Zabezpieczenie termiczne wg modelu cieplnego (ANSI 49) — replika termiczna silnika i transformatora

Przewodnik o zabezpieczeniu silnika — klasa przeciążenia 10/20/30 opisuje, jak cieplny przekaźnik przeciążeniowy chroni silnik poprzez krzywą czas-prąd o stałym oznaczeniu klasy. Ten artykuł opisuje bardziej zaawansowaną technikę stosowaną zarówno do silników, jak i transformatorów: model repliki termicznej, oznaczany kodem ANSI 49 (przekaźnik cieplny maszyny lub transformatora).

Dlaczego stały próg prądowy nie wystarcza

Proste zabezpieczenie nadprądowe uwzględnia jedynie aktualny prąd w danej chwili. Rzeczywista temperatura uzwojenia zależy jednak nie tylko od prądu w tym momencie, ale także od tego, jak gorące uzwojenie było już wcześniej: silnik, który właśnie przeszedł ciężki rozruch, lub transformator, który już od pewnego czasu pracuje blisko obciążenia znamionowego, ma znacznie mniejszy zapas cieplny niż ta sama maszyna, która właśnie długo stała bez obciążenia — nawet jeśli aktualny prąd w obu przypadkach jest identyczny.

Model repliki termicznej

Przekaźnik z funkcją 49 rozwiązuje ten problem, stale utrzymując nie tylko aktualny prąd, ale obliczeniowy model temperatury uzwojenia — stąd termin "replika termiczna" (thermal replica): przekaźnik elektronicznie naśladuje zachowanie cieplne chronionej maszyny.

• Wzrost temperatury jest obliczany według zależności I²t ze stałą czasową cieplną: im wyższy prąd powyżej wartości znamionowej, tym szybciej rośnie modelowana temperatura; im dłuższa stała czasowa maszyny (większa masa, większa zdolność chłodzenia), tym wolniejszy ten wzrost.
• Model ma funkcję pamięci: gdy prąd spada, modelowana temperatura stopniowo obniża się zgodnie z tą samą stałą czasową, zamiast natychmiast spaść do zera — dokładnie tak, jak rzeczywiste uzwojenie nie stygnie natychmiast w chwili zaniku obciążenia.
• Tam, gdzie jest to dostępne, model jest korygowany rzeczywiście zmierzoną temperaturą (na przykład czujnikiem PT100 w uzwojeniu lub w oleju górnym transformatora), więc przekaźnik nie polega wyłącznie na obliczonym modelu, lecz weryfikuje go z rzeczywistą, zmierzoną temperaturą.

Różnica względem klas przeciążenia 10/20/30

Klasy przeciążenia 10/20/30 prostszego przekaźnika zabezpieczenia silnika opisują w istocie stałą krzywą czas-prąd dostrojoną do średniego zachowania cieplnego dla danej klasy, bez wyraźnej, stale aktualizowanej pamięci cieplnej historii. Pełnoprawny przekaźnik repliki termicznej (49) idzie o krok dalej: stale śledzi modelowaną temperaturę, w tym chłodzenie między kolejnymi szczytami obciążenia, i dzięki temu może dokładniej odróżnić maszynę, która jest już "gorąca" przed nowym szczytem, od maszyny startującej "zimno" — rozróżnienie, którego czysta krzywa czas-prąd bez pamięci nie dokonuje.

Uwaga: w transformatorze, obok temperatury uzwojenia, często osobno modelowana lub mierzona jest temperatura oleju górnego (zob. przewodnik o wskaźniku temperatury oleju/uzwojenia OTI/WTI) — replika termiczna uzwojenia (49) i fizyczny pomiar OTI/WTI to dwie różne, uzupełniające się metody monitorowania tego samego podstawowego ryzyka (starzenie izolacji z powodu nadmiernej temperatury uzwojenia).

Znaczenie praktyczne

Przy konfigurowaniu przekaźnika repliki termicznej dla silnika lub transformatora ważne jest wprowadzenie prawidłowej stałej czasowej cieplnej (stałe czasowe nagrzewania i chłodzenia mogą się różnić) oraz prawidłowego poziomu przeciążenia na podstawie danych producenta maszyny, a tam, gdzie jest to dostępne — połączenie z modelem rzeczywistego pomiaru temperatury, aby przekaźnik nie polegał wyłącznie na ogólnym założeniu, lecz podążał za rzeczywistym zachowaniem cieplnym konkretnej maszyny.

Częste błędy

1. Konfigurowanie wyłącznie stałego progu prądowego lub klasy przeciążenia bez wykorzystania funkcji pamięci przekaźnika repliki termicznej, przez co powtarzające się krótkie przeciążenia ze zbyt małym czasem chłodzenia między nimi nie są prawidłowo rozpoznawane.
2. Stosowanie identycznej stałej czasowej dla nagrzewania i chłodzenia, podczas gdy wiele maszyn w rzeczywistości chłodzi się wolniej niż się nagrzewa (mniej skuteczne chłodzenie w spoczynku niż podczas pracy) — zbyt optymistyczna stała czasowa chłodzenia może prowadzić do przedwczesnego, nieuzasadnionego ponownego załączenia.
3. Brak aktualizacji modelu cieplnego po wymianie silnika lub transformatora na inny o odmiennych charakterystykach cieplnych, przez co zabezpieczenie przestaje odpowiadać rzeczywiście podłączonej maszynie.
4. Mylenie zabezpieczenia repliki termicznej z fizycznym pomiarem temperatury OTI/WTI transformatora — oba są wartościowe, ale chronią według innej zasady (wartość modelowana kontra bezpośrednio zmierzona).

Powiązane

• Zabezpieczenie silnika — klasa przeciążenia 10/20/30
• Wskaźnik temperatury oleju/uzwojenia (OTI/WTI) transformatora mocy
• Zabezpieczenie różnicowe transformatora (87T) — różnicowe procentowe
• Klasa zabezpieczeniowa przekładnika prądowego (5P/10P) i napięcie kolanowe