Защита электродвигателей: Типы неисправностей и выбор защитных устройств

Типы неисправностей двигателей и средства защиты

Частые отказы и неисправности двигателей

Понимание типов отказов и неисправностей двигателей необходимо для выбора наиболее подходящих защитных устройств для каждого конкретного случая. Также важно знать ключевые термины, связанные с управлением и защитой двигателей.

Поскольку двигатели — нестационарные машины, они подвергаются электрическим и механическим напряжениям.

Отказы двигателей делятся на три основных типа: электрические, механические и механические, переходящие в электрические.

Наиболее распространённые типы отказов и неисправностей:

• Отказ подшипников
• Пробитие изоляции
• Заблокированный ротор
• Перегрев
• Перегрузки (электрические и механические)
• Асимметрия фаз — любая асимметрия напряжения ведёт к ещё большей асимметрии токов
• Работа в обратном направлении
• Невыцентрированность вала
• Вибрация

Перегрев может возникнуть из-за недостаточной мощности двигателя, недостаточного охлаждения на низких скоростях при использовании частотных преобразователей (ЧП), изменения нагрузки на двигатель (например, заклинивание механизма) и высокой температуры окружающей среды.

Пробитие изоляции, приводящее к сгоранию обмоток, означает короткое замыкание либо внутри двигателя, либо в цепи питания, и может быть вызвано перегревом, перегрузками и перенапряжениями.

Около 80% электрических отказов двигателей вызваны повреждением обмоток статора и неисправностями подшипников.

Отказ подшипников может указывать на неправильный выбор подшипников для конкретного применения.

Вертикально установленный двигатель требует других подшипников, чем горизонтально установленный. Двигатель, приводящий большой или многоременной привод, будет требовать подшипники, выдерживающие большие радиальные нагрузки. Двигатель, закреплённый на искривлённой базовой пластине, будет скручиваться.

Подшипники обычно малы по сравнению с другими основными компонентами двигателя, что делает их особенно уязвимыми к повреждениям и износу; некоторые исследования пишут на счет подшипников более половины всех отказов двигателей, большинство из которых вызвано недостаточным или избыточным смазыванием. Ещё одной значительной причиной отказа подшипников является невыцентрированность.

Невыцентрированность вала разрушает подшипники задолго до окончания их нормального ресурса. Вал двигателя должен находиться в одной линии с приводным валом, чего можно достичь только с помощью высокоточных методов центровки, таких как лазерная.

Другие проблемы, которые могут возникнуть в двигателях:

• Попадание воды и пыли в обмотки статора или клеммный ящик, приводящее к КЗ
• Мягкая нога — ноги двигателя затянуты не в одной плоскости
• Неправильное монтажное исполнение или тип корпуса
• Электрическая или механическая невыцентрированность

Шум указывает на проблемы двигателя, но обычно не вызывает повреждений. Шум, однако, обычно сопровождается вибрацией.

Вибрация может наносить вред несколькими способами. Она склонна ослаблять обмотки и механически повреждать изоляцию трещинами, отслаиванием или абразивным износом материала. Ломкость жильных проводов от чрезмерного движения и искрение щёток на коллекторах или контактных кольцах также результатом вибрации.

Наконец, вибрация может ускорять отказ подшипников, вызывая «бринеллирование» вкладышей — их выбивание из формы или ослабление корпусов в обоймах.

Всякий раз, когда шум или вибрации обнаружены в работающем двигателе, источник должен быть быстро выявлен и устранён.

То, что кажется очевидным источником шума или вибрации, может быть симптомом скрытой проблемы. Поэтому часто требуется тщательное расследование.

Шум и вибрации могут быть вызваны невыцентрированностью вала двигателя или передаваться к двигателю от приводного механизма или системы передачи. Они также могут быть результатом электрической или механической невыцентрированности в самом двигателе.

Электрическая невыцентрированность возникает, когда магнитное притяжение между статором и ротором неравномерно вокруг периферии двигателя. Это вызывает прогиб вала при вращении, создавая механическую невыцентрированность. Электрическая невыцентрированность обычно указывает на электрический отказ, такой как разрыв обмотки статора или ротора, разрыв стержня или кольца в короткозамкнутых двигателях или короткое замыкание обмоток возбуждения в синхронных двигателях. Неровный воздушный зазор, обычно от сильно изношенных вкладышных подшипников, также вызывает электрическую невыцентрированность.

Главные причины механической невыцентрированности включают искривлённое основание, изогнутый вал, плохо сбалансированный ротор, ослабленные детали на роторе или неисправные подшипники. Шум также может исходить от вентилятора, ударяющего по корпусу, казенне или посторонним предметам внутри казенны. Если подшипники неисправны, как показывает чрезмерный шум подшипников, необходимо установить причину отказа подшипников.

Другая проблема — длительное пусковое время. Если двигатель подвергается многим последовательным пускам, обмотки ротора или стержни ротора могут нагреться до точки, где электрические соединения между стержнями ротора и кольцами замыкания повреждаются.

Средства защиты двигателей

Какие бы номинальное напряжение и размер ни имели двигатели, они защищены от токов перегрузки (короткое замыкание) и перегрузок.

Малые и средние двигатели низкого напряжения обычно защищены только от перегрузок и коротких замыканий, а крупные двигатели низкого напряжения и двигатели высокого напряжения имеют также другие виды защиты.

Защита от перегрузок и токов КЗ должна быть спроектирована так, чтобы быть нечувствительной к пусковым токам, чтобы избежать ложных отключений.

Для двигателей низкого напряжения защита от токов КЗ может осуществляться предохранителями, совмещёнными с разъединителями или автоматами с мгновенным срабатыванием, реагирующими на мгновенные (практически мгновенные) значения тока от КЗ, замыкания на землю или тока заблокированного ротора.

Автоматы с инверсной временной характеристикой имеют как тепловое, так и мгновенное срабатывание и предварительно установлены на стандартизированные уровни срабатывания.

Это наиболее распространённый тип автоматического выключателя, используемый в строительстве для жилых, коммерческих и промышленных объектов.

Тепловое действие такого автомата реагирует на тепло. Если входы и выходы вентиляции двигателя не обеспечивают адекватное рассеивание тепла от обмоток, тепло будет зафиксировано тепловым действием автомата.

Если произойдёт короткое замыкание, электромагнитное действие автомата зафиксирует мгновенные значения тока и отключит автомат.

Предохранители обычно не подходят для защиты от перегрузок, потому что если подобраны для защиты от перегрузок, они сработают при пуске двигателя из-за большого пускового тока, хотя их можно использовать как резервную защиту от перегрузок.

Защита предохранителями несет риск повреждения от однфазного режима при срабатывании только одного предохранителя если не предусмотрена защита от однфазности; этот вопрос будет рассмотрен позже.

Крупные двигатели низкого напряжения и двигатели высокого напряжения защищены от коротких замыканий (межфазных и фаза-земля) токами реле (50; 50N; 51; 51N), подключёнными к ТТ (токам трансформаторам).

Защита от перегрузок обычно обеспечивается тепловым реле перегрузки. Это реле может быть следующих типов:

Биметаллическая пластина

Тепловая защита от перегрузки выдерживает кратковременный большой пусковой ток двигателя, одновременно надёжно защищая его от перегрузки рабочего тока. Нагревательная катушка и действие биметаллической пластины вводят временную задержку, которая даёт двигателю время на пуск и переход в нормальный рабочий ток без срабатывания тепловой защиты. Тепловые защиты от перегрузки могут быть ручным или автоматическим сбросом в зависимости от применения и имеют регулятор, позволяющий точно устанавливать их под рабочий ток двигателя.

Температура окружающей среды, в которой находится пускатель и двигатель, должна учитываться при выборе реле на биметаллической пластине, потому что высокая температура окружающей среды уменьшает время срабатывания от перегрузки.

Уменьшенное время срабатывания может привести к ложным срабатываниям, если двигатель находится в более холодной среде, чем пускатель, и к сгоранию двигателя, когда двигатель находится в более горячей среде, чем пускатель.

Большинство тепловых устройств перегрузки рассчитаны на использование при максимальной температуре 40 °C, и может потребоваться понижение уставки реле.

Большинство реле регулируются в диапазоне от 85% до 115% от их номинала.

Некоторые модели доступны с компенсацией температуры окружающей среды. У устройств с компенсацией точка срабатывания не зависит от температуры окружающей среды и работает стабильно при одном и том же значении тока.

Этот тип реле обычно используется на малых и средних двигателях низкого напряжения.

Стандарты и каталоги производителей обычно показывают рекомендуемые уставки таких реле в соответствии с номинальной мощностью двигателя; те же таблицы показывают рекомендуемые номинальные токи предохранителей (тип aM или gG — см. раздел 2.4) и автоматы с мгновенным срабатыванием, которые ассоциированы с реле для защиты от токов КЗ, как показано в Таблице 3.

Таблица 3 – Номинальные токи предохранителей для защиты двигателей

Электронные цифровые реле перегрузки

Этот тип защиты используется для крупных двигателей низкого напряжения и двигателей высокого напряжения и содержит микропроцессор. Эти устройства могут моделировать нагрев обмоток двигателя, отслеживая ток двигателя, и также могут включать функции измерения и связи.

Обычная защита крупных двигателей низкого напряжения и двигателей высокого напряжения обычно осуществляется следующими защитными устройствами:

• Защита от перегрузки: 49
• Мгновенное межфазное токовое реле: 50
• Мгновенное токовое реле заземления: 50N/50G
• Токовое реле с задержкой (межфазное): 51
• Токовое реле с задержкой (заземления): 51N/51G

В некоторых случаях не рекомендуется защищать двигатели от перегрузок; это касается пожарных насосов и дымососов.

Очень крупные двигатели низкого и высокого напряжения дороги, и обычно целесообразно обеспечить более комплексные схемы защиты. Такие схемы включают:

• Мониторинг и защита температуры подшипников (38)
• Дифференциальная защита (87M)
• Защита от незавершённого пуска / длительного пуска (66)
• Отрицательная последовательность фаз (защита от смены фаз)
• Защита от перегрева
• Защита от асимметрии фаз или отказа фазы (47)
• Защита от заклинивания или заблокированного ротора
• Защита от пониженного и повышенного напряжения (27 и 59 соответственно)
• Мониторинг и защита от вибрации (39)
• Устройства мониторинга и защиты температуры обмоток

Дифференциальная защита для двигателей НН и ВН

Дифференциальная защита часто предусматривается для средних и крупных двигателей с напряжением питания выше примерно 4 кВ и электрически управляемыми (шунтовым разъездом) автоматическими выключателями. Дифференциальная защита обеспечивает высокую скорость направления и отключения неисправностей в обмотках статора двигателя.

• Также читайте: Как рассчитать сечение кабеля для двигателей НН и ВН

Если система питания с твёрдо заземлённой нейтралью, дифференциальная защита обнаруживает как межфазные, так и фазно-земельные неисправности.

При дифференциальной защите ток в каждом конце каждой обмотки сравнивается для определения состояния неисправности.

Эта функция требует двух комплектов ТТ, один в начале вводного кабеля двигателя, другой в точке звезды.

Функция дифференциальной защиты может использоваться только если оба конца каждой фазы статора выведены наружу для внешнего подключения так, что фазный ток, входящий в фазу и выходящий из неё, может быть измерен. Дифференциальный элемент вычитает ток, выходящий из каждой фазы, из тока, входящего в каждую фазу, и сравнивает результат или разницу с уставкой дифференциальной защиты.

Если эта разница равна или превышает уставку, произойдёт отключение.

Рисунок 19 показывает пример этой защиты.

Рисунок 19 – Дифференциальная защита двигателя

При использовании шести ТТ в суммирующей схеме, во время пуска значения от двух ТТ на каждой фазе могут быть неравны, так как ТТ не идеально идентичны и асимметричные токи могут вызвать разные выходные сигналы ТТ на каждой фазе.

Чтобы предотвратить ложные срабатывания в этой конфигурации, уровень дифференциальной защиты может потребоваться сделать менее чувствительным, или временную задержку дифференциальной защиты может потребоваться увеличить, чтобы переждать проблемный период при пуске двигателя.

Рабочая дифференциальная задержка затем может быть тонко настроена под приложение так, чтобы она реагировала очень быстро и была чувствительна к низким уровням дифференциального тока.

Защита от перегрева обмоток обычно выполняется с помощью резистивных термометров (RTD) и термисторов, а также могут устанавливаться устройства автоматического отключения. Установка отдельного дополнительного вентилятора для помощи вентилятору двигателя решает проблему перегрева при использовании ЧП для регулировки скорости двигателя.

Незавершённая пусковая последовательность / длительное пусковое время вызывают перегрев ротора.

Поскольку невозможно физически измерить температуру ротора в двигателях с короткозамкнутым ротором, необходимо определить тепло по измерению тока, который ротор потребляет через статор для возбуждения ротора. Тепловая модель ротора устанавливается с использованием кривой I²t.

Блокировка повторного пуска запретит пользователю пускать двигатель, если реле определило, что ротор достиг температуры, которая повредит ротор при попытке пуска. Реле таким образом разрешит повторный пуск только, если ротор имеет достаточный тепловой запас для пуска.

Защита подшипников обычно выполняется с помощью RTD и термисторов для мониторинга температуры.

Защита от вибрации использует датчики/акселерометры, которые обычно размещаются в ключевых точках на двигателе и подшипниках.

Поскольку подшипники являются несущей частью механической передачи, акселерометры должны быть установлены на входе и выходе

Рисунок 20 показывает пример датчиков вибрации и рекомендуемые места установки.

Рисунок 20 – Датчики вибрации двигателя

В настоящее время МЦР (см. раздел 2.1), которые объединяют все необходимые функции защиты, обычно используются для крупных двигателей низкого и высокого напряжения.

Об авторе: Мануэль Болотинья

- Лиценциат по электротехнике — Энергетика и системы электроснабжения (1974 — Instituto Superior Técnico/Университет Лиссабона)
— Магистр по электротехнике и компьютерной инженерии (2017 — Faculdade de Ciências e Tecnologia/Новый университет Лиссабона)
— Старший консультант по подстанциям и системам электроснабжения; Профессиональный инструктор