Перенапряжения при коммутациях электродвигателей высоного напряжения

Включение двигателя осложняется неодновременным замыканием полюсов выключателя, что приводит к повышению перенапряжений. Включение происходит несколькими стадиями, каждая из которых характеризуется своей частотой переходного процесса.

При включении 1-й фазы начинается быстрое вырвнивание напряжения между ранее включенным кабеоем и коммутируемым. Этот процесс идет в виде затухающих ВЧ колебаний с чатотой 50 — 250 кГц. При этом перенапряжения на конце первой включившейся фазы кабеля (у двигателя) могут достигать двойной величины мгновенного значения напряжения на шинах. Напряжение на емкостях невключившихся фаз кабеля устанавливается через индуктивность двигателя Lд в процессе свободных колебаний системы «кабель-двигатель» с частотой равной.

где Со и См — емкости коммутируемого кабеля на землю и между фазами.

Включение второй и третьей фаз отличается от включения первой наличием напряжения на емкостях включаемых фаз. Включение этих фаз в момент максимума собственных колебаний системы «кабель-двигатель» приводит к наибольшим перенапряжениям на этих фазах. В случае включения 1-й и 2-й фаз выключателя вблизи максимума Uлин, так что 2-я фаза запаздывает относительбно 1-й на 0,5 периода частоты f, перенапряжения у двигателя на фазе, включившейся 2-й, могут достигать 3,3Uф.

Если коммутация 2-й и 3-й фаз выключателя происходит после затухания свободных колебаний, то Uпер=(2,6 — 2,7)Uф.

При включении очень мощных двигателей кратности ВЧ перенапряжений снижаются из-за снижения коэффициента отражения от обмотки.

Включение двигателя в процессе АВР или АПВ при несинхронном остаточном напряжении двигателя существенно повышает возможные перенапряжения до (4 — 4,5)Uф. Перенапряжения на 2-й включаемой фазе имеют наибольшую величину, если фаза включается в момент максимума собственных колебаний при противоположных полярностях Uнач и напряжения питающих шин.

При отключении вращающегося двигателя со срезом тока от сети магнитный поток, связывающий обмотки статора и ротора, в первый момент остается неизменным и затухает лишь постепенно, Поэтому, а также вследствие механической инерции ротора, некоторое время после отключенияот сети на зажимах двигателя поддерживается почти нормальное синусоидальное напряжение 50 Гц. В дальнейшем величина ичастота этого напряжения снижается по мере затухания потока в роторе и снижения его оборотов.

Одновременно спадает энергия заключенная в полях рассеяния статора. Это происходит в форме ВЧ колебаний в цепи из емкости и индуктивности рассеяния обмотки статора. Наложение этих двух процессов дает результирующее напряжение на зажимах двигателя.

Отключение вращающегося двигателя (на холостом ходу или с номинальной нагрузкой) дает обычно умеренные перенапряжения, т.к. магнитная энергия главного поля спадает не сразу, а постепенно расходуется на нагрев обмотки ротора. Перенапряжения возникают за счет относительно небольшой энергии полей рассеяния статора. При отключении нагруженного двигателя отключаемые токи выше и перенапряжения выше.

Отключение вращающихся двигателей не дает перенапряжений выше 2Uлин. Чем меньше мощность двигателя, тем больше перенапряжения.

В случае отключения практически неподвижного двигателя (неуспевшего развернуться при пуске, заторможенного после отключения к.з. в сети, заторможенного при перегрузке) магнитная энергия при срезе тока освобождается полностью, что приводит к значительным перенапряжениям. Уровень перенапряжений зависит от конструкции дугогасящих устройств выключателя, скольжения двигателя, его мощности, длины кабеля и др. Большую роль играет значение тока среза, связанное с конструкцией выключателя. Даже маломасляные выключатели ВМП-10 создают большие перенапряжения (до 5 Uф) при отключении заторможенных двигателей 6 кВ 250 кВт.

Наибольшие перенапряжения возникают при отключении вакуумными и воздушными выключателями без шунтирующих сопротивлений. Баковые и маломасляные выключатели дают примерно одинаковые перенапряжения. Наличие шунтирующих сопротивлений 500 — 1000 Ом в выключателях значительно снижают перенапряжения. При отключении двигателей малой мощности (до 400 кВт) наименьшие перенапряжения возникают при коммутациях электромагнитными выключателями.

При отключнии неподвижного двигателя в особо неблагоприятных случаях возможны перенапряжения до 6Uф (100 — 175 кВт).

В среднем ожидаемые перенапряжения при отключении двигателей составляют (2,4 — 2,6)Uф, в 5% случаев возможны перенапряжения более (4−5)Uф.

Для двигателей 6 и 10 кВ допустимые воздействия 2,62 и 2,52Uф при tф5 мкс.

Основные средства защиты: ОПН и демпфирующие R — C цепочки, включаемые относительно земли на каждой фазе двигателя.

При использовании R — C цепочки емкость С ограничивает ток в сопротивлении и рассеиваемую мощность при промышленной частоте. При ВЧ собственных колебаниях в цепи двигателя, возникающих при срезе тока, значительная часть напряжения ложится на сопротивление R, что приводит к рассеиванию в нем энергии и демпфированию переходного процесса перенапряжений.

Положительные функции R — С цепочки:

уменьшает амплитуду напряжений при срезе тока, т.к. увеличивает емкость отключаемой нагрузки;

демпфирует ВЧ колебания при повторных зажиганиях дуги в выключателях и в меньшей степени колебания после среза тока, т. е. уменьшает частоту восстанавливающегося напряжения, чем снижает вероятность повторных зажиганий дуги между контактами выключателя;

сдвигает нуль тока ВЧ колебаний относительно максимума напряжения, поэтому в момент гашения при нуле тока напряжение на емкости ниже максимального, что также снижает вероятность повторных зажиганий;

снижает крутизну фронта перенапряжений при повторных зажиганиях вследствие снижения частоты колебаний, что облегчает воздействие на продольную изоляцию двигателей.

Отрицательные функции R — С цепочки:

емкость R — С цепочки увеличивает общий емкостный ток замыкания на землю;

трудности в размещении R — С цепочки вблизи выводов двигателя.

Демпфирующая R-C цепочка должна применяться для защиты наиболее ответственных электродвигателей, при этом установка этих цепочек на нескольких присоединениях не должна приводить к установке в сети дополнительных дугогасящих реакторов.

Емкость защитной цепочки выбирается в 5 раз больше емкости отключаемого присоединения (емкость кабеля по прямой последовательности плюс емкость защищаемого объекта). Сопротивление определяется по формуле Ом где L=Lш+Lк; Lш — индуктивность ошиновки, при нимаемая равной 2510−6 Гн; Lк — индуктивность кабеля 6 кВ на высоких частотах в зависимости от сечения токоведущей жилы кабеля принимается равной 0,14 мГн/км для S=35 мм2 и 0,055 мГн/км для S=240 мм2.

Эквивалентная емкость двигателя при отсутствии конкретных данных может быть определена по формуле, мкФ, где Рн — номинальная мощность двигателя.

Для защиты двигателей применяются также ОПН кстанавливаемые вблизи коммутируемого двигателя между каждой фазой и землей. Наиболее подходящими являются ОПН с защитным уровнем при токе 150 А равным U=14 кВ=2,62Uф, разработанные для собственных нужд электрических станций. ОПН практически не влияет на крутизну перенапряжений, т.к. ограничивает только амплитуду напряжения относительно земли. ОПН прерывает многократные повторные зажигания.

Защита с помощью ОПН менее эффективна, чем правильно подобранная R — C цепочка, но допустима. ОПН, установленные на шинах, не защищают присоединения от перенапряжений, вызванных вакуумными выключателями. ОПН и R — С цепочки следует устанавливать непосредственно у двигателей, но при длине кабеля менее 40−50 м можно устанавливать и на сборных шинах.