Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) на двигателях напряжением выше 1000В должны устанавливаться следующие устройства релейной защиты:
- защита от междуфазных коротких замыканий;
- защита от замыканий на землю;
- защита от двойных замыканий на землю;
- защита от перегрузки.
Для синхронных двигателей дополнительно требуется защита от асинхронного режима. Применяемые для этой цели виды релейной защиты зависят от мощности электродвигателей:
В качестве защиты от междуфазных КЗ при мощности двигателей до 5000 кВт применяется токовая отсечка, она может применяться и для двигателей большей мощности, не имеющих фазных выводов со стороны нейтрали двигателя. При двигателях большей мощности, а также, если токовая отсечка для двигателей меньшей мощности не удовлетворяет требованиям чувствительности, применяется дифференциальная защита при условии, что эти двигатели имеют выводы со стороны нейтрали.
В качестве защиты от замыканий на землю при токах замыкания более 5 А для двигателей более 2000 кВт и 10А для двигателей меньшей мощности применяется токовая защита нулевой последовательности, действующая на отключение. На линиях, питающих двигатели передвижных механизмов, защита от замыканий на землю, по соображениям электробезопасности, должна действовать на отключение независимо от величины тока замыкания на землю. На блоках трансформатор-двигатель защита от замыканий на землю действует на сигнал.
Для защиты от двойных замыканий на землю применяется токовая защита нулевой последовательности, действующая на отключение. Она применяется в тех случаях, когда зашита от замыканий на землю имеет выдержку времени. Ее применение обязательно, если защита от междуфазных КЗ выполняется в двухфазном варианте.
Защита от перегрузки требуется для двигателей, подверженных перегрузке по технологическим причинам, или с особо тяжелыми условиями пуска. Защиту от перегрузки можно выполнять с зависимой или независимой выдержкой времени. Она может действовать на разгрузку механизма по технологическим цепям или на сигнал - первая ступень и на отключение - вторая. Выдержка времени защиты от перегрузки при токе, равном пусковому току двигателя, выполняется большей времени его пуска. При таком выполнении защиты двигателя имеется значительный тепловой запас. Это дает возможность выполнить действие такой защиты от перегрузки на разгрузку механизма.
Согласно ПУЭ на двигателях мощностью менее 5000 кВт можно иметь токовую отсечку, токовую защиту от замыканий на землю, защиту от перегрузки. Существуют специальные защиты от перегрузки с зависимой от величины характеристикой, совпадающей с тепловой характеристикой.
Защита от асинхронного режима для синхронных двигателей может действовать по току перегрузки с независимой выдержкой времени. Для двигателей с ОКЗ более 1,0 может быть применена защита с зависимой характеристикой. Режим асинхронного хода сопровождается перегрузкой двигателя, и на него реагируют защиты от перегрузки. Простые токовые защиты могут срабатывать и возвращаться при колебаниях тока. Поэтому защиты от перегрузки в асинхронном режиме должны накапливать выдержку времени. Можно использовать две ступени защиты от перегрузки: ступень с меньшей выдержкой времени действует на ресинхронизацию, а с большей – на отключение.
Специальные защиты от потери возбуждения имеются в устройствах возбуждения крупных двигателей. Эти устройства целесообразно использовать для автоматической ресинхронизации. Для облегчения условий самозапуска, а также для предотвращения подачи несинхронного напряжения на возбужденные синхронные двигатели или заторможенные механизмы двигатели должны быть оборудованы защитой минимального напряжения. Эта защита может быть либо индивидуальной, либо групповой. В ряде случаев для ускорения подачи напряжения на шины или предотвращения подачи напряжения на двигатели автоматикой внешней сети синхронные двигатели могут быть дополнительно оборудованы зашитой по понижению частоты, так как они способны длительно поддерживать напряжение в сети.
Кроме перечисленных, обязательных функций защиты, специальные защиты для двигателей имеют дополнительные функции, использование которых улучшает условия эксплуатации двигателя. К ним относятся:
- зашита от обрыва фазы;
- ограничение количества пусков;
- запрет пуска по времени прошедшего от предыдущего пуска;
- зашита минимального тока или мощности;
- заклинивание или затормаживание ротора.
Специальные устройства защиты двигателей могут работать не только с током и напряжением, но и с датчиками температуры.
У двигателей большой мощности существуют также технологические защиты, которые могут действовать на отключение двигателей; повышение температуры двигателя, его подшипников, прекращение смазки подшипников, циркуляция воздуха в системе охлаждения. Необходимость этих защит и предъявляемые к ним требования излагаются в заводской документации.
Токовая защита от многофазных замыканий в обмотке статора двигателя
Защиты от многофазных замыканий в обмотке статора должны срабатывать по возможности с минимальным временем. Для этой цели используется максимальная токовая защита с зависимой или независимой выдержкой времени. При этом для быстрого отключения при сверхтоках короткого замыкания используется токовая отсечка, отстраиваемая от максимального значения пускового тока в момент включения двигателя. Остальной диапазон возможных токов коротких замыканий перекрывается ступенями МТЗ с независимой (зависимой) выдержкой времени.
Функция динамического переключения параметров (уставок) защиты обеспечивает ее загрубление на определенное время (при включении электродвигателя после предшествующей паузы) и тем самым позволяет повысить чувствительность к коротким замыканиям. При этом генерируется сигнал наличия предшествующей паузы в подаче напряжения, и переключаются уставки МТЗ, чем обеспечивается блокировка защиты во время последующего пуска двигателя.
Дифференциальная защита электродвигателя
Дифференциальная защита применяется ка двигателях сравнительно большой мощности, а также в случаях, когда МТЗ к токовая отсечка не обеспечивают необходимую чувствительность к внутренним междуфазным коротким замыканиям, ввиду необходимости отстройки от пусковых токов.
Защита электродвигателя от замыканий на землю в обмотке статора
Защиты от замыканий на землю в обмотке статора зависят от вида заземления нейтрали сети. В сетях с большим током КЗ на землю (сеть с глухозаземленной нейтралью) применяется токовая защита, реагирующая на ток нулевой последовательности (3I0). Так как ёмкость обмотки намного меньше ёмкости сети, можно использовать ненаправленные токовые защиты нулевой последовательности. В особых случаях, при соизмерительности ёмкости двигателя и электрической сети необходимо использование направленной токовой земляной защиты.
Защита электродвигателя по току обратной последовательности
Ток обратной последовательности (I2) в обмотке статора возникает при несимметричном питании, при обрыве фазы обмотки статора, при несимметричном коротком замыкании. Как электрическая машина с вращающимся ротором, двигатель имеет значительно меньшее сопротивление для составляющих токов обратной последовательности. Поэтому составляющая тока обратной последовательности, возникающая в обмотке ротора и имеющая более высокую частоту ввиду обратного направления вращения относительно поля статора, приводит к увеличению тепловых потерь и разогреву двигателя. Принцип выполнения защиты основан на измерении симметричных составляющих рабочего тока.
Защита электродвигателя от снижения напряжения питания
Устойчивость работы двигателя зависит от значения и длительности снижения напряжения. Для этой цели используются защиты с контролем глубины снижения напряжения, которые могут иметь ступени по напряжению как с независимой выдержкой времени, так и с выдержкой времени, зависящей от глубины снижения напряжения. Данная защита должна автоматически выводиться из действия при отключении двигателя или при неисправности цепей напряжения.
Защита электродвигателя от тепловой перегрузки
Защита от тепловой перегрузки может быть выполнена на основе использования МТЗ с зависящей от тока выдержкой времени или на основе дифференциального уравнения нагрева двигателя.
Зашита электродвигателя от потери синхронизма
Традиционный способ выполнения защиты двигателя от потери синхронизма – фиксация периодических колебаний тока статора. Другим критерием может являться потребление синхронным двигателем в асинхронном режиме сравнительно большого тока с низким коэффициентом мощности (cosφ)