Zabezpieczenie silnika ma wyłączyć go, zanim uszkodzenie się rozwinie, ale nie może go wyłączać wtedy, gdy pracuje poprawnie, na przykład w czasie rozruchu. Każde zbędne zadziałanie to nieplanowany przestój linii, a każde spóźnione to przezwojenie silnika. Zakres ochrony zależy od mocy, napięcia i od tego, jak ważny jest napęd dla procesu. Mały silnik trójfazowy nN wystarczy chronić wyłącznikiem silnikowym, natomiast silnik SN o mocy kilku megawatów potrzebuje przekaźnika cyfrowego z kilkunastoma funkcjami.
Dobór zabezpieczenia zaczyna się od pytania, co w silnikach psuje się najczęściej. Na pierwszym miejscu są łożyska (ok. 41–44% awarii), a za nimi uzwojenia stojana (26–37%) i wirnik (8–10%). Przyczyny tych uszkodzeń i metody ich wczesnego wykrywania opisuję we wpisie Najczęstsze awarie silników elektrycznych: przyczyny i diagnostyka. Tutaj zajmuję się tym, co chroni silnik przed ich skutkami.
Normy, na których opiera się dobór
Dla aparatury nN podstawą jest seria PN-EN 60947. Część 2 dotyczy wyłączników, część 4-1 styczników i rozruszników silnikowych, a część 8 przekaźników termistorowych. Zabezpieczenia cieplne wbudowane w sam silnik opisuje PN-EN 60034-11. Do tego dochodzą normy instalacyjne: wymagania dla instalacji bezpieczeństwa, w tym pomp pożarowych, są w PN-HD 60364-5-56, a zasady odbioru instalacji nN w PN-HD 60364-6.
W przypadku silników SN i dużych silników nN szeroko stosowanym przewodnikiem doboru jest amerykański IEEE Std C37.96 „Guide for AC Motor Protection”, obecnie w rewizji jako PC37.96. Wymagania dla samych przekaźników różnicowych maszyn wirujących ujednolica z kolei norma IEC 60255-187-1:2021.
Podstawa: wyłącznik silnikowy, czyli zwarcie i przeciążenie w jednym aparacie
Każdy silnik wymaga zabezpieczenia zwarciowego i przeciążeniowego. Zabezpieczenie zwarciowe nie może zadziałać na udar prądu przy załączeniu, a przeciążeniowe nie może wyłączyć silnika w czasie poprawnego rozruchu. W małych silnikach nN te dwie funkcje zwykle wystarczają.
W praktyce stosuje się dwa rozwiązania. Pierwsze to wyłącznik silnikowy (PN-EN 60947-2 i PN-EN 60947-4-1), który w jednej obudowie łączy obie funkcje, a do tego pozwala ręcznie załączyć i wyłączyć odpływ. Drugie to bezpiecznik, za którym stoi stycznik z przekaźnikiem przeciążeniowym. Wyłącznik silnikowy zajmuje mniej miejsca w polu odpływowym i po zadziałaniu nie wymaga wymiany wkładek. Natomiast układ z bezpiecznikiem bywa wybierany tam, gdzie spodziewany prąd zwarciowy przekracza zdolność wyłączania dostępnych wyłączników albo gdzie wymaga tego standard zakładu.
W wyłączniku silnikowym obie funkcje realizują dwa różne człony. Wyzwalacz elektromagnetyczny działa bezzwłocznie i chroni od zwarć. Natomiast wyzwalacz termiczny (bimetalowy) lub elektroniczny działa z opóźnieniem zależnym od wartości prądu i chroni od przeciążeń.
Wyzwalacz przeciążeniowy nastawia się na prąd znamionowy silnika odczytany z tabliczki znamionowej. Charakterystyka czasowo-prądowa aparatu ma już wbudowany margines, więc nastawa „z zapasem” 10–15% powyżej In przesuwa całą charakterystykę. W efekcie przy umiarkowanym przeciążeniu silnik nagrzewa się dłużej, niż przewidział producent.
Może pojawić się wątpliwość, czy wystarczy sam bezpiecznik. Bezpieczniki dobrze chronią od zwarć, ale nie nadają się do ochrony od przeciążeń. Wkładka dobrana tak, żeby przeniosła prąd rozruchowy, przy zablokowanym wirniku (6–8 × In) przepali się zbyt późno, by uratować izolację. Do tego przepalenie jednej wkładki oznacza pracę niepełnofazową. Dlatego za bezpiecznikami stosuje się przekaźnik przeciążeniowy, najlepiej czuły na zanik fazy.
Klasy wyzwalania i czułość na zanik fazy
Norma PN-EN 60947-4-1 dzieli przekaźniki przeciążeniowe na klasy wyzwalania 10A, 10, 20 i 30. Klasa określa maksymalny czas zadziałania przy prądzie równym 7,2-krotności prądu nastawy, liczony od stanu zimnego. Przekaźnik klasy 10 musi zadziałać w czasie od 4 do 10 s, klasy 20 od 6 do 20 s, a klasy 30 od 9 do 30 s.
Klasę dobiera się do dwóch parametrów z karty katalogowej silnika: czasu rozruchu i dopuszczalnego czasu zablokowania wirnika (safe stall time). Weźmy silnik, który w stanie ciepłym może pozostawać z zablokowanym wirnikiem przez 15 s. Przekaźnik klasy 20 pozwala na przepływ prądu zablokowanego wirnika nawet przez 20 s, więc takiego uzwojenia nie zabezpieczy i potrzebna jest klasa 10. Z kolei klasy 20 i 30 stosuje się w napędach z długim rozruchem, np. przy wentylatorach o dużej bezwładności, ale tylko wtedy, gdy silnik ma odpowiednio długi dopuszczalny czas zablokowania.
Ta sama norma definiuje próbę czułości na zanik fazy. Dwa bieguny przekaźnika obciąża się prądem równym 1,15-krotności prądu nastawy, a trzeci biegun pozostaje bez prądu. Przekaźnik czuły na zanik fazy musi wtedy zadziałać w czasie krótszym niż 2 h. W przekaźnikach bimetalowych służy do tego mechanizm różnicowy. Bimetal w fazie bez prądu pozostaje zimny, dwa pozostałe się wyginają i ta różnica przesuwa suwaki tak, że przekaźnik zadziała wcześniej niż przy symetrycznym przeciążeniu.
Zanik fazy jest skrajnym przypadkiem asymetrii zasilania, a ta potrafi przegrzać silnik także w łagodniejszej postaci. Już 1% asymetrii napięcia daje 6–10% asymetrii prądów (NREL/DOE, Eliminate Voltage Unbalance), a powyżej 1% silnik trzeba odciążyć według IEC 60034-26. Przy trwałej asymetrii nastawę zabezpieczenia przeciążeniowego dobiera się więc z uwzględnieniem obniżonej mocy (EEP). Tabelę obniżenia mocy podaję we wpisie o awariach silników.
Koordynacja zwarciowa: typ 1 i typ 2
Zwarcie w skrzynce zaciskowej silnika obciąża stycznik i przekaźnik przeciążeniowy siłami elektrodynamicznymi i energią cieplną, zanim zabezpieczenie zwarciowe zdąży przerwać prąd. Norma PN-EN 60947-4-1 określa, w jakim stanie ma pozostać rozrusznik po takim zwarciu, i rozróżnia dwa typy koordynacji.
Niezależnie od typu koordynacji zabezpieczenie zwarciowe musi mieć zwarciową zdolność wyłączania nie mniejszą niż spodziewany prąd zwarciowy w miejscu zainstalowania. Dlatego zanim dobierze się wyłącznik silnikowy z katalogu, trzeba znać prąd zwarciowy na szynach rozdzielnicy.
| Typ koordynacji | Stan aparatów po zwarciu | Skutek dla utrzymania ruchu |
|---|---|---|
| Typ 1 | Brak zagrożenia dla ludzi i instalacji. Rozrusznik może nie nadawać się do dalszej pracy bez naprawy lub wymiany części. | Wymiana stycznika lub przekaźnika przed ponownym uruchomieniem. |
| Typ 2 | Brak zagrożenia dla ludzi i instalacji. Rozrusznik nadaje się do dalszej pracy. Dopuszczalne jest lekkie zgrzanie styków, jeśli dają się łatwo rozdzielić. | Krótki postój, zwykle bez wymiany aparatów. |
Koordynację typu 2 uzyskuje się, stosując zestawy aparatów przebadane przez producenta, czyli konkretny wyłącznik lub bezpiecznik, stycznik i przekaźnik dobrane dla danej mocy silnika. Producenci aparatury publikują je w tabelach koordynacji. Rozrusznik złożony z aparatów spoza takiej tabeli nie daje gwarancji typu 2, nawet jeśli każdy aparat osobno ma wystarczające parametry.
Przy doborze stycznika dla silników o podwyższonej sprawności (IE3, IE4) trzeba sprawdzić, czy ma on kategorię użytkowania AC-3e. Silniki te mają większy prąd załączania, a kategoria AC-3e została wprowadzona do PN-EN 60947-4-1 właśnie z myślą o nich.
Czujniki w uzwojeniu: PTC i RTD
Zabezpieczenie prądowe chroni silnik pośrednio, bo oblicza jego nagrzewanie na podstawie prądu. Przy pracy ciągłej S1 sprawdza się to dobrze, ale nie wykryje przegrzania przy prądzie znamionowym, gdy zawodzi chłodzenie. Taka sytuacja zdarza się przy zapchanym żebrowaniu, uszkodzonym przewietrzniku, wysokiej temperaturze otoczenia albo długiej pracy z niską prędkością na przemienniku. Podobnie jest przy pracy przerywanej (S4–S6) i częstych rozruchach, jeśli model cieplny przekaźnika nie odpowiada rzeczywistemu cyklowi pracy. Takie przypadki wychwytują dopiero czujniki temperatury wbudowane w uzwojenie, opisane w PN-EN 60034-11.
Termistory PTC umieszcza się w czołach uzwojeń, po jednym na fazę, i łączy szeregowo. Poniżej znamionowej temperatury zadziałania (TNAT) mają niską rezystancję, a w jej pobliżu rezystancja rośnie skokowo. Przekaźnik termistorowy zgodny z PN-EN 60947-8 wykrywa ten skok i wyłącza stycznik. PTC daje więc tylko sygnał progowy: stan normalny albo zadziałanie. Temperaturę TNAT dobiera producent silnika do klasy izolacji.
Czujniki RTD (np. Pt100) mierzą temperaturę w sposób ciągły. Dzięki temu w przekaźniku cyfrowym albo w sterowniku można ustawić osobny próg ostrzegawczy i wyłączający, a także śledzić trend temperatury w czasie. W napędach ważnych dla procesu łączy się oba rozwiązania: RTD daje ostrzeżenie, a PTC z przekaźnikiem termistorowym wyłącza silnik niezależnie od sterownika.
Silnik zasilany z przemiennika częstotliwości
Gdy silnik pracuje z przemiennikiem, ochronę przeciążeniową realizuje zwykle sam przemiennik. W jego parametrach ustawia się prąd znamionowy silnika i sposób chłodzenia, aby model cieplny uwzględniał gorsze chłodzenie przy niskiej prędkości, gdy przewietrznik na wale kręci się wolniej. Jeśli napęd długo pracuje z niską prędkością i stałym momentem, potrzebne jest obce chłodzenie albo obniżenie obciążenia według krzywej producenta. Czujnik PTC z uzwojenia można przy tym podłączyć bezpośrednio do wejścia termistorowego przemiennika.
Zasilanie z przemiennika niesie też zagrożenia, których zabezpieczenie prądowe w ogóle nie zauważy. Chodzi o narażenie izolacji zwojowej przez strome zbocza napięcia oraz o prądy łożyskowe, opisane w specyfikacji IEC TS 60034-25:2022. Mechanizm tych zjawisk i środki zaradcze, takie jak filtry, uziemienie wału czy łożyska izolowane, omawiam we wpisie o awariach silników.
Duże silniki nN i silniki SN: przekaźnik cyfrowy
W większych silnikach rolę wyłącznika silnikowego przejmuje przekaźnik cyfrowy. Liczy on model cieplny silnika na podstawie prądu stojana, a model wirnika uwzględnia składową przeciwną prądu, bo przy asymetrii to ona najsilniej nagrzewa wirnik. Dzięki temu zabezpieczenie „pamięta” nagrzanie po kilku rozruchach i może zablokować kolejne załączenie, dopóki silnik nie ostygnie.
Funkcje przekaźnika oznacza się zwykle numerami z amerykańskiej normy IEEE C37.2, czyli kodami ANSI. W Polsce przyjęły się one w dokumentacji i w menu przekaźników. Normy IEC posługują się natomiast symbolami graficznymi według IEC 60617 (np. I>, I>>, ΔI, U<), a w komunikacji cyfrowej węzłami logicznymi według IEC 61850 (np. PTOC, PDIF). Oba sposoby oznaczania omawiam we wpisie Kody ANSI zabezpieczeń elektroenergetycznych, a typowe funkcje przekaźnika silnikowego zebrałem w tabeli poniżej (SpecForge, motor protection relay).
| ANSI | Symbol IEC | Funkcja | Na co odpowiada |
|---|---|---|---|
| 49 | θ> | Przeciążeniowe z modelem cieplnym | przeciążenie, przegrzanie stojana i wirnika |
| 50 / 51 | I>> / I> | Nadprądowe bezzwłoczne / zwłoczne | zwarcia międzyfazowe |
| 50N / 51N | I0>> / I0> | Ziemnozwarciowe | uszkodzenie izolacji doziemnej |
| 46 | I2> | Asymetria prądu (składowa przeciwna prądu) | asymetria zasilania, zanik fazy |
| 47 | U2> | Kolejność faz / składowa przeciwna napięcia | odwrotna kolejność faz, asymetria napięcia przed załączeniem |
| 48 / 51LR | Ist> | Wydłużony rozruch / zablokowany wirnik | ciężki rozruch, utyk pod obciążeniem |
| 66 | – | Liczba rozruchów w czasie | przegrzanie wirnika przy częstych rozruchach |
| 27 / 59 | U< / U> | Pod- i nadnapięciowe | zapady i wzrosty napięcia |
| 37 | I< | Podprądowe / podmocowe | praca pompy na sucho, zerwany pas |
| 38 | θ> | Temperatura łożysk (RTD) | przegrzanie łożysk |
| 39 | – | Drgania | niewyważenie, niewspółosiowość, uszkodzenie łożysk |
| 87M | ΔI | Różnicowe silnika | zwarcia wewnętrzne w dużych silnikach |
Nie każdy silnik potrzebuje wszystkich tych funkcji. Ich zakres rośnie z mocą i napięciem, co w uproszczeniu pokazuje kolejne zestawienie.
| Zabezpieczenie | Kod ANSI | Małe silniki nN (wyłącznik silnikowy, stycznik) | Duże silniki nN (przekaźnik cyfrowy) | Silniki SN |
|---|---|---|---|---|
| zwarcie: bezpiecznik lub wyzwalacz elektromagnetyczny | – | ✓ | – | – |
| przeciążenie: wyzwalacz termiczny lub elektroniczny, czuły na zanik fazy | – | ✓ | – | – |
| termistory PTC w uzwojeniu | – | opcja | – | – |
| model cieplny | 49 | – | ✓ | ✓ |
| nadprądowe zwłoczne i bezzwłoczne | 50/51 | – | ✓ | ✓ |
| ziemnozwarciowe | 50N/51N | – | ✓ | ✓ |
| asymetria prądu (składowa przeciwna prądu) | 46 | – | ✓ | ✓ |
| przedłużony rozruch, utyk wirnika | 48 / 51LR | – | ✓ | ✓ |
| ograniczenie liczby rozruchów | 66 | – | ✓ | ✓ |
| podnapięciowe i nadnapięciowe | 27/59 | – | ✓ | ✓ |
| kolejność faz, składowa przeciwna napięcia | 47 | – | – | ✓ |
| temperatura uzwojeń (czujniki RTD) | 49S / RTD | – | – | ✓ |
| temperatura łożysk | 38 | – | – | ✓ |
| drgania | 39 | – | – | ✓ |
| blokada ponownego załączenia | 86 | – | – | ✓ |
| różnicowe | 87M | – | – | duże jednostki |
Dobrym przykładem z praktyki jest obwód nN z rozłącznikiem bezpiecznikowym i stycznikiem, dla silników do ok. 75 kW. Reyrolle Protection Application Guide podaje dla niego zestaw funkcji 46, 49 i 51N, przy czym zabezpieczenie ziemnozwarciowe pracuje na przekładniku Ferrantiego, czyli przekładniku obejmującym wszystkie trzy fazy.
Zabezpieczenie różnicowe 87M
Zgodnie z IEEE C37.96 zabezpieczenie różnicowe stosuje się zwykle w dużych silnikach (IEEE Std C37.96-2000). Normy nie narzucają jednak sztywnego progu mocy. W praktyce spotyka się granicę ok. 2000 kW, a w sieciach z izolowanym punktem neutralnym zabezpieczenie różnicowe zaleca się już dla silników o mocy kilkuset kW (IEEE Houston, Differential Protection Applied to Motors). Granica ta wynika z rachunku kosztów: przy mniejszych mocach komplet przekładników po stronie punktu neutralnego i przekaźnik różnicowy kosztują więcej niż przezwojenie silnika.
Zabezpieczenie różnicowe silnika buduje się w jednym z dwóch układów:
- samowyrównawczym (flux-balance), w którym jeden przekładnik na fazę obejmuje oba końce uzwojenia, od strony zasilania i od strony punktu neutralnego; ponieważ nie ma tu różnic między przekładnikami przy prądzie rozruchowym, zabezpieczenie może być bardzo czułe, ale wymaga dostępu do obu końców uzwojeń,
- procentowym (stabilizowanym), z dwoma przekładnikami na fazę, w którym nastawy muszą uwzględnić różnice charakterystyk przekładników i ich nasycenie przy rozruchu.
Wyjątek: pompy pożarowe
Od opisanych zasad jest jeden ważny wyjątek. Silnik pompy pożarowej ma pracować aż do zniszczenia, bo jego wyłączenie w czasie pożaru jest groźniejsze niż utrata silnika. Norma PN-HD 60364-5-56, dotycząca instalacji bezpieczeństwa, dopuszcza pominięcie zabezpieczenia przed przeciążeniem, jeżeli utrata zasilania może spowodować większe zagrożenie. Przeciążenie trzeba jednak wtedy monitorować i sygnalizować. W praktyce styk przekaźnika przeciążeniowego nie rozłącza cewki stycznika, tylko wysyła alarm do dyspozytorni.
PN-EN 12845 dla instalacji tryskaczowych wymaga wyłącznie zabezpieczenia zwarciowego, przy czym bezpiecznik musi przenosić prąd rozruchowy przez co najmniej 20 s (Selvi, NFPA 20 vs EN 12845). W tym samym kierunku idą amerykańskie NFPA 20 i NEC art. 695, które wprost zakazują zabezpieczenia przeciążeniowego tych silników (Cummins).
Uruchomienie i pomiary: dwa błędy, które niszczą sprzęt
Nawet dobrze dobrane zabezpieczenie nie zadziała, jeśli zostanie źle nastawione. Dlatego przy odbiorze sprawdza się, czy nastawa przekaźnika przeciążeniowego, wyłącznika silnikowego albo parametry silnika wpisane do przemiennika zgadzają się z tabliczką znamionową. Szczególnej uwagi wymaga rozruch gwiazda-trójkąt. Gdy przekaźnik jest włączony w obwód uzwojeń fazowych, płynie przez niego prąd fazowy, więc nastawa wynosi ok. 0,58 × In (In/√3).
Drugi częsty błąd to pomiar rezystancji izolacji silnika z podłączonym przemiennikiem. Napięcie probiercze megaomomierza trafia wtedy na zaciski U, V, W przemiennika i może uszkodzić półprzewodniki mocy w stopniu wyjściowym przemiennika. Producenci przemienników zalecają w DTR odłączenie przewodów silnikowych przed pomiarem. Sam pomiar dla obwodów nN do 500 V wykonuje się według PN-HD 60364-6 napięciem 500 V DC, a wynik przy odbiorze musi wynosić co najmniej 1 MΩ.
Przyczyna awarii a zabezpieczenie w jednej tabeli
Tabela poniżej zbiera opisane zabezpieczenia według tego, przed czym chronią.
| Przyczyna | Zabezpieczenie lub funkcja |
|---|---|
| Zwarcie międzyfazowe | wyzwalacz elektromagnetyczny, bezpiecznik, 50/51, 87M |
| Zwarcie doziemne, zawilgocona izolacja | 50N/51N, przekładnik Ferrantiego |
| Przeciążenie mechaniczne | wyzwalacz termiczny lub elektroniczny, 49 |
| Asymetria zasilania, zanik fazy | przekaźnik czuły na zanik fazy, 46, 47, 49 z modelem wirnika |
| Niewydolne chłodzenie | PTC, RTD w uzwojeniu |
| Ciężki lub częsty rozruch, utyk | właściwa klasa wyzwalania, 48/51LR, 66 |
| Łożyska | 38 (RTD), 39 (drgania) |
| Zapady i wzrosty napięcia | 27/59 |
| Praca pompy na sucho, zerwany pas | 37 |
Przekaźnik wyłączy silnik z przegrzanym łożyskiem, ale go nie nasmaruje. Jak wykryć problem wcześniej, zanim zadziała zabezpieczenie, opisuję we wpisie o awariach silników i ich diagnostyce.