Выбор автоматических выключателей для защиты электродвигателей

Автоматический выключатель (АВ) выбирают по номинальному току I _н.вык выключателя и номинальному току I _н.расц расцепителя.
I _расц =I _дл /К _т , где
I дл =I н.дв – длительный ток в линии,
I _н.дв – номинальный ток двигателя,
К _т – тепловой коэффициент, учитывающий условия установки АВ.
К _т =1 – для установки в открытом исполнении;
К _т =0,85 – для установки в закрытых шкафах.

Iдл=Iн= Р н /(Uн·√3·ηн·cosφ), (1)

гдеР_н – мощность двигателя, кВт;
U_н – номинальное напряжение электродвигателя, кВ;
ηн – КПД двигателя (без процентов),
cosφ – коэффициент мощности двигателя.
Номинальный ток асинхронного двигателя с к. з. ротором будет примерно равен его удвоенной мощности, взятой в киловаттах:
I_н≈ 2Р_н(кВт)
Выбираем АВ:
Тип –
I_н.вык –
I_расц –

Необходимо, чтобы выполнялось условие:
I_мгн.ср ≥ KI_кр, где
I_мгн.ср – ток мгновенного срабатывания,
I_кр – максимальный кратковременный ток,
К – коэффициент, учитывающий неточность определения I_кр в линии.
К = 1,25 – для АВ с I_н > 100А;
К = 1,4 – для АВ с I_н ≤ 100А.
I_кр = I_пуск = К_i I_н, где
К_i – кратность пускового момента К_i = I_пуск/Iн.
Значения К_i берутся из таблиц.
Если условие выполняется, значит АВ выбран верно, если не выполняется, то выбирается АВ с большим значением тока расцепителя.

Приведем пример .

Условие установки АВ:

По типу двигателя выписываем из таблицы его номинальные данные:

Так как автомат устанавливается в шкафу, то К_т = 0,85, поэтому:

По току расцепителя выбираем автомат: ВА 51-25; I_н = 25 А I_расц = 16 А;

I_мгн.ср = 10∙I_расц = 10∙16 = 160 А

Неравенство выполняется, значит автомат выбран верно.

Выбирая автоматические выключатели для защиты двигателей, мы должны учитывать, что при пуске электродвигателя, возникает пусковой ток, превышающий в 5 — 7 раз номинального значения.

Автоматические выключатели выбираются по условиям:

• Uном. – номинальное напряжение, В;
• Uном.сети – номинальное напряжение сети, В.

• Iном.расц. – номинальный ток расцепителя выключателя, А;
• Iном.дв. – номинальный ток электродвигателя, А.

Ток уставки электромагнитного и полупроводникового расцепителя выбирается по формуле [Л1,с. 106]:

Для приближенного расчета тока уставки электромагнитного и полупроводникового расцепителя, можно принять по таблице 6.1 [Л1,с. 107].

Таблица 6.1 – Значения коэффициентов для расчета тока срабатывания отсечки автоматических выключателей, устанавливаемых в цепях электродвигателей

Надежность срабатывания автомата при двухфазном и однофазном коротком замыкании при КЗ на выводах электродвигателя определяется коэффициентом чувствительности и рассчитывается по формуле [Л1,с. 107]:

При отсутствии значений по коэффициенту разбросу kp, рекомендуется принимать коэффициент чувствительности в пределах 1,4-1,5.

В случае если чувствительности защиты от междуфазных КЗ недостаточно, следует принять следующие меры:

• уточнить значение Iс.о с учетом влияния сопротивления внешней сети на пусковой ток электродвигателя;
• выбрать другой тип АВ;
• увеличить сечение кабеля на одну, две ступени, но не больше;
• применить выносную релейную защиту.

При недостаточной чувствительности защиты от однофазных КЗ, следует принять следующие меры:

• применить кабель другой конструкции с нулевой жилой, алюминиевой оболочкой;
• проложить дополнительные зануляющие металлические связи;
• применить АВ со встроенной защитой от однофазных КЗ;
• применить выносную релейную защиту от однофазных КЗ, ток срабатывания данной защиты принимается 0,5-1*Iном.дв. Коэффициент чувствительности kч > 1,5, согласно ПУЭ 7-издание;

Выбор тока срабатывания для теплового и электромагнитного (комбинированного) расцепителя автоматического выключателя

Для того, чтобы защитить двигатель от перегрузки, то есть от повреждений, вызываемых длительным протеканием тока превышающего номинальный, нужно использовать тепловые и электромагнитные (комбинированные) расцепители. Номинальный ток теплового расцепителя определяется по формуле [Л1. с 109]:

Данные коэффициенты определяются для разных типов выключателя по таблице 6.2 [Л1. с 112].

Таблица 6.2 – Значения коэффициентов для расчета тока срабатывания защиты от перегрузки автоматических выключателей

Общая формула по определению тока теплового расцепителя, имеет следующий вид:

Время срабатывания защиты от перегрузки выбирается из условия, что защита не будет срабатывать при пуске и самозапуске двигателя [Л1. с 112]:

Продолжительность пуска для двигателей с тяжёлыми условиями пуска, составляет более 5 – 10 сек, например для двигателей центрифуг, дробилок, шаровых мельниц и т.д и для двигателей с лёгкими условиями пуска равным 0,5 – 2 с, например для двигателей вентиляторов, насосов, главных приводов металлорежущих станков и механизмов с аналогичным режимом работы.

Проверка чувствительности при однофазных КЗ

Данную проверку нужно выполнять, если для отключения однофазных КЗ используется защита от перегрузки. В настоящее время ПУЭ 7-издание п. 1.7.79 предъявляет требования, чтобы время отключение выключателя тока однофазного КЗ не превышало 0,4 с.

1. Беляев А.В. Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сети 0,4 кВ. Учебное пособие. 2008 г.

При подборе автоматических выключателей, способных защитить электрические моторы от повреждения в результате КЗ или чрезмерно высоких нагрузок, необходимо учитывать большую величину пускового тока, нередко превышающую номинал в 5-7 раз. Наиболее мощным стартовым перегрузкам подвержены асинхронные силовые агрегаты, обладающие короткозамкнутым ротором. Поскольку это оборудование широко применяется для работы в производственных и бытовых условиях, то вопрос защиты как самого устройства, так и питающего кабеля очень актуален. В этой статье речь пойдет о том, как правильно рассчитать и выбрать автомат защиты электродвигателя.

Задачи устройств для защиты электродвигателей

Бытовую электротехнику от пусковых токов большой величины в сетях обычно защищают с помощью трехфазных автоматических выключателей, срабатывающих через некоторое время после того, как величина тока превысит номинальную. Таким образом, вал мотора успевает раскрутиться до нужной скорости вращения, после чего сила потока электронов снижается. Но защитные устройства, используемые в быту, не имеют точной настройки. Поэтому выбор автоматического выключателя, позволяющего защитить асинхронный двигатель от перегрузок и сверхтоков короткого замыкания, более сложен.

Современные автоматы для защиты двигателя нередко устанавливаются в общем корпусе с пускателями (так называются коммутационные устройства запуска мотора). Они предназначены для выполнения следующих задач:

• Защита устройства от сверхтока, возникшего внутри мотора или в цепи подачи электропитания.
• Предохранение силового агрегата от обрыва фазного проводника, а также дисбаланса фаз.
• Обеспечение временной выдержки, которая необходима для того, чтобы мотор, вынужденно остановившийся в результате перегрева, успел охладиться.

Управляющая и защитная автоматика для двигателя на видео:

• Отключение установки, если нагрузка перестала подаваться на вал.
• Защита силового агрегата от долгих перегрузок.
• Защита электромотора от перегрева (для выполнения этой функции внутри установки или на ее корпусе монтируются дополнительные температурные датчики).
• Индикация рабочих режимов, а также оповещение об аварийных состояниях.

Необходимо также учитывать, что автомат для защиты электродвигателя должен быть совместим с контрольными и управляющими механизмами.

Расчет автомата для электродвигателя

Еще недавно для защиты электрических моторов использовалась следующая схема: внутри пускателя устанавливался тепловой регулятор, подключенный последовательно с контактором. Этот механизм работал таким образом. Когда через реле в течение длительного времени проходил ток большой величины, происходил нагрев установленной в нем биметаллической пластины, которая, изгибаясь, прерывала контакторную цепь. Если превышение установленной нагрузки было кратковременным (как бывает при запуске двигателя), пластинка не успевала нагреться и вызвать срабатывание автомата.

Внутреннее устройство автомата защиты двигателя на видео:

Главным минусом такой схемы было то, что она не спасала агрегат от скачков напряжения, а также дисбаланса фаз. Сейчас защита электрических силовых установок обеспечивается более точными и современными устройствами, о которых мы поговорим чуть позже. А теперь перейдем к вопросу о том, как производится расчет автомата, который нужно установить в цепь электромотора.

Чтобы подобрать защитный автоматический выключатель для электроустановки, необходимо знать его времятоковую характеристику, а также категорию. Времятоковая характеристика от номинального тока, на который рассчитан АВ, не зависит.

Чтобы автоматический выключатель не срабатывал каждый раз при запуске мотора, величина пускового тока не должна быть больше той, которая вызывает моментальное срабатывание аппарата (отсечка). Соотношение тока запуска и номинала прописывается в паспорте оборудования, максимально допустимое – 7/1.

Производя расчет автомата практически, следует использовать коэффициент надежности, обозначаемый символом K_н. Если номинальный ток устройства не превышает 100А, то величина K_н составляет 1,4; для больших значений она равна 1,25. Исходя из этого, значение тока отсечки определяется по формуле I_отс ≥ K_н х I_пуск. Автоматический выключатель выбираем в соответствии с рассчитанными параметрами.

Еще одна величина, которую необходимо учитывать при подборе, когда автомат монтируется в электрощитке или специальном шкафу – температурный коэффициент (К_т). Это значение составляет 0,85, и номинальный ток защитного устройства при подборе следует умножать на него (I_n/К_т).

Современные устройства электрозащиты силовых агрегатов

Большой популярностью пользуются модульные мотор-автоматы, представляющие собой универсальные устройства, которые успешно справляются со всеми функциями, описанными выше.

Кроме этого, с их помощью можно производить регулировку параметров отключения с высокой точностью.

Современные мотор-автоматы представлены множеством разновидностей, отличающихся друг от друга по внешнему виду, характеристикам и способу управления. Как и при подборе обычного аппарата, нужно знать величину пускового, а также номинального тока. Кроме этого, надо определиться, какие функции должно выполнять защитное устройство. Произведя нужные расчеты, можно покупать мотор-автомат. Цена этих устройств напрямую зависит от их возможностей и мощности электрического мотора.

Особенности защиты электрических двигателей в производственных условиях

Нередко при включении устройств, мощность которых превышает 100 кВт, напряжение в общей сети падает ниже минимального. При этом отключения рабочих силовых агрегатов не происходит, но количество их оборотов снижается. Когда напряжение восстанавливается до нормального уровня, мотор начинает заново набирать обороты. При этом его работа происходит в режиме перегрузки. Это называется самозапуском.

Самозапуск иногда становится причиной ложного срабатывания АВ. Это может произойти, когда до временного падения напряжения установка в течение длительного времени работала в обычном режиме, и биметаллическая пластина успела прогреться. В этом случае тепловой расцепитель иногда срабатывает раньше, чем напряжение нормализуется. Пример падения напряжения в электросети автомобиля на следующем видео:

Чтобы предотвратить отключение мощных заводских электромоторов при самозапуске, используется релейная защита, при которой в общую сеть включаются токовые трансформаторы. К их вторичным обмоткам подключаются защитные реле. Эти системы подбираются методом сложных расчетов. Приводить здесь мы их не будем, поскольку на производстве эту задачу выполняют штатные энергетики.

Заключение

В этом материале мы подробно осветили тему защитных устройств для электрических двигателей, и разобрались с тем, как подобрать автомат для электромотора и какие параметры при этом должны быть учтены. Наши читатели могли убедиться, что расчеты, которые производятся при этом, совсем несложны, а значит, подобрать аппарат для сети, в которую включен не слишком мощный силовой агрегат, вполне можно самостоятельно.