с правильными параметрами двигателя, чтобы избежать ложных срабатываний.

Интеграция систем мониторинга состояния и терморезисторов.

Система мониторинга состояния отслеживает состояние двигателя в режиме реального времени. Датчики вибрации обнаруживают износ подшипников и смещение. Датчики частичных разрядов обнаруживают пробой изоляции. Анализ токового сигнала выявляет растрескивание стержней ротора.

Наиболее распространенным методом контроля состояния является мониторинг температуры с помощью терморезисторов (RTD). Датчики PT100 или PT1000, встроенные в обмотки статора и подшипники, обеспечивают прямые показания температуры. Типичные значения для срабатывания сигнализации составляют 10-15 градусов Цельсия ниже предельного значения класса изоляции двигателя. Значения для срабатывания сигнализации составляют 5-10 градусов Цельсия ниже предельного значения.

Для двигателей мощностью 250 кВт и выше настоятельно рекомендуется мониторинг с помощью терморезисторов. Прямое измерение температуры точнее, чем расчет с помощью тепловой модели, особенно для двигателей с переменным профилем нагрузки.

Окупаемость инвестиций в прогнозируемое техническое обслуживание

Прогнозирующее техническое обслуживание, позволяющее планировать ремонт до того, как оборудование предприятия достигнет предела своих возможностей и выйдет из строя, прогнозирует его состояние с помощью мониторинга состояния. Исследования показали, что классическая рентабельность инвестиций в прогнозирующее техническое обслуживание составляет около 545.5%. В различных отраслях промышленности, согласно примерам из практики, профилактическое техническое обслуживание позволяет сэкономить от 3 до 9 долларов на основных затратах на ремонт. Существует множество бесплатных вариантов.

Для двигателей среднего напряжения профилактическое техническое обслуживание продлевает срок службы подшипников на 30-50% и сокращает незапланированные простои на 25% и более. Ключевым моментом является интеграция данных с защитными реле с системами управления. Современные цифровые реле регистрируют события неисправностей, запуски двигателей и температурную историю. Такие данные выявляют новые тенденции и указывают на потенциальную возможность отказа.

На муниципальной водоочистной станции недавно установили систему мониторинга с помощью терморезисторов на всех насосах среднего напряжения. За два года система выявила три тенденции износа подшипников на ранней стадии, что позволило запланировать их замену во время плановых остановок. Станция избежала трех незапланированных простоев, которые обошлись почти в 180 000 долларов США в виде сверхурочных, аварийного ремонта и санкций со стороны регулирующих органов.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чём разница между устройствами 50G и 51G для защиты от замыкания на землю?

Механизм 50G обеспечивает немедленное срабатывание при обнаружении замыкания на землю, что значительно ускоряет реакцию, а механизм 51G имеет задержку в 0.5-2 секунды, предотвращая срабатывание в случае ложных срабатываний и отключая замыкания на землю при наличии твердотельных замыканий. В системах с резистивным заземлением обычно предпочтительнее использовать 51G. Иногда 50G используется в системах с высоким импедансом заземления или без заземления, когда быстрое отключение становится жизненно важным.

Когда следует указывать дифференциальную защиту (87M) для двигателя?

Для всех машин мощностью 750 кВт и выше рекомендуется использовать дифференциальную схему защиты. Она необходима в следующих случаях: для двигателей, используемых в критически важных процессах, отказ которых приведет к значительным производственным потерям; для двигателей, работающих в незаземленных или высокоомных системах заземления; и для двигателей, требующих дорогостоящей перемотки. Дифференциальная релейная защита обнаруживает внутренние фазовые замыкания, межвитковые замыкания или некоторые замыкания на землю, при этом существующие реле не обладают достаточной чувствительностью. Стоимость дифференциальной сигнализации или защиты начинается от 5,000 долларов США и может достигать 15 000 долларов США на один двигатель, что составляет лишь небольшую часть потенциальной стоимости защиты.

Для управления двигателем следует использовать вакуумный контактор или автоматический выключатель?

Для двигателей, которые часто запускаются и останавливаются, следует использовать вакуумный контактор. Контакторы, рассчитанные на 100 000–500 000 механических операций и требующие минимального технического обслуживания, существуют. Для двигателей, работающих непрерывно, в условиях высокой интенсивности короткого замыкания или требующих селективности с защитой вышестоящего уровня, вместо них используются автоматические выключатели. Во многих случаях используются два типа: автоматический выключатель для защиты от неисправностей и вакуумный контактор для нормального переключения, разработанный с учетом механизма работы типа 2.

К какому классу напряжения относятся двигатели среднего напряжения?

В соответствии со стандартами IEC, среднее напряжение определяется как диапазон от 1 кВ до 35 кВ. В соответствии со стандартами ANSI/NEMA, это диапазон от 2.4 кВ до 69 кВ. К распространенным напряжениям двигателей среднего напряжения относятся 2.3 кВ, 3.3 кВ, 4.16 кВ, 6.6 кВ, 6.9 кВ, 11 кВ и 13.8 кВ. Двигатели с номинальным напряжением ниже 1 кВ относятся к низковольтным. Двигатели с напряжением выше 35 кВ относятся к высоковольтным и требуют специализированных систем защиты, выходящих за рамки стандартной защиты двигателей среднего напряжения.

Во сколько обходится незапланированный простой двигателя?

Затраты значительно различаются в зависимости от отрасли. В целом, средние показатели по обрабатывающей промышленности составляют... $125,000perhour.Oilandgasoperationsrangefrom$200,000 к $500,000perhour.Automotiveчеловекufacturingcanreach$2.3 миллиона в час. В фармацевтических процессах пакетной обработки теряются $100,000to$500 000 в час без учета потерь продукции. Однократное четырехчасовое отключение линии, генерирующей $20,000perhourtranslatesto$Упущенная выгода в размере 80 000 долларов до вычета затрат на ремонт. Выходы из строя подшипников, являющиеся причиной 51% поломок электродвигателей, в значительной степени предотвратимы при надлежащей защите и профилактическом техническом обслуживании.

Что такое координация 2-го типа в защите двигательных функций?

Координация типа 2 требует, чтобы при коротком замыкании не происходило повреждения контактора или реле перегрузки. Срабатывает только предохранитель или автоматический выключатель. После устранения неисправности контактор может возобновить нормальную работу без ремонта. Координация типа 1 допускает незначительные повреждения контактора, но предотвращает катастрофические отказы. Координация типа 2 предпочтительна для критически важных применений, где необходимо быстрое восстановление. Для достижения координации типа 2 требуется тщательный выбор предохранителя, чтобы гарантировать, что он сработает в течение времени, допустимого для контактора.

Заключение

Разработка системы защиты и управления двигателями среднего напряжения требует системного подхода, а не простого выбора компонентов. Цепочка защиты, от трансформаторов тока и реле до выключателей и контакторов, должна быть спроектирована как интегрированная система. Каждое звено должно быть правильно рассчитано, настроено соответствующим образом и согласовано с устройствами, расположенными выше и ниже по цепи.

Ключевым моментом является соответствие защиты риску. Насос мощностью 250 кВт нуждается в защите от тепловой перегрузки, перегрузки по току и замыкания на землю. Компрессор мощностью 5,000 кВт нуждается во всем этом, а также в дифференциальной защите, контроле температуры подшипников и дугоустойчивом распределительном устройстве. Стоимость комплексной защиты составляет лишь малую часть затрат, связанных с предотвращенными отказами.

Компания Shandong Electric производит оборудование для преобразования энергии и защиты для промышленного, горнодобывающего, нефтегазового, энергетического и авиационного применения. Наша инженерная команда оказывает поддержку в проектировании систем защиты с учетом специфики проекта, начиная от выбора реле и расчета их настроек и заканчивая спецификацией распределительного щита и дугоустойчивой конструкцией. Для сложных систем среднего напряжения с двигателями, разработка по индивидуальному заказу гарантирует, что система защиты будет точно соответствовать требованиям электросетевого кодекса, техническим характеристикам двигателя и требованиям безопасности.

Запросите бесплатный анализ технических характеристик защиты электродвигателя среднего напряжения. Свяжитесь с нашей инженерной командой, указав номинальные характеристики вашего двигателя и особенности его применения, и мы порекомендуем оптимальные функции защиты, настройки реле и стратегию координации для вашего проекта.

Компания Shandong Electric также предлагает наши услуги. Преобразователь частоты 400 Гц Предназначено для наземного электроснабжения и авиационной техники, изготовлено в соответствии с теми же стандартами качества, которые используются для обеспечения работы критически важной инфраструктуры по всему миру.