Protectiile clasice ale motoarelor electrice asincrone de medie tensiune

Protectia diferentiala longitudinala

Acest tip de protectie se utilizeaza pentru motoarele cu puteri mai mari de 4000 kW impotriva scurtcircuitelor polifazate in stator, cu doua ramuri diferentiale in loc de trei asa cum se prezinta in figura 1.

Conditiile de functionare a acestei protectii sunt:

Sa nu actioneze in regim normal de functionare al motorului cand acesta este incarcat la sarcina normala;

Sa actioneze la cel mai mic curent de scurtcircuit, de regula la un scurtcircuit bifazat in zona protejata, zona delimitata de ramurile protectiei diferentiale cuprinse intre cele doua transformatoare de masura de curent. In acest sens se va calcula curentul de scurtcircuit pe faza la un scurtcircuit bifazat, tinandu-se seama de aportul surselor din amonte si a impedantei (reactantei) cailor de curent dintre sursele existente si pozitia geografica a motorului protejat;

Sa nu actioneze la cuplarea la retea a motorului respectiv, intrucat curentul de pornire are o valoare insemnata, acesta poate da nastere unui curent de dezechilibru secundar in ramurile protectiei care sa conduca la actionarea acesteia.

Calculul curentului de pornire al protectiei

Acesta este dat de expresia:

  (1)

unde:

k_sig

k_aper = coeficient ce tine seama de modificarea erorii de curent, f_i, a transformatoarelor de masurat de curent in regimul tranzitoriu de pornire al motorului. K_aper = 2 atunci cand se utilizeaza relee RC-2 legate la secundarul TC, respectiv k_aper =1 cand se utilizeaza transformatoare cu saturatie rapida TSR intre TC si RC-2.

K_id - coeficient de identitate al transformatorului de masura de curent care tine seama de modificarea erorii de curent f_i in regimul normal de functionare; k_id =1 cand se utilizeaza relee de curent RC-2, respectiv 0,5 cand se utilizeaza transformatoare TSR intre TC si RC-2.

f_i - eroarea de curent a transformatoarelor de masura de curent avand valoarea maxima de 10%;

I_pM - curentul maxim de pornire al motorului dat de fabrica constructoare sau oscilografiat la punerea in functiune a motorului.

K_sch - coeficient de schema a protectiei care tine seama de modul de conectare in circuit a transformatoarelor de masura de curent. La conexiunea in stea k_sch = 1 iar la conexiunea triunghi k_sch = .

Calculul curentului de pornire a releelor

Este dat de expresia:

  (2)

unde n_TC este raportul de transformare al transformatoarelor de masura de curent, care alimenteaza releele protectiei.

Sensibilitatea protectiei diferentiale longitudinale se apreciaza prin coeficientul de sensibilitate k_sens cu expresia:

  (3)

unde:

- reprezinta valoarea minima a curentului supratranzitoriu debitat de sistem in cazul unui scurtcircuit bifazat la bornele motorului.

Protectia impotriva scurtcircuitelor in infasurarea statorului

Acest tip de protectie este utilizat pentru motoarele electrice avand o putere mai mica de 4000 kW in locul protectiei diferentiale longitudinale, actionand fara temporizare. Releele de curent sunt alimentate de la transformatoarele de masura de curent instalate inaintea conectarii cablului de alimentare la bornele intreruptorului motorului. Deoarece motoarele functioneaza in general in retele cu neutru izolat, releele protectiei vor fi alimentate de la bornele transformatoarelor de curent de pe fazele extreme (R,T) ca in figura 2 sau

Schema din figura 2 este utilizata de regula pentru motoarele care nu sunt supuse suprasarcinilor (ventilatoare de aer, exhaustoare, etc).

In cazul cand motoarele actioneaza mecanisme supuse suprasarcinilor, se foloseste aceeasi schema insa in locul releelor maximale de curent cu caracteristica independenta se folosesc relee de curent cu caracteristici de timp dependente sau semidependente de curent care asigura in plus si o protectie impotriva suprasarcinilor.

In figura 3 se prezinta schema protectiei impotriva scurtcircuitelor din infasurarea statorului utilizand relee de curent cu caracteristica de timp dependenta de curent cu element de actionare rapida.

Schema din figura 3 asigura atat protectia impotriva scurtcircuitelor in stator cat si protectia impotriva suprasarcinilor, ambele protectii fiind continute in carcasa aceluiasi releu, avand contacte separate pentru fiecare din cele doua protectii.

2.1. Calculul curentului de pornire al protectiei

Valoarea curentului de pornire a protectiei se calculeaza in raport cu valoarea efectiva maxima a curentului de pornire, I_pmax. Componenta aperiodica care mareste valoarea curentului la inceputul procesului de pornire cu 40 - 70%, amortizandu-se in aproximativ doua perioade (0,04 sec), este luata in considerare prin adoptarea unui coeficient de siguranta corespunzator, avand expresia:

  (4)

unde:

k_sig = 1,2 - 1,4 pentru relee cu caracteristica independenta, respectiv

k_sig = 1,4 - 1,6 pentru relee cu caracteristica dependenta si semidependenta

k_sch = 1 pentru conexiunea trafo de masura de curent in stea si pentru conexiunea in triunghi.

I_pmax = valoarea maxima a curentului de pornire, in conditii de tensiune nominala si alunecare s = 1.

2.2. Calculul curentului de pornire a releului

Este dat de relatia:

  (5)

unde n_TC este raportul de transformare al transformatoarelor de masura de curent TC care alimenteaza protectia.

Sensibilitatea acestei protectii se apreciaza prin coeficientul de sensibilitate k_sens cu expresia:

  (6)

unde:

si au fost mentionate anterior.

Protectia de minima tensiune

Are rolul de a preveni incalzirea motoarelor, asigurarea autopornirii celor mai importante, urmarindu-se deconectarea celor de importanta mai redusa, in perioada golurilor de tensiune si a microintreruperilor tensiunii de alimentare.

Definirea notiunii de gol de tensiune si a microintreruperilor in sistemele energetice

Golul de tensiune este definit ca fiind scaderea amplitudinii sau a valorii eficace a tensiunii in retelele electrice, intr-un anumit punct al acesteia, cuprinsa intre o valoare minim sesizabila de regula 0,2U_n si valoarea nominala, avand o durata de maxim 3 secunde. Peste aceasta durata pana la cca. 10 secunde variatia de tensiune poarta denumirea de microintrerupere.

Pe durata golurilor de tensiune in sistem actioneaza numai automatica de sistem de prevenire a avariilor care asigura revenirea tensiunii la valoarea normala. In cazul in care procesele tehnologice complexe nu admit o intrerupere mai mare de 3 secunde, atunci este nevoie de luarea unor masuri speciale la nivelul consumatorului pentru pastrarea continuitatii in alimentarea acestuia.

Rezulta deci ca protectia de minima tensiune poate actiona pe durata microintreruperilor in alimentare, coordonata cu automatizarea cunoscuta sub denumirea de AAR - anclansarea automata a rezervei - care poate asigura mentinerea continuitatii in alimentarea cu energie electrica a consumatorilor, cu consecinte favorabile asupra mentinerii in functiune a proceselor tehnologice.

Comportarea motoarelor electrice la goluri de tensiune si microintreruperi ale tensiunii de alimentare

Asupra motoarelor electrice, golurile de tensiune si microintreruperile au efecte care depind de:

sensibilitatea proceselor reprezentate prin gradul lor de automatizare si limitele de reglaj a acestora;

caracteristicile specifice actionarilor cu motoare electrice asincrone;

caracteristicile golurilor de tensiune si microintreruperilor caracterizate prin durata si profunzime.

Cunoasterea comportarii motoarelor electrice de actionare si a amplitudinii lor la asemenea fenomene, permite adoptarea unor masuri tehnice care sa evite deconectarile inutile, respectiv reducerea pierderilor de productie datorate acestor deconectari. Comportarea motoarelor de actionare in sarcina, la aparitia golurilor de tensiune are ca efect variatia marimilor electrice si mecanice caracteristice actionarii: alunecare, curenti, unghi intern, cuplu motor si rezistenta, atat pe durata golurilor cat si in regimul tranzitoriu de dupa restabilirea tensiunii normale.

Variatia turatiei (alunecarii) conduce la variatia parametrilor de utilizare ai actionarii cum ar fi: debit, presiune, cu efecte mult mai putin perturbatoare asupra procesului (pana la oprirea completa prin, prin blocarea de catre automatizarile tehnologice), functia de amplitudine si durata variatiei. Variatiile unghiului intern (de sarcina), a alunecarii (turatiei) si a curentilor pot conduce, functia de amplitudinea si durata lor, la pierderea stabilitatii dinamice sau la depasirea limitelor admisibile ale solicitarilor electrodinamice, cu repercusiuni asupra motoarelor respective.

Daca golurile de tensiune se caracterizeaza prin profunzimea lor definita de raportul si durata t, se pot obtine niste functii , care sa cuprinda toate golurile de tensiune limita admisibile. Reprezentarea grafica in planul , a functiei unui motor printr-o curba numita curba de aptitudine imparte domeniul total al golurilor de tensiune posibile , in doua zone si anume [4]:

zona golurilor suportate de motorul electric, delimitata de curba, definind zona integrala de stabilitate a motorului, la golurile de tensiune ce intereseaza;

zona golurilor insuportabile de catre motorul electric, care poate conduce la efecte termice si electromagnetice, neacceptabile pentru caile de curent, zona ce se impune a fi evitata pentru pastrarea securitatii motorului.

De aici rezulta ca, curbele de aptitudine ale motoarelor electrice constituie de fapt criterii pentru stabilirea masurilor in vederea reducerii efectelor golurilor de tensiune.

In consecinta stabilirea unui reglaj adecvat pentru protectiile de minima tensiune corespunzator informatiilor extrase din curbele de aptitudine, reprezinta una din masurile ce se pot lua pentru utilizarea integrala a rezervelor de stabilitate a motoarelor electrice.

Deci se poate afirma ca, curbele de aptitudine pot constitui un criteriu de stabilitate a unor masuri tehnice pentru reducerea efectelor golurilor de tensiune.

O protectie ideala de minima tensiune ar fi cea care ar urmari fidel curba de aptitudine a motorului, deci o curba dependenta de timp. In urma rezultatelor obtinute in exploatare protectiile de minima tensiune sau realizat in doua trepte de tensiune si timp, reglajele efectuate reprezentand puncte amplasate pe curbele de aptitudine ridicate.

Valorile de reglaj efectuate pe partea de minima tensiune au valori cuprinse intre (0,6 - 0,35U_n), mult inferioare valorii de 0,8U_n, cunoscuta in literatura de specialitate, si care au stat la baza calculului reglajului protectiilor de minima tensiune, reglaj care a condus in momentul respectiv la o mare frecventa de intrerupere a proceselor de productie.

In figura 4 se prezinta schema unei protectii de minima tensiune a unui grup de patru motoare realizata in doua trepte de tensiune si timp.

Treapta 1 - este realizata cu relee de minima tensiune 1, releul de timp 2, releul de semnalizare 3 si releul intermediar 4.

Treapta 2 - este realizata cu releele de medie tensiune 5, releul de timp 6, releul de semnalizare 7 si releul intermediar 8.

Motoarele M₁, M₂ sunt deconectate in treapta 1 de releul intermediar 4 iar motoarele M₃, M₄ sunt deconectate in treapta 2 de releul intermediar 8.

Reglajul releelor de minima tensiune 1 si 5 se face dupa aptitudinea termica globala asa cum se arata in figura 5.

Introducerea pe scara larga a microprocesoarelor in domeniul protectiilor prin relee, permite realizarea unor protectii de minima tensiune, alaturi de celelalte tipuri de protectii specifice motoarelor electrice, care sa urmareasca cu fidelitate curbele de aptitudine individuale ale motoarelor electrice, ceea ce va contribui in mare masura la cresterea sigurantei in functionarea proceselor tehnologice, care utilizeaza ca actionari motoare electrice sincrone si asincrone.

Protectia maximala de curent temporizata impotriva suprasarcinilor.

Aceasta protectie transmite impuls de declansare la intrerupatorul motorului fiind realizata cu doua transformatoare de masura de curent montate pe fazele R, T si doua relee de curent cu caracteristica independenta.

Temporizarea acestei protectii se alege functie de durata regimului de pornire al motorului alegandu-se cu o treapta de timp mai mare decat aceasta durata.

In figura 6 se prezinta oscilograma curentului de pornire si durata regimului de pornire pentru un motor asincron cu rotorul in scurtcircuit.

Fig.6 Oscilograma curentului si durata regimului de pornire pentru un motor asincron cu rotorul in scurtcircuit. I_p=10*I_nM; t_p= 60 ms

Schema electrica a acestei protectii se prezinta in figura 7 ea, comanda deconectarea motorului in cazul cand curentul prin releul 1 depaseste valoarea reglata.

Calculul curentului de pornire al protectiei

Calculul de pornire al protectiei este dat de relatia:

  (7)

unde:

k_sig

k_rev

I_nM - curentul nominal al motorului

  (8)

Din (8) se constata ca aceasta protectie actioneaza cand curentul motorului depaseste cu 20% curentul nominal I_nM.

Calculul curentului de pornire a releului

Se determina cu expresia:

  (9)

unde:

n_TC - raportul de transformare al transformatoarelor de masura de curent.

Alegerea releului de timp si fixarea temporizarii

Pentru releul de timp 2 alimentat in curent continuu, se alege unul din releele clasice sau electronice, temporizarea fixata trebuie sa fie cel putin cu o treapta de timp mai mare decat durata regimului tranzitoriu de pornire, asigurandu-se astfel conditiile de pornire a motorului respectiv. Pentru exemplul prezentat in figura 6, timpul ales va fi:

  (10)

Protectia de suprasarcina cu relee cu caracteristica de timp dependenta de curent

Aceasta protectie utilizeaza relee cu caracteristica de timp dependenta de curent avand expresia t_a = f(I), caracteristica obtinuta purtand denumirea de caracteristica de timp inversa sau inversa extrema deoarece timpul variaza invers proportional cu cresterea curentului.

Schema acestei protectii se prezinta in figura 8.

In figura 9 se prezinta alura caracteristicii de timp inversa sau inversa extrema care sta la baza realizarii multor relee de curent.

Din figura 9 rezulta ca daca releele de curent au reglajul corect realizat la , reprezentand curentul nominal al motorului timpul de actionare al protectiei are valoarea infinita (linia punctata nu se intalneste cu caracteristica de timp). Pe masura ce curentul creste timpul incepe sa se micsoreze, deconectarea motorului fiind mult mai rapida. La atingerea pragului de timpul de actionare este zero, actionarea fiind instantanee.

Rezulta deci ca protectia incepe sa actioneze de la valori imediat superioare curentului nominal al motoarelor, utilizand relee cu caracteristica de timp dependenta de curent (respectiv de la ) in timp ce protectia motoarelor cu relee de curent cu caracteristica de timp independenta de curent incepe de la 1,2I_nM figura 7, intre  (1 - 1,20)I_nM motoarele raman practic neprotejate, ceea ce constituie un dezavantaj major al schemelor de protectie care utilizeaza asemenea relee.

Protectia impotriva punerilor monofazate la pamant

Pentru motoarele electrice de medie tensiune in functie de puterea si importanta lor in procesul tehnologic, functionand in retele electrice cu neutrul izolat se poate utiliza o protectie simpla de curent sau o protectie directionala, avand la baza schema monofilara din figura 10.a , care reprezinta o retea de medie tensiune cu neutrul izolat, la care s-a realizat un defect monofazat pe faza R a circuitului motorului M₂, iar in figura 10.b se prezinta principalele marimi electrice ce caracterizeaza defectul monofazat in reteaua din figura 10.a.

Din analiza figurii 10 a,b rezulta ca protectia impotriva punerii monofazate la pamant poate fi realizata ca o protectie maximala de curent, criteriul maximal fiind asigurat daca numarul plecarilor de pe bara de medie tensiune este cel putin trei de lungimi egale, sau printr-o protectie directionala avandu-se la baza figura 10 b, din care rezulta ca in retelele cu neutrul izolat, defazajul intre tensiunea de referinta si curentul de dezechilibru primar de defect are caracter inductiv in timp ce intre aceeasi marime 3U₀ si curentul de dezechilibru primar pe plecarile sanatoase , are caracter capacitiv.

In figurile 11 si 12 se prezinta schema electrica a celor doua protectii mentionate.

In figura 13 se prezinta schema completa a protectiilor unui motor de medie tensiune cu puterea mai mica de 4000 kW.

Fig. 1 Schema protectiilor motorului de 630 kW, U_n = 6 kV.

Schema cuprinde urmatoarele protectii:

protectia cu sectionare de curent impotriva scurtcircuitelor polifazate in stator - 1, 2

protectia impotriva punerilor monofazate la pamant - 3, 4, 5

protectia maximala temporizata impotriva suprasarcinilor - 6,7,8

protectia de minima de tensiune treapta I - 9,11,13

protectia de minima de tensiune treapta II - 10,12,14