Перспективы разработки адаптивных токовых защит электродвигателей



В статье выполнен анализ современной литературы и исследований в области адаптивных токовых защит для электродвигателей.

Ключевые слова: электродвигатель, токовая защита, адаптивные защиты.

Введение

В 2015 г была принята концепция развития релейной защиты и автоматики электросетевого комплекса (Приложение № 1 к протоколу Правления ОАО «Россети» от 22.06.2015 № 356пр). В соответствии с концепцией развития релейной защиты и автоматики (РЗА) электросетевого комплекса одним из основных направлений развитие РЗА распределительных сетей является «разработка новых алгоритмов, обладающих адаптивными свойствами». Минэнерго России в декабре 2016 г утвердило национальный проект «Разработка и внедрение цифровых электрических подстанций на вновь строящихся и реконструируемых объектах энергетики» (национальный проект «Цифровая подстанция»). Проект направлен на создание интеллектуальных устройств релейной защиты, способных к самонастройке и адаптации по параметрам контролируемого объекта. Следовательно, разработка новых алгоритмов, обладающих адаптивными свойствами, анализ их эффективности, технической реализуемости и потенциальных преимуществ является актуальной задачей.

Ожидается, что адаптивные защиты найдут широкое применение на цифровых подстанциях и в цифровых электрических сетях, где информационное обеспечение позволяет реализовать сложные алгоритмы адаптивных защит.

Анализ результатов патентного обзора

Традиционные устройства токовой отсечки (ТО) имеют фиксированное значение тока срабатывания, который отстраивается от наибольшего значения пускового тока в максимальном режиме питающей сети и от тока в обмотке статора при внешних КЗ. Для придания адаптивности в [1, 2] предложено отстраивать ток срабатывания ТО не от пускового тока в максимальном режиме питающей сети, а определять его непосредственно в момент КЗ. При этом ток срабатывания ТО жестко не задан, а зависит от режима питающей сети в момент КЗ. Такая ТО является адаптивной. Однако у такой адаптивной ТО возможны проблемы с ложным срабатыванием при КЗ в распределительной сети предприятия. Это возможно при таких режимах работы электродвигателя, при которых ЭДС защищаемого электродвигателя больше приложенного напряжения из сети. В патенте RU 2759512 C1 [3] предложено устройство направленной адаптивной токовой отсечки электродвигателей, у которой по сравнению с традиционной ТО и адаптивной ТО по [3] повышается эффективность функционирования за счет того, что исключается ложное срабатывание при коротком замыкании (КЗ) в распределительной сети предприятия. Схема направленной адаптивной токовой отсечки электродвигателей приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема направленной адаптивной токовой отсечки и ее подключение к электрической сети

Направленная адаптивная ТО содержит: — блок 2 определения фактического значения пускового тока; 3 — блок определения фактического значения тока срабатывания адаптивной ТО; блок токовых реле 4; блок направления мощности 5; логический блок 6; блок формирования опорного напряжения 7; исполнительный блок 8.

Благодаря блокам формирования опорного напряжения и направления мощности, адаптивная ТО способно отличать КЗ в обмотке статора от КЗ в распределительной сети. Это позволяет снизить ток срабатывания ТО, так как исключается необходимость отстраивать его от токов в обмотке статора при внешних КЗ.

Недостатком существующих традиционных ТО и адаптивных по [1, 3] является наличие мертвой зоны при КЗ, близких к нулевой точке, так как они срабатывают при КЗ только вблизи выводов ЭД и поэтому защищают только часть обмотки статора. В патенте RU 164467 U1 описано устройство токовой защиты электродвигателей с повышенной чувствительностью [4]. Схема токовой защиты содержит две ТО, одна из которых выполнена на токах со стороны фазных выводов, а вторая ТО — на токах со стороны нейтрали. Такая защита может быть названа «двойной или двухсторонней токовой отсечкой». Схема ее приведена на рис. 2.

Двухсторонняя ТО содержит токовую отсечку ТО1, входы которой подключены к фазным токам обмотки статора со стороны источника питания, и токовую отсечку ТО2, входы которой подключены к фазным токам обмотки статора со стороны нулевой точки электродвигателя. На отключение ЭД двухсторонняя ТО действует через блок ИЛИ.

Двухсторонняя ТО реагирует на короткие замыкания как в начале, так и в конце обмотки, что устраняет мертвую зону при КЗ вблизи нулевой точки и повышает эффективность функционирования защиты. Однако при несимметричных внутренних КЗ в средней части обмотки статора чувствительность двухсторонней ТО может быть недостаточной.

Рис. 2. Токовая защита ЭД типа «двухсторонняя отсечка»

Для защиты всей обмотки статора при несимметричных КЗ в [5] была предложена фильтровая двухсторонняя ТО. Схема фильтровой двухсторонней ТО приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема подключения двухсторонней ТО

Фильтровая двухсторонняя ТО от всех видов междуфазных КЗ содержит два блока токовой отсечки ТО1 и ТО2 от трехфазных КЗ и два фильтровых блока токовой отсечки ФТО1 и ФТО2 от несимметричных КЗ. Фильтровая двухсторонняя ТО выполняет функцию токовой отсечки, но в отличие от традиционной ТО защита по [5] защищает всю обмотку статора при несимметричных КЗ и по области действия является аналогом дифференциальной защиты.

Заключение

В заключение, можно отметить, что анализ современной литературы и исследований в области адаптивных токовых защит для электродвигателей показывает значительный интерес и актуальность этой темы. Разработка и исследование адаптивных токовых защит для электродвигателей обладают большим потенциалом для промышленного применения и является важным направлением повышения эффективности и надежности работы электродвигателей, особенно в условиях постоянно меняющихся нагрузок и рабочих режимов. Следовательно, дальнейшее исследование и развитие в адаптивных защит является важным для технического прогресса в области релейной защиты электродвигателей.

Литература:

1. Шабанов В. А., Путинцева А. А., Васильев П. И. Устройство адаптивной токовой отсечки электродвигателей. Патент RU № 2686081 C1 // Опубликовано: 24.04.2019 Бюл. № 12
2. Шабанов В. А., Путинцева А. А., Васильев П. И. Принцип действия адаптивной токовой отсечки электродвигателей // «Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов»: V-й межвуз. сб. науч. тр.– Уфа, Изд-во УГНТУ, 2018. С.206–211.
3. Шабанов В. А., Резник Е. С., Васильев П. И. Патент RU 2759512 C1. Устройство направленной адаптивной токовой отсечки электродвигателей // Заявл. 11.02.2021. Опубл. 15.11.2021. БИ № 31.
4. Шабанов В. А., Алексеев В. Ю., Путинцева А. А. Устройство токовой защиты электродвигателей. Патент на полезную модель. № 164467. Опубл. 10.09.2016. Бюл. № 25.
5. Шабанов В. А., Алексеев В. Ю., Путинцева А. А. Устройство токовой защиты электродвигателей. Патент U 2654208 C1.Дата заявки 27.02.2017. Дата публикации 17.05.2018. Бюл. № 14