Средства и способы самозапуска электродвигателей

В книге рассказывается о самозапуске электродвигателей после кратковременных исчезновений напряжения питающей сети,
Константин Борисович Носов
Николай Маркович Дворак
Средства и способы самозапуска электродвигателей - Кемеровское кн. изд-во,  1985.

В книге рассмотрены режимы работы схем управления электродвигателей переменного тока напряжением как до, так и выше 1000 В при коротких замыканиях в сети и других перерывах питания с последующим действием устройств АПВ и АВР. Изложены принципы и методика выбора способов и средств обеспечения самозапуска электродвигателей. Особому анализу подвергнуты синхронные двигатели с статическими системам возбуждения.
Книга предназначена для квалифицированного электротехнического персонала промышленных предприятий, наладочных организаций, а также будет полезна ИТР электрических служб и цехов электрических станций и подстанций и студентам электромеханических специальностей вузов и техникумов.
Рецензенты: Н. А. Рудометов, декан электромеханического факультета Кузбасского политехнического института, доцент, кандидат технических наук, Н. Г. Степанов, главный энергетик Кемеровского производственного объединения "Химволокно".

ВВЕДЕНИЕ

Объединение энергетических систем, увеличение мощности электрических станций, повышение качества энергетического оборудования, создание, межсистемных связей и внедрение противоаварийной автоматики, высокий уровень устойчивости энергетических систем существенно повысили надежность обеспечения народного хозяйства электрической энергией. Однако это не исключает значительные сбросы нагрузки, отключения и серьезные расстройства технологических процессов промышленных предприятий после кратковременных снижений напряжения питающих сетей при коротких замыканиях и ошибочных отключениях.
Указанное является серьезной помехой в работе систем электроснабжения целого ряда производств (химической,нефтехимической, металлургической, горной и др. отраслей промышленности), т. к. даже кратковременные внезапные перерывы электроснабжения (ВКПЭС) таких предприятий могут привести к глубокому расстройству технологического процесса, большим материальным потерям, а в ряде случаев к пожарам и взрывам. Влияние ВКПЭС на технологический процесс показано на примере производства азотных удобрений (рис. Β.1).
На производстве первоначально синтезируют простейшее химическое соединение азота с водородом - аммиак, а затем перерабатывают его в более сложные химические соединения. Водород получают путем конверсии метана природного газа. Получение конечной продукции производства: аммиачной селитры, карбамида и слабой азотной кислоты обеспечивается цехами аммиака, карбамида, слабой азотной кислоты, аммиачной селитры и катализатора со своими сложными технологическими процессами.
Основными приемниками электроэнергии на производстве являются тихоходные синхронные двигатели (ТСД) газовых поршневых компрессоров мощностью до 4000 кВт. На их долю приходится до 75% потребляемой электроэнергии. Такие электродвигатели, нагруженные на (0,8 + 0,9) Рн, при кратковременном (до 0,3 с) снижении напряжения до 0,6 выпадают из синхронизма, и их ресинхронизации при восстановлении напряжения до номинального не происходит остановка компрессоров приводит к перерыву технологических процессов производства азотных удобрений.
При этом к ущербу, вызванному снижением напряжения, следует отнести:
потери природного газа, электроэнергии при наборе нагрузки газовыми компрессорами и охлаждающей воды;
потери пара, получаемого за счет использования теплоты реакции конверсии;
уменьшение межремонтного срока службы оборудования за счет разрушения футеровки горловины конверторов метана и выхода из строя насадки колонн синтеза аммиака;
потери от простоя персонала;
потери из-за недовыпуска продукции.
Время восстановления технологического процесса, нарушенного в результате резкого снижения напряжения, зависит от его глубины и длительности, степени загрузки компрессоров, состояния технологического процесса, квалификации обслуживающего персонала и др. Эта длительность слагается из времени, необходимого на последующий пуск оборудования, и времени доведения технологического режима до номинального уровня. Численное значение времени восстановления технологического процесса производства вместе с данными ущерба от одного ВКПЭС приведены в табл. В-1.

Таблица. В-1

Рис. В.1. Схема основного производства азотных удобрений.

Несмотря на кажущуюся надежность схем электроснабжения современных промышленных предприятий (рис. В.2), ВКПЭС случаются довольно часто. Например, согласно обработке многолетнего статистического материала по системе электроснабжения ПО "Азот” г. Кемерова частота ВКПЭС доходит до 10-12 раз в год только по основным источникам питания (ЛЭП 110-500 кВ, кабельные связи, трансформаторы ГПП),т.е.по схемам внешнего электроснабжения производств I.
Возвращаясь к выделенному выше производству азотных удобрений видим, что годовой ущерб от ВКПЭС только по основным источникам питания может достигать до 0,5 млн. рублей в год. На самом же деле ущерб будет еще значительней, т. к. ВКПЭС, кроме указанного выше, еще чаще возникают в схемах внутреннего электроснабжения отдельных цехов рассматриваемого производства.
Такое влияние ВКПЭС на непрерывность технологических процессов объясняется следующим. В нормальном установившемся режиме работы технологического агрегата (двигатель-механизм) имеет место равенство вращающего момента двигателя и момента сопротивления (М) механизма, чем обусловливается постоянство скорости вращения агрегата. При нарушении этого равновесия, в силу изменения напряжения на зажимах электродвигателя, скорость вращения вала агрегата изменится. Изменение скорости происходит под воздействием возникающего избыточного момента.
Вследствие снижения напряжения питающей сети происходит уменьшение вращающего момента и, как следствие, выбег двигателя, в процессе которого происходит изменение момента сопротивления. Скорость агрегата принимает новое значение.

Рис. В.2. Схема электрических соединений подстанции с двумя трансформаторами: а - напряжением 110/10 кВ, мощностью до 16 МВА; б - напряжением 35-ΙΙ0/6-Ι0 кВ, мощностью 16 МВА и более.
При неизменности момента сопротивления от скорости вращения вала произойдет ”опрокидывание” и двигатель затормозится. Если в процессе торможения уровень напряжения питающей сети восстановится до нормального, то изменит значение, скорость двигателя вернется к исходному состоянию. Изменение скорости вращения двигателя сопровождается всегда изменением его сопротивления, а следовательно, изменением тока в цепи статора. Поэтому при выбеге агрегата, вызванном снижением напряжения питающей сети и разгоне после его восстановления, могут протекать токи, значительно превышающие их нормальное значение, в результате могут иметь место дополнительные механические усилия. Увеличение пусковых токов сопровождается снижением напряжения на общих шинах и отрицательно влияет на работу других потребителей.
Из опасений повреждения двигателей повышенными токами после снижения напряжения и его восстановлении, до недавнего времени прибегали к массовому отключению двигателей от защиты минимального напряжения (нулевой защиты). Применение современных средств быстродействующих защит и автоматики, а также кратковременность переходных процессов позволили отказаться от необоснованного массового отключения двигателей во время КЗ в питающей сети и при восстановлении напряжения и этим предотвращать во многих случаях нарушение технологического процесса и повышать надежность электроснабжения промышленных предприятий.
Возникающий при этом переходный режим, обеспечивающий непрерывность технологического процесса путем оставления в невыключенном состоянии двигателей как при исчезновении напряжения и КЗ, так и при восстановлении напряжения вновь, носит название самозапуска электродвигателей.
Впервые организованное использование режима самозапуска началось на электрических станциях для двигателей собственных нужд, что позволило повысить надежность источников питания. Поэтому решением Технического управления Министерства электростанций № 19/Э от 1954 года было предложено широко внедрять самозапуск электродвигателей ответственных механизмов на промышленных предприятиях.
Это объясняется тем, что самозапуск является важным средством повышения надежности работы технологических установок промышленных предприятий. Причем это касается не только промышленных потребителей, у которых внезапная остановка механизмов сопряжена с длительным расстройством технологического процесса, опасностью для жизни людей и большим материальным ущербом, но и для менее ответственных установок, остановка которых приводит к экономическому ущербу, некоторому ухудшению безопасности.
Обычно при внезапной остановке электродвигателей большинства технологических машин, механизмов и установок в отсутствии самозапуска, длительность простоя во много раз превышает длительность нарушения электроснабжения. Это связано с рядом организационно-технических мероприятий и действий, которые необходимы при восстановлении нормального технологического процесса производства.
Режим самозапуска обеспечивается настройкой релейной защиты и автоматики двигателей и других элементов питающей сети за счет быстрого отключения КЗ, приводящих к недопустимому снижению напряжений. Так, например, применение токовых отсечек, дифференциальных защит, максимально-токовых защит с ускорением и др. исключает необходимость в ЗМН и позволяет сохранить в работе все электродвигатели. То же самое относится и к случаю, когда общее время бестоковой паузы не превышает 0,2+0,4 с при работе автоматических устройств АПВ и АВР.
Отключение части электродвигателей может потребоваться, когда общее время снижения напряжения и бестоковой паузы превысит 0,5 + 0,6 с, т.е. когда двигатели снизят свою скорость настолько, что потребляемые ими токи в процессе самозапуска значительно возрастут и уменьшат восстановившееся напряжение до значения, при котором самозапуск станет невозможным. Для избежания этого нежелательного явления необходимо введение ЗМН, отключающей неответственные механизмы, чтобы уровень остаточного напряжения удовлетворял требованиям самозапуска ответственных механизмов.
Кроме вышеуказанных мероприятий для обеспечения самозапуска ответственных двигателей напряжением до 1000 В и синхронных двигателей напряжением выше 1000 В приходится Применять специальные способы и устройства, позволяющие устранить имеющиеся недостатки как в схемах управления двигателей, так и в их моментных характеристиках.
Все это вместе взятое позволило нам выделить средства и способы обеспечения самозапуска Двигателей, как основной вопрос практического внедрения самозапуска на промышленных предприятиях.
Ряд вопросов, поднимаемых в книге, решен впервые, а их практическая ценность подтверждена авторскими свидетельствами.
Авторы выражают свою глубокую благодарность сотрудникам кафедры Электрооборудования КемТИПП канд. техн, наук Бурцеву Ю. В., канд. техн. наук Лебедеву Г. М., инж. Баженову В. П. и Шопореву А. М. за практическую помощь в подготовке материала и за ряд ценных замечаний по содержанию и методике изложения настоящей книги.