Перегрузки по току. Температура обмоток электродвигателя.
Влияние токовых перегрузок
на работу и срок службы электродвигателей
Анализ повреждений асинхронных двигателей показывает, что основной причиной их выхода из строя является разрушение изоляции из-за перегрева.
Температура нагрева обмоток электродвигателя зависит от теплотехнических характеристик двигателя и параметров окружающей среды. Часть выделяемого в двигателе тепла идет на нагрев обмоток, а остальное отдается в окружающую среду. На процесс нагрева влияют такие физические параметры, как теплоемкость и теплоотдача.
В зависимости от теплового состояния электродвигателя и окружающего воздуха степень их влияния может быть различной. Если разность температур двигателя и окружающей среды невелика, а выделяемая энергия значительна, то ее основная часть поглощается обмоткой, сталью статора и ротора, корпусом двигателя и другими его частями. Происходит интенсивный рост температуры изоляции.
По мере нагрева все больше проявляется влияние теплоотдачи. Процесс устанавливается после достижения равновесия между выделяемым теплом и теплом, отдаваемым в окружающую среду.
Повышение тока сверх допустимого значения не сразу приводит к аварийному состоянию. Требуется некоторое время, прежде чем статор и ротор нагреются до предельной температуры. Поэтому нет необходимости в том, чтобы защита реагировала на каждое превышение тока. Она должна отключать машину только в тех случаях, когда возникает опасность быстрого износа изоляции.
С точки зрения нагрева изоляции большое значение имеют величина и длительность протекания токов, превышающих номинальное значение. Эти параметры зависят, прежде всего, от характера технологического процесса.
Перегрузки электродвигателя технологического происхождения
Рассмотрим перегрузки электродвигателей, вызванные периодическим увеличением вращающего момента на валу рабочей машины. В таких станках и установках мощность электродвигателя все время изменяется. Трудно заметить сколько-нибудь длительный промежуток времени, в течение которого ток оставался бы неизменным по величине. На валу двигателя периодически возникают кратковременные большие моменты сопротивления, создающие броски тока.
В других машинах могут возникать сравнительно небольшие, но длительные перегрузки. Обмотки электродвигателя постепенно нагреваются до температуры, близкой к предельно допустимому значению. Обычно электродвигатель имеет некоторый запас по нагреву, и небольшие превышения тока, несмотря на продолжительность действия, не могут создать опасной ситуации. В этом случае отключение не обязательно.
Аварийные перегрузки электродвигателя
Кроме перегрузок технологического происхождения, могут быть аварийные перегрузки, возникающие по другим причинам (авария в питающей линии, заклинивание рабочих органов, снижение напряжения и др). Они создают своеобразные режимы работы асинхронного двигателя и выдвигают свои требования к средствам защиты.
Перегрузки при длительном режиме работы с постоянной нагрузкой
Обычно электродвигатели выбирают с некоторым запасом по мощности. Кроме того, большую часть времени машины работают с недогрузкой. В результате ток двигателя часто значительно ниже номинального значения. Перегрузки возникают, как правило, при нарушениях технологии, поломках, заедании и заклинивании в рабочей машине.
Внимание. Защита должна отключать электродвигатель при возникновении перегрузок, вызывающих опасный перегрев обмоток.
С точки зрения влияния длительных превышений тока на изоляцию следует различать:
- сравнительно небольшие перегрузки (до 50%);
- большие перегрузки (более 50%).
Действие первых проявляется не сразу, а постепенно, в то время как последствия вторых проявляются через короткое время. Если превышение температуры над допустимым значением невелико, то старение изоляции происходит медленно. Небольшие изменения в структуре изолирующего материала накапливаются постепенно. С ростом температуры процесс старения экспоненциально ускоряется.
Примечание.Из закона Аррениуса следует, что перегрев сверх допустимого на каждые 8–10 °С сокращает срок службы изоляции обмоток электродвигателя в два раза. Таким образом, перегрев на 40 °С сокращает срок службы изоляции в 32 раза!
При больших перегрузках (более 50%) изоляция быстро разрушается под действием высокой температуры.
Зависимость допустимой длительности перегрузки от ее величины называется перегру-
зочной характеристикой электродвигателя. Теплофизические свойства электродвигателей разных типов имеют некоторые отличия, также отличаются и их характеристики. На рис. 21 сплошной линией показана одна из таких характеристик.
Рис. 21. Перегрузочная характеристика электродвигателя (сплошная линия) и желаемая характеристика защиты (пунктирная линия)
Из приведенной характеристики можно сформулировать одно из основных требований к защите от перегрузок, действующей в зависимости от тока. Она должна срабатывать в зависимости от величины перегрузки. Это дает возможность исключить ложные срабатывания при неопасных бросках тока, возникающих, например, при пуске двигателя. Защита должна срабатывать только при попадании в область недопустимых значений тока и длительности его протекания. Ее желаемая характеристика, показанная на рис. 21 пунктирной линией, должна всегда располагаться под перегрузочной характеристикой двигателя.
Перегрузки при переменном длительном режиме работы
Некоторые рабочие органы и механизмы создают нагрузку, изменяющуюся в больших пределах, как, например, в машинах для дробления, измельчения. Здесь периодические перегрузки сопровождаются недогрузками вплоть до работы на холостом ходу.
Каждое увеличение тока, взятое в отдельности, не приводит к опасному росту температуры. Однако если их много и они повторяются достаточно часто, действие повышенной температуры на изоляцию быстро накапливается.
Примечание. Повторно-кратковременный режим работы можно отнести к наиболеенеблагоприятному сточки зрения действия защиты. Периодическое включение в работу предполагает возможность кратковременной перегрузки двигателя. Величина перегрузки должна быть ограничена по условию нагрева обмоток не выше допустимого значения.
Защита, «следящая» за состоянием нагрева обмотки, должна получать соответствующий сигнал. Так как в переходных режимах ток и температура могут не соответствовать друг другу, то защита, действие которой основано на измерении тока, не может выполнять свою роль должным образом.
Контроль температуры нагрева электрических двигателей
Допустимый нагрев электрических двигателей зависит от класса изоляции обмоток. Переход на более высокий класс изоляции электродвигателя может быть осуществлен только при капитальном ремонте.
Внимание. Необходимо знать, что с повышением температуры обмоток электродвигателей сверх допустимых значений, резко сокращается срок службы изоляции.
Температурой окружающего воздуха, при которой электродвигатель может работать с номинальной мощностью, считается 40 °С. При повышении температуры окружающего воздуха выше 40 °С нагрузка на электродвигатель должна быть снижена настолько, чтобы температура отдельных его частей не превышала допустимых значений. Предельные допустимые превышения температуры активных частей электродвигателей и при температуре окружающей среды 40 °С не должна превышать:
- 65 °С — для изоляции класса А;
- 80 °С — для изоляции класса Е;
- 90 °С — для изоляции класс В;
- 110 °С — для изоляции класса Г;
- 135 °С — для изоляции класса Н.
У асинхронных двигателей с уменьшением напряжения питающей сети уменьшается мощность на валу двигателя. Кроме того снижение напряжения ниже 95% от номинального приводит к значительному росту тока двигателя и нагреву обмоток.
Рост напряжения выше 110% от номинального также ведет к росту тока в обмотках двигателя, и увеличивается нагрев статора за счет вихревых токов.
Внимание. Независимо от снижения температуры окружающего воздуха увеличивать токовые нагрузки более чем на 10% от номинального не допускается.
Способы контроля нагрева электрооборудования в процессе эксплуатации
Методы контроля нагрева электрооборудования
Для контроля нагрева электрооборудования применяют метод:
- термометра;
- сопротивления;
- термопары;
- инфракрасного излучения.
контроль нагрева электрооборудования по методу термометра
Метод термометра применяют для измерения температуры доступных поверхностей. Используют ртутные (избегать, токсично!), спиртовые и толуоловые стеклянные термометры, погружаемые в специальные гильзы, герметически встроенные в крышки и кожухи оборудования.
Ртутные термометры обладают более высокой точностью, но применять их в условиях действия электромагнитных полей не рекомендуется ввиду высокой погрешности, вносимой дополнительным нагревом ртути вихревыми токами.
При необходимости передачи измерительного сигнала на расстояние нескольких метров (например, от теплообменника в крышке трансформатора до уровня 2–3 м от земли) используют термометры манометрического типа, например, термосигнализаторы ТСМ-10.
Термосигнализатор ТСМ-10 состоит из термобаллона и полой трубки, соединяющей баллон с пружиной показывающей части прибора. Термосигнализатор заполнен жидким метилом и его парами. При изменении температуры изменяется давление паров хлористого метила, который передается стрелке прибора. Достоинство манометрических приборов заключается в их вибрационной устойчивости.
Контроль нагрева электрооборудования термометром с указателем манометрического типа
Метод сопротивления основан на учете изменения величины сопротивления металлического проводника от его температуры. Для мощных трансформаторов и синхронных компенсаторов применяют термометры с указателем манометрического типа. Схема включения дистанционного электротермометра показаны на рис. 22.
Рис. 22. Дистанционный электротермометр манометрического типа
В дистанционном электротермометре стрелки указателя имеют два контакта для сигнализации температуры, заданной установкой. При замыкании контактов срабатывает соответствующее реле в схеме сигнализации.
Для измерения температуры в отдельных точках синхронных компенсаторов (в пазах для измерения стали, между стержнями обмоток для измерения температуры обмоток и других точках) устанавливаются терморезисторы. Сопротивление резисторов зависит от температуры в точках измерения.
Терморезисторы изготовляют из платиновой или медной проволоки, их сопротивления калиброваны.
Схема измерения температур с помощью терморезистора показана на рис. 23.
Рис. 23. Схема измерения температур с помощью терморезистора
Такой терморезистор R4 включается в плечо резистивного моста. В одну из диагоналей моста включается источник питания, в другую — измерительный прибор. Резисторы R1—R4 в плечах моста подбираются таким образом, что при номинальной температуре мост находится в равновесии, и ток в цепи прибора отсутствует.
При отклонении температуры в любую сторону от номинальной изменяется сопротивление терморезистора R4, нарушается баланс моста и стрелка прибора отклоняется, показывая температуру измеряемой точки. Перед измерением стрелка прибора должна находиться в нулевом положении.
Контроль нагрева электрооборудования с помощью термометров сопротивления
Средством дистанционного измерения температуры обмотки и стали статора генераторов, синхронных компенсаторов, температуры охлаждающего воздуха, водорода являются термометры сопротивления, в которых также использована зависимость величины сопротивления проводника от температуры.
Конструкции термометров сопротивления разнообразны. В большинстве случаев — это бифилярно намотанная на плоский изоляционный каркас тонкая медная проволока, имеющая входное сопротивление 53 Ом при температуре 0 °С. В качестве измерительной части, работающей в совокупности с термометрами сопротивления, применяют автоматические электронные мосты и логомеры, снабженные температурной шкалой.
Установку термометров сопротивления в статор машины выполняют при ее изготовлении на заводе. Медные термометры сопротивления укладывают между стержнями обмотки и на дно паза.
Контроль нагрева электрооборудования по методу термопары
Метод термопары основан на использовании термоэлектрического эффекта, т. е. температурной зависимости ЭДС, возникающей на концах электрической цепи из разнородных проводников при условии разности температур точки их спая и свободных концов этих проводников. Наиболее часто для измерений используют медь-константановые, хромель-копелевые, платино-родиевые термопары.
Если измеряемая температура не превышает 100–120 °С, то между термоЭДС и разностью температур нагретых и холодных концов термопары существует прямопропорциональная зависимость.
Откалиброванные термопары присоединяют к измерительным приборам компенсационного типа, потенциометрам постоянного тока и автоматическим потенциометрам, которые предварительно градуируют. С помощью термопар измеряют температуры конструктивных элементов турбогенераторов, охлаждающего газа, активных частей, например, активной стали статора.
Контроль нагрева электрооборудования по методу инфракрасного излучения
Метод инфракрасного излучения положен в основу приборов, измеряющих температуру по интенсивности или спектру инфракрасного излучения, испускаемого нагретыми поверхностями.
В энергетике получили применение как тепловизоры (термовизоры), так и радиационные пирометры. Тепловизоры обеспечивают возможность получения картины теплового поля исследуемого объекта и его температурного анализа. С помощью радиационного пирометра определяется только температура объекта контроля.
Очень часто тепловизор используется совместно с пирометром. Сначала с помощью тепловизора выявляют объекты с повышенным нагревом, а затем, используя пирометр, определяют его температуру. Поэтому точность измерения температуры определяется, прежде всего, параметрами применяемого пирометра.
Определение температуры обмоток электродвигателей переменного тока
по их сопротивлению
Метод сопротивления
Метод сопротивления — определение температуры обмоток по их сопротивлению постоянному току часто используется для измерения температуры обмоток. Метод основан на свойстве металлов изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры.
Для определения превышения температуры осуществляют измерения сопротивления обмотки в холодном и нагретом состояниях и производят вычисления. Следует учитывать, что с момента отключения двигателя до начала замеров проходит некоторое время, в течение которого обмотка успевает остыть. Поэтому для правильного определения температуры обмоток в момент отключения, т. е. в рабочем состоянии двигателя, после отключения машины по возможности через равные промежутки времени (по секундомеру) производят несколько измерений. Эти промежутки не должны превышать времени от момента выключения до первого замера. Затем производят экстраполяцию измерений, построив график R = f(t).
Метод амперметра-вольтметра
Методом амперметра-вольтметра измеряют сопротивление обмотки. Первое измерение от момента отключения двигателя производят не позднее чем через:
- 1 мин для машин мощностью до 10 кВт;
- 1,5 мин — для машин мощностью 10–100 кВт;
- 2 мин — для машин мощностью выше 100 кВт.
Если первое измерение сопротивления произведено не более чем через 15–20 с момента выключения, то за сопротивление принимают наибольшее из первых трех измерений. Если первое измерение произведено более чем через 20 с после отключения машины, то устанавливают поправку на остывание.
Для этого производят 6–8 измерений сопротивления и строят график изменения сопротивления при остывании:
l по оси ординат откладывают соответствующие измеренные сопротивления;
l по оси абсцисс — время (точно в масштабе), прошедшее от момента выключения электродвигателя до первого измерения, промежутки между измерениями и получают кривую, изображенную на графике сплошной линией.
После этого продолжают эту кривую влево, сохраняя характер ее изменения, до пересечения с осью. Отрезок на оси ординат от начала координат до пересечения с пунктирной линией с достаточной точностью определяет искомое сопротивление обмотки двигателя в горячем состоянии.
Основная номенклатура двигателей, установленных на промышленных предприятиях, включает в себя изоляционные материалы классов А и В. Например, если для пазовой изоляции применен материал на основе слюды класса В, а для обмотки провод ПБД с хлопчатобумажной изоляцией класса А, то двигатель по классу нагревостойкости относится к классу А. Если температура охлаждающей среды ниже 40 °С, то для всех классов изоляции допускаемые превышения температуры могут быть увеличены на столько градусов, на сколько температура охлаждающей среды ниже 40 °С, но не более чем на 10 °С. Если температура охлаждающей среды 40–45 °С, то предельно допустимые превышения температуры, снижаются для всех классов изоляционных материалов на 5 °С, а при температурах охлаждающей среды 45–50 °С — на 10 °С. За температуру охлаждающей среды обычно принимают температуру окружающего воздуха.
Для закрытых машин на напряжение не более 1 500 В предельно допустимые превышения температуры обмоток статоров электродвигателей мощностью менее 5000 кВт или с длиной сердечника менее 1 м, а также
стержневых обмоток роторов при измерении температур методом сопротивления допускается повышать на 5 °С. При измерении температуры обмоток по способу замера их сопротивления определяется средняя температура обмоток. В действительности при работе двигателя отдельные зоны обмоток, как правило, имеют разную температуру. Поэтому максимальная температура обмоток, определяющая долговечность изоляции, всегда немного превышает среднее значение.