Защита по тепловой модели (ANSI 49) — термическая копия для двигателя и трансформатора

Гид о защите двигателя — класс перегрузки 10/20/30 рассматривает, как тепловое реле перегрузки защищает двигатель через кривую время-ток с фиксированным обозначением класса. Эта статья рассматривает лежащую в основе, более совершенную методику, применяемую как к двигателям, так и к трансформаторам: термическую модель-копию, обозначаемую кодом ANSI 49 (тепловое реле машины или трансформатора).

Почему фиксированного порога по току недостаточно

Простая максимальная токовая защита учитывает только фактический ток в данный момент. Однако реальная температура обмотки зависит не только от тока в настоящий момент, но и от того, насколько горячей обмотка уже была до этого момента: двигатель, который только что пережил тяжёлый пуск, или трансформатор, который уже некоторое время работает близко к номинальной нагрузке, имеет гораздо меньший тепловой запас, чем та же машина, которая только что долго стояла без нагрузки — даже если фактический ток в обоих случаях одинаков.

Термическая модель-копия

Реле с функцией 49 решает эту проблему, непрерывно поддерживая не только фактический ток, но и расчётную модель температуры обмотки — отсюда и термин «термическая копия» (thermal replica): реле электронно имитирует тепловое поведение защищаемой машины.

• Повышение температуры рассчитывается по соотношению I²t с тепловой постоянной времени: чем выше ток относительно номинального значения, тем быстрее растёт смоделированная температура; чем больше постоянная времени машины (большая масса, большая охлаждающая способность), тем медленнее этот рост.
• Модель имеет функцию памяти: при снижении тока смоделированная температура постепенно охлаждается согласно той же постоянной времени, а не мгновенно падает до нуля — точно так же, как реальная обмотка не остывает мгновенно в момент исчезновения нагрузки.
• Там, где это доступно, модель корректируется по фактически измеренной температуре (например, датчиком PT100 в обмотке или в верхнем масле трансформатора), так что реле полагается не только на расчётную модель, но и сверяет её с реальной, измеренной температурой.

Отличие от классов перегрузки 10/20/30

Классы перегрузки 10/20/30 более простого реле защиты двигателя фактически описывают фиксированную кривую время-ток, настроенную на среднее тепловое поведение для этого класса, без явной, непрерывно обновляемой тепловой памяти о предыстории. Полноценное реле термической модели-копии (49) идёт дальше: оно непрерывно отслеживает смоделированную температуру, включая охлаждение между последовательными пиками нагрузки, и поэтому может точнее различать машину, которая уже «горячая» перед новым пиком, и машину, стартующую «холодной» — различие, которое чистая кривая время-ток без памяти не делает.

Внимание: у трансформатора, наряду с температурой обмотки, часто отдельно моделируется или измеряется температура верхнего масла (см. гид об индикаторе температуры масла/обмотки OTI/WTI) — термическая копия обмотки (49) и физическое измерение OTI/WTI — это два разных, взаимодополняющих метода контроля одного и того же основного риска (старение изоляции из-за чрезмерной температуры обмотки).

Практическая значимость

При настройке реле термической модели-копии для двигателя или трансформатора важно ввести правильную тепловую постоянную времени (постоянные времени нагрева и охлаждения могут отличаться) и правильный уровень перегрузки на основе заводских данных машины, а там, где это доступно, — связать с моделью фактическое измерение температуры, чтобы реле полагалось не только на общее предположение, но следовало реальному тепловому поведению конкретной машины.

Типичные ошибки

1. Настройка только фиксированного порога по току или класса перегрузки без использования функции памяти реле термической модели-копии, из-за чего повторяющиеся короткие перегрузки со слишком малым временем охлаждения между ними распознаются неправильно.
2. Использование одинаковой постоянной времени для нагрева и охлаждения, тогда как многие машины на самом деле охлаждаются медленнее, чем нагреваются (менее эффективное охлаждение в состоянии покоя, чем во время работы) — слишком оптимистичная постоянная времени охлаждения может привести к преждевременному, необоснованному повторному включению.
3. Отсутствие обновления тепловой модели после замены двигателя или трансформатора с другими тепловыми характеристиками, из-за чего защита перестаёт соответствовать фактически подключённой машине.
4. Путать защиту по тепловой модели-копии с физическим измерением температуры OTI/WTI трансформатора — обе ценны, но защищают по разному принципу (смоделированная величина против непосредственно измеренной).

См. также

• Защита двигателя — класс перегрузки 10/20/30
• Индикатор температуры масла/обмотки (OTI/WTI) силового трансформатора
• Дифференциальная защита трансформатора (87T) — процентная дифференциальная защита
• Класс защиты трансформатора тока (5P/10P) и напряжение точки перегиба