В зависимости, от рода источников электрической энергии различают ЭС постоянного и переменного тока. Судовые ЭС подразделяют на основные, аварийные и специальные.
12. Электрическая защита в СЭЭС
12.1. Общие требования
Основными видами нарушения нормальной работы СЭЭС или отдельных ее элементов являются следующие:
- недопустимое понижение сопротивления изоляции токопроводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов;
- повышение сопротивления контактных соединений токопроводов (клеммы
контактных соединений, аппаратов, кабелей);
- металлическое замыкание токопроводов разных полярностей (глухое короткое замыкание);
- перегрузка электрических двигателей по моменту сопротивления на валу (неисправность или перегрузки приводных механизмов);
- неисправности в работе автоматических устройств управления элементами СЭЭС (ложные сигналы управления);
- ошибки личного состава в использование электротехнических устройств.
С целью уменьшения повреждения оборудования и сокращения времени нарушения нормального электроснабжения судна предусматривается защита СЭЭС в аварийных режимах. Защита осуществляется системой устройств, автоматически отключающих повреждение элементы или части СЭЭС и сигнализирующих о коротких замыканиях (к.з.), перегрузках по току и мощности, повреждения первичного двигателя генератора, обрыва одной фазы питающего фидера, исчезновение (снижение) напряжения в сети.
Своему целевому назначению система защиты СЭЭС будет соответствовать только при следующих важных для нее свойствах:
-быстродействии;
- избирательности (селективности), способности локально отключать поврежденный элемент (участок СЭЭС);
|
- чувствительности, способности "отличать" аварийные и нормальные изменения диагностических величин;
- надежности, способности надежно срабатывать при аварии и не срабатывать в нормальных режимах;
- электродинамической и термической устойчивости устройств защиты;
- способности без механических повреждений и обгорании отключать предельные по величине токи к.з.
Система защиты в СЭЭС построена на использовании коммутационно защитных аппаратов, выключателей, предохранителей, реле тока и мощности, устройств автоматической разгрузки и включении резервных генераторных агрегатов.
Рассмотрение вопросов защиты судовых электроэнергетических систем целесообразно произвести по элементам: защита сетей, генераторов и электродвигателей (Рис. 12.1.).
Рис.12.1. Схема главного тока судовой электростанции.
12.2. Защита сетей
В судовых электрических сетях могут иметь место два не нормальных режима: к.з. и перегрузка. Защита сетей, от таких режимов осуществляется автоматами или предохранителями.
Особенно ответственной является защита сетей от к.з. Эта защита должна быть избирательной (селективной), т.е. при к.з. на каком-либо участке должна отключатся не вся сеть, а только поврежденный участок, в то время как по остальным участкам ее осуществляется бесперебойная передача электрической энергии.
В принципе, избирательность защиты сети при к.з. можно получить настройкой защитных аппаратов по времени отключения или по току срабатывания (Рис.12.2.).
Рис.12.2. Избирательность защиты по времени
Избирательность защиты по времени достигается при выполнении условия , т.е. время отключения аппаратов защиты должно уменьшатся по ступеням защиты от источников электрической энергии к потребителям.
|
Избирательность по току достигается при выполнении условия
, т.е. ток срабатывания аппаратов защиты должен уменьшатся по ступеням защиты от источников к потребителям электрической энергии. Избирательность защиты сетей по времени может быть применена в любой электроэнергетической системе. Избирательность защиты по току может применяться только в маломощных электроэнергетических системах. Время токовая характеристика автомата избирательного действия приведена на (Рис.12.3.).
Рис.12.3. Время токовая характеристика автомата избирательного действия
12.3. Защита генераторов
Генераторы защищаются от перегрузки, к.з., а также oт возможности их работы в режиме двигателя.
Перегрузки генераторов могут происходить при выходе из строя одного из параллельно работающих генераторов, из-за неправильного распределения нагрузки между параллельно работающими генераторами и т.д. Короткие замыкания могут быть как внутри самого генератора, так и во внешней цепи.
Переход генератора постоянного тока в двигательный режим всегда сопровождается изменением тока в обмотке якоря, а генератора переменного тока - с изменением направления мощности. Эти факторы и используются для защиты генератора от работы в двигательном режиме. Если параллельная работа генератора не предусматривается, то никакой защиты от двигательного режима не требуется.
|
Защита генератора постоянного тока от двигательного режима работы осуществляется с помощью реле обратного тока (рис.12.4). Реле имеет две катушки - токовую и напряжения. При нормальном (генераторном) направлении тока в токовой катушке магнитные потоки действуют согласно и удерживают контакт реле в разомкнутом положении. При изменении направления тока в токовой катушке (двигательный режим) магнитный поток катушки КТ становится встречным магнитному потоку катушки КН. Вследствие этого резко уменьшается величина результирующего магнитного потока, и контакты реле замыкаются. Через контакты подаётся напряжение на отключающий расцепитель автомата.
Рис.12.4. Защита от изменения режима работы электрической машины
Реле срабатывает при 15-20% обратного тока без выдержки времени. Защита генератора переменного тока от двигательного режима производится с помощью реле обратной мощности (РОМ), т.к. в системах переменного тока определенное направление имеет только энергия (мощность). Реле представляет собой однофазный счетчик электрической энергии индукционной системы (с алюминиевым диском) и имеет две катушки - токовую и напряжения (рис.12.5.). При нормальной работе генератора, к диску приложен момент, вращающий его на размыкание контактов (однако во избежание непрерывного вращения диск имеет ограниченность хода).
Рис.12.5. Реле обратной мощности
При переходе генератора в двигательной режим диск реле начинает вращаться в обратную сторону, т.е. в сторону замыкания контактов реле К. Выдержка времени срабатывания реле зависит от длины пути, который должен быть пройден диском до момента замыкания контактов, что может регулироваться в пределах 0-10 сек. Реле имеют три установки по обратной мощности 6, 9, и 12 %.
В подобных случаях необходимо помимо отключения генератора от шин щита, быстро уменьшить магнитное поле ротора, т.е. произвести "гашение" поля генератора. Одним из радикальных методов достижения "гашения" поля является включение обмотки ротора синхронного генератора на гасительное сопротивление с одновременным ее отключением от возбудителя (Рис.12.6). После отключения генератора от шин ГРЩ происходит включение сопротивления последовательно с обмоткой возбуждения, вследствие чего резко уменьшается ток возбуждения возбудителя, напряжение возбудителя и ток возбуждения. При необходимости поднятия напряжения генератора до номинальной величины при включенном генераторном автомате рубильник Р замыкается.
Рис.12.6 Гашение поля возбуждения синхронного генератора
12.4 Коммутационные аппараты
Включение, отключение (коммутация) генераторных потребителей, участков цепи осуществляют коммутационные аппараты.
Защитное срабатывание коммутационных аппаратов происходит, если значение установленных параметров режима СЭЭС (ток, напряжение, мощность, частота) выходят за установленные допустимые пределы, контролируемые автоматически. Поэтому такие коммутирующие аппараты называются автоматическими выключателями. Автоматы представляют собой виды коммутационных аппаратов, используемых на ЭС для многократных коммутации цепей без тока, нечастых при нормальных токах и для защитных отключений в режиме перегрузки и аварий.
Основными элементами автоматических воздушных выключателей являются подвижные и неподвижные контакты, дугогасительная камера механизм расцепления контактов и их замыкания, отключающие и включающие устройства. В главной цепи автоматов предусматриваются главные КГ, предварительные КП и дугогасящие КД контакты, показанные на функциональной схеме трехфазного автомата только для одной фазы В (рис.12.7.). Кроме того, для коммутации цепей управления устанавливаются блок контакты БК.
Через главные контакты КГ протекает ток нагрузки при нормальном включенном состоянии автомата. Предварительные контакты КП начинают
Рис.12.7 Функциональная схема автоматического выключателя
коммутировать цепь раньше, чем главные, предохраняя их от обгорания из-за электрической дуги. При размыкании больших токов в главной цепи автомата возникает мощная дуга, разрыв которой ускоряется и становится безопасным для автомата благодаря перемещению ее по дугагасительным контактам КД в дугагасительную щелевую камеру ДК. Дуга перемещается из-за больших электродинамических сил по дугогасительным контактам, попадает на стальную решетку щелевидной камеры и быстро гаснет.
Коммутация всех фаз автомата (замыкание или размыкание А1-А2, В1-В2, С1-C2) и блок-контактов БК происходит одновременно под воздействием механизма взаимного перемещения контактов, имеющего ручное и автоматическое управление. Для автоматического включения автоматов серии AM используется устанавливаемые на их корпус электрический двигатель Д. Автоматическое или дистанционное отключение происходит под действием расцепителей, являющихся электромагнитными элементами, управляющими механизмами перемещения контактов. Используются следующие виды расцепителей или их комбинации: максимальные РМ, перегрузки РП, выполняются обычно с биметаллическим элементом БМ, нулевые РН и отключающие РО по внешнему сигналу. Срабатывание происходит при коротких замыканиях РМ, перегрузках по току РП, снижения напряжения РН, замыкании контактов отключающего расцепителя Р0, что соответствует либо аварийной ситуации (например, при срабатывании реле обратной мощности РОМ), либо команде управления, вызванной нормальными эксплутационными причинами. У автоматов могут предусматривается гидравлические или механические устройства замедления срабатывания ЗС, под действием максимальных расцепителей, избираемого по времени (селективности) отключения ряда автоматов и срабатывания с выдержкой по времени в режимах перегрузки.
Автомат с различными системами управления, предназначенной для размыкания электрических цепей в любых условиях, отличных от нормальных, называется универсальным. Автоматы с одной максимально-токовой защитой называются установочными.
Любой автоматический выключатель состоит из следующих основных частей: контактной системы, дугогасительной системы, привода автомата, механизма свободного расцепления, расцепителей и коммутатора с блок-контактами.
Контактная система является наиболее ответственной частью токоведущей цепи автоматов. Она должна находиться длительное время под током, и быть способной отключить токи перегрузки и к.з. При номинальных токах до 200А, в автоматах обычно, применяется одна пара контактов. Одноступенчатые контактные системы с применением металлокерамики допускают токи порядка 600А.
Одноступенчатые контактные системы имеют одну пару главных контактов. При больших токах большое распространение получили двух и трех ступенчатые контактные системы. Первые имеют две пары контактов главные и дугогасительные, вторые - три пары: главные, предварительные и дугогасительные. При включении автомата вначале замыкаются дугогасительные, предварительные и, наконец, главные контакты. Размыкание контактов происходит в обратной последовательности.
Дугогасительная система должна обеспечить гашение дуги в ограниченном объеме при всех возникающих режимах работа автомата. В установочных и универсальных автоматах широкое применение получили камеры с дугагасительными решетками из стальных пластин. При больших токах применяются лабиринтно-щелевые камеры и камеры с прямопродольной узкой щелью.
В лабиринтно-щелевой камере дуга входит в зигзагообразную щель постепенно и аэродинамическое сопротивление не велико. Узкая щель повышает градиент в дуге и уменьшает ее длину при гашении. Ввиду того, что охлаждение дуги осуществляется стенками камеры, материал камеры должен обладать высокой теплопроводностью и температурой плавления. В качестве материала для камеры используют асбоцемент, керамику и другие материалы. Для включения автомата служит привод. Контакты автоматов отключаются с большой скоростью (моментное отключение).
Механизм свободного расцепления исключает возможность удерживать контакты автомата во включенном положении за счет воздействия привода при ненормальных режимах работы защищаемой цепи. Он обеспечивает моментное отключение автомата.
Расцепители - элементы защиты, под воздействием которых через механизм свободного расцепления происходит отключение автомата. Они реагируют на изменение параметров электрической цепи (тока, напряжения).
Расцепители, в зависимости от выполняемой ими функции, бывают: максимальные - для защиты от недопустимых токов перегрузки и от токов к.з. и осуществляющие максимально-токовую защиту.
Автомат имеет главные контакты ГК для включения тока нагрузки, блокконтакты БК для включения сигнальных и блокировочных цепей. Расцепитель максимальный РМ, срабатывающий при перегрузке и коротких замыканиях (комбинированные расцепители). Часовой механизм ЧМ для создания зависимой от тока выдержки времени при отключении автоматом перегрузок. Расцепитель отключающий Р0, для дистанционного отключения автомата кнопкой или с помощью соответствующего реле.
Автоматы могут иметь ручное или электроприводное включение. В первом случае автоматы изготовляются со штурвалом. Во втором случае (рис.12.8.) автоматы поставляются с элементами электропривода двигателем Д, выключатель тормоза ВТ, реле блокировочное РБ, реле управления РУ, контакты В1, В2 конечного выключателя электродвигателя, сопротивления R1, R2, кнопка Вкл. Включение автомата может быть осуществлено с одного или нескольких мест кратковременным нажатием, кнопки, подающей питание на реле управления, которое в свою очередь подаст питание на приводной электрический двигатель.
Схемою питания электродвигателя обеспечивается невозможность включения автомата, если в данный момент электродвигатель отключен каким-либо расцепителем, а также невозможность пуска электродвигателя при включенном автомате.
При замыкании кнопки включения Вкл подается напряжение на катушку реле управления РУ. После срабатывания РУ шунтируют кнопку Вкл и замыкают цепь питания электродвигателя Д и выключатель тормоза ВТ. При вращении электродвигателя через систему передач производится включение автомата. В процессе включения автомата напряжение на катушку реле РБ подается сначала через последовательно включенные контакты конечного выключателя BI, и нормальнозамкнутый блокконтакт автомата, а затем эта цепь шунтируется контактами конечного выключателя В2 (шунтирование начинается до размыкание блокконтакта автомата). После включения автомата контакты BI и В2 размыкаются (см. диаграмму), все реле теряют питание и электродвигатель останавливается, затем двигаясь по инерции, контакт BI снова замыкается, подготавливая цепь к включению.
Рис.12.8. Элементная схема избирательного автомата
Если есть напряжение автомат включается на к.з. в сети, то сразу после включения отключится РМ, в результате чего замкнуться нормальнозамкнутые блокконтакты, но автомат самопроизвольно повторно не включится, если даже кнопка Вкл еще не отпущена, так как после каждого включения автомата определенный период оба конечных выключателя остаются не включенными и, РБ отключенным и зашунтированным кнопкой Вкл. Поэтому, повторное включение автомата можно осуществить, если в начале отпустить кнопку Вкл, а затем снова нажать. В промежуток между этим реле РБ снова включится (после того как BI, замкнется) и обеспечит повторное включение автомата. Автомат и схема его включения могут быть выполнены на постоянном или переменном токе. В случае перегрузок автомат работает следующим образом. Под действием тока перегрузки РМ, притягивая свой якорь, вызывают работу ЧМ, которые выходят и зацепляются с якорями расцепителей, позволяя им произвести отключение автомата.
13 Аппараты управления электродвигателями
13.1 Контакторы
Контактором - называется коммутационный аппарат с электромагнитным механизмом управления, предназначенный для часто производимых замыканий и размыканий цепей с электродвигателем и цепей постоянного или переменного тока. Контакторы используются в комплекте с другими аппаратами управления и как отдельные устройства (рис.13.1).
Основными элементами контактора является электромагнитный механизм ЭМ включения - отключения, главные контакты ГК, дугогасительные устройства ДУ и блок - контакты БК. Контактор замыкает и размыкает с помощью главных контактов, одни из которых подвижны, а другие неподвижны, жестко связаны с якорем Я электромагнитного механизма.
Рис.13.1. Принципиальная схема контактора
Якорь представляет собой подвижную часть магнитной цепи, находящейся под действием равнодействующих сил магнитного поля 2Fм, которое создается втягивающей катушкой при протекании по ее обмотке тока iвк и натяжения Fп противодействующей пружины П. При отсутствии напряжения на обмотке втягивающей катушки электромагнита, его якорь благодаря натяжению пружины занимает одно крайнее положение.
При включении напряжения Uвк на втягивающую катушку ВК (обмотку электромагнита), создаваемая им сила притяжения якоря преодолевает силу тяги пружины и перемещает якорь в другое крайнее положение. При двух крайних устойчивых положениях якоря связанные с ним подвижные главные контакты, соответственно размыкают или замыкают главную цепь. Число таких пар контактов у контакторов морских серий может быть от I до 6. Наиболее широко используются контакторы с двумя и тремя парами главных контактов.
Дугагасительные устройства предназначены для предохранения контактных поверхностей главных контактов от обжигающего действия дуги, возникающей при размыкании электрической цепи. Нарушение чистоты (окисление, оплавление) контактных поверхностей ведет к повышению переходного электросопротивления в месте их соприкосновения, повышению нагрева рабочим током в главной цепи. Такие перегревы могут быть пожароопасные. В зоне расположения главных контактов предусматриваются камеры К с продольными щелями, соответствующие ускорению и облегчению гашения дуги отключаемого тока. Перемещению дуги в дугогасительные камеры осуществляется электромагнитным дутьем, создаваемым дугогасительной катушкою ДК.
Блок - контакты, замыкаемые или размыкаемые одновременно с главными контактами или перемещениями якоря, используются для переключения в цепях управления, которые необходимы при срабатывании контактора. Схема включения контактора показана на рис.13.2.
Рис.13.2. Схема включения контактора
13.2. Магнитные пускатели и станции управления
Магнитный пускатель - устройство, предназначенное для пуска, остановки и реверса электрических двигателей, а также их защиты от перегрузок и снижения напряжения.
Основные элементы магнитного пускателя - контактор, кнопки управления, переключатели, устанавливаются вмести с другими дополнительными элементами на металлическом основании, и защищаются кожухом. На рисунке (рис.13.3) приведена электрическая схема нереверсивного магнитного пускателя, который состоит из трехполюсного контактора КЛ, тепловых реле ТРТ, включенных последовательно с обмотками двух фаз статора, кнопок пуск КП и стоп КС.
Для пуска АД необходимо нажать КП, катушка контактора получает питание, контактор КЛ срабатывает и замыкает главные контакты в цепи статора двигателя, а блок контакт БК шунтирует КП, двигатель начинает вращаться. В зависимости от схемы и способа пуска пускатели выполняются с одноступенчатым и двухступенчатым пуском для ограничения тока, реверсивными и нереверсивными, односетевыми и двухсетевыми.
Рис.13.3. Принципиальная схема нереверсивного магнитного
пускателя серии ПММ
14. Сборка электрических машин
Якоря (роторы), завернутые в полиэтиленовую пленку и увязанные шпагатом, с подшипниковыми узлами передают на участок сборки, где их устанавливают в подготовленную для сборки станину.
На уложенный внутри станины якорь (ротор) надевают траверсу и подшипниковые щиты, предварительно развернув подшипниковые узлы и сняв с них наружные крышки. В начале устанавливают подшипники в подшипниковый щит со стороны вентилятора, а затем с противоположной стороны.
Затем окончательно закрепляют подшипниковые щиты, устанавливают на место траверсу и крышки подшипников, вставляют и притирают щетки. После сборки проверяют вручную, легкость и плавность вращения якоря. Перед началом стендовых испытаний в собранной машине проверяют качество балансировки якоря (путем замера вибрации) и точность сборки подшипниковых узлов (по температуре нагрева подшипников и равномерности шума).
14.1. Стендовые испытания электрических машин
Заключительным этапом являются стендовые испытания электрических машин, в процессе которых проверяют качество ремонта и соответствие параметров машины паспортным данным. Испытания на стенде, как правило, производят в комплекте со штатной аппаратурой управления по программам контрольных испытаний заводов изготовителей. В контрольные проверки и испытания на стенде входят следующие работы:
- внешний осмотр;
- измерение сопротивление обмоток постоянному току в холодном состоянии;
- измерение сопротивление изоляции относительно корпуса машины и между собой в холодном состоянии;
- проверка правильности установки щеток на нейтраль;
- испытание на нагревание и проверка номинальных данных;
- определение класса коммутации;
- измерение температуры нагрева отдельных частей машины на соответствие ее допустимым нормам;
- измерение сопротивления изоляции обмоток в горячем состоянии;
- испытание электрической прочности витковой изоляции обмоток;
- испытание механической прочности деталей и обмоток;
- проверка работы подшипников при нагрузке.
При внешнем осмотре проверяют комплектность электрической машины, отсутствие внутри нее случайно попавших посторонних предметов и легкость вращения ротора от руки.
Сопротивление изоляции обмоток относительно корпуса и между собой в холодном состоянии должно быть не менее 5 Мом.
Испытание машин на нагревание производится при номинальных значениях тока нагрузки, частоты и скорости вращения до практически установившейся температуры отдельных частей машины, но не менее двух часов. Температура считается практически установившейся, если ее изменение в течение часа не превышает 1оС при неизменных значениях температуры охлаждающего воздуха и параметров нагрузки.
Класс коммутации (степень искрения) машины проверяют в процессе испытаний на нагревание и записывают в протоколе. Класс коммутации оценивается в соответствии с нормами ГОСТ 183-74 (Табл.14.1).
При нормальных режимах работы машины степень искрения должна быть не выше I ½ балла, т.о. критерием для оценки степени искрения служит состояние рабочей поверхности коллектора и щеток.
В соответствии с правилами Регистра замер температуры, изоляции и сопротивления обмоток в горячем состоянии начинают сразу же после испытания на нагревание и заканчивают не позже чем через 5мин. с момента остановки машины.
Таблица 14.1.
Степень искрения (балл) | Характеристика степени искрения | Состояние коллектора и щеток |
Отсутствие искрения (темная коммутация) | Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках | |
11/4 | Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки (нормальная коммутация для длительного режима работы) | Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках |
11/2 | Слабое искрение под большей частью щетки (допустимо для кратковременного режима работы) | Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемое протиранием бензином, а также следов нагара на щетках |
Искрение под всем краем щетки (допускается только при кратковременных толчках) | Появление следов почернения на коллекторе, не устраняемое протиранием, а также следов нагара на щетках (нагар снимается только шлифовкой) | |
Сильное искрение под всеми щетками, переход в огонь (недопустимо ни при каких режимах) | Значительное почернение (разрушение) на коллекторе, а также нагар и разрушение щеток |
Сопротивление изоляции обмоток по отношению к корпусу и между собой в горячем состоянии должно быть не менее 2 Мом.
После испытания на нагревание испытывают электрическую прочность изоляции (по формулярным данным 1 мин., 1000В, 50Гц).
Механическую прочность деталей и обмоток машин испытывают на повышенной скорости вращения (20% выше номинальной) в течение 2минут.
Испытание на перегрузку производят в нагретом состоянии машины после замеров температуры и сопротивления изоляции обмоток. Величины перегрузок и продолжительность испытаний для различных видов машин с длительными и повторно-кратковременными режимами работами приводятся в технической документации. Перегрузки машина должна выдерживать без повреждений и остаточных деформаций.
Температура нагрева машины после испытания на перегрузку не нормируется. Одновременно со стендовыми испытаниями электрических машин проверяют и регулируют пускорегулирующую аппаратуру в комплекте с управляемыми двигателями и генераторами. Результаты испытаний заносят в протокол испытания. Выдержавшие испытания э/о допускается к установке на судно.
15. Методика проверки тепловой защиты
Проверка реле типа ТРТ с номинальным током от 0 до 450 А прибором проверки защиты ППЗ из холодного состояния испытательным током. Время срабатывание реле типа ТРТ с номинальным током от 0 до 450 а не должно превышать:
для реле с Iн до 10A - 2 - 65сек.
для реле с Iн от 10A до 140A - 80сек.
для реле с Iн от 140A до 450A - 65сек.
Проверка реле типа ТРТ с номинальным током свыше 450A производится прибором проверки защиты ППЗ испытательным током из нагретого состояния до установившегося. Время срабатывания реле должно быть в пределах 5-20 минут. Последовательность испытания, реле типа ТРТ с номинальным током до 450A.
- убедится в отсутствия напряжения на пускателе.
- отключить кабель внешнего монтажа от клемм теплового реле;
- подключить к сети и к клеммам теплового реле прибор ППЗ в соответствии с описанием и инструкцией на прибор ППЗ;
- замерить температуру окружающей среды;
- определить величину испытательного тока по формуле:
,
где n - число делений шкалы уставок (брать со знаком "+", если уставка выше "0” со знаком "-" если уставка ниже: "0”.
Iн реле - номинальный ток реле, к – коэффициент, зависящий от температуры окружающей среды (выбирается по таблице 15.1.).
Таблица 15.1.
t, oC | ||||
k | 1,25 | 1,245 | 1,235 | 1,23 |
установить ток по амперметру, встроенному в прибор ППЗ и засечь время срабатывания реле по секундомеру.