RU2759512C1

RU2759512C1 - Device for directed adaptive current cutoff of electric motors

Info

Publication number: RU2759512C1
Application number: RU2021103457A
Authority: RU
Inventors: Виталий Алексеевич Шабанов; Елена Сергеевна Резник; Петр Игоревич Васильев
Priority date: 2021-02-11
Filing date: 2021-02-11
Publication date: 2021-11-15

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering. The device contains a block of current relays, a block for determining the actual value of the supply network voltage U_c, a block for determining the actual value of the starting current C_s, a block for determining the actual value of the adaptive cut-off current I_ACC and an executive block. According to the invention, a reference voltage generation block a power direction block and a logic block are introduced into the device, with the first input of the power direction block connected to the output of the reference voltage generation block, and the second input connected to the phase current in the stator winding. The output of the power direction block is connected to the first input of the logic block, the output of the current relay block is connected to its second input, and the output of the logic block is connected to the executive block.

EFFECT: increase in the efficiency of the adaptive current cutoff of electric motors by eliminating the false triggering of the adaptive current cutoff in case of a short circuit in the distribution network of the enterprise.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к технике релейной защиты, к токовым защитам асинхронных электродвигателей от междуфазных коротких замыканий (КЗ).The invention relates to the field of electrical engineering, namely to relay protection technology, to current protection of asynchronous electric motors from phase-to-phase short circuits (SC).

Известна токовая отсечка электродвигателей, которая при наличии дифференциальной защиты является резервной защитой электродвигателя, а при отсутствии дифференциальной защиты является основной защитой электродвигателя от между фазных КЗ [Чернобровое Н.Н., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем, 2007, стр. 707].Known current cutoff of electric motors, which in the presence of differential protection is a backup protection of the electric motor, and in the absence of differential protection is the main protection of the electric motor from between phase short circuits [Chernobrov NN, Semenov V.A. Relay protection of power systems, 2007, p. 707].

Недостатком указанного технического решения является низкая чувствительность, обусловленная большим фиксированным значением тока срабатывания, который выбирается с отстройкой от максимально возможных пусковых токов или токов при внешних КЗ.The disadvantage of this technical solution is its low sensitivity, due to a large fixed value of the operating current, which is selected with detuning from the maximum possible starting currents or currents at external short circuits.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство токовой адаптивной токовой отсечки, содержащее блок токовых реле, блок определения фактического значения напряжения питающей сети, блок определения фактического значения тока срабатывания адаптивной токовой отсечки и исполнительный блок. Первый вход блока токовых реле подключен к фазному току в обмотке статора электродвигателя, входы блока определения фактического значения напряжения питающей сети подключены к напряжению на шинах и к фазным токам ввода, вход блока определения фактического значения пускового тока подключен к выходу блока определения фактического напряжения питающей сети, входы блока определения фактического значения тока срабатывания адаптивной токовой отсечки подключены к выходу блока определения фактического значения пускового тока, а выход подключен ко второму входу блока токовых реле, выход которого подключен к исполнительному блоку [Шабанов В.А., Путинцева А.А., Васильев П.И. Устройство адаптивной токовой отсечки электродвигателей пат. 2686081 Российская Федерация]. Блок токовых реле содержит токовые реле, исполнительный блок содержит промежуточное реле. Выход исполнительного блока является выходом устройства и действует на отключение выключателя электродвигателя. При КЗ в обмотке статора электродвигателя блок определения фактического значения напряжения питающей сети определяет фактическое напряжение источника питания (питающей сети), блок определения фактического значения тока срабатывания определяет адаптивное значение тока срабатывания токовой отсечки, и если ток КЗ превышает адаптивное значение тока срабатывания, срабатывают токовые реле и без выдержки времени через исполнительный блок отключают электродвигатель от сети.The closest in technical essence and the achieved result is a current adaptive current cutoff device containing a current relay unit, a unit for determining the actual value of the supply voltage, a unit for determining the actual value of the operating current of the adaptive current cutoff and an executive unit. The first input of the current relay unit is connected to the phase current in the stator winding of the electric motor, the inputs of the unit for determining the actual value of the supply mains voltage are connected to the voltage on the buses and to the phase currents of the input, the input of the unit for determining the actual value of the starting current is connected to the output of the unit for determining the actual voltage of the supply network, the inputs of the unit for determining the actual value of the operating current of the adaptive current cutoff are connected to the output of the unit for determining the actual value of the starting current, and the output is connected to the second input of the current relay unit, the output of which is connected to the executive unit [Shabanov V.A., Putintseva A.A., Vasiliev P.I. Device for adaptive current cut-off of electric motors Pat. 2686081 Russian Federation]. The block of current relays contains current relays, the executive block contains an intermediate relay. The output of the executive unit is the output of the device and acts on the disconnection of the motor switch. With a short circuit in the stator winding of an electric motor, the unit for determining the actual value of the supply voltage determines the actual voltage of the power source (supply network), the unit for determining the actual value of the operating current determines the adaptive value of the current cutoff operating current, and if the short circuit current exceeds the adaptive value of the operating current, the current relays are triggered and without time delay, the electric motor is disconnected from the network through the executive unit.

Недостатком указанного технического решения является возможность ложного срабатывания при коротком замыкании в распределительной сети предприятия.The disadvantage of this technical solution is the possibility of false triggering in the event of a short circuit in the distribution network of the enterprise.

Обусловлен этот недостаток тем, что в известном устройстве принято, что при внешних КЗ ток в обмотке статора асинхронных электродвигателей, протекающий под действием электродвижущей силы (ЭДС) в обмотке статора, меньше возможного тока при пуске. Это допущение основано на том, что ЭДС, развиваемая асинхронным двигателем при внешних КЗ, не превышает 90% от номинального напряжения [Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей, 1985, стр. 16]. При этом в известном устройстве ток срабатывания отстраивается от расчетного значения пускового тока, найденного с учетом параметров питающей электрической сети, и при этом принимается, что ток срабатывания всегда будет больше тока в обмотке статора при внешнем КЗ. Однако, если эквивалентное сопротивление питающей сети будет достаточно большим, например, больше 10% от полного сопротивления защищаемого двигателя, то пусковой ток двигателя, найденный с учетом эквивалентного сопротивления сети, может быть меньше тока в обмотке статора при близком внешнем КЗ даже если ЭДС двигателя не превышает 90% от номинального напряжения. При этом возможно ложное срабатывание известного устройства при коротком замыкании в распределительной сети предприятия.This disadvantage is due to the fact that in the known device it is assumed that with external short-circuits, the current in the stator winding of asynchronous electric motors, flowing under the action of the electromotive force (EMF) in the stator winding, is less than the possible current at start-up. This assumption is based on the fact that the EMF developed by an asynchronous motor at external short-circuit does not exceed 90% of the nominal voltage [Golodnov Yu.M. Self-starting of electric motors, 1985, p. 16]. In this case, in the known device, the operating current is detuned from the calculated value of the starting current, found taking into account the parameters of the supply electrical network, and it is assumed that the operating current will always be greater than the current in the stator winding with an external short circuit. However, if the equivalent resistance of the supply network is large enough, for example, more than 10% of the total resistance of the protected motor, then the starting current of the motor, found taking into account the equivalent resistance of the network, may be less than the current in the stator winding with a close external short circuit, even if the EMF of the motor is not exceeds 90% of the rated voltage. In this case, a false triggering of the known device is possible in the event of a short circuit in the distribution network of the enterprise.

Задачей изобретения является усовершенствование устройства адаптивной токовой отсечки электродвигателей с достижением следующего технического результата: повышение эффективности функционирования адаптивной токовой отсечки электродвигателей за счет исключения ложного срабатывания адаптивной токовой отсечки при коротком замыкании в распределительной сети предприятия.The objective of the invention is to improve the device for adaptive current cutoff of electric motors with the achievement of the following technical result: increasing the efficiency of functioning of the adaptive current cutoff of electric motors by eliminating false triggering of the adaptive current cutoff in the event of a short circuit in the distribution network of the enterprise.

Указанная задача решается тем, что устройство направленной адаптивной токовой отсечки электродвигателей, содержащее блок токовых реле, первый вход которого подключен к фазному току в обмотке статора ЭД, блок определения фактического значения напряжения питающей сети I=U_c., входы которого подключены к напряжению на первой секции шин U_ш., к которым подключен защищаемый двигатель, и к фазным токам ввода I_BB, а выход блока определения фактического значения напряжения питающей сети U_c подключен к входу блока определения фактического значения пускового тока I_п.ф., выход которого подключен к входу блока определения фактического значения тока срабатывания адаптивной токовой отсечки I_ATO, выход которого подключен ко второму входу блока токовых реле, и исполнительный блок, согласно изобретению дополнительно содержит блок формирования опорного напряжения, блок направления мощности и логический блок, причем первый вход блока направления мощности подключен к выходу блока формирования опорного напряжения, а второй вход подключен к фазному току в обмотке статора, причем выход блока направления мощности подключен к первому входу логического блока, ко второму входу которого подключен выход блока токовых реле, а выход логического блока подключен к исполнительному блоку.This problem is solved by the fact that a device for directional adaptive current cutoff of electric motors containing a block of current relays, the first input of which is connected to the phase current in the stator winding of the EM, a block for determining the actual value of the supply voltage I = U _c. , the inputs of which are connected to the voltage on the first section of the buses U _sh. , to which the protected motor is connected, and to the phase currents of the input I _BB , and the output of the unit for determining the actual value of the supply mains voltage U _{c is} connected to the input of the unit for determining the actual value of the starting current I _p.f. , the output of which is connected to the input of the unit for determining the actual value of the operating current of the adaptive current cutoff I _ATO , the output of which is connected to the second input of the current relay unit, and the executive unit, according to the invention, further comprises a reference voltage generation unit, a power direction unit and a logic unit, the first the input of the power direction unit is connected to the output of the reference voltage generation unit, and the second input is connected to the phase current in the stator winding, and the output of the power direction unit is connected to the first input of the logic block, to the second input of which the output of the current relay unit is connected, and the output of the logic block is connected to the executive block.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device.

На фиг. 2 показана схема подключения устройства к электрической сети и электродвигателю.FIG. 2 shows a diagram of connecting the device to an electrical network and an electric motor.

На фиг. 3 показан пример подключения устройства к электрической сети и электродвигателю при подключении входа блока опорного напряжения к напряжению секции шин распределительного устройства подстанции, к которой подключен электродвигатель.FIG. 3 shows an example of connecting the device to the electric network and the electric motor when the input of the reference voltage unit is connected to the voltage of the busbar section of the switchgear of the substation to which the electric motor is connected.

Устройство содержит: 1 - блок определения фактического значения напряжения питающей сети; 2 - блок определения фактического значения пускового тока; 3 - блок определения фактического значения тока срабатывания адаптивной токовой отсечки; 4 - блок токовых реле; 5 - блок направления мощности; 6 - логический блок; 7 - блок формирования опорного напряжения; 8 - исполнительный блок.The device contains: 1 - block for determining the actual value of the supply voltage; 2 - block for determining the actual value of the starting current; 3 - block for determining the actual value of the operating current of the adaptive current cutoff; 4 - block of current relays; 5 - power direction block; 6 - logical block; 7 - block for generating the reference voltage; 8 - executive block.

Входы блока 1 определения фактического значения напряжения сети подключены к фазному напряжению первой секции шин U_ш1, к которым подключен двигатель, и к фазным токам ввода T_BB; входы блока 2 определения фактического значения пускового тока подключены к выходу блока 1 определения фактического значения напряжения сети U_c.; входы блока 3 определения фактического значения тока срабатывания адаптивной токовой отсечки подключены к выходу блока 2 определения фактического пускового тока I_п.ф.; входы блока 4 токовых реле подключены к выходу блока 3 определения тока срабатывания адаптивной токовой отсечки I_ATO и к фазному току в обмотке статора электродвигателя I_ф; входы блока 5 направления мощности подключены к. фазному току в обмотке статора электродвигателя и к выходу блока 7 формирования опорного напряжения; входы логического блока 6 подключены к выходу блока 4 токовых реле и к выходу блока 5 направления мощности.The inputs of the unit 1 for determining the actual value of the mains voltage are connected to the phase voltage of the first section of the buses U _sh1 , to which the motor is connected, and to the phase currents of the input T _BB ; the inputs of block 2 for determining the actual value of the starting current are connected to the output of the block 1 for determining the actual value of the network voltage U _c. ; the inputs of block 3 for determining the actual value of the operating current of the adaptive current cutoff are connected to the output of block 2 for determining the actual starting current I _p.f. ; the inputs of the block 4 of current relays are connected to the output of the block 3 for determining the operating current of the adaptive current cutoff I _ATO and to the phase current in the stator winding of the electric motor I _f ; the inputs of the power direction unit 5 are connected to the phase current in the stator winding of the electric motor and to the output of the reference voltage generating unit 7; the inputs of the logical block 6 are connected to the output of the current relay block 4 and to the output of the power direction block 5.

На фиг. 2 обозначено: ТТ_ВВ - датчики тока ввода (питающей линии к секции шин распределительного устройства); ТТ_ЭД - датчики тока статора на вводах электродвигателя; Q_BB - вводной выключатель; Q_ЭД - выключатель электродвигателя; Д - двигатель.FIG. 2 marked: TT _BB - input current sensors (supply line to the busbar section of the switchgear); TT _ED - stator current sensors at the motor inputs; Q _BB - lead-in switch; Q _ЭД - electric motor switch; D - engine.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

На входы блока 1 определения фактического значения напряжения сети приходят сигналы контролируемых (измеряемых) тока ввода и напряжения на шинах распределительного устройства от датчиков тока на вводе и датчиков напряжения на секции шин соответственно. На выходе блока 1 определения фактического значения напряжения сети с учетом измеренных значений напряжения на секции шин и тока ввода формируется фактическое напряжение питающей электрической сети U_c., приложенное за эквивалентным сопротивлением питающей электрической сети. Значение фактического напряжения питающей электрической сети U_c. поступает на вход блока 2 определения фактического значения пускового тока. В блоке 2 определения фактического значения пускового тока производится расчет фактического пускового тока I_п.ф., который был бы, если пуск ЭД производился бы в текущем режиме работы сети. Значение этого тока поступает на вход блока 3 определения тока срабатывания адаптивной токовой отсечки. В блоке 3 определения тока срабатывания адаптивной токовой отсечки производится расчет тока срабатывания адаптивной токовой отсечки I_ATO, который отстраивается от фактического пускового тока I_п.ф. На первый вход блока 4 токовых реле поступает фактический ток I_ф., протекающий в обмотке статора электродвигателя в текущем режиме работы сети. Значение тока срабатывания I_ATO поступает на второй вход блока 4 токовых реле. В блоке 4 токовых реле происходит сравнение тока срабатывания I_ATO с фактическим током Т_ф. в обмотке статора. Если при КЗ в обмотке статора фактический ток Т_ф. превышает сформированный в блоке 3 определения тока срабатывания адаптивной токовой отсечки ток срабатывания I_ATO, то на выходе блока 4 токовых реле формируется сигнал, поступающий на второй вход логического блока 6. На первый вход логического блока 6 поступает сигнал с выхода блока 5 направления мощности. Если КЗ произошло в обмотке статора электродвигателя, то ток в обмотке статора направлен от шин распределительного устройства к двигателю, на выходе блока 5 направления мощности формируется разрешающий сигнал. При этом на выходе логического блока 6 формируется разрешающий сигнал, который поступает в исполнительный блок 8. Защита срабатывает и отключает электродвигатель от сети. При КЗ в распределительной сети (например, в точке К1 или в точке К2 на фиг. 2) ток в обмотке статора направлен от двигателя к шинам распределительного устройства, на выходе блока 5 направления мощности формируется запрещающий сигнал, при этом на выходе логического блока 6 разрешающий сигнал не формируется, и защита не работает.Signals of the monitored (measured) input current and voltage on the switchgear tires from the input current sensors and voltage sensors on the bus sections, respectively, arrive at the inputs of block 1 for determining the actual value of the network voltage. At the output of block 1 for determining the actual value of the mains voltage, taking into account the measured values of the voltage on the bus section and the input current, the actual voltage of the supply network U _{c is formed.} applied behind the equivalent resistance of the power supply network. The value of the actual voltage of the power supply network U _c. enters the input of block 2 for determining the actual value of the starting current. In block 2 of determining the actual value of the starting current, the actual starting current I _{p.f. is calculated.} , which would be if the EM was started in the current operating mode of the network. The value of this current is fed to the input of block 3 for determining the operating current of the adaptive current cutoff. In block 3 for determining the operating current of the adaptive current cutoff, the operating current of the adaptive current cutoff I _{ATO is} calculated, which is detuned from the actual starting current I _p.f. _{The actual current I ph is} supplied to the first input of the block 4 of current relays. flowing in the stator winding of the electric motor in the current operating mode of the network. The value of the operating current I _{ATO is} fed to the second input of the block of 4 current relays. In block 4 of current relays, the operation current I _ATO is compared with the actual current T _f. in the stator winding. If, with a short circuit in the stator winding, the actual current T _f. _{exceeds the operating current I ATO} generated in the block 3 for determining the operating current of the adaptive current cutoff, then a signal is generated at the output of the block 4 of current relays, which is fed to the second input of the logical block 6. The signal from the output of the power direction block 5 is received at the first input of the logical block 6. If a short circuit occurs in the stator winding of the electric motor, then the current in the stator winding is directed from the switchgear tires to the motor, and a permit signal is generated at the output of the power direction unit 5. In this case, at the output of the logical unit 6, an enabling signal is generated, which is fed to the executive unit 8. The protection is triggered and disconnects the electric motor from the network. With a short circuit in the distribution network (for example, at point K1 or at point K2 in Fig. 2), the current in the stator winding is directed from the motor to the switchgear tires, a prohibiting signal is generated at the output of the power direction unit 5, while at the output of logical unit 6 it is permissive no signal is generated and protection does not work.

Предложенный технический результат достигается тем, что сигнал на выходе исполнительного блока формируется в зависимости от направления тока в обмотке статора электродвигателя. При КЗ в обмотке статора ток в обмотке статора направлен от шин к двигателю и защита срабатывает. При КЗ в распределительной сети предприятия ток в обмотке статора направлен от электродвигателя к шинам распределительного устройства, при этом работа защиты блокируется и ложного срабатывания адаптивной токовой отсечки не происходит.The proposed technical result is achieved by the fact that the signal at the output of the executive unit is formed depending on the direction of the current in the stator winding of the electric motor. With a short circuit in the stator winding, the current in the stator winding is directed from the busbars to the motor and the protection is triggered. In the event of a short circuit in the distribution network of the enterprise, the current in the stator winding is directed from the electric motor to the buses of the switchgear, while the protection operation is blocked and false triggering of the adaptive current cutoff does not occur.

Вход блока формирования опорного напряжения может быть подключен к напряжению той же секции шин распределительного устройства подстанции, к которой подключен электродвигатель (фиг. 3). При близких КЗ напряжение на этой секции шин распределительного устройства снижается почти до нуля. Поэтому блок опорного напряжения выполняется как блок запоминания фазы доаварийного напряжения. Доаварийное напряжение (или только его фаза) запоминается в блоке 7 на время, достаточное для срабатывания токовой отсечки.The input of the reference voltage generation unit can be connected to the voltage of the same bus section of the substation switchgear to which the electric motor is connected (Fig. 3). With close short-circuits, the voltage on this section of the switchgear busbars drops to almost zero. Therefore, the voltage reference unit is designed as a pre-failure voltage phase memorizing unit. The pre-emergency voltage (or only its phase) is stored in block 7 for a time sufficient for the current cutoff to operate.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство не допускает ложного срабатывания при КЗ в распределительной сети. Это повышает эффективность работы токовой защиты электродвигателей и устойчивость технологических систем и может найти широкое применение в технике релейной защиты и автоматики.Thus, in comparison with the prototype, the proposed device does not allow false triggering in the event of a short circuit in the distribution network. This increases the efficiency of the current protection of electric motors and the stability of technological systems and can be widely used in relay protection and automation technology.

Предложенное устройство предназначено для установки в ячейках распределительных устройств трансформаторных подстанций, питающих электродвигатели.The proposed device is intended for installation in switchgear cells of transformer substations supplying electric motors.

Claims

A device for directional adaptive current cut-off of electric motors, containing a block of current relays, the first input of which is connected to the phase current in the stator winding of the electric motor, a block for determining the actual value of the supply mains voltage, the inputs of which are connected to the voltage on the first section of the buses to which the protected motor is connected, and to phase currents of the input, and the output of the unit for determining the actual value of the supply voltage is connected to the input of the unit for determining the actual value of the starting current, the output of which is connected to the input of the unit for determining the actual value of the operating current of the adaptive current cutoff, the output of which is connected to the second input of the current relay unit; an execution unit, characterized in that it further comprises a reference voltage generating unit, a power direction unit and a logic block, wherein the first input of the power direction unit is connected to the output of the reference voltage generation unit, and the second input is connected to the phase current in the stator winding, and the output of the directional unit power is connected to the first input of the logic block, to the second input of which the output of the current relay unit is connected, and the output of the logic block is connected to the executive unit.