Дифференциальная защита двигателя (ANSI 87M) — почему крупный двигатель защищают быстрее и чувствительнее, чем обычным токовым реле

Руководство о дифференциальной защите трансформатора (87T) описывает принцип процентной дифференциальной защиты: ток, входящий в защищаемый объект, непрерывно сравнивается с током, выходящим из него, и любая разница сверх уставки, следующей за током нагрузки, указывает на внутреннее повреждение. Эта статья посвящена той же философии защиты, применённой к крупному или ответственному двигателю: дифференциальная защита двигателя, обозначаемая кодом ANSI 87M.

Почему крупному двигателю нужно больше, чем просто тепловая защита от перегрузки

Руководство о классах защиты двигателей (10/20/30) описывает тепловую защиту от перегрузки, которая есть практически у каждого двигателя: относительно медленную функцию, настроенную на кривую нагрева двигателя, защищающую от длительной перегрузки. Внутреннее повреждение обмотки — например, межвитковое замыкание в пределах одной фазы или межфазное замыкание — часто развивается значительно быстрее теплового перегруза и для крупного или ответственного двигателя (где затраты на ремонт или замену, а также последствия задержки реагирования значительны) может причинить существенный дополнительный ущерб до срабатывания медленной тепловой защиты. Дифференциальная защита двигателя предназначена для обнаружения таких внутренних повреждений значительно быстрее и чувствительнее, чем это возможно с помощью одной лишь токовой защиты или защиты от перегрузки.

Два распространённых варианта измерения: балансировка по сердечнику и суммирование токов

Для дифференциальной защиты двигателя необходимо сравнивать ток на обоих концах каждой фазной обмотки. Это требует доступа ко всем шести выводам обмоток (а не к уже внутренне соединённой нейтральной точке двигателя) и может быть выполнено двумя способами:

• Самобалансирующаяся дифференциальная защита (по сердечнику): входящий и выходящий проводник одной и той же фазы проводятся вместе через один кольцевой трансформатор тока. При нормальной работе два тока (протекающие в противоположных направлениях через сердечник) полностью компенсируют друг друга в этом сердечнике, поэтому трансформатор тока измеряет практически нулевой результирующий ток. При внутреннем повреждении между двумя токами возникает дисбаланс, который трансформатор тока обнаруживает. Этот метод обычно использует три трансформатора тока (по одному на фазу) и относительно прост в реализации.
• Метод суммирования токов с шестью трансформаторами тока: каждая фазная обмотка получает собственный трансформатор тока на обоих концах (всего шесть трансформаторов тока), и реле процентной дифференциальной защиты сравнивает входящий и выходящий ток каждой фазы отдельно, как и в методе 87T. Поскольку каждый трансформатор тока здесь должен измерять полный ток двигателя, эти трансформаторы тока обычно крупнее и рассчитаны на большую мощность, чем при методе балансировки по сердечнику.

Почему используется уставка процентной дифференциальной защиты, а не фиксированный порог

Как и в случае с 87T, небольшой неизбежный ток небаланса может возникать из-за нормальных погрешностей измерения трансформаторов тока, особенно при высоком пусковом токе. Уставка процентной дифференциальной защиты (biased differential) позволяет допустимому порогу небаланса следовать за измеренным током нагрузки (обычно настраивается в диапазоне от нескольких процентов до нескольких десятков процентов), чтобы реле оставалось достаточно чувствительным при низкой нагрузке для обнаружения реального, небольшого внутреннего повреждения, но не срабатывало ложно при высоком пусковом или рабочем токе из-за неизбежной погрешности измерения трансформаторов тока.

Примечание: выбор между методом балансировки по сердечнику и шестью ТТ зависит от доступности всех шести выводов обмоток и от мощности двигателя; точная уставка процентной дифференциальной защиты следует из системного исследования конкретного двигателя. Эта статья описывает принцип, а не готовую уставку для каждого типа двигателя.

Практическая значимость

При составлении технического задания на защиту крупного или ответственного двигателя важно заблаговременно проверить, действительно ли все шесть выводов обмоток двигателя выведены в клеммную коробку — без этих шести точек подключения ни один из дифференциальных вариантов реализовать невозможно, и приходится возвращаться к менее чувствительной схеме, основанной только на токовой защите.

Типичные ошибки

1. Предположение, что обычная тепловая защита от перегрузки (10/20/30) также достаточно быстро обнаруживает внутренние повреждения обмотки — эта функция рассчитана на медленную, тепловую перегрузку, а не на быстро развивающееся внутреннее короткое замыкание.
2. Применение уставки процентной дифференциальной защиты, слишком низкой для фактической погрешности измерения используемых трансформаторов тока — это приводит к ложному срабатыванию при нормальных пусковых токах.
3. Применение метода балансировки по сердечнику без проверки того, что оба проводника одной и той же фазы действительно проходят через кольцевой сердечник в одном направлении — неправильно проведённый проводник заставляет трансформатор тока измерять кажущийся, постоянный небаланс.
4. Составление технического задания на дифференциальную защиту двигателя без предварительной проверки доступности всех шести выводов обмоток двигателя — обнаружение этого во время монтажа, а не на этапе составления технического задания, может привести к дорогостоящим задержкам.

Связанные материалы

• Дифференциальная защита трансформатора (87T)
• Классы защиты двигателей (10/20/30)
• Дифференциальная защита шин (87B)
• Защита от понижения и повышения напряжения (ANSI 27/59)