Устройства защиты от скачков напряженя и другая электроавтоматика. Полезная информация.

Пришло время защищать правильно

Все потребители электроэнергии сталкиваются с проблемами аварий в электросети. Сгоревшее оборудование или электроприборы – это только «цветочки» по сравнению с «ягодками», которые могут появиться вследствие этих аварий: пожары, взрывы, техногенные катастрофы, – далеко не полный перечень трагических последствий. По данным МЧС РФ, более трети всех пожаров имеют электротехническое происхождение. Трудно оценить материальный ущерб, даже если не произошло трагедии. Стоимость сгоревшего оборудования порой ничтожно мала по сравнению с потерями, связанными с остановкой производства, простоем технологических процессов, демонтажом-монтажом, ремонтом или заменой вышедшей из строя установки.

1. Что такое – защита электрооборудования.

Совершенно очевидно, что электрооборудование необходимо защищать. Вот, например, как трактуетПУЭ (редакция 2002 года), раздел 3, глава 3.1 «Защита электрических сетей напряжением до 1 кВ», это понятие: «…3.1.8. Электрические сети должны иметь защиту от токов короткого замыкания, обеспечивающую по возможности наименьшее время отключения и требования селективности.

…Кроме того, должны быть защищены от перегрузки …осветительные сети в жилых и общественных зданиях, в торговых помещениях, служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий, включая сети для бытовых и переносных электроприемников (утюгов, чайников, плиток, комнатных холодильников, пылесосов, стиральных и швейных машин и т. п.), а также в пожароопасных зонах;

силовые сети на промышленных предприятиях, в жилых и общественных зданиях, торговых помещениях - только в случаях, когда по условиям технологического процесса или по режиму работы сети может возникать длительная перегрузка проводников…».

Как видим, в понятие «защита электрооборудования», прежде всего, вкладывается смысл защиты последнего от токов короткого замыкания и перегруза, которые могут появиться в электрических сетях. Это связано с тем, что при возникновении короткого замыкания в сети протекают токи, намного превышающие допустимые и приводящие к серьезным повреждениям. По сути, задачей защиты является локализация поврежденного («закоротившего») оборудования и исключения его из сети. В общем случае, защита от короткого замыкания защищает неповрежденное оборудование, в котором к.з. не произошло. Таким образом, если уж произошло к.з., необходимо сохранить оставшихся потребителей и питающие сети, а «закоротившее» оборудование вывести из схемы и отправить в ремонт.

Возникает вопрос: можно ли предвидеть к.з., предвосхитить его появление, защитив оборудование от причин возникновения к.з., т.е., защитить оборудование до появления к.з.? Иными словами, можно ли защитить оборудование так, чтобы к.з. не возникало. В общем случае ответ отрицательный. Причин, вызывающих к.з., очень много и всех их предвидеть и предусмотреть невозможно.

Однако, если проанализировать причины появления к.з. в электрооборудовании, можно сказать, что большинство их – следствие некачественного сетевого напряжения. Например, для асинхронных электродвигателей более 80% внутренних повреждений связаны напрямую или косвенно с некачественным сетевым напряжением. Под некачественным напряжением будем понимать отклонения его параметров от строго установленных ГОСТами. Попробуем подробнее разобраться в этом вопросе.

2. Показатели качества электроэнергии.

Электроприборы и оборудование предназначены для работы в определенной электромагнитной среде. Электромагнитной средой принято считать систему электроснабжения и присоединенные к ней электрические аппараты и оборудование, связанные кондуктивно и создающие в той или иной мере помехи, отрицательно влияющие на работу друг друга. При возможности нормальной работы оборудования в существующей электромагнитной среде, говорят об электромагнитной совместимости технических средств.

Единые требования к электромагнитной среде закрепляют стандартами, что позволяет создавать оборудование и гарантировать его работоспособность в условиях соответствующих этим требованиям. Стандарты устанавливают допустимые уровни помех в электрической сети, которые характеризуют качество электроэнергии (КЭ) и называются показателями качества электроэнергии (ПКЭ). Требования к качеству электрической энергии на территории РФ определяетМежгосударственный стандарт: "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" ГОСТ 13109-97.К основным показателям качества электрической энергии, определяемых этим ГОСТом относятся:

отклонения напряжения, связанные с графиком работы нагрузки;
колебания напряжения при резкопеременном характере нагрузки;
несимметрия напряжений в трехфазной системе при несимметричном распределении нагрузки по фазам;
несинусоидальность формы кривой напряжения при нелинейной нагрузке;
отклонение фактической частоты переменного напряжения от номинального значения в установившемся режиме работы системы электроснабжения;
провалы напряжения – внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90 % Uном) длительностью от нескольких периодов до нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения;
временные перенапряжения – внезапное и значительное повышение напряжения (более 110 % Uном) длительностью более 10 миллисекунд;
импульсные перенапряжения – резкое повышение напряжения длительностью менее 10 миллисекунд, достигающие тысяч вольт.

Причин, вызывающих, ухудшение КЭ множество. Назовем лишь некоторые: аварии на подающей подстанции, к.з. в распределительной сети, грозовые и коммутационные возмущения, неравномерность распределения нагрузки по фазам, резкие сбросы электроэнергии, срабатывание средств защиты и автоматики, электромагнитные и сетевые возмущения, связанные с работой мощной нагрузки, пр.

ГОСТ устанавливает два вида норм для ПКЭ: нормально-допустимые и предельно-допустимые. Рассмотрим, на примере отклонения напряжения от номинальных значений, чем грозит электрооборудованию выход за допустимые значения (см. табл. № 1)

ГОСТ устанавливает нормально и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на зажимах электроприёмников в пределах соответственно ?Uyнор= ± 5 % и ?Uyпред= ± 10 % номинального напряжения сети.

Таблица № 1. Влияние отклонения напряжения на электрооборудование

Электрооборудование	Снижение на 10 % от Uн	Превышение на 10 % от Uн
Асинхронные лектродвигатели Момент двигателя изменяется пропорционально квадрату напря	Момент двигателя снижается на 19%. Температура повышается на 7оС. Увеличивается время пуска. Скольжение повышается на 27,5%, ток ротора – на 14%, ток статора 10%.	Увеличенный момент двигателя, служит причиной перегрузки валов, ременных передач, увеличивается пусковой удар. Пусковой ток повышается на 12%, вращающий момент на 21%, коэффициент мощности снижается на 5%.
Осветительные приборы (лампы накаливания, люминесцентные, инфракрасные, ртутные, газонаполненные, балластные сопротивления, стартеры, конденсаторы) Срок службы ламп накаливания изменяется пропорционально напряжению в степени 13,1, светоотдача – 3,4, светоотдача на 1 кВт-час – в степени 1,8	Для нормального освещения потребуется на 30% больше ламп накаливания, на 15% – люминесцентных. Световой поток снижается на 10%.	Срок службы ламп накаливания снижается в 2,5 раза. Возрастает температура балластных сопротивлений, инфракрасные источники света увеличивают выделение тепла на 21 %.
Электронная аппаратура Срок службы электронных компонентов сокращается в 4 раза. Возникают ошибки цифровой техники. Выходит из строя программное обеспечение.	Тиратроны выходят из строя в течение нескольких минут	Сгорают сетевые фильтры, блоки питания, адаптеры

Очевидно, что работа электрооборудования даже на пределах допустимых значений, не только значительно сокращает срок его службы и снижает эффективности работы, но зачастую приводит к выходу его из строя. А если учесть, что в наших отечественных сетях, по выражению одного ответственного энергетика, настоящий «винегрет», то выход ПКЭ за допустимые пределы, к сожалению, повседневная реальность.

Не будем подробно останавливаться на том, какие конкретно повреждения возникают при тех либо других отклонениях ПКЭ от допустимых значений. В конечном итоге, все сводится к пробою изоляции – по причине ее ускоренного старения, связанного с нагревом, вызванным пониженным напряжением, нарушением симметричности и полнофазности; пробою, связанным с резким и значительным повышением напряжения, прочее. Несомненно, что применение устройств, защищающих оборудование от некачественного напряжения, позволит резко увеличить срок эксплуатации электрооборудования, во многом устранить причины, вызывающие короткие замыкания а, значит, порчу электроприборов.

3. Два вечных русских вопроса: «кто виноват» и «что делать»?

Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) разработаны стандарты по обеспечению защиты от сетевых аварий. Это, в первую очередь:

IEC 60364-4-44 (2001) «Электрические устройства зданий. Часть 4-44. Защита для обеспечения безопасности. Защита от резких отклонений напряжения и электромагнитных возмущений»;
IEC/TR 62066 (2002) «Перенапряжения и защита от выбросов напряжения в низковольтных системах питания переменного тока. Общая основная информация».

Эти материалы устанавливают единые нормы и правила при проектировании, устройстве и эксплуатации электрических сетей. Но, это, – международная практика, предписывающая защищать потребителей даже в их сетях, с более жесткими требованиями к ПКЭ. А, что же у нас? К сожалению, в действующих отечественных директивных материалах (ГОСТ, ПУЭ, ПТЭ, и т.д.) на сегодняшний день применительно к электроустановкам до 1000 В отсутствуют предписания об обязательной установке защитных устройств от некачественного сетевого напряжения. В последних редакциях ПУЭ появились, правда, требования по установке защит от грозовых и импульсных перенапряжений. Но как быть с напряжением сетевым, не выдерживающим никакой критики по качеству?

Ответ подсказала жизнь. Требовать от энергопоставляющих компаний выдерживать качество напряжения – путь бесперспективный. Хотя бы потому, что доказать факт наличия некачественного напряжения очень трудно, если не сказать невозможно. Кроме того, аварийные режимы по напряжению не всегда связаны с энергопоставляющей организацией. Те потребители, которым важно сохранить собственное оборудование, те, которым не нужны тяжбы с энергопоставляющими организациями по поводу плохого, не соответствующего ГОСТу напряжению, давно по своему усмотрению применяют различные устройства, не являющиеся обязательными с точки зрения ПУЭ, но которые полностью соответствуют всем требованиям для применения в электроустановках и обеспечивают сохранность оборудования от следствия плохого напряжения.

Речь идет о всевозможных реле напряжения, реле контроля фаз, мониторах напряжения, прочее. Такие приборы должны наиболее достоверно сигнализировать об отклонениях питающего сетевого напряжения и/или самостоятельно управлять коммутационными аппаратами, которые, в свою очередь включают/отключают электрооборудование. С помощью таких устройств также организованы схемы АВР. Кстати, применение полноценных мониторов напряжения в схемах АВР дает наиболее правильный алгоритм работы АВР (в отличие от «слепых» АВР на магнитных пускателях).

Итак, устройства, изначально предназначенные для сигнализации о параметрах напряжения, потребители начали применять для защиты своего оборудования от некачественного напряжения.

3. Немного истории.

Самым простейшим устройством для этих целей был блок контроля с маломощным трехфазным трансформатором, подключаемым к соответствующим фазам сети. К выходу трансформатора подсоединялся выпрямитель, собранный по схеме А.Н. Ларионова, между плюсовым и минусовым выводами его включалось реле. При обрыве любой фазы сети указанное реле отключало потребителя от сети.

Им на смену пришли устройства с так называемой сетевой логикой действия. Анализ ПКЭ распределительных сетей 0,4 кВ показал, что наиболее частым видом аварии сетевого напряжения, помимо указанного выше обрыва фаз, являются изменения последовательности, слипания фаз, вызванные авариями на подстанциях или в самой сети, перекос фаз, отклонения, скачки и провалы напряжения. Для контроля за этими видами аварий стали применять реле, используемые в цепях автоматики высоковольтных сетей, работающими по схожему алгоритму. Но, функционально, реле изначально созданные для установки на распределительных подстанциях не совсем подходили для полноценной защиты по напряжению. Потребителю приходилось мириться с тем, что есть, или устанавливать не одно, а несколько устройств. Например, известная всем ЕЛ-11 (12), разработки Киевского НПО «Реле и автоматика» и предназначенная, в основном, для сетевых АВР, не реагирует на перекос напряжения (срабатывать по перекосу напряжения в сетевом АВР в общем случае не требуется), а только на полное исчезновение одной из фаз. С этим приходилось мириться, так как другого не было. Можно было для защиты применить несколько устройств, каждое из которых реагировало бы на отдельный вид отклонения напряжения, но зачастую такой подход неоправданно удорожал установку. Актуальным стала задача создания защитных устройств, устанавливаемых непосредственно у потребителя с набором функций, обеспечивающих полноценную и достоверную защиту.

4. Пики или действующие значения.

Задача понятная, но не очень простая. К примеру, по какому уровню напряжения надо срабатывать? Из теории электротехники всем известно, что самое правильное срабатывать по действующему значению напряжения. Тут первая проблема. Если бы напряжение было строго синусоидальным, то действующее значение определяется очень просто: максимум, деленный на корень из 2. Но где вы видели в сети синусоиду? (Кстати, еще одно отклонение от ГОСТ). Действующее значение периодической функции можно определить только с помощью применения сложного математического расчета. На заре создания первых реле напряжений дешевое устройство на аналоговых элементах и определяющее действующее значение напряжения создать было практически невозможно. Поэтому стали применять разные компромиссные методы: срабатывание по длительным пикам, фильтрации высших гармоник и т.д. Но достоверной защиты не получалось. Каждый компромисс тянул за собой цепочку недостатков. Например, если процент высших гармоник высок, то их уже надо учитывать, т.к. действующее напряжение при этом будет меняться, и т.д. Работа по пикам только в некоторых случаях может оказаться достоверной – когда этот пик достаточно продолжительный. Но как на аналоговой пороговой схеме отстроиться от кратковременных пиков, не опасных для большинства электрооборудования.

Далее. Кроме уровня напряжения, устройство должно реагировать на перекос. Но если напряжение определено не достоверно, то и перекосы будут определяться недостоверно. Вывод – не можем мерить – не будем мерить. Поэтому и ЕЛ, не меряет перекосы. Кстати, к функциям ЕЛ настолько привыкли, что считают их безоговорочно правильными и под их функции принято создавать алгоритмы сетевых устройств (в частности, АВР), а не наоборот.

Теперь о временах срабатывания. Они должны быть, с одной стороны, как можно меньше, с другой – есть виды отклонений по напряжению, возникающие достаточно часто, но действующие кратковременно и не оказывающие ощутимого вредного воздействия. Например, коммутационные перенапряжения, длящиеся несколько периодов (20-100 мсек.) или кратковременные посадки напряжения, связанные с пуском электродвигателей и включением нагрузки. А тяжелые аварии, такие, как обрыв фаз, нужно отключать как можно быстрее. Т.е., возникла задача различать виды аварии и по каждому из них принимать соответствующее решение. К сожалению, в большинстве существующих на сегодняшний день защитных устройствах эта задача не решена. В преимущественном большинстве существующих реле для отстройки от пусковых посадок выполнена принудительная задержка на срабатывание, причем, в связи с тем, что невозможно различить вид аварии, эта задержка, предназначенная для отстройки только от пусковых посадок, распространяется на все виды аварий, в том числе и на те, которые надо отключать быстро. А если учесть, что задержку надо выполнить не менее 10 сек, то понятно, почему такие приборы нельзя назвать полноценной и достоверной защитой.

5. Цифра или аналог.

Сейчас эра аналоговых устройств если не закончилась полностью, то в стадии окончания. Дело даже не в том, что невозможно организовать сложную логику действия. В принципе, все можно, но какое же сложное схематически будет это устройство! Отсюда – надежность. Но, главное – точность аналоговой схемы очень сильно зависит от окружающей среды, в первую очередь, от температуры, а также от характеристик самого измеряемого напряжения. Не говоря уже о том, что изменение любого параметра – фактически новая схема.

Взамен аналоговым приборам приходят на смену цифровые микропроцессорные. Сегодня стало возможно на базе микропроцессоров создавать приборы практически с логикой любой сложности. О преимуществах цифровой технологии, в том числе, применительно к защитным устройствам, сказано много и ни у кого не вызывает сомнений в явных преимуществах техники нового поколения перед аналоговыми приборами. Но дешевые изделия пока производить не всем под силу. Даже такие гиганты, как АВВ, Шнайдер, Мюллер, Сименс и др. цифровую технику, со сложной логикой действия, начали применять в защитных устройствах высокого напряжения, где цена не всегда имеет большое значение. А в устройствах до 1000 В снова компромисс. Изделие электронное, вроде бы цифровое, но пороговое! Т.е., выполненное на компараторах, принимающих решение «да» или «нет». Фактически сохраняется узкая логика аналогового прибора, только ушли от зависимости от внешних условий.

По-настоящему цифровые микропроцессорные устройства с широким набором защитных функций и сложной логикой действия для широкого потребления, т.е. низкие по цене, создать под силу немногим. Доказательством этого может служить экспозиция любой специализированной выставки, каталоги зарубежных и отечественных производителей, прочее.

6. «Наш ответ Чемберлену».

В эпоху рыночной экономики, несмотря даже на «прорехи» в ПУЭ, нет недостатка в предложении реле контроля сетевого напряжения. Причем на рынке представлены как иностранные, так и отечественные производители. Перед потребителем неизбежно встает вопрос, по каким параметрам следует выбирать реле. С одной стороны оно должно стать надежным заслоном на пути недоброкачественной энергии от электросети к нагрузке. С другой стороны, быть надежным и недорогим.
Для объективного анализа нами была сделана репрезентативная выборка: иностранные производители – ABB, Siemens, Schneider, которые, несомненно, являются лидерами отрасли и отечественные производители Новатек-Электро (Одесса/С.Петербург), Beta,(Донецк), DS Electronics (Донецк) наиболее активно конкурирующие с иностранцами в данном секторе производства.
Мы сознательно не включили в перечень отечественных патриархов приборостроения Киевское НПО «Реле и Автоматика» и ОАО «ВНИИР» г. Чебоксары, производящие печальноизвестные реле серии ЕЛ и их модификации реле РСН и РОФ. Несмотря на то, что в этих изделиях стали использовать современную элементную базу, они по-прежнему сохраняют все недостатки аналоговых приборов, указанные выше. А если к этому добавить еще низкое качество сборки и высокий процент отказов (до 60% в некоторых партиях) то, безусловно, они могут претендовать только на почетное место в техническом музее. И можно лишь сожалеть о том, что многие конструктора закладывают в проекты, энергетики и электрики предприятий заказывают, используют и, по-прежнему, … «мучаются» с неработающими ЕЛ-ками.
Оговоримся, что принятое до сих пор деление реле на группы по совокупности тех или иных параметров, было связано не столько с потребностью самого потребителя в некотором наборе функций, сколько в невозможности реализовать полноценный мониторинг за напряжением в одном малогабаритном устройстве. Получив в свои руки мощный инструмент контроля, потребитель сам сможет выбрать необходимый ему набор контролируемых параметров, исключая из измерения ненужные. Поэтому, для сравнения были выбраны приборы, которые больше всего подходят под термин «мониторы» напряжения (универсальные реле напряжения, по принятой классификации), одно 3-х фазное и одно 1-но фазное реле от каждого из производителей.

Основными критериями, характеризующими работу реле, должны служить их универсальность и функциональность.

Реле должны быть цифровыми, т. к. реализовать сложную логику действий, точность и надежность, возможно лишь на базе микропроцессорной техники.

Принятие решений о выходе за контролируемые параметры должно осуществляться по действующему или близкому к нему среднему за период значению напряжения. Работа по пиковым значениям напряжения приводит к ложным срабатываниям.

Наличие широкого диапазона регулируемых уставок, тоже является несомненным преимуществом реле.

Схема питания реле должна быть организована от самого измеряемого напряжения, от 3-х фаз одновременно для 3-х фазного реле, чтобы сохранить информативность при наличии хотя бы одной фазы.

Наличие простой и логичной индикации, степень защищенности и климатика, вот, пожалуй, и весь перечень основных параметров, по которым можно произвести сравнительный анализ реле напряжения.

Таблица № 2. Сравнительная характеристика реле напряжения

Анализ таблицы № 2 со всей очевидностью показывает все недостатки и все достоинства отдельных производителей.

Все иностранные производители производят контроль по пиковым значениям напряжения, что сужает возможность использования их продукции в энергонасыщенных производствах, где электрические сети изобилуют «лишними» гармониками, коммутационными возмущениями, длительными переходными процессами, мощными электромагнитными помехами. Во всех представленных реле (а для анализа были выбраны лучшие), функции мониторинга разнесены на несколько реле. В результате потребителю приходится переплачивать вдвое, а иногда и в трое (см. АВВ – контроль только фазных напряжений, Сименс-2 реле + придется брать третье для измерения Umax, Шнайдер - не хватает измерения перекоса фаз, придется брать второе, однофазное реле измеряет только Umax или Umin и т. д.). Не известно как эти несколько реле будут согласованы друг с другом по тактовой частоте. Нет отдельной регулировки задержки по U min, введена принудительная задержка на все виды аварий, чтобы отстроиться от пусковых токов. А это значит, что если во время пуска произойдет тяжелая авария, например, обрыв фаз, то реле будет «ждать» и, тем самым, погубит нагрузку. Нет отдельной регулировки времени АПВ, как правило, задержка на срабатывание, является задержкой на включение, что сужает возможность их использования для управления электрооборудованием с длительными переходными процессами (например, компрессорным и холодильным оборудованием). Неясно как реагируют указанные реле на такую тяжелую аварию, как «слипание» фаз. Скорее всего, никак, т. к. для западных сетей, такая ситуация «нонсенс», а для наших обычная реальность. Невысокий уровень работоспособности при перенапряжениях, для наших сетей необходим не менее 1,5-2-кратный запас по напряжению. Нижняя граница рабочих температур -20оС, что слишком мало для наших суровых условий. Ни один производитель не торгует напрямую, а только через своих дилеров. А это значит, будут проблемы с информационным обеспечением и с поставами. Например, описание реле CM-MPS фирмы ABB, которое является достаточно новым изделием, удалось добыть с трудом и то только на английском языке. Ни один сайт иностранных производителей не дает исчерпывающую техническую информацию. Практически ни одного реле нет в наличие на складе, только под заказ (от двух недель). Цена изделий необоснованно завышена, – нет ни одного реле дешевле 100 $, как бы мало оно не могло делать.

Реле отечественных производителей не только взяли на вооружение все лучшее от западных производителей, но и ушли далеко вперед. Возможность работы в двух типах сетей, контроль действующих и средних значений, наличие логики в принятии решений и большого количества регулировок в широком диапазоне, пр. – все это указывает на присутствие достаточно мощного процессоров, поддерживаемых продуманным программным обеспечением. Реле лишены практически всех недостатков, которыми наделены изделия импортных аналогов. Они изначально создавались для тяжелых условий отечественных сетей, жестких, порой экстремальных, условий эксплуатации. Тщательнейший подбор элементной базы, контроль качества сборки на каждом этапе и на выходе, позволили достичь высочайшей надежности, не более нескольких едениц отказов на тысячу изделий.

7. Выводы.

Время защищать правильно действительно пришло. Растущее энергопотребление предприятий, энергонасыщенность бытового потребителя приводят к увеличению числа сетевых аварий. Остро назрела необходимость привести ПУЭ к нормам международного права в данной области. Эти правила должны не только регламентировать необходимость, место и способы защиты, но и ввести общие требования к приборам, защищающим от аварий сетевого напряжения. Это положит конец волюнтаризму в этой сфере, когда каждый производитель навязывает потребителю свое видение проблемы, которое, зачастую, очень далеко от идеала. Такая постановка вопроса позволит, во-первых, расчистить рынок от завалов электронного хлама «лжезащит», а, во-вторых, освободит дорогу устройствам, способным надежно, качественно, а главное –правильно, защитить потребителя.

опубликовано в "Новости электротехники" №4 2004 г

Скачать прайс-лист "Защитные устройства и автоматика" xls,

наверх

Проблема защиты потребителей электроэнергии от аварий в сети надежно решена (обзор изделий "Новатек электро").

_Одним из важных условий успешной работы промышленных и энергетических предприятий, транспортной системы, предприятий коммунально-бытовой сферы является обеспечение стабильности и качества потребляемой электроэнергии. С этой целью в схемах электропитания этих объектов широко используются разнообразные типы релейных защит. Такие устройства обеспечивают, в частности, защиту нагрузки при обрыве и перекосе фаз, при выходе напряжения из заданного диапазона, при неправильном чередовании фаз и т.п. При этом, релейная защита используется как непосредственно на конечном защищаемом объекте (например, электродвигателе), так и в специальных электрических схемах, в том числе в схемах аварийного ввода резервного питания (АВР).
К сожалению, большая часть релейных устройств, производимых предприятиями стран СНГ, была разработана еще во времена СССР. Как следствие, такие устройства обладают весьма ограниченными возможностями и невысокой надежностью (используются устаревшие комплектующие). Поэтому их использование не позволяет обеспечить 100%-ю защиту электрооборудования.
Современные зарубежные реле намного превосходят советские аналоги, но, к сожалению слишком дороги для массового использования.
В связи с этим ООО «Новатек-Электро» разработало и освоило выпуск целой серии разнообразных современных релейных устройств, которые функционально не хуже импортных реле, а по стоимости, значительно ниже. Наибольшую известность из них приобрели:

Трехфазные реле напряжения перекоса и последовательности фаз РНПП-301 и РНПП-311;
Однофазные реле напряжения РН-101, PH-101M, РН-111 и РН-112;
Двухканальное реле времени РЭВ-201;
Автоматический переключатель фаз ПЭФ-301.

Основным отличием выпускаемых ООО «Новатек-Электро» приборов является использование самой современной микропроцессорной техники, позволяющей производить цифровую обработку аналоговых сигналов и принимать соответствующее решение в соответствии с заложенным алгоритмом. Это позволяет с одной стороны удовлетворить самый широкий спектр потребительских требований, с другой обеспечить высокую надежность изделий. Такой подход дает целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными аналоговыми приборами. Прежде всего, это:

возможность применения сложных алгоритмов обработки сигналов (вычисление действующих значений тока и напряжения, организация специальных фильтров обработки данных, др.);
простота обеспечения большого количества регулировок;
организация отдельной логики действий по каждому виду аварии (разрешение или запрет АПВ, введение временных задержек и/или их исключение в зависимости от вида аварии, ввод оперативных ускорений при особо тяжелых авариях, прочее);
возможность индикации вида аварии;
стабильность работы в широком диапазоне параметров внешней среды.

Остановимся более подробно на некоторых характеристиках выпускаемых реле.

Трехфазные реле напряжения, перекоса и последовательности фаз

Трехфазные реле РНПП-301, РНПП-311 используются для защиты трехфазных потребителей от недопустимых колебаний напряжения в сети, обрыве и перекосе фаз, слипании и нарушении чередования фаз. Эффективно используется для защиты холодильного, кондиционерного, компрессорного и другого оборудования, имеющего электродвигательную нагрузку. Также используются в устройствах, где необходимо осуществлять постоянный контроль наличия, качества и полнофазности сетевого напряжения, например в схемах АВР.

Во всех реле коэффициент возврата (гистерезис) около 5В. Диапазон работоспособности наших реле - 30-150% от номинального напряжения. При глубоких посадках, а также при резком повышении напряжения автоматически вводится ускорение срабатывания реле. Реле обеспечивают автоматическое включение нагрузки после восстановления параметров напряжения с определенной выдержкой времени. Реле малогабаритны и имеют небольшой вес. Все крепятся на стандартную DIN-рейку.

Реле включаются параллельно нагрузке и управляют катушкой магнитного пускателя, т. е. применение реле практически не зависит от мощности нагрузки. На выходах реле имеются две группы независимых контактов (одна пара - нормально замкнутые, другая - нормально разомкнутые), коммутирующие нагрузку до 5А.

Трехфазное реле напряжения и контроля фаз РНПП-301

Это реле предназначено для наиболее ответственных потребителей. Имеет:

шесть независимых регулировок по основным параметрам: время срабатывания, время автоматического включения, максимальное напряжение, минимальное напряжение, величина амплитудного перекоса, временная задержка по минимальному напряжению;
отдельную индикацию по каждому виду аварии, и включения нагрузки, индикацию наличия напряжения в сети;

срабатывание по действующему значению напряжения (измеренное 32 раза за период напряжение возводится в квадрат, интегрируется с последующим извлечением корня). Это исключает неточную и/или ложную работу данного реле при наличии большого процента высших гармоник;
возможность выбора контроля по фазному или линейному напряжению;
контроль переключения силовых контактов магнитного пускателя.

Трехфазное реле напряжения и контроля фаз РНПП-311

Имеет все функции РНПП-301 за исключением контроля силовых контактов МП, выбора контроля линейного или фазного напряжения и только одну совмещенную регулировку по максимальному/минимальному напряжению и совмещенную индикацию всех видов аварий. Также имеет индикацию наличия напряжения на каждой фазе. Такое упрощение позволило резко снизить цену изделия. Активно используется вместо реле ЕЛ-11 (ЕЛ12,13) и их разновидностей. Отличительные особеннсти:

Независимое питание внутренней схемы реле от каждой из 3-х фаз.
Цифровая обработка сигнала напряжения.

Реле не требует дополнительной отладки и настройки потребителем, т. к. выставленная регулируемая и зафиксированные уставки достаточно точно выверены и не зависят от внешних факторов.
Наличие точной регулировки по напряжению в широком диапазоне.
Возможность изменения по желанию заказчика диапазона регулируемой уставки и величин зафиксированных уставок.

Однофазные реле напряжения

Однофазные реле РН-101 и РН-111 предназначены для защиты однофазной нагрузки от недопустимых колебаний сетевого напряжения. Имеют широкий диапазон регулировок, в том числе регулировку задержки включения для защиты холодильного, компрессорного и кондиционерного оборудования.

Во всех реле коэффициент возврата (гистерезис) около 5В. Диапазон работоспособности наших реле - 30-150% от номинального напряжения. При глубоких посадках, а также при резком повышении напряжения автоматически вводится ускорение срабатывания реле. Реле обеспечивают автоматическое включение нагрузки после восстановления параметров напряжения с определенной выдержкой времени. Реле малогабаритны и имеют небольшой вес. Могут применяться как самостоятельные коммутационные аппараты, так и управляющие другими коммутационными аппаратами, например, магнитными пускателями.

Однофазное реле напряжения РН-101

Однофазное реле напряжения РН-101 является, по сути, самостоятельным коммутационным аппаратом. Включается непосредственно в сетевую розетку, а нагрузка включается в розеточный разъем реле. Защищает нагрузку мощностью до 3,5 кВт (до 16 А) от недопустимых колебаний напряжения в сети. Имеет три независимые регулировки:

порог срабатывания по минимальному напряжению (160–210 В);
порог срабатывания по максимальному напряжению (230–280В);
время автоматического повторного включения (5–250 сек)

Для исключения излишнего срабатывания реле при незначительных и/или кратковременных посадках напряжения предусмотрена фиксированная временная задержка при срабатывании по минимальному напряжению.Реле имеет световую индикацию наличия напряжения в сети и наличия напряжения на выходе реле.

Однофазное реле напряжения РН-111

Имеет все функции РН-101, но выполнено в корпусе с креплением на стандартную DIN-рейку. Защищает потребителей любой мощности:

при мощности нагрузки до 3,5 кВт (до 16 А) отключение производится непосредственно выходными контактами реле, включенными в разрыв питания нагрузки;
при мощности, превышающей 3,5 кВт (16 А) отключение производится магнитным пускателем соответствующей мощности (МП в комплект не входит), в разрыв питания катушки которого включены выходные контакты реле

Электронные перключатели фаз

Простой способ повышения надежности электропитания однофазных потребителей и защиты их от недопустимых колебаний напряжения в сети.

Электронный переключатель фаз ПЭФ-301

Универсальный автоматический электронный переключатель фаз ПЭФ-301 предназначен для питания промышленной и бытовой однофазной нагрузки 220В/50Гц от трехфазной четырехпроводной сети 3х380+N с целью обеспечения бесперебойного питания особо ответственных однофазных потребителей и защиты их от недопустимых колебаний напряжения в сети. С этой целью однофазный потребитель через ПЭФ-301 включается в трехфазную сеть. В зависимости от наличия и качества напряжения на фазах ПЭФ-301 автоматически производит выбор наиболее благоприятной фазы и с высоким быстродействием переключает питание однофазной нагрузки на эту фазу. Предусмотрена приоритетность фаз, т.е. восстановление схемы питания от выбранной пользователем приоритетной фазы после переключения на резервные фазы и восстановления напряжения на приоритетной.

Через ПЭФ-301 запитывается нагрузка любой мощности:

При мощности до 3,5кВт (16А), нагрузка питается непосредственно от ПЭФ-301;
При мощности, превышающей 3,5кВт (16А), ПЭФ-301 управляет катушками однофазных магнитных пускателей соответствующей мощности.

Прибор имеет следующие регулировки:

Порог срабатывания по минимальному напряжению: от 160 до 210В;
Порог срабатывания по максимальному напряжению: от 230 до 280В;
Время автоматического повторного включения нагрузки после полного ее отключения и восстановления параметров напряжения хотя бы на одной из фаз, а также время первоначального включения нагрузки при подаче напряжения на прибор: от 5 до 250 сек.

Суточно - недельные таймеры (реле времени)

Представлены РЭВ-201 и РН-16ТМ. Служат для включения /отключения нагрузки согласно установленных пользователем времен включения/отключения.

Реле времени РЭВ-201

Электронное двухканальное реле времени с задержкой на включение РЭВ-201 предназначено для коммутации электрических сетей переменного тока 220В/50Гц и постоянного тока 24-100 В с регулируемой задержкой времени от 0 до 220 сек. Каждый канал является самостоятельным реле времени. Реле РЭВ-201 позволяет обеспечить два режима работы:

независимая работа каналов (режим двух реле);
параллельная работа каналов (режим одного реле с двумя разными выдержками);
последовательная (суммирующая) работа каналов.

Диапазон регулировок временных задержек может быть изменен по желанию заказчика. Возможен также перевод реле в режим периодического включения-отключения с регулируемыми пользователем циклами включения - отключения. Параметры задаются заказчиками дополнительно.
Компания «Новатек-Электро» постоянно работает над модернизацией выпускаемой продукции, улучшением ее потребительских качеств, а также над созданием новых конкурентоспособных изделий. Принципы, на которых основана деятельность компании - это надежность, высокое качество, низкая цена. Высокое качество и надежность обеспечивается применением самых современных наукоемких технологий на основе микропроцессорной техники. Монтаж и сборка изделий производится на современном оборудовании с использованием новейших технологий электронного монтажа. Опытные разработчики и программисты компании используют в работе самые современные программные продукты. Стратегия фирмы - обеспечить потребителей надежной и качественной продукцией, не уступающей зарубежным аналогам. Сборочное производство находится в Санкт-Петербурге, в городе известном своим высоким уровнем профессиональной культуры.
Ближайшие планы «Новатек-Электро» - подготовка к выпуску блока полной защиты асинхронных двигателей. Следует отметить, чторазработаный в компании блок по заложенным потребительским функциям намного лучше аналогичных блоков других производителей. Блок отслеживает ряд возможных аварий: (нарушение качества напряжения питания; защита электродвигателя от внутренних повреждений; защита от повреждения кабеля питания и коммутационного аппарата; защита от тока перегрузки; защита от тока замыкания на землю; тепловая защита; максимальная токовая защита). В блоке используется современная микропроцессорная техника, что позволяет к каждому конкретному типу аварии организовать конкретные действия (разрешать или запрещать АПВ (автоматическое повторное включение), осуществлять или нет задержки по времени в зависимости от типа аварии, вводить оперативные ускорения при сложных авариях и т.д.). В блоке предусмотрено большое количество точных регулировок, есть возможность использования одного и того же блока в широком диапазоне номинальных токов, причем защиты срабатывают по действующим значениям токов и напряжений.
В перспективе - разработка универсального преобразователя напряжения. На его основе планируется выпуск таких изделий: одно- и трехфазных стабилизаторов напряжения сети, универсальные блоки питания, блоки плавного пуска и регулирования скорости асинхронных двигателей, выпрямители, зарядные устройства и т.д.
Одним из основных принципов работы компании «Новатек-Электро» - открытость для совместных проектов. При этом возможны разные варианты сотрудничества. Например, это может быть разработка и производство интересующих заказчика изделий. В случае нашей заинтересованности мы можем разработать изделие самостоятельно за собственные средства. Также возможен вариант разработки с использованием средств заказчика. Другим аспектом сотрудничества может быть организация совместного производства в других городах или странах. Такое сотрудничество по нашему мнению может развиваться поэтапно. На первом этапе - организация продаж производимых нами изделий, далее - крупноузловая сборка. На последнем этапе - организация полного технологического цикла производства с передачей всей необходимой технологии.

опубликовано в журнале «Промышленные регионы России», март 2004

Скачать прайс-лист "Защитные устройства и автоматика" xls,

наверх

На стыке двух проблем.
Универсальный блок управления холодильными машинами.

У производителя любой продукции при расширении своего ассортимента всегда есть два основных пути: первый – осваивать выпуск продукции по своему усмотрению и в дальнейшем убеждать потребителя в необходимости для него такой продукции, второй – тщательно изучить потребности потребителя и в тесном контакте с ним разработать изделие, в котором остро нуждается потребитель. Очевидно, что второй путь является наиболее эффективным для производителя и отвечает современным мировым тенденциям маркетинга.
Компания «Новатек-Электро» г. Санкт-Петербург, в своей работе всегда исповедовала именно второй подход при разработке новых изделий. Не стала исключением разработка и освоение выпуска блока управления холодильными машинами МСК-301.
В настоящее время высокими темпами развивается так называемая холодильная отрасль. Имеется ввиду производство и монтаж холодильных установок различной мощности. Это связано с бурно развивающейся сетью супермаркетов во всех регионах России, постоянным подъемом в пищевой и перерабатывающей промышленности.
Для автоматического управления холодильной машиной требуется блок управления. Компании, занимающиеся производством и монтажом холодильных установок, используют преимущественно импортные блоки или не очень качественные российские. Одним словом, уже давно существует актуальность создания отечественного блока, не уступающего по качеству и функциональности зарубежным. Для того, чтобы такой блок соответствовал современным требованиям, он должен быть создан на основе современных цифровых технологий и микропроцессорной техники. Такая задача была по силе ООО «Новатек-Электро».
ООО «Новатек-Электро» уже более трех лет производит и продает микропроцессорные устройства защиты. Эти устройства получили широкое применение также и в среде холодильщиков. Необходимость таких устройств обуславливается тем, что дорогостоящую холодильную технику необходимо защищать от некачественного сетевого напряжения. Общаясь со своими клиентами-холодидьщиками, работники «Новатек-Электро» фактически получили задачу создания холодильного блока из их рук.
Появилась идея совместить функции защитных устройств и холодильного блока в одном устройстве. Много думали, советовались с партнерами. Если совместить функции двух изделий в одном, каждое из которых необходимо потребителю, значит многие покупатели предпочтут универсальный прибор и просто защитные приборы покупать перестанут. Удваивать цену тоже плохо. В конце концов было принято решение в пользу потребителя – создать прибор, совмещающий функции защитных устройств и холодильного блока по цене ниже присутствующих на рынке холодильных блоков. Подобный холодильный блок с функциями защиты по напряжению не выпускают не только в России, но и в мире.
Итак, благодаря тесному контакту с непосредственным потребителем, «Новатек-Электро» разработало и начало выпуск универсального блока управления холодильными машинами МСК-301 с функциями защит по некачественному напряжению.Основные преимущества созданного блока перед существующими аналогами сводятся к следующему:

совмещение функций защиты от некачественного напряжения и функций управления холодильной машиной в одном изделии;
наличие контроля силовых контактов магнитного пускателя, управляющего двигателем компрессора;
возможность работы блока как от трехфазной, так и от однофазной сети;
наличие трех датчиков температуры. Третий датчик температуры может быть установлен на втором испарителе (если таковой имеется), в воздушном потоке вентилятора для определения наличия шубы на испарителе и принятия решения о начале оттайки, может использоваться для определения температуры компрессора;
цена МСК-301 не превышает цену самого простого зарубежного аналога на двух температурных датчиках и не имеющего выше изложенной универсальности.

ООО «Новатек-Электро» продолжает работать по созданию новых, интересных изделий. Изделий, создаваемых на стыке различных проблем. Изделий, не имеющих аналогов по логике действий. Изделий, в которых остро нуждается потребитель.

Скачать прайс-лист "Защитные устройства и автоматика" xls,

.наверх

Защита от аварийных режимов, связанных с обрывом «нуля» (нулевых питающих проводов) в 3-фазной распределенной сети 220/380 В.

Обрыв нуля, т. е. отключение нулевого проводника на вводном щите в дом от глухозаземленной нейтрали трансформаторной подстанции, может произойти: в случае его отгорания при сильной перегрузке по фазам, при коротких замыканиях, при плохом контакте в месте подключения проводника; при его обрыве в результате действия стихии (ветер, упавшее дерево), при краже нулевого проводника, при старой электропроводке, из-за ошибки обслуживающего персонала или злого умысла, пр.
Если такое произойдет в симметричной 3-фазной сети, то на нагрузке это никак не отразится. Примером этого может служить асинхронный трехфазный электродвигатель, для работы которого, ноль, в общем случае, не требуется. Это объясняется тем, что обмотка трехфазного двигателя симметричная и каждая фаза нагружена одинаково.
Но в однофазных распределенных сетях нагрузки по фазам практически никогда не совпадают. Разные нагрузки по фазам, приводят к перекосу фазных напряжений. Причем, чем больше отличаются нагрузки по фазам, тем больше перекос. Для выравнивания фазных напряжений, необходимо заземлять нулевой провод. В этом случае возникает уравнительный ток, который приводит к принудительному выравниванию фазных потенциалов относительно нуля.
В таких сетях, в случае обрыва нуля, в общей точке 3-фазной сети формируется суммарный потенциал, определяемый сопротивлением нагрузки каждой из фаз. Имеет место сильный перекос фаз, вызванный «смещением нуля». В этом случае, к одним потребителям , запитанным, например, от фазы С, будет приложено фазное напряжение значительно меньшее чем 220 В, а к другим, запитанным от фазы А и В – значительно большее чем 220 В. Линейное же напряжение, при этом, останется неизменным. Самая критическая ситуация может наступить тогда, когда одна из фаз может оказаться не нагруженнной вовсе (не включен ни один потребитель). Тогда на этой фазе может формироваться напряжение близкое по своему значению к линейному, т. е. 380 В, а на самой нагруженной фазе, напряжение будет близким к нулю. Если, в случае приложенного высокого напряжения, в одной из фаз случится короткое замыкание, ко всем потребителям других фаз может быть приложено линейное напряжение 380 В.
Для защиты от последствий обрыва нуля, рекомендуем использовать микропроцессорные релейные устройства компаний Новатек-Электро (С.Петербург), Beta,(Донецк), DS Electronics (Донецк).

Скачать прайс-лист "Защитные устройства и автоматика" xls,

наверх

Сравнительный анализ УБЗ-301 с другими устройствами защиты электродвигателей

Большинство представленных на рынке устройств защиты электродвигателей (т. н. токовая защита), мало чем отличаются друг от друга по своим функциональным возможностям и значительно уступают блоку УБЗ-301 производства компании «Новатек-Электро».
Блок УБЗ-301 представляет собой принципиально новое недорогое устройство защиты асинхронных электродвигателей. Впервые осуществлена полная и эффективная защита электродвигателей от всех видов сетевых аварий, аварий связанных с режимами работы двигателя, а также аварий, связанных с внутренними повреждениями внутри двигателя и/или питающего кабеля. Применение современной микропроцессорной техники позволило обеспечить необходимую логику работы блока, не встречающуюся ни в одном из существующих защитных устройств как отечественного, так и зарубежного производства.
Принципиальные отличия от аналогичных устройств других производителей:
1. Защита от аварий сетевого напряжения: обрыв, слипание, нарушение последовательности, перекос, скачки, провалы напряжения. В существующих блоках такой контроль, как правило, отсутствует. В некоторых самых дорогих импортных блоках (стоимость более 500 евро) перед включением в лучшем случае проверяется наличие и полнофазность питающей сети. В большинстве случаев о плохом напряжении судят лишь после включения нагрузки по токам, т.е. косвенно. В блоке УБЗ-301 напряжение измеряется как до включения (при плохом напряжении нагрузка не включится), так и после включения двигателя.
Одновременный контроль токов и напряжений необходим для анализа вида аварии. Такой анализ дает возможность принимать соответствующую логику принятия решений. Например, при сетевых авариях повторный пуск разрешать, при авариях, связанных с повреждениями внутри двигателя – запрещать.
2. Выставление номинальных и рабочих токов.Для правильной работы блока принципиально важно как можно точнее задать значение номинального тока двигателя. От того насколько правильно задан этот параметр зависит эффективность и достоверность принятия решения по различного рода перегрузам и другим токовым авариям. Для всех отечественных блоков – это камень преткновения. В одних он выставляется очень грубо, в других его выставление вообще невозможно, в третьих номинальный ток вовсе не выставляется, а выставляется ток срабатывания (максимальный), т.е. защита от перегруза – фактически защита по максимальному току с выдержкой времени (если ток будет меньше максимального, но выше номинального, двигатель войдет в перегруз, а защита это не определит). Например, ряд отечественных защитных устройств перед их запуском предлагают потребителю создать на валу электродвигателя номинальную нагрузку. При этом производители таких блоков не сообщают как это в принципе можно сделать. С другой стороны, согласно независимым исследованиям,долговременное использование электродвигателя с нагрузкой всего на 5% превышающей номинальную, ведет к 10-кратному сокращению срока службы обмоток электродвигателя.Таким образом, невозможность точного выставления номинального тока означает, что эти блоки обеспечивают слишком грубую защиту, по сути не сильно отличающуюся от функций обыкновенного (гораздо более дешевого) теплового реле.В УБЗ-301 номинальный ток выставляется до включения нагрузки с высокой степенью точности.
3. Работа блока УБЗ-301 осуществляется по действующим значениям тока и напряжения. Ни одна из известных защит не дает такой возможности. Важность принятия решения по действующим значениям, особенно токов, определяется тем, что формы кривых токов, особенно при пусках, очень далеки от синусоиды. Если принимать решения не по действующим значениям, а по неким усредненным сигналам, или (еще хуже) по пикам, как сделано во многих других устройствах, то такие защиты будут срабатывать ложно, либо, сильно загрубленные, не будут эффективно защищать нагрузку.
4. Защита по тепловому перегрузу.Применение микропроцессорной техники позволило в УБЗ-301 применить сложную математическую обработку сигналов. В частности, постоянно измеряя действующее значение тока, решается уравнение теплового баланса электродвигателя. Таким образом,УБЗ-301 анализ перегруза производит с учетом «истории» работы электродвигателя.Это означает, например, что предварительно нагруженный двигатель после перегруза будет отключен быстрее, чем предварительно холодный. В других блоках в лучшем случае работа происходит по некоторой усредненной токо-временной характеристике, без учета предварительно накопленного двигателем тепла. Особенно такой подход необходим, когда нагрузка на валу электродвигателя переменная с периодическими перегрузами. В этом случае двигатель может получить тепловой перегруз, находясь в зоне перегруза кратковременно, периодически возвращаясь на номинальную нагрузку. Это же можно отнести к частым пускам.Важным преимуществом подхода, используемого в УБЗ-301, является то, что он позволяет ограничить количество пусков в единицу времени. Это очень важно, т.к. двигатель, имея нагрузку на валу меньше номинальной, может перегреться от частых пусков. Уравнение теплового баланса решается непрерывно, как в процессе работы двигателя, так и при его остановах.
5. Защита при симметричном/несимметричном перегрузе фазных/линейных токов по сложной логике принятия решений(механические перегрузки, повреждения внутри двигателя/питающего кабеля, пр.).
6. Защита по минимальному рабочему или пусковому току(«сухой ход» для насосов).
7. Блок УБЗ-301 – цифровой, микропроцессорный.Большинство других выпускаемых блоков – аналоговые. Аналоговая электроника, в отличие от цифровой, сильно зависит от внешних условий, прежде всего от температуры окружающей среды.
8. Один из самых важных потребительских качеств УБЗ-301 – цена.Присутствующие токовые защиты электродвигателей зарубежного производства стоят от 290 евро.Оптовая цена УБЗ-301 – менее 100 дол. США, включая НДС. Фактически за эту цену потребитель получает несколько изделий: реле напряжения, реле контроля фаз, реле контроля изоляции, реле контроля токов, защита от токов утечки, защита от перегруза и недогруза, блок автоматического повторного включения с выдержками времени, прочее.

Скачать прайс-лист "Защитные устройства и автоматика" xls,

наверх

Сорокин Михаил, ст. менеджер ООО «Новатек-Электро» СПб

Универсальная защита для асинхронного электродвигателя: миф или реальность?

1. Введение.

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью электродвигателей позволяет легко и экономически выгодно приводить в движение разнообразные рабочие механизмы: конвейеры, подъемно-транспортное оборудование, насосы, вентиляторы, компрессоры, металлорежущие станки, прокатные станы, швейное оборудование, пр.

Благодаря простоте конструкции, высокой надежности и невысокой стоимости асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (далее по тексту АД), является наиболее распространенным электродвигателем. Свыше 85% всех электрических машин – это трехфазные асинхронные электродвигатели. По статистике сейчас в общественном производстве России находится не менее 50 млн. единиц трехфазных АД напряжением 0,4 кВ.

АД обычно рассчитаны на срок службы 15-20 лет без капитального ремонта, при условии их правильной эксплуатации. Под правильной эксплуатацией АД понимается его работа в соответствии с номинальными параметрами, указанными в паспортных данных электродвигателя. Однако в реальной жизни имеет место значительное отступление от номинальных режимов эксплуатации. Это, в первую очередь, плохое качество питающего напряжения и нарушение правил технической эксплуатации: технологические перегрузки, условия окружающей среды (повышенные влажность, температура), снижение сопротивления изоляции, нарушение охлаждения. Последствием таких отклонений являются аварийные режимы работы АД. В результате аварий ежегодно выходят из строя до 10% применяемых электродвигателей. Например, 60% скважных электронасосных агрегатов, ломаются чаще одного раза в году. Выход из строя АД приводит к тяжелым авариям и большому материальному ущербу, связанному с простоем технологических процессов, устранением последствий аварий и ремонтом вышедшего из строя электродвигателя. Ремонт электрической машины мощностью до 1 кВт обходится в 5-6 $ США. Чтобы оценить, во что обойдется ремонт более мощной машины, надо просто умножить эту цифру на мощность двигателя. Помимо этого, работа на аварийных режимах ведет к повышенному энергопотреблению из сети, увеличению потребляемой реактивной мощности.

Совершенно очевидно, что применение надежной и эффективной защиты от аварийных режимов работы значительно сократит количество и частоту аварийных ситуаций и продлит срок службы АД, сократит расход электроэнергии и эксплутационные расходы. Но, для того, чтобы выбрать эту защиту необходимо знать, как и от чего необходимо защищать АД, а также специфику процессов протекающих в нем в случае аварий.

2. Аварийные режимы АД.

Аварии АД.Аварии АД подразделяются на два основных типа: механические и электрические. Механические аварии это: деформация или поломка вала ротора, ослабление крепление сердечника статора к станине, ослабление опрессовки сердечника ротора, выплавление баббита в подшипниках скольжения, разрушение сепаратора, кольца или шарика в подшипниках качения, поломка крыльчатки, отложение пыли и грязи в подвижных элементах, пр.

Причиной большинства механических аварий являются радиальные вибрации из-за асимметрии питающей сети (т. н. перекос фаз), механические перегрузки на валу электродвигателя, брак комплектующих элементов или допущенный при сборке. До 10% всех аварий АД имеют механическое происхождение. При этом 8% приходится на долю аварий, связанных с асимметрией фаз и только 2% на аварии, связанные с механическим перегрузом. Доля аварий, связанных с браком мала и, поэтому, ее можно не принимать во внимание в настоящем рассмотрении. Оценка вероятностей возникновения механических аварий отсутствует, большая их часть, носит скрытый характер и выявляется только после соответствующих испытаний или разборки двигателя, однако, постоянный контроль сетевого напряжения и нагрузки на валу АД позволяет, в большинстве случаев, свести эту вероятность к минимуму.

Электрические аварии АД, в свою очередь, делятся на три типа:

сетевые аварии (аварии по напряжению), связанные с авариями в питающей электросети;
токовые аварии, связанные с обрывом проводников в обмотках статора, ротора, или кабеля, межвитковое и междуфазное замыкание обмоток, нарушением контактов и разрушении соединений, выполненных пайкой или сваркой; аварии, приводящие к пробою изоляции в результате нагрева, вызванного протеканием токов перегруза или короткого замыкания;
аварии, связанные со снижением сопротивления изоляции вследствие ее старения, разрушения или увлажнения.

Сетевые аварии АД.Качество электроэнергии на территории РФ определяет ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». ГОСТ определяет соответствие стандартам целого ряда показателей, в первую очередь, таких как отклонения напряжения и частоты, коэффициент гармонической составляющей четного и нечетного порядка, коэффициенты обратной и нулевой последовательности напряжения, пр. Из-за аварий на подающих подстанциях, КЗ в распределительных сетях, коммутационных и грозовых возмущений, неравномерности распределения нагрузки по фазам, фактические значения ряда показателей больше допустимых, что ведет к аварийным режимам работы АД. По статистическим данным до 80% аварий электродвигателя напрямую или косвенно связаны именно с авариями сетевого напряжения.

Анализ показателей качества электрической энергии (ПКЭ) относительно условий работы АД показывает, что, например, при уменьшении напряжения в сети, возрастает ток статора, приводящий к интенсивному нагреву изоляции АД и сокращению срока службы вследствие ускоренного старения изоляции и ее пробоя, а повышение напряжения приводит к увеличению магнитного потока статора, тока намагничивания, нагреву сердечника (вплоть до «пожара» в стали), потребляемой из сети реактивной мощности, снижающей коэффициент мощности. В таблице № 1 приведены обобщенные данные о влиянии основных показателей качества электрической энергии на режимы работы АД.

Таблица № 1. Влияние отклонений ПКЭ на работу АД.

Вид ПКЭ		Условное обозначение	Предельно допустимые нормы		Характер изменения ПКЭ, изменения в работе АД
Отклонение напряжения – см. рис. 1		? U у пред	+ 10%		Снижение на 10% от U н	Превышение на 10% от U н
					Момент двигателя изменяется пропорционально квадрату напряжения
					Момент двигателя снижается на 19%. Температура повышается на 7°С. Увеличивается время пуска. Скольжение повышается на 27,5%, ток ротора – на 14%, ток статора – на 10%	Увеличенный момент двигателя служит причиной перегрузки валов, ременных передач, увеличивается пусковой удар. Пусковой ток повышается на 12%, вращающий момент на 21%, коэффициент мощности снижается на 5%
Несимметрия напряжений в 3-фазной системе (перекос фаз) – см. рис. 2	К-т обратной последовательности U	K2U	4%		Недопустимый перекос напряжений по фазам вызывает те же процессы, что и при отклонении напряжений. Приводит к возникновению магнитных полей, вращающихся встречно вращению ротора. Вращающееся магнитное поле из крувого превращается в эллиптическое, что приводит к радиальным вибрациям и разрушениям подшипников, обмоток. Приводит к токовому перекосу и сильному нагреву. Длительная работа на пределах коэффициентов при нагрузке меньше номинальной снижает срок службы на 10-15%, при номинальной нагрузке – вдвое. Если перекос составляет 50%, срок службы снижается в 5-10 раз.
	К-т нулевой последовательности U	K0U	4%
Несинусоидальность напряжения – см. рис. 3	К-т искажения синусоидальности U	Ku	12%		Влияет на состояние изоляции обмоток, приводит к их пробою на корпус. Возрастают суммарные потери электрической энергии. При Ku =10%, суммарные потери возрастают на 10-15%. Возрастает к-во гармоник обратной последовательности, снижается коэффициент мощности.
	К-т n -ой гармоники составляющей U	Ku(n)	№ n гарм	Знач %	Превышение допустимых значений коэффициентов 2, 5 и 8 гармоник ведет к значительному росту напряжения обратной последовательности, приводящих к перегреву двигателя и быстрому выходу его из строя, возникновению обратновращающихся магнитных полей, создающих паразитные моменты, ухудшающие механическую характеристику. Превышение допустимых значений гармоник кратным 3: 3 и 9 приводит к росту напряжения нулевой последовательности, вызывающих асимметрию напряжений по фазам. При асимметрии больше 15%, рабочий и пусковой момент снижается на 25%, растет потребление из сети реактивной мощности на 3-7%. Рост допустимых значений гармоник прямой последовательности 4 и 7 приводит к росту активного сопротивления ротора и ухудшению механической характеристики.
			2	3
			3	3,75
			4	1,5
			5	9
			6	0,75
			7	7,5
			8	0,75
			9	1,13
			10	0,75

Следует отметить, что существует еще несколько типов сетевых аварий, которые происходят наиболее часто, но, напрямую ГОСТом не регламентируются, т. к. являются крайними случаями проявлениями несимметричных режимов работы АД. Это обрыв одной из фаз, нарушение последовательности фаз и «слипание» фаз.

Обрыв фаз, как правило, связан с обрывом жилы питающего кабеля, сгоревшим предохранителем или отключением автомата в одной из линий или обрывом самой линии. При соединении обмоток двигателя звездой напряжение в двух фазах делится поровну и составляет половину линейного Uф= Uл/2, в третьей отсутствует. Такие режимы приводят к повышенному энергопотреблению из сети, перегреву обмоток статора. Поле из вращающегося превращается в пульсирующее, ток в оборванной фазе будет отсутствовать, в двух других увеличится на 50%. Двигатель не разворачивается даже на холостом ходу. В некоторых типах двигателей в случае, если обрыв произошел во время работы двигателя, на оборванной фазе генерируется т. н. напряжение «рекуперации», близкое по фазе и амплитуде сетевому, двигатель переходит в тормозной режим работы и, если его не отключить, сгорает в течение нескольких минут.

Аварийный режим «слипания» фаз происходит в случае обрыва одной из питающих фаз и замыкании ее со стороны двигателя на другую фазу. При этом одно и то же фазное напряжение подается на две фазы двигателя, на третьей остается в норме. При незначительной амплитудной несимметрии, наблюдается значительная фазная несимметрия приводящая к появлению значительных напряжений обратной последовательности, вызывающих перегрев двигателя и выход его из строя.

Нарушение закрепленной ГОСТом последовательности фаз А-В-С (В-С-А, С-А-В), на любую другую обуславливает реверсивный режим работы – вращение двигателя в другую сторону, что часто недопустимо по условиям технологического процесса, т. к. вызывает вращение приводного механизма в другую сторону и может привести, помимо аварии самого двигателя, к тяжелым, порой катастрофическим последствиям.

Постоянный контроль наличия и качества сетевого напряжения, включая гармонический анализ, вычисление действующих или средних значений напряжения до включения двигателя, контроль за его состоянием во время работы АД, в т. ч. за изменениями параметров фазных напряжений вызванных режимами работы самого двигателя, позволят, зачастую, избежать причин возникновения аварийных режимов, предотвратить появление режимов короткого замыкания и токового перегруза.

Токовые аварии АД.Напряжение на зажимах АД и фазные токи, протекающие по его обмоткам тесно взаимосвязаны и любые, даже небольшие, изменения сетевого напряжения вызывают значительные изменения фазных токов (см. табл. № 1). Для эффективной защиты АД необходимо измерять фазные токи как можно точнее. Согласно последним исследованиям, длительная работа двигателя с токовым перегрузом всего лишь на 5% от номинального, сокращает срок его службы в 10 раз. В связи с сильной несинусоидальностью кривой тока, особенно во время пусков, в ней присутствует большое количество гармоник высшего порядка, оказывающих существенное влияние на величину действующего значения тока. Поэтому, если принимать решение о работе АД не по вычисленным действующим значениям тока, а по неким усредненным сигналам или, еще хуже, по пиковым значениям, это может привести к ложным выводам о наличии или отсутствии токового перегруза.

Различают два вида токового перегруза АД: симметричный и несимметричный. Симметричный токовый перегруз, как правило, связан с механическими перегрузками на валу двигателя. Их значение напрямую связано с режимами работы АД и тепловым перегрузом, о которых речь пойдет ниже.

Большая часть токовых аварий АД, связана, в первую очередь, с повреждениями внутри самого двигателя, приводящими к несимметричному токовому перегрузу. Рассмотрим основные виды таких аварий (табл. № 2).

Таблица № 2. Влияние внутренних повреждений на работу АД.

Вид аварии	Изменение токов		Характер изменений в работе двигателя
Обрыв 1 фазы в обмотке статора	Соединение обмотки звездой	Ток в оборванной фазе отсутствует. В двух других I =1,5 I н	Двигатель гудит и не разворачивается даже на х.х. Поле из вращающегося превращается в пульсирующее. В работающем двигателе при нагрузке =1/2 номинальной, рабочие токи увеличатся на 15-20%, частота снижается незначительно. В случае больших нагрузок двигатель остановится и, если не сработает защита, быстро выйдет из строя.
Обрыв 1 фазы в обмотке статора	Соединение обмотки треуг. - ком	Ток в оборванной фазе отсутствует. В двух других значительно больше номинального.	Обмотки подключены к сети по схеме открытого треугольника. Токи, протекающие по обмоткам статора, создают вращающее магнитное поле, двигатель хорошо берет с места и развивает нормальную скорость. Энергопотребление из сети значительно больше, чем в нормальном режиме. Момент близок к номинальному, но при сильном нагреве двух рабочих обмоток. I л в одном из питающих проводов будет в v3=1,7 раз больше, чем в двух других.
Межвитковые замыкания в фазе обмоток статора	Iф, подходящий к поврежденной фазе возрастает во много раз (его величина определяется количеством закороченных витков).		Двигатель начинает необычно гудеть, а если работает под нагрузкой, вращается с пониженной скоростью. Через некоторое время двигатель начинает гореть.
Междуфазные замыкания обмоток статора	Приводят к протеканию по обмоткам, сети токов короткого замыкания, в 10-100 раз превышающих номинальные токи		Обмотки статора быстро нагреваются и, если не срабатывает защита, перегреваются и сгорают.

Во всех случаях внутренних аварий электродвигателя наблюдается значительная асимметрия фазных токов, превышающая в несколько раз асимметрию напряжений. Поэтому постоянный контроль токов, соотношение токового перекоса с перекосом напряжений, позволяют принимать достаточно достоверные выводы о наличии таких аварий и оперативно отключать двигатель.

Режимы работы АД.В зависимости от характера изменения нагрузки различают четыре основных номинальных режима работы АД: продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и смешанный. Не будем подробно останавливаться на описании этих режимов, заметим только, что основной характеристикой нагрузочных режимов является тепловая характеристика электродвигателя. Работа АД всегда сопровождается его нагревом, что обусловлено происходящими в нем процессами и потерями энергии. Нормативный срок службы электродвигателя определяется, в конечном счете, допустимой температурой нагрева его изоляции. В современных двигателях применяется несколько классов изоляции, допустимая температура нагрева которых составляет для класса А – 105°С, Е – 120°С, В – 130°С, F – 155°C, H – 180°C, С свыше 180°С. Превышение допустимой температуры ведет к преждевременному разрушению изоляции и существенному сокращению срока его службы.

В эксплуатации, в основном, приходится сталкиваться с режимами, ненормированными ГОСТами. Наиболее характерным является режим с быстроизменяющейся нагрузкой, когда двигатель периодически входит в режим перегрузки, возвращаясь затем на номинальный режим или опускаясь в режим работы с нагрузкой меньше номинальной. Если машина работает в продолжительном режиме, но с переменной нагрузкой (Р1, Р2, Р3…), имеет место неустановившийся тепловой процесс (см. рис. 4)., т. к. в разные промежутки времени: t1, t2, t3, t4 и т. д. в ней возникают различные потери мощности, а следовательно, различные тепловые потери. Для эффективного контроля количества тепла, накопленного двигателем в процессе работы, необходимо выяснить законы нагрева и охлаждения асинхронного электродвигателя.

Уравнение теплового баланса АД.В связи с трудностью проведения такого анализа, принимаются следующие допущения: двигатель рассматривается как однородное тело, имеющее бесконечно большую теплопроводность и одинаковую температуру во всех своих точках. Теплоемкость двигателя и его коэффициент теплоотдачи не зависят от нагрузки на валу двигателя. Температура двигателя зависит не только от нагрузки, но и от температуры окружающей среды. Средняя температураtпропорциональна количеству теплаQ, накопленному двигателем

t =Q /C, (1)

гдеС– теплоемкость двигателя. Потери тепла двигателем пропорциональны его температуре

dQ /dt =-A *t =-A *Q /C, (2)

гдеA– теплоотдача двигателя. Если предположить, что до включения двигатель был холодным основное тепловое уравнение при работе двигателя можно записать в виде

dQ /dt =-A *Q /C +I2*R, (3)

гдеI2*R– мощность потерь, выделяемая в двигателе при протекании токаIпо обмоткам с активным сопротивлениемR.

Решение уравнения (3) при постоянном токеI

Q (t )=Qo * (1-е-t *A / C), (4)

гдеQ о=I2*R*C/A, – установившееся количество тепла в двигателе приdQ/dt =0.

Предельно допустимому току двигателяI номсоответствует предельно допустимое количество тепла

Q ном= I2ном *R *C/A(5)

и предельно допустимая температура (относительно окружающей среды)

t ном=Q ном/C= I2ном *R/A(6)

При включении двигателя на постоянном токе вNраз превышающемI номвремя выхода на предельно допустимое количество теплаQ ном

TN={lnN2-ln(N2-1)}/(A/C)(7)

Псевдотепловые математические модели электродвигателей положены в основу большинства защит АД от теплового перегруза. Постоянный расчетI2с учетом скорости нагрева и остывания двигателя при, как можно большей степени дискретизации измерений, дают наиболее полную картину о количестве тепла, накопленного двигателем и опасному, с точки зрения допустимого нагрева изоляции. При превышении допустимого нагрева для данного класса изоляции происходит так называемое ускоренное «старение» изоляции: снижается механическая прочность, появляется хрупкость, разломы и трещины, что приводит к снижению ее электрической прочности и пробою.

Снижение сопротивления изоляции.В процессе эксплуатации АД его изоляция неизбежно «стареет». Основными причинами, вызывающими эти процессы являются: нагревание обмоток рабочими и пусковыми токами, токами короткого замыкания и перегруза, теплотой от посторонних источников; динамическими усилиями, возникающими при взаимодействии проводников с током, коммутационными перенапряжениями. На состояние изоляции большое влияние оказывают также условия окружающей среды – температура и влажность воздуха, загрязненность и запыленность.

Состояние изоляции определяет степень безопасной эксплуатации электроустановок. Электродвигатель допускается эксплуатировать, если сопротивление его изоляции на корпус не менее 0,5 Мом. Вероятность пробоя изоляции возрастает на порядок, если сопротивление изоляции в два раза меньше допустимого. При снижении сопротивления изоляции высока вероятность появления такой тяжелейшей аварии АД, как пробой обмотки статора на корпус (короткое замыкание на корпус), опасной не только для самого электродвигателя, но и для обслуживающего персонала. По сети начинают протекать токи короткого замыкания в 10-100 раз превышающие номинальные, а на корпус электроустановки может быть вынесено высокое напряжение, опасное для жизни человека. Не менее важным является непрерывный контроль сопротивления изоляции обмоток статора во время работы электродвигателя, т. к. диэлектрические свойства изоляции, измеренные до включения АД, могут внезапно измениться под воздействием электрического напряжения и температуры. Для этого используется измерение тока утечки на «землю» с помощью дифференциального трансформатора тока, реагирующего на появление дифференциального (разностного) тока выше некоторой уставки, заданной пользователем.

Методы защиты от аварийных режимов. Стремясь защитить двигатели от аварийных режимов, еще с середины прошлого века в энергетике стали применять различную релейную защиту: тепловую, токовую, температурную, фильтровую и комбинированную. Многолетний опыт эксплуатации АД показал, что большинство существующих защит не обеспечивают безаварийную работу АД. Так, например, тепловые реле рассчитывают на длительную перегрузку 25-30% от номинальной. Но, чаще всего, они срабатывают при обрыве одной фазы при нагрузке 60% от номинальной. При меньшей нагрузке реле не срабатывает и АД продолжает работать на двух фазах и выходит из строя в результате перегрева изоляции обмоток. Правильный выбор защитного устройства – это важный фактор в обеспечении безопасной эксплуатации АД.

Приборы защиты АД от аварийных режимов можно разделить на несколько видов:

а) тепловые защитные устройства: тепловые реле, расцепители;

а) токозависимые защитные устройства: плавкие предохранители, автоматы;

в) термочувствительные защитные устройства: термисторы, термостаты;

г) защита от аварий в электросети: реле напряжения и контроля фаз, мониторы сети;

д) приборы МТЗ (максимальной токовой защиты), электронные токовые реле;

е) комбинированные устройства защиты.

Современные стандарты большинства стран мира, включая и Россию, предъявляют все более высокие требования к безопасной эксплуатации асинхронных электродвигателей (далее по тексту АД). Высокие показатели надежности и долговечности АД возможны только при условии их эксплуатации при номинальных или близких к ним режимах, что можно обеспечить только установкой надлежащей защиты. Все из перечисленных в первой части статьи защитных устройств (см. «Новости Электротехники» №2(32) 2005 г.), служат для быстрого, в течение доли секунды, определения характера и степени повреждения двигателя и локализации аварийного участка путем отключения его от остальной схемы электроснабжения. Но, вместе с тем, каждое из них имеет и целый ряд существенных недостатков, влияющих на качество их работы: одни отличаются неоправданной избирательностью, у других отсутствует отстройка от процесса пуска, третьи не реагируют на токи к. з. или перегруза и т. д. Для того, чтобы правильно выбрать защитное устройство, необходимо знать, как и от каких аварий защищает конкретное устройство, принцип их действия и конструктивные особенности.

Токозависимые защитные устройства: предохранители, автоматические выключатели (автоматы).

Предохранителипредназначены для защиты электрических сетей от перегрузок и коротких замыканий [1]. Конструктивно они состоят из корпуса из электроизоляционного материала и плавкой вставки, выбираемой из такого расчета, чтобы она плавилась прежде, чем температура двигателя достигнет опасных пределов в результате протекания токов перегруза или к. з. Включаются предохранители последовательно защищаемой сети.

Основной характеристикой плавкой вставки является зависимость времени ее перегорания от тока (рис. 1). Здесь, I ном – номинальный ток плавкой вставки, при котором она работает длительно, не нагреваясь выше допустимой температуры; Imin – наименьший ток, расплавляющий вставку в течение длительного времени (1-2 ч); I10–ток, при котором расплавление вставки и отключение сети происходит через 10 с, после установления тока. Токи плавкой вставки связаны соотношением

Iном = I10/2,5(1)

При графическом изображении токо-временной характеристики плавких предохранителей, по оси абсцисс иногда откладывают не абсолютное значение тока, а его кратность относительно номинального (рис. 2).

При защите короткозамкнутых АД следует учитывать, что пусковой ток двигателя в 5-7 раз больше номинального, а время пуска электродвигателя равняется нескольким секундам [2]. Номинальный ток плавкой вставки с учетом пускового тока определяется по формуле:

Iном = kпIn/?,(2)

гдеkп– кратность пускового тока электродвигателя по отношению к номинальному;In– номинальный ток электродвигателя, А;? –коэффициент, зависящий от условий пуска электродвигателя.

Для двигателей с нормальными условиями пуска (редкие пуски и временем разгона 5-10 с),?=2,5; для двигателей с тяжелыми условиями пуска (частые пуски и большая длительность разгона)?=1,6-2.

Как следует из формулы (2), предохранители способны защитить АД, только от токов короткого замыкания, в 10-100 раз превышающие номинальные токи. Токи же перегруза или другие токовые аварии, они будут воспринимать как пусковые токи, не реагируя на них. В лучшем случае, они способны отключить электродвигатель только через несколько минут, что может привести к перегреву обмоток и к аварии АД. Поэтому, для защиты электродвигателей от короткого замыкания в нем самом или в подводящем кабеле, используют предохранители типа аМ с более пологой токо-временной характеристикой [2]. Они способны выдерживать, не расплавляясь, токи в 5-10 раз превышающие номинальные в течение 10 с, что вполне достаточно для запуска двигателя. Для защиты от перегрузки необходимо использовать другие устройства.

Предохранители абсолютно не способны защищать от аварий, связанных с авариями сетевого напряжения, от аварий, связанных с нарушением режимов работы АД или тепловым перегрузом, а также от режима холостого хода двигателя. В то же время, при однофазном к. з., а иногда при сильном перекосе фаз они, как правило, отключают только одну фазу, что приводит к аварийному режиму работы на двух фазах.

Автоматические выключатели (автоматы)предназначены для включения и отключения асинхронных электродвигателей и других приемников электроэнергии, а также для защиты их от токов перегрузки и короткого замыкания [3].

Автоматы совмещают в себе функцию рубильника, предохранителя и теплового реле. Обеспечивают одновременное отключение всех трех фаз в случае возникновения аварийных ситуаций. В рабочем режиме включение и отключение производится вручную; в аварийном режиме он отключается автоматически электромагнитным или тепловым расцепителем.

Важной составной частью автомата является расцепитель, который контролирует заданный параметр защищаемой сети и воздействует на расцепляющее устройство, отключающее автомат. Наибольшее распространение получили расцепители следующих типов:

электромагнитные, для защиты от токов короткого замыкания;
тепловые для защиты от перегрузок;
комбинированные;

Электромагнитный расцепитель состоит из катушки с подвижным сердечником и возвратной пружины. При протекании по катушке тока короткого замыкания сердечник мгновенно втягивается и воздействует на отключающую рейку механизма свободного расцепления.

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, соединенную последовательно с контактом. При нагревании ее током перегрузки она изгибается и воздействует на отключающую рейку механизма свободного расцепления с обратно-зависимой выдержкой времени.

Выбор автоматических выключателей производится по номинальному току, характеристике срабатывания, отключающей способности, условиям монтажа и эксплуатации. Правильный выбор характеристики автоматического выключателя является залогом его своевременного срабатывания.

В соответствии со стандартами IEC 898 (стандарт международной электротехнической комиссии) и EN 60898 (европейская норма) по характеристикам срабатывания выключатели бывают трех типов:B, C, D.

Рис. 3. Характеристики автоматических выключателей

Здесь t – время срабатывания электромагнитного расцепителя, сек-мин; K=I/Iн – кратность тока к номинальному значению.

Тип B величина тока срабатывания магнитного расцепителя равна Iв= KIн, при K=3–6. Бытовое применение, где ток нагрузки невысокий и ток к. з. может попасть в зону работы теплового, а не электромагнитного расцепителя.

Тип C величина тока срабатывания магнитного расцепителя Iс= KIн, при K=5–10. Бытовое и промышленное применение: для двигателей с временем пуска до 1 сек, нагрузки с малыми индуктивными токами (холодильных машин и кондиционеров).

Тип D величина тока срабатывания магнитного расцепителя Id = KIн более 10Iн. Применение для мощных двигателей с затяжным временем пуска.

Для выбора автоматического выключателя по отключающей способности необходимо выполнить расчет ожидаемого тока короткого замыкания. Как показывает практика, для большинства типа сетей его значение не превышает 4,5 кА.

Тепловые расцепители, используемые в автоматических выключателях, чувствительны к нагреву от посторонних источников. В практике нередко случается, что расцепитель промежуточного полюса при номинальном режиме отключается только из-за нагрева соседних полюсов. Это приводит к ограничению области его работы и к коррекции номинального тока с учетом графика (рис. 4).

Kн=I/Iн – коэффициент нагрузки; N – количество полюсов автоматического выключателя.

Рис. 4. Нагрузочная способность автоматическихвыключателей при их размещении рядом.

Нагрузочная характеристика большинства автоматических выключателей зависит от температуры окружающей среды: при ее снижении коэффициент нагрузки увеличивается, при повышении – падает. Это ограничивает возможность их использования в условиях жесткого температурного режима эксплуатации, особенно в горячих цехах или в условиях открытого воздуха.

Для обеспечения контроля за другими видами аварий автоматические выключатели снабжают целым рядом дополнительных устройств.

Расцепитель минимального напряжения отключает автомат при недопустимом снижении напряжения, ниже 0,7Uн, расцепитель нулевого напряжения срабатывает при напряжении в сети менее 0,35Uн, где Uн – номинальное напряжение в сети.

Независимый расцепитель предназначен для дистанционного отключения автоматического выключателя, электромагнитный привод для дистанционного оперирования выключателем. Расцепитель токов утечки на землю обеспечивает непрерывный контроль за состоянием изоляции установки, защиту от опасности возгорания или взрыва.

Специально для защиты электродвигателей были разработаны так называемые мотор-автоматы. В отличие от стандартного автомата, мотор-атоматы имеют целый ряд особенностей:

номинальный ток электромагнитного расцепителя составляет 12-14 Iнр, что соответствует режиму работы на индуктивную нагрузку (AC-3);
высокую электродинамическую стойкость до 100 кА;
рычаг или кнопки управления электроприводом на корпусе;
встроенные или навесные быстромонтируемые дополнительные контакты, срабатывающие при перегрузках или к. з.

Разнесение функций защитных устройств на несколько независимых устройств создает массу неудобств при монтаже и эксплуатации. Каждое из них не обладает универсальностью и подходит только к конкретному автоматическому выключателю. Поэтому перед разработчиками остро встала проблема создания универсального устройства.

Рис. 5. Нагрузочная способность автоматических выключателей в зависимости от температуры окружающей среды.

Последние поколения автоматических выключателей снабжены т.н. электронными расцепителями, осуществляющими комплексную защиту электродвигателя и объединяющими в одном устройстве функции всех вышеперечисленных расцепителей [4]. Они выполнены на базе микропроцессорной техники, гарантируют высокую точность срабатывания, надежность и устойчивость к температурным режимам. Электропитание, необходимое для правильной работы, обеспечивается непосредственно трансформаторами тока расцепителя.

Защитные расцепители состоят из трех или четырех трансформаторов тока (в зависимости от типа сети), электронного блока и механизма расцепления, который воздействует непосредственно на механизм выключателя. Для управления магнитным пускателем дополнительно потребуется вспомогательный блок управления, позволяющий управлять контактором в случае аварии (за исключением короткого замыкания).

С помощью DIP - переключателей, размещенных на передней панели устройства или с помощью специального электронного блока настройки, программируется определенный набор параметров и функций расцепителя. Кривая срабатывания выключателя, максимально приближенная к рабочей характеристике АД (см. рис. 6), определяет следующие параметры:

функцияL– защита от перегрузки с обратнозависимой выдержкой по времени и характеристикой срабатывания согласно обратнозависимой кривой ( I2t = Const );

функцияR– защита от заклинивания ротора с определенным временем задержки срабатывания;

функцияI– защита от короткого замыкания с мгновенным срабатыванием;

функцияU– защита от перекоса или обрыва фазы с определенным временем задержки срабатывания. На характеристике:

I1– порог срабатывания по току для функции L ; I3– порог срабатывания по току для функции I ; I5– порог срабатывания по току для функции R ; t5– порог срабатывания по времени для функции R ; I6– порог срабатывания по току для функции U ; t6– порог срабатывания по времени для функции U ; Ie – номинальный рабочий ток электродвигателя; Ia – пусковой ток электродвигателя; Ip – пиковое значение пускового тока; ta – время пуска электродвигателя; tp – время нарастания пускового тока до Ip ; m – типовая кривая пуска электродвигателя; с – пример кривой срабатывания автоматического выключателя с электронным расцепителем; Класс – класс пуска электродвигателя, определяющий время срабатывания для защиты от перегрузки согласно стандарта IEC 60947-4-14.7.3.

Автоматические выключатели, оснащенные электронными расцепителями, обеспечивают достаточную защиту двигателя от перегрузки при работе в нормальном режиме с малым количеством включений, недолгими запусками и умеренными пусковыми токами. Режим тепловой памяти, позволяющий вычислять температуру двигателя при отключении, возможен только при наличии дополнительного источника питания. Эти выключатели совершенно неэффективны при работе в старт-стопном режиме (>60 вкл./ч) и при тяжелом запуске. Если тепловые постоянные времени электродвигателя и электронного расцепителя не совпадают, то при настройке на номинальный ток двигателя, автоматический выключатель может сработать слишком рано или не распознать режим перегрузки. Ограничение рабочих циклов автоматического выключателя (количества включений-отключений), влечет за собой использование в таких схемах контактора, имеющего большее количество циклов коммутации и лучшую коммутирующую способность. Но для подключения к нему расцепителя потребуется вспомогательный блок управления. Дополнительные (вспомогательные) устройства необходимы также для настройки и тестирования блока, что приводит к значительному удорожанию устройства и усложнению режима его эксплуатации.

Тепловые защитные устройства: тепловые реле (расцепители).

Тепловые релеприменяются для защиты электродвигателей от перегрузок недопустимой продолжительности, а также от обрыва одной из фаз.

Конструктивно представляют собой набор биметаллических расцепителей (по одному на каждую фазу), по которым протекает ток электродвигателя, оказывающий тепловое действие. Под действием тепла происходит изгиб биметаллической пластины, приводящий в действие механизм расцепления. При этом происходит изменение состояния вспомогательных контактов, которые используются в цепях управления и сигнализации. Реле снабжаются биметаллическим температурным компенсатором с обратным прогибом по отношению к биметаллическим пластинам для компенсации зависимости от температуры окружающей среды, обладают возможностью ручного или автоматического взвода (возврата).

Реле имеет шкалу, калиброванную в амперах. В соответствии с международными стандартами шкала должна соответствовать значению номинального тока двигателя, а не тока срабатывания. Ток несрабатывания реле составляет 1,05 I ном. При перегрузке электродвигателя на 20% (1,2 I ном), произойдет его срабатывание в соответствии с токо-временной характеристикой [5].

Рис. 7. Кривая срабатывания теплового реле

Выбор реле производится по кривым срабатывания (см. рис.7), с учетом холодного и теплого старта электродвигателя. Характерным параметром выбора является перегрузочная способность электродвигателя: Kp = Ia/In , где Ia - пусковой ток; In - номинальный ток и минимальное время пуска tE, указанные в паспортных данных на электродвигатель. Кривая срабатывания при холодном пуске должна проходить ниже точки с этими координатами. Как видно из рисунка, срабатывание реле из теплого состояния или при обрыве одной из фаз произойдет значительно раньше, чем из холодного состояния или при наличие всех трех фаз (кривые лежат ниже), т. е. реле обладают тепловой памятью. Здесь, теплое состояние реле – режим после длительного протекания номинального тока.

Реле, в зависимости от конструкции, могут монтироваться непосредственно на магнитные пускатели, в корпуса пускателей или на щиты. Правильно подобранные тепловые реле защищают АД не только от перегрузки, но и от заклинивания ротора, перекоса фаз и от затянутого пуска.

Недостатком тепловых реле является то, что трудно подобрать реле из имеющихся в наличии так, чтобы ток теплового элемента соответствовал току электродвигателя. Кроме того, сами реле требуют защиты от короткого замыкания, поэтому в схемах должны быть предусмотрены предохранители или автоматы. Тепловые реле не способны защитить двигатель от режима холостого хода или недогруза, причем даже при обрыве одной из фаз. Поскольку тепловые процессы, происходящие в биметалле, носят достаточно инерционный характер, реле плохо защищает от перегруза, связанного с быстропеременной нагрузкой на валу электродвигателя.

Если нагрев обмоток обусловлен неисправностью вентилятора (погнуты лопасти или проскальзывание на валу), загрязнением оребренной поверхности двигателя, тепловое реле тоже окажется бессильным, т. к. потребляемый ток не возрастает или возрастает незначительно. В таких случаях, только встроенная тепловая защита способна обнаружить опасное повышение температуры и вовремя отключить двигатель.

Термочувствительные защитные устройства: термисторы, термостаты.

Термочувствительные защитные устройства относятся к встраиваемой тепловой защите электродвигателя. Располагаются в специально предусмотренных для этой цели гнездах в лобовых частях электродвигателя (защита от заклинивания ротора) или в обмотках электродвигателя (защита от теплового перегруза). В основном их можно разделить на два типа: термисторы – полупроводниковые резисторы, изменяющие свое сопротивление в зависимости от температуры и термостаты – биметаллические выключатели, срабатывающие при достижение некоторой критической температуры.

Термисторыв основном делятся на два класса: PTC типа – полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления и NTC типа – полупроводниковые резисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Для защиты электродвигателей используются в основном PTC термисторы (позисторы), обладающие свойством резко увеличивать свое сопротивление, когда достигнута некоторая характеристическая температура T Ref (см. рис. 8). Применительно к двигателю, это максимально допустимая температура нагрева обмоток статора для данного класса изоляции. Три (для двухобмоточных двигателей шесть) PTC -термистора соединены последовательно и подключены ко входу электронного блока защиты. Блок настроен таким образом, что при превышении суммарного сопротивления цепочки срабатывает контакт выходного реле, управляющий расцепителем автомата или катушкой магнитного пускателя. Термисторная защита предпочтительней в тех случаях, когда по току невозможно определить с достаточной точностью температуру двигателя. Это касается, прежде всего, двигателей с продолжительным периодом запуска, частыми операциями включения и отключения (повторно-кратковременный режим) или двигателей с регулируемым числом оборотов (при помощи преобразователей частоты). Термисторная защита эффективна также при сильном загрязнении двигателей или выходе из строя системы принудительного охлаждения.

Рис. 8. Типовая зависимость сопротивления PTC -термистора от

Недостатками данного вида защиты является то, что с датчиками выпускаются далеко не все типы двигателей. Это особенно касается двигателей отечественного производства. Датчики могут устанавливаться только в условиях стационарных мастерских. Температурная характеристика термистора достаточно инерционна и сильно зависит от температуры окружающей среды и от условий эксплуатации самого двигателя. Они требуют наличия специального электронного блока: термисторного устройства защиты двигателей, теплового или электронного реле перегрузки, в которых находятся блоки настройки и регулировки, а также выходные электромагнитные реле, служащее для отключения катушки пускателя или электромагнитного расцепителя.

Для более оперативного реагирования на сверхнормативные повышения температуры обмотки статора, в корпус двигателя встраивают биметаллические выключатели (термостаты).

Термостаты,их иногда еще называют реле температуры, представляют из себя биметаллические регуляторы, работающие по принципу температурной отсечки. Принцип работы термостата основан на температурной деформации металла с различным коэффициентом теплового расширения. Состоят из неподвжной контактной пластины, закрепленной в корпусе, биметаллической мембраны, изгибающейся в зависимости от температуры и подвижной контактной группы, прикрепленной к ней стержнем. Для защиты двигателей обычно используются три (по одному на каждую обмотку) нормально замкнутых термостата, включенных последовательно и подключенных непосредственно к схеме управления двигателем. При превышении критической температуры обмотки они мгновенно разрывают свою цепь, что приводит к отключению двигателя.

Большинство из описанных защитных устройств, работающих по принципу измерения прямого или косвенного теплового действия тока, очень плохо реагируют на аварии, связанные с авариями сетевого напряжения. Для защиты от такого вида аварий используют реле напряжения и контроля фаз.

Реле напряжения и контроля фаз (мониторы напряжения).

Предназначены для постоянного контроля параметров сетевого напряжения и управления трехфазными электроустановками в т. ч. АД, путем отключения их от электрической сети в случае наступления аварийных режимов: недопустимых перепадов напряжения (скачки и провалы напряжения); обрывы, слипания, перекосы, нарушения последовательности фаз и последующего автоматического повторного включения электродвигателя после возвращения параметров сети в норму, если иное не предусмотрено технологическим процессом.

Как показывает статистика, до 80% аварий электродвигателя, напрямую или косвенно связаны именно с авариями сетевого напряжения. Для защиты АД наиболе целесообразно применение т. н. мониторов напряжения, контролирующих несколько видов сетевых аварий.

Большинство из присутствующих на рынке реле напряжения, не обладают указанной универсальностью. Одни из них контролируют только обрыв фаз, другие превышение или понижение напряжения, третьи перекос фаз и т.д. Это приводит к необходимости использования нескольких аналогичных реле одновременно, что неоправданно усложняет и удорожает схему, приводит к повышенному энергопотреблению и тепловыделению, уменьшает надежность.

По схемотехнике данный класс реле условно можно разделить на две группы: аналоговые и цифровые. О преимуществах цифровой техники перед аналоговой сказано достаточно много. Отметим только, что характеристики аналоговых реле напряжения очень сильно зависят от параметров самого измеряемого напряжения и температуры окружающей среды. Их отличает низкая надежность, большие габариты и повышенное энергопотребление, работа по пиковым значениям напряжения, т. к. средствами аналоговой техники практически невозможно вычислить действующее значение напряжения.

Микропроцессорные мониторы напряжения способны в одном малогабаритном устройстве совместить большинство функций, производят работу по действующему значению напряжения, различают виды аварий, имеют множество регулируемых и настраиваемых параметров. Специально для защиты АД у лучших образцов реле имеется независимая регулируемая (или «зашитая») уставка по минимальному напряжению для отстройки от пусковых посадок. Совмещать эту уставку с временем реакции (срабатывания) реле недопустимо, т.к. точно с такой же задержкой реле будет реагировать и на тяжелые аварии, такие как обрыв фаз или сильный перекос. Такие мониторы имеют регулировку АПВ в широких пределах (для управления оборудованием с длительными переходными процессами), а также возможность контроля контактов магнитного пускателя. Последняя функция наиболее актуальна для мощных двигателей или для двигателей, работающих в старт-стопном режиме (например, для электродвигателей компрессоров).

Суммируя, все вышеизложеное можно сделать рядвыводовоб общих недостатках традиционных защитных устройств:

неоправданная избирательность срабатывания, не поддающаяся корректировке (срабатывание при допустимых рабочих режимах и несрабатывание при аварийных режимах);
отсутствие отстройки от процесса пуска (если пусковые токи превышают номинальные в 5-10 раз, необходимо загрублять время реакции реле, что практически исключает функцию защиты);
невозможность отключения заторможенного ротора за определенное минимальное время;
отсутствие сигнала о начале перегрузки;
несогласованность токо-временной характеристики с перегрузочной кривой двигателя;
неспособность точного определения критического тепла, накопленного двигателем.

Даже самые лучшие устройства защиты не решают полностью задачу по защите АД от механических перегрузок, повреждений силового питающего кабеля, перекоса фазных токов, связанных с внутренними авариями двигателя или с ухудшением сопротивления изоляции обмоток.

Полноценную защиту способно осуществлять устройство, которое будет не только контролировать сетевое напряжение, фазные токи, протекающие в обмотках АД, но и сопоставляя оба эти параметра между собой делать выводы о наличие той или иной аварии.

Универсальные устройства защиты АД.

Попытки создать эффективную защиту предпринимается различными производителями постоянно. Наибольшее распространение получили две идеологии: угло-фазовый метод, реализованный в большинстве импортных дорогостоящих устройств и контроль параметров работы двигателя по величине действующего значения тока в каждой из питающих фаз, положенный в основу отечественных устройств.

Задача создания защитного устройства оказалась достаточно сложной. Во-первых, ток необходимо измерять как можно точнее, ведь известно, что длительная работа АД всего лишь при 5% перегрузе сокращает срок его службы в 10 раз [7]. Во-вторых, в связи с сильной несинусоидальностью кривой тока, необходимо определять действующее значение токов, включая гармонический анализ, чтобы учесть значения высших гармоник, оказывающих наиболее вредное влияние на пусковые и рабочие характеристики двигателя. Работа по пиковым значениям (длительным фронтам) или по неким усредненным суммам приводит к ложным срабатываниям. В третьих, необходимо обеспечить отстройку от 7-8 кратных пусковых токов, одновременно обеспечив отключение двигателя даже при небольших длительных перегрузках. В четвертых, защита должна быть «умной», т. е. время срабатывания должно зависеть от тока. В пятых, необходимо отключать недогруженный двигатель при возникновении недопустимой ассиметрии токов, т. к. это приводит к биению ротора. В шестых, необходимо учитывать тепло, выделяемое при пусках двигателя, т. к. при частых пусках двигатель может перегреться пусковыми токами, имея на валу нагрузку значительно ниже номинальной. Кроме всего прочего, необходимо различать виды аварий, и по каждой из них принимать свое решение: можно или нельзя включать двигатель повторно.

Большинство из представленных на рынке устройств т. н. токовой защиты, мало чем отличаются друг от друга по своим функциональным возможностям и имеют общие недостатки: низкая точность выставления токов, срабатывание по максимально допустимому току, отсутствие измерения напряжения и др.

Лишь совсем недавно появились недорогие отечественные устройства, в которых функции защиты реализованы не хуже, а в некоторых, по совокупности параметров, даже лучше, чем у большинства импортных аналогов, включая встроенные защиты преобразователей частоты и устройств плавного пуска. Такие устройства объединяет наличие в измерительной цепи трансформаторов тока, контролирующих рабочие токи, протекающие в обмотках статора, цифровая обработка сигнала, множество контролируемых параметров, простота конструкции.

Для анализа был выбран ряд защитных устройств АД, наиболее часто используемых на наших предприятиях, где зачастую отдают предпочтение отечественным устройствам перед их, возможно более совершенными, западными собратьями. Несомненно, основная причина, – цена. В связи с низкой платежеспособностью российских предприятий устанавливать на каждый ответственный электропривод частотный преобразователь достаточно накладно, т. к. при больших мощностях их стоимость составляет несколько тысяч долларов. К тому же, импортные защитные устройства порой не способны выдержать жесткие режимы эксплуатации: повышеннае температура, влажность, низкое качество питающего напряжения, мощные электромагнитные и коммутационные возмущения присутствующие в сети. У них усложнены схемы настройки и отладки, требуется наличие специальных знаний для их эксплуатации, которые отсутствуют у специалистов низшего звена.

Цена большинства отечественных устройств не превышает несколько сот долларов, причем практически не зависит от мощности защищаемого АД. Они создавались с учетом наших условий. Способны подстраиваться под реальные условия эксплуатации, при которых, по специфике производства, необходимо иногда загрублять или наоборот ослаблять режимы работы. Просты в обращении и не требуют дополнительных настроек.

Сравнение производилось по основным параметрам, которым, на наш взгляд, должно соответствовать универсальное реле защиты АД: защита от аварий в электросети, возможность точной настройки на номинальный (рабочий) ток двигателя, работа по действующим значениям токов, защита от внутренних аварий, защита от механического перегруза, защита от холостого хода («сухой» ход для насосов, обрыв шкива), защита от теплового перегруза, защита от пробоя изоляции на корпус, пр.

Таблица №1. Сравнительная характеристика универсальных реле защиты АД

Защита от аварий сетевого напряжения:обрыв, слипание, нарушение последовательности, перекос,скачки, провалы напряжения. В большинстве устройств такой контроль, как правило, отсутствует. В некоторых, перед включением, в лучшем случае проверяется наличие и полнофазность питающей сети. В большинстве случаев о плохом напряжении судят лишь после включения нагрузки по токам, т.е. косвенно. В блоке УБЗ-301 напряжение измеряется как до включения (при плохом напряжении нагрузка не включится), так и после включения двигателя.

Одновременный контроль токов и напряжений необходим для анализа вида аварии.Такой анализ дает возможность применить соответствующую логику принятия решений. Например, при сетевых авариях повторный пуск разрешать, при авариях, связанных с повреждениями внутри двигателя – запрещать.

Выставление номинальных и рабочих токов.Для правильной работы устройства защиты принципиально важно как можно точнее задать значение номинального тока двигателя. От того насколько правильно задан этот параметр зависит эффективность и достоверность принятия решения по различного рода перегрузам и другим токовым авариям. Для всех отечественных блоков – это камень преткновения. В одних он выставляется очень грубо, в других его выставление вообще невозможно, в третьих номинальный ток вовсе не выставляется, а выставляется ток срабатывания (максимальный), т.е. защита от перегруза – фактически защита по максимальному току с выдержкой времени (если ток будет меньше максимального, но выше номинального, двигатель войдет в перегруз, а защита это не определит). Например, ряд отечественных защитных устройств (см. УЗОТЭ-2У), перед их запуском предлагают потребителю создать на валу электродвигателя максимальную(?) нагрузку, уменьшая ее затем до номинальной. При этом производители таких блоков не сообщают как это в принципе можно сделать.Точная уставка необходима для задания критических параметров работы, относительно которых будет производиться отсчет. Согласно исследованиям,долговременное использование электродвигателя с нагрузкой всего лишь на 5% превышающей номинальную, ведет к 10-кратному сокращению срока службы обмоток электродвигателя. Таким образом, невозможность точного выставления номинального тока означает, что эти блоки обеспечивают слишком грубую защиту, по сути не сильно отличающуюся от функций обыкновенного (гораздо более дешевого) теплового реле. В УБЗ-301 номинальный ток выставляется до включения нагрузки с высокой степенью точности.
Работа по действующим значениям тока и напряжения.Ни одна из известных защит не дает такой возможности. Важность принятия решения по действующим значениям, особенно токов, определяется тем, что формы кривых токов, особенно при пусках, очень далеки от синусоиды. Если принимать решения не по действующим значениям, а по неким усредненным сигналам, или (еще хуже) по пикам, как сделано во многих других устройствах, то такие защиты будут срабатывать ложно, либо, сильно загрубленные, не будут эффективно защищать нагрузку. В блоке УБЗ-301 действующее значение токов определяется методом векторного и гармонического анализа до 7-й гармоники включительно.
Защита по тепловому перегрузу.Применение микропроцессорной техники позволило в УБЗ-301 применить сложную математическую обработку сигналов. В частности, постоянно измеряя действующее значение тока, решается уравнение теплового баланса электродвигателя. Таким образом, УБЗ-301 анализ перегруза производит с учетом «истории» работы электродвигателя. Это означает, например, что предварительно нагруженный двигатель после перегруза будет отключен быстрее, чем предварительно холодный. В других блоках в лучшем случае работа происходит по некоторой усредненной токо-временной характеристике, без учета предварительно накопленного двигателем тепла. Особенно такой подход необходим, когда нагрузка на валу электродвигателя переменная с периодическими перегрузами. В этом случае двигатель может получить тепловой перегруз, находясь в зоне перегруза кратковременно, периодически возвращаясь на номинальную нагрузку. Это же можно отнести к частым пускам.Важным преимуществом такого подхода, является то, что он позволяет ограничить количество пусков в единицу времени. Это очень важно, т.к. двигатель, имея нагрузку на валу меньше номинальной, может перегреться от частых пусков. Уравнение теплового баланса решается непрерывно, как в процессе работы двигателя, так и при его остановах.
Защита при симметричном/несимметричном перегрузе фазных/линейных токов по сложной логике принятия решений(механические перегрузки, повреждения внутри двигателя/питающего кабеля, пр.).
Защита по минимальному рабочему или пусковому току(«сухой ход» для насосов).
Повышенные габариты, вес, энергопотребление, небольшой диапазон рабочих температур говорят о наличие аналоговых компонентов в схемотехнике большинства устройсв. А это значит, что невозможно достичь требуемого уровня надежности и точности.
В блоке УБЗ-301, в отличие от других, два гальванически развязанных «сухих» контакта, что необходимо для построения схемы дистанционного контроля и управления. Он единственный имеет интерфейсный выход, что дает возможность использования его в проектах АСУ ТП и диспетчеризации.

Выводы.Обобщая все вышеизложенное можно сказать, что на рынке отечественного приборостроения наконец появились недорогие защитные устройства, которые не только способны составить альтернативу дешевым традиционным средствам защиты: предохранителям, автоматам, тепловым реле, но и оказывают достойную конкуренцию дорогим импортным устройствам – токовым реле перегрузки, устройствам плавного пуска, частотным преобразователям с их встроенными функциями защиты.

Дальнейшее развитие видится в создании таких же качественных и недорогих отечественных устройств плавного управления пуском и регулирования скоростью вращения АД, при сохранении всех функций защиты. Такие устройства должны исключать большинство причин, ведущих к возникновению аварийных режимов: большие пусковые токи, токовые перегрузки, механические перегрузки пр., путем изменения напряжения и частоты питающей сети. Они позволят оптимизировать работу АД в различных режимах, обеспечить плавный пуск, бесступенчатое регулирование скоростью, равномерное вращение двигателя в зоне перегрузок, высокие показатели эффективности (к.п.д. и коэффициент мощности), улучшат динамику работы электропривода. Это даст возможность снизить износ механических звеньев, продлит срок службы обмоток статора и в целом АД, уменьшит энергопотребление и потребление реактивной мощности..

Список используемой литературы:

ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
Грундулис А. О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. Москва, Агропромиздат, 1988 г.
Кацман М. М. Электрические машины. Москва, Высшая школа, 2000 г.
Брускин А. Э. и др. Электрические машины и микромашины. Москва, Высшая школа, 2001 г.
Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами электроники. Москва, Высшая школа, 2000 г.
Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами электроники. Москва, Высшая школа, 2000 г.
Грундулис А. О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. Москва, Агропромиздат, 1988 г.
Паначевный Б. И. Курс электротехники. Харьков, Торгсинг; Ростов-на-Дону, Феникс, 2002 г.
АВВ. Основной каталог. Контакторы. Аппараты защиты электродвигателей.
АВВ. Технический каталог. Низковольтные автоматические выключатели на ток до 630 А.
ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
Материалы научно-практической конференции по эксплуатации и совершенствованию приборов релейной защиты и автоматики. Днепропетровск, 1997 г.

Скачать прайс-лист "Защитные устройства и автоматика" xls,

наверх

Действующие значения напряжения и тока

Возможно ли их измерить методами аналоговой техники?

В статьях ведущего научного сотрудника ОАО «ВНИИР» г. Чебоксары В. Сушко «Полноценная защита стоит дорого. Готов ли платить потребитель?» («Новости Электротехники» №5(29) 2004) и «Реле серии ЕЛ. Врожденные пороки вряд ли излечимы» («Новости Электротехники» №6(30) 2004) автор ставит под сомнение во-первых, саму целесообразность использования микропроцессорной техники на стороне низкого напряжения, а, во-вторых, возможность этой техники в определении действующего значения напряжения и тока. Он считает, что методами аналоговой техники, такая задача решается и проще и дешевле.

С ним не согласны специалисты компании «Новатек-Электро», которые считают, что такую задачу методами аналоговой техники решить практически невозможно и раскрывают алгоритмы обработки информации своих устройств.

Принцип измернения действующего значения.
По определению, квадрат действующего значения сигнала X2равен среднему значению квадрата сигнала

X2= < x( t)2>, (1)

где < > означает усреднение.

Для периодического сигнала x(t+T)=x(t) среднее значение квадрата определяется интегрированием за период сигнала T.

(2)

Задача реле напряжения: определить действующее значение напряжения и в зависимости от его величины принять определеное решение. Определение действующего значения и принятие решений можно производить или аналоговыми или цифровыми методами.

Аналоговые методы

а) получить из входного сигнала с помощью различных аналоговых модулей требуемый выходной сигнал.

б) по величине выходного сигнала принять решение

Цифровые методы

а) ввести массив величин значений сигнала (отсчетов).

б) провести математическую обработку отсчетов.

в) сформировать числовую величину и принять по ней решение.

Методами аналоговой схемотехники можно легко производить интегрирование аналоговых сигналов. Имея входной сигнал y( t) можно сравнительно просто на операционном усилителе реализовать интегратор, выполняющий преобразование сигнала по закону

<y(t)> =?y(t)dt (3)

Такой интегратор можно запускать и сбрасывать в нужные моменты времени. Однако методами аналоговой схемотехники практически невозможно осуществить:

а)операцию возведения сигнала в квадрат, т.е реализовать такой узел, в котором бы осуществлялось преобразование

x(t) > y(t) = x2(t)

б) операцию извлечения квадратного корня

x(t) > y(t) =vx(t)

Реализация таких операций требует применения сложных и дорогих узлов, выполненых на специализированных аналоговых микросхемах. Такие аналоговые преобразователи сигналов выполняются на нелинейных элементах, отличаются низкой температурной стабильностью , уходом параметров и нуждаются в периодической подстройке характеристик.

Можно утверждать, что ни в одном из аналоговых реле по настоящему не определяется действующее значение напряжения. Как правило, сигнал выпрямляется и усредняется

<x(t)>=?|x(t)|dt (4)

и полученная таким образом величина используется вместо действующего значения для принятия решений в аналоговых реле.

С помощью современных микроконтроллеров, имеющих встроенные АЦП (аналогово-цифровые преобразователи) можно определять действующее значение сигнала с высокой точностью.

Определение действующего значения напряжения.

Для дискретных сигналов или при дискретном вводе непрерывного сигнала вместо x(t) известны значения x i
сигнал заменяется отсчетами x(t) > xi ,

интеграл заменяется суммой (5)

Входное сетевое напряжение через резистивный делитель подается на аналоговый вход микроконтроллера. Микроконтроллер вводит с частотой 10 кН z мгновенные отсчеты напряжения Ui.

По мгновенным отсчетам производится

слежение за периодом сигнала (напряжения).
определение действующего значения.

Для определения действующего значения сигнала производится накопление за период суммы квадратов мгновенных отсчетов SUi2. Величины отсчетов возводятся в квадрат и суммируются. Накопленная за период сумма нормируется на количество взятых отсчетов SUi2/ n, из полученной величины извлекается квадратный корень

(6)

Вычисленная величина U линейно пропорциональна действующему значению сетевого напряжения. Коэффициент пропорциональности определяется

а) делителем входного напряжения

б) разрядностью внутреннего АЦП.

в) опорным напряжением АЦП.

Для каждого прибора автоматически подбирается и записывается в память переводной множитель X, такой чтобы величина V= U*X соответствовала величине действующего значения напряжения в вольтах.

Таким образом только применение микроконтроллеров позволяет создавать массовые, дешевые устройства , с высокой точностью измеряющие действующие значения напряжений.

Особенностью измерения действующего значения напряжений сети является

а) большая величина входного сигнала. Сигнал ослабляется входным делителем, в нем отсутствуют шумы электроники.

б) малый диапазон изменения сигнала. Для принятия решений по сети ~ 220 V достаточно измерять с высокой точностью напряжение в диапазоне 150-300 Вольт, т.е диапазон изменений входного сигнала всего 2 раза.

Для напряжения метод цифрового накопления суммы квадратов отсчетов позволяет с высокой точностью производить измерение действующего значения.

Определение действующего значения тока.

Особенностью измерения действующего значения токов является

а) Малая величина входного сигнала.

Сигнал снимается с различных датчиков ( Холла, трансформаторов тока, шунтов ), как правило удаленных от прибора и требует предварительного усиления. В сигнале присутствуют шумы электроники и постоянные смещения;

б) большой диапазон изменения сигнала. Измеряемые величины тока зависят от включеной нагрузки и могут различаться в 100 – 1000 раз.

Для таких сигналов метод цифрового накопления суммы квадратов отсчетов не обеспечивает требуемую точность. Для задач измерения действующего значения токов применяется метод определения действующего значения по измерению отдельных гармоник сигнала тока. Принципом измерения является свертка входной последовательности отсчетов тока с соответствующей опорной гармоникой, построенной по периоду сетевого напряжения, т.е. строится функция синуса , период которой совпадает с периодом входного напряжения. Это связано с тем, что ток может или вообще отсутствовать или не иметь четко выраженной периодики, а сетевое напряжение всегда имеет четко выраженную периодичность.

Отсчеты входного сигнала x i сворачивается с синусом первой гармоники sin( t i)

(7)

Аналогично сигнал сворачивается с косинусом первой гармоники

(8)

Смысл различия синуса и косинуса заключается в том, что это две взаимо ортогональные функции

(9)

Соотношение величин S1и С1определяется сдвигом фаз между измеряемым током и напряжением, что позволяет измерять сдвиги фаз между токами и напряжениями, а также и сдвиги фаз между токами ( в трехфазной нагрузке).

Величина (10)

линейно пропорциональна действующему значению первой гармоники тока.

Аналогично проводится свертки с кратными опорными гармониками и определяются действующие значения 3-й, 5-й, 7-й гармоник входного сигнала.

Величина(11)

линейно пропорциональна действующему значению тока.

В прибор автоматически подбирается и записывается в память переводной множитель X, такой чтобы величина V= U*X соответствовала величине действующего значения тока в амперах.Количество гармоник включаемых в анализ зависит от возможностей микроконтроллера по скорости ввода информации и проведению вычислений. Для дешевых приборов достаточно ограничиться 7-й гармоникой, так как опыт показывает, что в реальных токовых сигналах суммарная мощность гармоник выше 7 не превышает долей процента и их исключение не влияет на точность определения действующего значения и принятия решений.

Применение универсальных микроконтроллеров с аналоговыми входами позволяет создавать дешевые и надежные устройства контроля, с высокой точностью измеряющие действующие значения входных величин.

Реле напряжения и тока на микроконтроллерах отличаются высокой стабильностью, долгим сроком службы и не требуют подстройки параметров в течение всего срока эксплуатации.

Schneider Electric нашей электрике не указчик.

Во второй из вышеуказанных статей В. Сушко прозвучала не только критика в адрес отечественных микропроцессорных устройств, но и утверждения о том, что западные производители, особенно Schneider Electric, пошли в плане надежности и точности измерений значительно дальше. Действительность же показывает совершенно обратную картину и позволяет нам утверждать, что у указанного производителя в измерительной цепи используются аналоговые (пороговые) элементы, не способные в принципе произвести надежные измерения, особенно в проблемных сетях.
Испытательным Центром Железнодорожной Автоматики и Телемеханики (ИЦ ЖАТ ПГУПС) при Петербургском Государственном Университете Путей Сообщения производился выбор поставщика реле напряжения на современной элементной базе для замены дискретных устройств сертифицированных еще в 60-х годах прошлого века. Их выбор остановился на трех производителях реле: Меандр, Schneider Electric, Новатек-Электро. Испытания проводились по ГОСТ Р 50656-2001, предусматривающем более жесткие параметры испытаний, чем испытания для устройств общепромышленного назначения. Согласно этому ГОСТу указанные устройства относятся к техническим средствам, непосредственно не влияющим на безопасность движения поездов и предполагаемое место их эксплуатации характеризуется жесткой электромагнитной обстановкой третьего класса ТС ЖАТи должно функционировать с критерием качества В при воздействии помех со степенями жесткости, предусмотренными для данного класса.

Для ТС ЖАТ третьего класса предусмотрены следующие максимальные параметры испытательных воздействий:

Электростатические разряды по ГОСТ Р 51317.4.2-99

Амплитуда напряжения импульса контактного разряда + 6 кВ

Амплитуда напряжения импульса воздушного разряда + 8 кВ

Наносекундные импульсные помехи по ГОСТ Р 51317.4.4-99

Амплитуда напряжения импульса помехи в цепях питания и заземления + 2 кВ

Амплитуда напряжения импульса помехи в цепях ввода/вывода + 1 кВ

Микросекундные импульсные помехи большой энергии по ГОСТ Р 51317.4.5-99

Амплитуда напряжения импульса «провод – земля» + 2 кВ

Амплитуда напряжения импульса «провод – провод» + 1 кВ

Амплитуда напряжения импульса на порты ввода-вывода + 1 кВ

Динамические изменения напряжения электропитания по ГОСТ Р 51317.4.11-99

Испытательное напряжение и длительность воздействия при:

провале напряжения питания 0,7 Uном в течение 1 с;

прерывание напряжения питания с критерием В 0 Uном в течение 1,3 с;

выбросе напряжения питания 1,2 Uном в течение 1 с.

Магнитное поле промышленной частоты по ГОСТ Р 50648-94

Длительное магнитное поле30 А/м

Кратковременное магнитное поле 300 А/м

Радиочастотное электромагнитное поле по ГОСТ Р 51317.4.3-99

Напряженность поля в полосе частот 80 - 1000 МГц 10 В/м

Напряженность поля в полосе частот 800 - 960 МГц и 1,4 - 2 ГГц 30 В/м

Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными

полями по ГОСТ Р 51317.4.6-99

Испытательное напряжение в полосе частот 0,15 - 80 МГц 10 В

Кондуктивные помехи в полосе частот от 0 до 150 кГц по ГОСТ Р 51317.4.16-2000

Длительное напряжение помехи на частоте 50 Гц 30 В

Кратковременное напряжение помехи на частоте 50 Гц 100 В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 15-150 Гц 100-10 1) В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 150-1500 Гц 10 В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 1,5-15 кГц 10-100 2) В

Длительное напряжение помехи в полосе частот 15-150 кГц 100 В

Примечания: 1) испытательное напряжение уменьшается на 20 дБ/декада,

2) испытательное напряжение возрастает на 20 дБ/декада.

Испытания дали следующие результаты: реле непряжения производства Меандр, сгорели (в прямом смысле) после первого же испытания, реле производства Schneider Electric не дали ни одного надежного срабатывания ни по одному параметру, реле Новатек-Электро прошли все испытания. В результате заказчик остановился именно на них и сейчас эти реле сертифицированы в составе комплетного устройства автоматики для железной дороги.

Трофимов Александр, Соркинд Михаил
ООО «Новатек-Электро» г. СПб
наверх

Скачать прайс-лист "Защитные устройства и автоматика" xls,