1

11. Zabezpieczenia silników

Rozruch i wybieg silnika asynchronicznego

Dane silników Un = 6 kV

Typ silnika

-

Sf 315 XK2

Sf 355 Y2B

Sf 315 X4

Moc

kW

160

315

200

Prędkość

obr/min

3000

3000

1500

cos

ϕ

-

0.9

0.9

0.9

kr

-

6

5

5

In

A

18.4

35.2

23.7

Dane modeli silników (EMTP)

R_obc/D

-1

Ω

0.62

0.32

0.123

R_jał/D

-1

Ω

20.58

10.45

4.12

Io

kgm

2

2

3.7

4.8

Io_zewn

kgm

2

17

25

117

Q_komp

kvar

30.7

51.3

54.8

Parametry mechaniczne

Odpowiedniki elektryczne w ATP

T - moment obciążenia [Nm]

i wartość prądu źródła prądowego [A]

ω

- prędkość kątowa [rad/s]

v napięcie na zacisku „M_Node” [V]

Θ

- kątowa pozycja wirnika [rad]

q ładunek na pojemności [C]

J - moment bezwładności [kgm

2

]

C pojemność [F]

D - współczynnik tłumienia [Nms/rad] 1/R konduktancja [S]

ω

=

P

T

moment siły obciążający silnik

ω

=

T

D

współczynnik tłumienia

D

1

R

=

rezystancja modelująca tłumienie

2

Q4

Q5

B

A

A4

B4

B5

Q2

100 m

51.3kvar

30.7kvar

54.8kvar

70 MVA

315 kW

M2

Q6

T - jalowy

200 kW

M3

T - znam

A5

160 kW

M1

T - znam

Q3

70 MVA Q1

6 kV

6 kV

100 m

100 m

3

(f ile SZR_WN.pl4; x-v ar t)

u1:OMEGM

u2:OMEGM

u3:OMEGM

0

5

10

15

20

25

30

[s]

0

50

100

150

200

250

300

350

rd/s

Prędkości obrotowe silników

(f ile SZR_WN.pl4; x-v ar t)

u1:IPA

0

5

10

15

20

25

30

[s]

-200

-100

0

100

200

[A]

Prąd silnika M1

(f ile SZR_WN.pl4; x-v ar t)

u2:IPB

0

5

10

15

20

25

30

[s]

-300

-200

-100

0

100

200

300

[A]

Prąd silnika M2

(f ile SZR_WN.pl4; x-v ar t)

u3:IPC

0

5

10

15

20

25

30

[s]

-200

-100

0

100

200

[A]

Prąd silnika M3

4

Charakterystyka momentu silnika indukcyjnego w funkcji poślizgu
















1 - moment silnika przy napięciu znamionowym Un
2 - moment silnika przy napięciu U = 0,7 Un
3 - moment hamujący



Prąd stojana (wartość skuteczna składowej sinusoidalnej) w funkcji poślizgu
















1 - moment silnika przy napięciu znamionowym Un
2 - moment silnika przy napięciu U = 0,7 Un

M

1

2

3

s

1

0

s

kr

s

u

ω

=0

ω

=

ω

s

s

1

0

1

2

I

I

M_70%

I

M_100%U

5

I

Mr

– wartość skuteczna prądu rozruchowego (prawie niezmienna w całym okresie

rozruchu 0

÷

t

r

)

I'

Mr

– wartość skuteczna prądu rozruchowego w początkowej fazie rozruchu o wartości

(1,5

÷

1,7)I

Mr

. Zwiększenie jest spowodowane obecnością składowej nieokresowej

I

M

– ustalony prąd obciążenia

Rodzaje zakłóceń:

- Zwarcia w uzwojeniach stojana i wirnika

















- Utknięcie silnika,
- Przegrzanie uzwojeń stojana lub wirnika na skutek zbyt długiego rozruchu,
- Przegrzanie uzwojeń silnika na skutek pracy niepełnofazowej,
- Przegrzanie uzwojeń silnika na skutek wystąpienia niesymetrii napięć zasilających,

t

0

I

I'

Mr

I

Mr

I

M

t

Mr

6

- Przegrzanie uzwojeń silnika na skutek obniżenia napięcia zasilającego,
- Przegrzanie uzwojeń silnika na skutek wzrostu momentu hamującego,
- Wzrost temperatury silnika spowodowany przyczynami mechanicznymi,
- Wypadnięcie z synchronizmu silnika synchronicznego.

I>

M

Układ krzyżowy
przekładników

I>>

M

I

0

>

t

U<

U<

t

7

Układ trójprzekładnikowy

∆

I>

M
~

I>>

M

∆I

t

U<

t

I

0

>

t

6

6

I<

t

a

b

c

8

Układ dwuprzekładnikowy pełny













Układ dwuprzekładnikowy uproszczony

M
~

∆

I>

M
~

∆

I>

9

10

Silniki do 1 kV

Zakłócenie

Indukcyjny

Synchroniczny

Działanie

Zwarcie w
uzwojeniach i
przewodach
zasilających

I>, 3-faz

bezpieczniki lub wyzwalacze lub

przekaźniki

Bezzwłoczne

wyłączenie

Przeciążenie

I>, t

zależne lub niezależne

Sygnalizacja lub

wyłączenie

Obniżenie lub zanik
napięcia

U<

zwłoczne lub bezzwłoczne

Wyłączenie

Wypadnięcie z
synchronizmu

-

I> lub Q>

lub I

∼

w obw. wzb.

Odwzbudzenie lub

wyłączenie

Zabezpieczenia od skutków zwarć w uzwojeniach silnika i przewodach zasilających

•

Bezpieczniki lub wyzwalacze elektromagnesowe wyłączników samoczynnych

Nie powinny działać podczas rozruchu

α

=

rs

I

b

I

I

rs

- prąd rozruchowy

α

- współczynnik zależny od rodzaju wkładki, częstości i rodzaju rozruchu

Wartości współczynników

α

Kilka rozruchów na dobę

Więcej niż kilka

rozruchów na dobę

Rozruch

Wkładka

szybka

Wkładka

zwłoczna

Wkładka

szybka

Wkładka

zwłoczna

Lekki

M

h

=(0÷0.3)·M

n

2.5

3

2

2.5

Średni

M

h

=(0.3÷0.6)·M

n

2

2.5

1.8

2

Ciężki

M

h

=(0.6÷1)·M

n

1.6

1.6

1.5

1.5

M

n

- moment znamionowy

M

h

- moment hamujący urządzenia napędzanego

11

Wartości prądów rozruchowych (współczynniki k

r

)

k

r

= I

r

/I

n

Rodzaj silnika

Szybkobieżny

Wolnobieżny

Pierścieniowy

1.7÷2

1-klatkowy

5.5÷7.5

4÷5

1-klatkowy z przeł. Y/D

1.8÷2.5

1.3÷1.7

2-klatkowy (lub głębokożł.)

3.5÷4.5

2.8÷3.3

I

r

- prąd rozruchowy silnika

I

n

- prąd znamionowy silnika

•

Wyzwalacze elektromagnesowe zwarciowe

sz

I

1

.

1

r

I

⋅

=

I

sz

- największy prąd szczytowy jaki może wystąpić w czasie normalnej pracy i w czasie

rozruchu silnika

Zabezpieczenie od skutków przeciążeń

Nie stosuje się gdy: I

n

< 4 A

P

n

<10 kW gdy przeciążenia mało prawdopodobne (np. wentylatory)

Stosuje się:

•

Czujniki temperatury w uzwojeniach stojana (t < t

dop

+ 5ºC)

•

Wyzwalacze termobimetalowe lub przekaźniki termiczne współpracujące ze stycznikiem
lub wyłącznikiem - (nastawa 1÷1.1 I

n

)

Zabezpieczenia od skutków zaniku napięć

Stosuje się gdy:

- samorozruch jest niedopuszczalny ze względu na pracę samego silnika (duży prąd rozruchu
I

r

), na proces technologiczny lub bezpieczeństwo obsługi,

- należy zapewnić dobre warunki samorozruchu (po powrocie napięcia) innym silnikom bez
zabezpieczeń zanikowych.

Funkcję takiego zabezpieczenia może spełniać stycznik (U

p

= ok. 50% U

n

)

12

Przykład zabezpieczenia silnika nn:

U

n

= 400 V, S

n

= 11 kW, cos φ = 0.88, η = 0.9, k

r

= 6.5

A

1

.

20

9

.

0

88

.

0

400

3

3

10

11

cos

n

U

3

n

S

n

I

=

⋅

⋅

⋅

⋅

=

ϕ

⋅

η

⋅

⋅

=

A

131

5

.

6

1

.

20

r

I

=

⋅

=

1. Zabezpieczenie od zwarć wewnętrznych

Prąd znamionowy bezpiecznika:

α

=

r

I

b

I

2

=

α

wkładka szybka

A

66

2

131

b

I

=

=

Przyjęto bezpiecznik 80 A

2. Zabezpieczenie od przeciążeń

Wyzwalacz termobimetalowy:

A

1

.

22

1

.

20

1

.

1

n

I

1

.

1

nast

I

=

⋅

=

⋅

=

13

Silniki o napięciu powyżej 1 kV

Zakłócenie

<1 MW

1÷2 MW

>2 MW

Nastawy

Bezpieczniki 3-fazowe z

rozłącznikiem

α

≥

⋅

=

rs

I

b

I

n

I

2

,

1

b

I

Wyzwalacze

pierwotne z

wyłącznikiem

-

rs

I

5

.

1

r

I

⋅

≥

;

5

.

1

r

I

min

z

I

c

k

≥

=

Nadprądowe bezzwłoczne 2-faz

lub 3-faz

i

rs

I

b

k

r

I

ϑ

⋅

=

;

2

i

r

I

min

z

I

c

k

≥

ϑ

⋅

=

2

4

.

1

b

k

÷

=

Zwarcia
wewnętrzne
międzyfaz.

-

Różni-

cowe

(wyprow. 6

końców)

i

n

I

5

.

0

r

I

ϑ

⋅

=

;

2

i

r

I

min

z

I

c

k

≥

ϑ

⋅

=

s

5

.

0

t

≤

Zwarcie
doziemne

Zerowoprądowe

0

i

l

0

I

3

b

k

r

I

ϑ

⋅

≥

;

2

0

i

r

I

l

0

I

3

s

0

I

3

c

k

≥

ϑ

⋅

−

=

s

5

1

t

÷

=

;

5

.

1

b

k

=

Nadprądowe zwłoczne termiczne

(P > 400 kW)

s

τ

=10 min. dla siln. o bud. otw.

30-60 min dla siln. o bud. zamkn.

i

n

I

b

k

r

I

ϑ

⋅

≥

;

2

)

In

k

(

2

I

2

I

ln

s

t

⋅

−

⋅

τ

=

1

.

1

k

;

1

.

1

b

k

=

=

Przeciążenia

Nadprądowe zwłoczne

(charakterystyka zależna lub

niezależna) (P<400 kW)

i

p

k

n

I

b

k

r

I

ϑ

⋅

⋅

≥

;

r

t

t

;

1

.

1

b

k

>

=

Zanik lub
obniżenie
napięcia

Podnapięciowe zwłoczne lub

bezzwłoczne

u

p

k

b

k

n

U

r

U

ϑ

⋅

⋅

≤

;

15

.

1

p

k

;

2

.

1

b

k

=

=

Nadmierny
wzrost
temperatury

Pomiar temperatury łożysk i

uzwojeń

Niesymetria
prądowa

Pomiar składowej przeciwnej

prądu

Dodatkowo dla synchronicznych

Wypadnięcie
z synchro-
nizmu

-

Nadprądowe

zwłoczne lub

biernomocowe

i

p

k

n

I

s

k

b

k

r

I

ϑ

⋅

⋅

⋅

≥

;

t

max

t

t

∆

+

=

Praca
prądnicowa

-

Kierunkowe +

podczęstotliwościowe

48 Hz

Zanik pradu
stałego w
obw. wzb.

Zanikowo prądowe

In – prąd znamionowy
Irs – prąd rozruchu

14

Przykład zabezpieczenia silnika WN:

S

n

= 400 kW, U

n

= 6 kV, cos φ = 0.8, k

r

= 3.5, linia kablowa 300 m

S

k

6kV

= 200 MVA, 3I

0s

= 5 A (cała sieć)

Składowa początkowa prądu zwarciowego przy zwarciach na szynach

kA

4

.

19

6

10

6

3

6

10

200

n

U

3

k

S

f

3

k

I

=

⋅

⋅

⋅

=

⋅

=

Prąd zwarcia 2-faz

kA

8

.

16

f

3

k

I

2

3

f

2

k

I

=

⋅

=

Prąd znamionowy

A

48

cos

kV

6

3

kW

400

n

I

=

ϕ

⋅

⋅

=

1. Zabezpieczenie nadprądowe zwłoczne zależne

Człon zwłoczny - zabezpieczenie od przeciążeń

Charakterystyka zależna

A

3

.

5

10

48

1

.

1

i

n

I

b

k

r

I

=

⋅

=

ϑ

⋅

=

Człon bezzwłoczny - od zwarć międzyfazowych

A

5

A

50

i

=

ϑ

n

I

5

.

3

rs

I

⋅

=

A

5

.

23

10

48

5

.

3

4

.

1

i

rs

I

b

k

r

I

=

⋅

⋅

=

ϑ

⋅

=

Czułość

2

72

10

5

.

23

3

10

8

.

16

i

r

I

f

2

k

I

c

k

>>

=

⋅

⋅

=

ϑ

⋅

=

2. Zabezpieczenie podnapięciowe - od obniżenia napięcia

15

60

3

/

V

100

3

/

kV

6

u

=

=

ϑ

V

73

60

15

.

1

2

.

1

3

10

6

u

p

k

b

k

n

U

r

U

=

⋅

⋅

⋅

=

ϑ

⋅

⋅

=

s

5

.

0

t

=

3. Zabezpieczenie zerowoprądowe - od skutków zwarć z ziemią

l

0

I

3

b

k

r

I

⋅

=

A

6

.

0

km

/

A

2

m

300

l

0

I

3

=

⋅

=

(prąd pierwotny)

A

9

.

0

6

.

0

5

.

1

r

I

=

⋅

=

(prąd pierwotny)

2

45

.

0

9

.

0

5

r

I

l

0

I

3

s

0

I

3

c

k

>>

−

=

−

=

s

2

t

=

[1]

Wyrzykowska S. Pomiary i automatyka w elektroenergetycznych sieciach
przemysłowych. Projektowanie. WNT, Warszawa, 1988