Обнаружение обрыва фазы у трёхфазных двигателей — почему одного термического реле перегрузки бывает недостаточно

Руководство о реле перегрузки двигателя и классе срабатывания рассматривает, как термическое реле перегрузки защищает двигатель от длительного избыточного тока. Эта статья рассматривает конкретный сценарий неисправности, при котором такая тепловая защита не всегда реагирует достаточно быстро: пропадание одной фазы питания уже работающего трёхфазного двигателя.

Явление: работа на двух фазах

Если у работающего трёхфазного двигателя пропадает одна из трёх фаз питания — например, из-за ослабленного присоединительного зажима, перегоревшего предохранителя или обрыва проводника, — двигатель, благодаря собственной механической инерции и оставшемуся вращающемуся полю от двух уцелевших фаз, часто просто продолжает вращаться. Двигатель тогда фактически работает как сильно несимметрично нагруженная машина: ток в оставшихся обмотках значительно возрастает по сравнению с нормальным, сбалансированным рабочим током. В двигателе с соединением треугольником ток в обмотке, всё ещё питаемой через обе оставшиеся фазы, может возрасти примерно до двукратного значения нормального фазного тока, с соответственно повышенным линейным током в оставшихся питающих проводниках.

Почему это опасно для двигателя

Этот повышенный, несимметричный ток вызывает неравномерный, локально усиленный нагрев обмоток двигателя — с реальным риском повреждения изоляции (межвитковое замыкание), если ситуация сохраняется слишком долго. Поскольку двигатель часто по-прежнему кажется механически работающим (иногда со слышимым гулом и сниженным крутящим моментом, но не обязательно с явно видимой неисправностью), состояние обрыва фазы без отдельного обнаружения может долго оставаться незамеченным.

Почему термическое реле перегрузки не всегда достаточно быстро здесь

Термическое реле перегрузки (см. руководство о классе срабатывания) защищает от избыточного тока, моделируя нагрев биметаллического элемента (или его электронного эквивалента), и срабатывает только когда эта смоделированная температура превысит установленный предел. Это хорошо работает при постепенной, симметричной перегрузке, но при состоянии обрыва фазы оно реагирует только после времени, необходимого для накопления достаточной тепловой энергии — периода, в течение которого неравномерный, сконцентрированный нагрев наиболее нагруженной обмотки уже может вызвать повреждение до того, как усреднённая, смоделированная температура реле достигнет порога срабатывания.

Реле контроля обрыва фазы и напряжения: прямое обнаружение асимметрии

Отдельное реле контроля обрыва фазы или напряжения, обычно выполненное в соответствии с IEC 60947-5-1 (аппараты цепей управления) — не путать с IEC 60947-4-1, которая регулирует чувствительность к обрыву фазы теплового реле перегрузки, встроенного в пускатель двигателя, — непрерывно контролирует три фазы питания (напряжение и/или ток) на взаимную асимметрию и на полное пропадание фазы, и отключает двигатель напрямую, как только превышен установленный порог асимметрии или обрыва фазы — часто за долю времени, которое потребовалось бы термическому реле перегрузки для обнаружения той же неисправности. Многие из таких реле одновременно контролируют также нарушение порядка чередования фаз (см. руководство о распознавании порядка чередования фаз) и пониженное/повышенное напряжение, как дополнительные функции защиты в том же устройстве.

Практическая значимость

Для двигателей, критичных для технологического процесса (например, в промышленности или тепличном хозяйстве, см. также руководство о способах пуска двигателя) или в установках, где ослабленный зажим или перегоревший предохранитель фазы на практике не сразу заметны, отдельное реле контроля обрыва фазы является ценным дополнением к стандартной термической защите от перегрузки — не заменяя её, а обеспечивая более быстрое обнаружение, специально нацеленное на этот сценарий неисправности.

Частые ошибки

1. Полагание исключительно на термическое реле перегрузки для защиты от состояния обрыва фазы, хотя это реле реагирует только после значительного теплового накопления.
2. Отсутствие немедленного распознавания двигателя, работающего на двух фазах — отсутствие явно видимой неисправности (двигатель по-прежнему вращается) может создавать впечатление, что всё в порядке, в то время как обмотки тем временем неравномерно перегреваются.
3. Настройка реле контроля обрыва фазы только на мониторинг напряжения в ситуации, лучше обнаруживаемой по асимметрии тока (или наоборот), без учёта конкретного режима отказа установки — правильная контролируемая величина зависит от того, в каком месте цепи питания может пропасть фаза.
4. Неучёт конфигурации обмоток (звезда или треугольник) при оценке риска — в двигателе с соединением треугольником асимметрия тока в наиболее нагруженной обмотке при обрыве фазы может быть значительно больше, чем предполагал бы только рост среднего линейного тока.

Связанные материалы

• Реле перегрузки двигателя — класс срабатывания 10A/10/20/30
• Сравнение способов пуска двигателя
• Perilex/CEEform и распознавание порядка чередования фаз
• Безопасная замена трёхфазного двигателя