книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

возбуждения) и при вращении регулировочного реостата Rb о д н о г о генератора будут изменяться токи возбуждения у всех генерато­ ров.

Несколько более сложным путем осуществляется уравнивание реактивной нагрузки между параллельно работающими генерато­ рами с тиристорной системой возбуждения (см. рис. 76). Там в со­ став регулятора входит отдельный блок распределения реактивной нагрузки. Принцип действия этого блока можно объяснить при по­ мощи .векторной диаграммы (см. рис. 77), если для простоты счи­ тать коэффициент трансформации трансформаторов ТТ и ТН1 рав­ ным единице.

Это допущение позволяет нам суммировать вектор линейного напряжения Uав генератора с вектором IR1 — падение напряжения на сопротивлении R1, вызванном током нагрузки фазы С генератора. В результате этого суммирования получаем вектор напряжения Ur4, которое после выпрямления выпрямителем ПВ1 прикладывается к соп­ ротивлению R4. Из векторной диаграммы нетрудно видеть, что как при увеличении тока нагрузки генератора, так и при уменьшении cos <р, т. е. увеличении угла ср от <pt до ср2 (поворот вектора IR1 впра­ во), произойдет увеличение напряжения Ur4.

При параллельной работе генераторов точки а и б схемы (см. рис. 76) соединяются с подобными точками схемы возбуждения другого генератора. Бели токи нагрузки и cos <р у обоих генерато­ ров одинаковы, то напряжения Ur4 в обеих системах регулирова­ ния также будут одинаковы. Так как эти напряжения действуют навстречу друг другу, то ток в контуре, образованном сопротивле­ ниями R4 и R5, будет равен нулю.

Если у одного из генераторов увеличится ток нагрузки или уменьшится cos <р, то, как было показано выше, увеличится на­ пряжение UR4 в схеме этого генератора, и в контуре R4—R4— R5—R5 появится уравнительный ток. На сопротивлении R5 данно­ го генератора возникнет напряжение, положительное по отноше­ нию к базам транзисторов, а на сопротивлении R5 другого гене­ ратора — напряжение, отрицательное по отношению к базам своих транзисторов. Сопротивление R5 включено так, что напряже­ ние на нем суммируется с напряжением Urs так же, как и напря­ жение £/вг (см. рис. 77, в). Следовательно, в схеме первого гене­ ратора увеличится угол а, а значит, уменьшится ток возбуждения генератора, а в схеме второго генератора наоборот, уменьшится угол а и увеличится ток возбуждения генератора. Все это будет происходить до тех пор, пока вновь не выровняются Ur4, а значит, и реактивные нагрузки генераторов.

Принцип распределения реактивной нагрузки тиристорной сис­ темы возбуждения применяется и в некоторых системах ПАФР с корректорами напряжения, а также и в регуляторах типа РУН.

На современных судах с комплексной автоматизацией, кроме автоматической синхронизации, регулирования напряжения и рас­ пределения реактивной нагрузки, применяется программный ди­ станционный запуск и остановка дизель-генераторов и автомати­

ке

ческое распределение активной мощности между параллельно ра­ ботающими генераторами. Такая автоматизация судовой электро­ станции в сочетании с дистанционным автоматическим управлением главным двигателем и с автоматической машиной централизован­ ного контроля всех параметров силовой установки судна позволяет отказаться от несения постоянной вахты в машинном отделении.

§ 29. Распределительные устройства

Распределительные устройства предназначены для приема и распределения электроэнергии между потребителями. На судах для этой цели используются главный распределительный щит (ГРЩ), распределительные щиты (РЩ) и щиты отдельных потре­ бителей (ЩП).

судну. На нем располагается коммутационная, защитная, сигналь­ ная и регулировочная аппаратура. Измерительные приборы, уста­ новленные на ГРЩ, осуществляют контроль за качеством (напря­ жение, частота) и количеством (ток, мощность) распределяемой энергии.

Главные распределительные щиты имеют обычно защищенное исполнение, при котором исключается непреднамеренное прикосно­ вение к токоведущим частям. Выполняются ГРЩ в виде отдельных панелей, объединенных единым каркасом и единой системой шин. Для управления и контроля за работой каждого генератора отво­ дится отдельная панель. Генераторные панели обычно располага­ ются в середине ГРЩ, а по обеим сторонам от генераторных пане­ лей устанавливаются панели потребителей.

Конструкция ГРЩ, размеры, проходы и доступ к ним опреде­ ляются Правилами Регистра СССР.

Для каждого генератора постоянного тока должны устанавли­ ваться по одному вольтметру и амперметру, а для каждого гене­ ратора переменного тока — следующие измерительные приборы: амперметр с переключателем для измерения тока в каждой фазе; вольтметр с переключателем для измерения фазных и линейных на­ пряжений; частотомер; ваттметр.

Кроме перечисленных обязательных приборов, иногда устанав­ ливаются фазометры для измерения коэффициента мощности и вольтметр с амперметром в цепи возбуждения генератора.

Для включения генераторов на параллельную работу в некото­ рых случаях предусматривается на ГРЩ отдельная панель, а ус­ тановленная на ней аппаратура при помощи переключателей может быть использована для синхронизации любого генератора.

На панелях потребителей установлены коммутационные аппара­ ты (автоматические выключатели, пакетные выключатели) и ам­ перметры с переключателями, позволяющими измерять ток наи­ более ответственных или относительно мощных потребителей или

группы потребителей. На одной из панелей потребителей размеща­ ется устройство для контроля состояния изоляции -всей сети. На ГРЩ переменного тока, кроме того, одна панель обеспечивает распределение электроэнергии для освещения судна. Питание на шины этой панели подается от трансформаторов, которые пони­ жают напряжение для осветительной сети и исключают электриче­ скую связь между силовой сетью и сетью освещения.

Распределительные щиты (РЩ) предназначены для распреде­ ления электроэнергии между отдельной группой потребителей, на­ пример, распределительный щит механизмов машинного отделения левого борта или распределительный щит кормовых грузовых лебе­ док и т. д. На распределительных щитах в качестве коммутацион­ ной и защитной аппаратуры используются либо установочные авто­ матические выключатели, либо пакетные выключатели и плавкие предохранители.

РЩ обычно имеют брызгозащищенное исполнение. Е-сли же РЩ устанавливается на открытой палубе, то он должен иметь во­ дозащищенное исполнение.

Ввод кабелей в РЩ осуществляется через специальные саль­ ники.

Конструктивное исполнение ГРЩ и РЩ отличается большим разнообразием. Объясняется это индивидуальными особенностями установки распредустройств на каждом типе судна, заранее задан­ ными габаритами и формами щитов.

ГРЩ чаще устанавливаются в поперечной плоскости судна, но в последнее время на некоторых типах судов их стали располагать вдоль судна.

Через щиты отдельных потребителей (ЩП) осуществляется по­ дача питания на электродвигатель того или иного механизма.

В зависимости от сложности электропривода такой щит может выполнять либо только функции пуска и защиты электродвигателя (например, магнитный пускатель вентилятора, насоса), либо функ­ ции пуска, реверса, регулирования скорости и торможения электро­ привода, как например, магнитная станция электропривода бра­ шпиля или грузовой лебедки.

§ 30. Коммутационная и защитная аппаратура судовых распределительных устройств

Коммутационным аппаратом называется устройство, предназ­ наченное для замыкания и размыкания электрических цепей. Коммутационные аппараты', устанавливаемые на судовых электростан­ циях, можно разделить на две группы:

аппараты, предназначенные только для замыкания и размыка­ ния электрических цепей;

аппараты, которые, кроме того, выполняют еще функцию защи­ ты электрических цепей, т. е. автоматически выключают цепь при наступлении в ней ненормального режима.

132

при размыкании электрической цепи под током. Для этой цели на контакты надеваются дугогасительные камеры. Контакты рубиль­ ников имеют врубную конструкцию. Подвижные контакты выпол­ няются в виде ножей, разрезанных вдоль на две половины. Обе половины соединены между собой шарнирно и при помощи пружин. При выключении рубильника одни половины подвижных контактов (моментные ножи) остаются замкнутыми, а затем растянутыми пружинами вырываются. Таким образом, достигается быстрое рас­ хождение контактов независимо от скорости движения ручки ру­ бильника, что очень важно для быстрого гашения дуги и сохранения контактов от обгорания.

’ Р а з ъ е д и н и т е л и — рубильники, не имеющие дугогаситель­ ных устройств. Они служат для размыкания электрических цепей без тока. На судах в настоящее время рубильники находят ограни­ ченное применение из-за больших габаритов.

П а к е т н ы е в ы к л ю ч а т е л и и п е р е к л ю ч а т е л и (рис. 81) получили очень широкое распространение. Они состоят из набора колец (пакетов), сделанных из изоляционного материала. Внутри каждого кольца располагается контактное устройство. Неподвиж­ ные контакты закреплены на самом кольце, а подвижные — на вер­ тикальном валике, который поворачивается рукояткой управления через специальный механизм мгновенного переключения и фикса­ ции. У пакетных выключателей на каждом кольце располагаются только два неподвижных контакта, а подвижный контакт имеет ди­ аметральную конструкцию. У пакетных переключателей на каждом кольце располагается несколько неподвижных контактов, а под­ вижные имеют сложную конфигурацию.

При размыкании цепи на каждом полюсе образуется сразу два разрыва и дуга гасится в закрытой камере, образованной внутрен­ ней полостью кольца (пакета). В каждой такой камере укладыва­ ется шайба из материала (например, фибра), генерирующего газ при высокой температуре электрической дуги. Повышение давления в камере способствует быстрому гашению дуги, возникающей при размыкании контактов под током.

Пакетные выключатели и переключатели выпускаются до 400 А при напряжении 220 и 380 В. Они компактны и удобны для

133

Рис. 81. Пакетный выключатель:

монтажа, безопасны в эксплуатации. Однако надежность их часто

оказывается недостаточной.

Как уже отмечалось выше, рубильники и пакетные выключа­ тели не выполняют функций защиты электрических установок и поэтому применяются всегда совместно с плавкими предохраните­

лями.

П л а в к и й п р е д о х р а н и т е л ь автоматически отключает цепь при коротком замыкании или при перегрузке. Ток, превышающий допустимое значение, расплавляет плавкую вставку, за счет чего и

происходит отключение цепи.

Материалом плавкой вставки может служить свинец, сплав свинца с оловом, цинк, медь, серебро и др. Недостатком меди и серебра как материала для плавкой вставки является высокая тем­ пература плавления, что приводит каждый раз к перегреву корпу­ са предохранителя. Кроме того, медная вставка со временем окис­ ляется и токопроводящее сечение ее уменьшается. Происходит преждевременное перегорание медной вставки. Легкоплавкие ма­ териалы имеют невысокую электропроводность и поэтому плавкие вставки из них получаются относительно большого сечения. Широ­ кое распространение получили цинковые вставки. Они имеют фи­ гурную конфигурацию (рис. 82). При коротком замыкании расплав­ ление происходит сразу в двух узких местах и средняя часть выпа­ дает, что способствует лучшему гашению дуги. При перегрузке вставка расплавляется в одном узком месте.

134

лей располагается внутри фарфорового цилиндра, заполненного кварцевым песком. При перегорании плавкой вставки специаль­ ной пружиной выбрасывается контрольный глазок.

К достоинствам плавких предохранителей следует отнести про­ стоту конструкции и невысокую стоимость, быстроту срабатывания при токах короткого замыкания, отсутствие светового и звукового эффектов при срабатывании.

Вместе с тем при защите электроустановок плавкими предо­ хранителями существует опасность отключения лишь одной фазы при трехфазном питании асинхронных двигателей, что ставит электродвигатель в аварийные условия работы. Замена сработав­ ших предохранителей происходит относительно долго, а значит, удлиняется перерыв в питании потребителей. Применение плав­

ких предохранителей и пакетных выклю­ чателей или рубильников затрудняет или делает невозможной автоматизацию коммутационных процессов и примене­ ние дистанционного управления.

А в т о м а т и ч е с к и е в о з д у ш н ы е в ы к л ю ч а т е л и (автоматы) получили широкое распространение. Воздушными

135

Рис. 85. Механизм свободного расцепления:

воздуха, в отличие от выключателей, у которых дуга гасится в масле или в специальном газе.

Автоматические выключатели выпускаются одно-, двух- и трех­ полюсными на номинальные токи до 6000 А, напряжение до 660 В переменного тока и до 440 В постоянного.

Существует большое разнообразие конструкций автоматов. Однако при любом варианте конструктивного исполнения автома­ тический выключатель состоит из следующих основных частей: контактной системы, приводного механизма, механизма свободно­ го расцепления, расцепителей, дугогасительного устройства.

Контактная система состоит из главных контактов, предназна­ ченных для замыкания и размыкания силовой электрической цепи, и вспомогательных контактов (блок-контактов), предназначенных

включения могут использоваться электромагнит, серводвигатель или пневматический привод.

матическое отключение как раз и происходит воздействием на ме­ ханизм свободного расцепления (рис. 85). Жесткость системы рычагов при включении обеспечивается упором 3 и тем, что центр 4 лежит несколько ниже линии, соединяющей оси 1 и 6 ры­ чагов 2 и 5. Если толкатель 7 поднимет центр 4 выше, тогда си­ стема станет гибкой и контакты 8 и 9 разомкнутся под действием отключающей пружины. Рукоятка ручного включения при этом останется в положении «включено», и для последующего включе­ ния автомата ее нужно отвести.

136

Расцепителями называются устройства, которые реагируют на тот или иной ненормальный режим в электрической цепи и, воз­ действуя на механизм свободного расцепления, отключают авто­ мат. Автоматические выключатели могут иметь следующие рас­ цепители: независимый, максимальный, минимальный, тепловой,

обратного тока.

Независимый расцепитель состоит из электромагнитной ка­ тушки, при подаче питания на которую притягивается якорь и че­ рез рычаг воздействует на толкатель 7. Питание на катушку неза­ висимого расцепителя подается при нажатии кнопки дистанцион­ ного выключения или при срабатывании каких-либо реле, если

при этом требуется отключение цепи.

Максимальный расцепитель отличается от независимого тем, что его катушка включается в главную цепь последовательно, а поэтому она имеет мало витков, выполненных толстым проводом. Если ток в цепи превысил допустимое значение (перегрузка или короткое замыкание), то притягивается якорь и воздействует на механизм свободного расцепления. Применяются максимальные расцепители с замедлением, у которых якорь связан с часовым

механизмом.

Минимальный расцепитель включается в главную цепь парал­ лельно. Если напряжения в цепи нет или оно недостаточно, то якорь минимального расцепителя не притягивается и толкатель 7 находится в верхнем положении. Включить автомат невозможно.

Тепловой расцепитель состоит из биметаллической пластины, подогреваемой током, протекающим в главной цепи. Если ток пре­ высит допустимое значение (перегрузка), то биметаллическая пластина прогибается и воздействует на механизм свободного рас­ цепления.

Для защиты генераторов на судовых электростанциях приме­ няются универсальные селективные автоматические выключатели. Максимальный расцепитель срабатывает с выдержкой времени (24-120 с), зависящей от степени перегрузки. При коротком же замыкании он срабатывает с минимальной выдержкой времени (0,18; 0,38 и 0,63 с), необходимой для обеспечения избирательно­ сти защиты.

Для защиты потребителей электроэнергии широко применя­ ются установочные автоматические выключатели, которые имеют только максимальный и тепловой расцепители. Максимальный расцепитель реагирует на токи короткого замыкания, а тепло­ вой— на токи перегрузки. Однополюсные установочные автоматы на токи 10; 15 и 25 А применяются для защиты цепей освещения и в бытовом электрооборудовании.

§ 31. Защита судовых электрических установок

Устройства защиты должны реагировать на ненормальные режимы электрических установок и либо отключать их, либо пода­ вать сигнал о неисправности,- К ненормальным режимам

137

ется такое ее действие, когда отключается только поврежденный участок электроэнергетической системы. Совершенно недопустимо, если при коротком замыкании, скажем, в патроне электрической лампочки под полубаком сработает защита генератора и отклю­ чит его, обесточив все судно. Селективная настройка всей защиты связана с определенными трудностями.

При коротком замыкании, например в точке К1 (рис. 86), ток протекает через плавкий предохранитель В, установочный авто­ мат Б и генераторный селективный автомат А (работает генера­ тор Г1). Это значит, что принципиально любой из указанных эле­ ментов защиты может сработать первым и отключить цепь. Совер­ шенно ясно, что срабатывание автоматов Б и особенно А крайне нежелательно. При правильной настройке защиты в данном слу­ чае должен сработать плавкий предохранитель В.

Для настройки защиты можно было бы использовать то обстоя­ тельство, что ток короткого замыкания зависит, при всех прочих равных условиях, от длины кабеля до точки К З. Очевидно, при ко­ ротком замыкании в точке К1 ток Iki будет меньше, чем ток 1Б2 при коротком замыкании в точке К2, т. е. /ду < IK2 < Iкз■ Тогда при настройке защиты необходимо, чтобы токи срабатывания плавкого

предохранителя В (/я), автомата Б (1Б ) и автомата А (1а ) удовлет­ воряли следующим условиям:

/ в ^ / к ь I К 1 < / £ < 1 К 2 ,

1кг < /л < Iиз ■

При такой настройке' сохраняется предельно возможное быстро­ действие всех элементов защиты. Однако в судовых условиях так настроить защиту не удается. Длина кабельной сети относитель­ но мала, и токи при коротких замыканиях в точках К1, К2, КЗ отличаются очень мало.

Остается второй путь обеспечения избирательности защиты, при котором устанавливается различное время срабатывания эле­ ментов. защиты. Так, в нашем примере должно выполняться ус­ ловие

te < ts < (д .

138

В этом случае плавкий предохранитель В выбирается с мини­ мально возможным временем срабатывания tB. Время же сраба­ тывания автоматов £(7д) и тем более А ((а) необходимо увели­ чить настолько, чтобы с учетом разброса параметров по времени у элементов защиты при коротком замыкании в точке К1 срабо­ тал предохранитель В и не успел сработать автомат Б, а при ко­ ротком замыкании в точке К2 сра-ботал автомат В и не успел сра­ ботать автомат А. Недостаток такой настройки заключается в том, что приходится искусственно снижать быстродействие эле­ ментов защиты.

Защита генераторов. По Правилам Регистра СССР судовые генераторы должны иметь по крайней мере следующие четыре ви­ да защиты: от коротких замыканий, от перегрузки, от перехода генератора в двигательный режим и от минимального напряжения. Для этой дели может быть использован универсальный автомати­ ческий выключатель со всеми видами встроенной в него защиты либо отдельные реле максимального тока, минимального напря­ жения, обратной мощности (тока), действующие на катушку не­ зависимого расцепителя генераторного автомата. На отечествен­ ных судах преимущественно используются универсальные выклю­ чатели, но для защиты от обратной мощности используется отдельное реле, которое при срабатывании включает катушку неза­ висимого расцепителя универсального автомата.

Отключение генератора при КЗ происходит с минимальной вы­ держкой времени (обычно не более 0,63 с), необходимой для обес­ печения селективности защиты. Защита от КЗ настраивается на ток не менее 200% номинального тока генератора.

Для защиты от перегрузок генератора рекомендуется приме­ нять сигнализацию, начинающую действовать после выдержки времени до 15 мин, если перегрузка генератора не превышает 10% его номинального тока. Если же ток нагрузки на 10—50% пре­ вышает номинальный, тогда защита должна действовать на отклю­ чение с выдержкой времени, не превышающей ^ мин для генера­ торов переменного тока и 15 с для генераторов постоянного тока. И все же отключение генератора является крайней мерой, тем бо­ лее, что перегрузку можно снять другим способом.

Регистр СССР требует, чтобы защита в этом случае действова­ ла на отключение второстепенных потребителей (бытовая венти­ ляция, система кондиционирования воздуха, электрооборудование камбуза и т. п.). На некоторых судах (теплоходы типа «Новго­ род» «М. Калинин», ледокол «Ленинград» и др.) второстепенные потребители разбиты на 2—3 группы, которые отключаются с различной выдержкой времени, если перегрузка генераторов не исчезает. Выдержка времени между отключениями групп 5—10 с. Если после отключения второстепенных потребителей генератор остается перегруженным, тогда срабатывает максимальный рас­ цепитель генераторного автомата, и генератор отключается.

Реле максимального тока, действующее на отключение второ­ степенных потребителей, и максимальный расцепитель генератор­

13!)