книги из ГПНТБ / Никифоровский Н.Н. Судовые электрические станции учеб. пособие

Блок трансформаторов тока состоит из трех специальных быстро­ насыщающихся двухобмоточных трансформаторов тока: ТТ1, ТТ2; ТТЗ. В рабочем режиме судовой системы сердечники трансформаторов тока насыщены, и на вторичных обмотках W2 наводятсяэ. д. с., со­ держащие заметно выраженные гармо­

динит линию.

При нормальном напряжении в системе реле Р 1 находится под на­ пряжением и контакты его вторичной цепи разомкнуты. Снижение на­ пряжения в системе на 15—20% приводит к тому, что стабилитроны запираются, ток через Р1 прекращается, контакты реле включают сигнал.

§ 6.4. ЗАЩИТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

Защиту трансформаторов выполняют, ориентируясь на возможные ненормальные режимы в его работе и повреждения.

К ненормальным режимам работы трансформаторов прежде всего относят режимы его работы при протекании сквозных токов к. з., т. е. токов короткого замыкания при точке к. з. за защитой на отходя­ щих линиях, а также при протекании токов перегрузки.

Для защиты от сквозных токов к. з. и токов перегрузки применяют максимальную токовую защиту с выдержкой времени.

К повреждениям следует отнести междуфазные короткие замыка­ ния, однофазные замыкания на землю и замыкания между витками обмотки одной фазы, повреждения выводов трансформаторов.

287

Для защиты трансформаторов от повреждений применяют токовую отсечку или дифференциальную защиту, а также газовую защиту, действующие на отключение выключателей.

В трансформаторах, работающих в сетях с малым током замыка­ ния на землю, устанавливать специальную защиту от однофазных замыканий обычно не требуется: достаточно ограничиться схемой контроля изоляции.

Следует подчеркнуть, что выбор числа и вида перечисленных защит всегда устанавливается с учетом мощности трансформатора, его назна­

сколько сот киловольтампер. Для защиты трансформаторов столь небольшой мощ­ ности вполне достаточны максимальная за­ щита, т. е. защита от коротких замыканий и перегрузок, и контроль состояния изо­ ляции.

На рис. 6.16 приведены примеры мак­ симальной защиты трансформаторов в схе­ мах отбора мощности от электрической станции ГЭУ.

Схема рис. 6.16, а предусматривает защиту трансформатора от то­ ков к. з. высоковольтным предохранителем П1. Его выбирают на полу­ торно-трехкратный номинальный ток трансформатора с тем, чтобы при броске намагничивающего тока предохранитель не отключил цепь. Для защиты трансформатора от перегрузки, если она вероятна,

устанавливают предохранитель П2 с низкой стороны. Его выбирают на ток (1,1—1,2) /т.ном.

Защита трансформаторов от токов к. з. при помощи высоковольт­ ных предохранителей нашла применение, например, на дизель-элект- роходе «Россия». При этом со стороны низкого напряжения трансфор­ маторы на электроходе защищены АВВ (рис. 6.16, б).

Относительный недостаток схемы с предохранителями заключается в длительном перерыве питания потребителей при замене предохрани­ телей; достоинство схемы — в ее простоте и малой стоимости.

Максимальная токовая защита трансформаторов судовых элект­ рических установок напряжением 380 и 220 в обеспечивается автомати­ ческими выключателями (рис. 6.16, в), причем у трансформаторов, предназначенных для параллельной работы, необходимо устанавливать выключатели, выключающие их первичную и вторичную обмотки, но не обязательно одновременно [30, 52.12.2].

т

При выборе для защиты трансформаторов АВВ с ограниченно-за­ висимой характеристикой время срабатывания защиты трансформа­ тора от перегрузок находится в зависимости от величины перегрузки.

Для защиты от перегрузок установочным АВВ его максимальный расцепитель выбирается с номинальным током, равным номинальному току трансформатора /т.ном, т. е.

При защите трансформатора универсальными АВВ максимальный расцепитель выбирается с таким номинальным током / р.Ном. для которого возможна уставка расцепителя замедленного срабатывания на ток,

полагая, что kB — 0,75.

При выборе расцепителя универсального АВВ должно также соб­ людаться соотношение

^ р . Н О М - 5 ® раб-

Величину .тока уставки реле мгновенного действия (токовая отсеч­ ка) выбирают исходя из условий обеспечения избирательности сраба­ тывания защиты при токах к. з. Избирательность срабатывания от­ сечки будет обеспечена, если ток уставки расцепителя (реле) мгновен­ ного срабатывания /уст.ост выбрать исходя из условия

где /л — начальное значение тока к. з. на сборных шинах трансфор­ матора со стороны потребителя:

kT — коэффициент трансформации защищаемого трансформа­ тора, считая в направлении от источника питания к потре­ бителю.

В электрических установках большой и средней мощности значе­ ние /л велико и подобрать в изготавливаемых в настоящее время АВВ

Поэтому часто приходится принимать ток уставки отсечки / уст.отс сравнительно небольшим, и тогда для селективности срабатывания защиты трансформатора при к. з. за защитой на отходящих линиях (предохранители или установочные АВВ) вводят выдержку времени срабатывания отсечки, равную ступени времени At = 0,15ч-0,25 сек. Такая выдержка времени обеспечивается применением для защиты трансформатора селективного АВВ.

Избирательность защиты трансформатора обеспечивается также при применении универсальных или установочных АВВ, если отхо­ дящие линии защищаются предохранителями и налицо имеются ус­ ловия, рассмотренные выше.

Напомним, что необходимое число максимальных расцепителей АВВ трансформатора (линии) определяется режимом работы нейтрали су­ довой электрической системы. При электроснабжении судна с берега судовая система, работающая с изолированной или компенсированной нейтралью (§ 11.3), переходит в режим работы с глухим заземлением нейтрали, следовательно, в ней возможны однофазные к. з. и, значит,

вАВВ должны быть три максимальных расцепителя.

§6.5. ЗАЩИТА ГЕНЕРАТОРОВ

При эксплуатации генераторов возможны их повреждения и ненор­ мальные режимы.

Повреждения генераторов, как правило, происходят в результате разрушения изоляции обмоток статора или ротора. При этом возмож­ ны короткие замыкания между двумя или тремя .фазами генератора, замыкания одной из фаз на корпус (землю), замыкания между витка­ ми обмоток, замыкания на землю в двух точках обмотки ротора.

При повреждении обмотки статора возможно не только прохож­ дение больших токов, но и возникновение электрической дуги и вы­ жигание стали статора, для восстановления которой требуется очень сложный ремонт машины.

При замыкании обмотки ротора на землю в двух точках часть вит­ ков обмотки ротора шунтируется, ток в оставшихся витках возраста­ ет и перегревает их, симметрия магнитного потока нарушается, что вызывает появление сил, способных вызвать механическую вибрацию машины.

Кочень опасному виду повреждений следует отнести пожар в ге­ нераторе. При наличии в генераторе горючих материалов (изоляции) электрическая дуга способна вызвать пожар, а движение охлаждаю­ щего воздуха способствует развитию огня. Для тушения пожара ис­ пользуют пар, реже воду и предпочтительнее углекислый газ.

Кненормальным режимам работы генераторов относят режимы работы с токами в обмотке статора, большими чем номинальный ток. Такие токи могут воникнуть при внешних к. з. или перегрузках.

В судовых электроэнергетических системах считаются также с возможностью перехода генератора в режим работы двигателем и це­ лесообразно считаться с возможностью значительного уменьшения частоты.

Защиту генераторов всегда выполняют с учетом их мощности, наз­ начения и условий работы в электрической системе.

Генераторы судовых электрических станций, как правило, имеют сравнительно небольшую мощность; для них характерен режим парал­ лельной работы друг с другом.

Судовые генераторы в настоящее время считают достаточным [30, 5.2.9] защищать от перегрузки и от токов внешних к. з. (максималь­ ная защита), а также от перехода в двигательный режим (направлен­ ная защита) и от однофазных замыканий на корпус (контроль состояния

290

Мощные синхронные генераторы (1000 ква и более) должны [30, 5.2.9.; 3.5.2] защищаться также от внутренних междуфазных повреж­ дений при помощи дифференциальной защиты.

Защита от перегрузки при увеличении тока

Токи перегрузки, т. е. токи, превосходящие номинальный ток ге­ нератора, могут возникнуть в результате отключения одного из па­ раллельно работающих генераторов, пуска крупных асинхронных двигателей, самозапуска электродвигателей после отключения токов

Рис. 6.17. Структурная схема защиты генератора от токов перегрузки (устрой­ ство автоматической разгрузки генератора типа УРГ):

к. з., перегрузки приводов потребителей относительно большой мощ­ ности, качания роторов генераторов (§ 8.2), неправильного распре­ деления нагрузки между работающими генераторами и т. п.

Генераторы рассчитаны на довольно большую продолжительность работы с перегрузкой. Поэтому, учитывая важность бесперебойного снабжения потребителей электрической энергией, работу защиты от перегрузки необходимо осуществлять с действием на отключение вто­ ростепенных нагрузок (нагрузок третьей категории).

Отключать генераторы при перегрузках допустимо лишь тогда, когда, несмотря на принятые меры по разгрузке генератора, его на­ грузка остается выше номинальной в течение времени, превышающего допустимое.

На рис. 6.17 приведена одна из возможных схем защиты от токов перегрузки (ее иногда называют «защитой от обесточивания»), кото­ рая, срабатывая уже при небольших перегрузках, автоматически от­ ключает всех или часть малоответственных потребителей (§9. 1).

Схема применена на судах современных серий отечественной пост­

ройки.

В схеме выпрямленный сигнал, пропорциональный току нагрузки на генератор, подается через согласующий трансформатор ТрС и вход­ ной стабилитрон Д на вход релейного усилителя 1, схема которого представлена на рис. 6.6.

При токе нагрузкк на генератор, превышающем ток срабатывания защиты (например, / ср' = 1,05 / ГіН0м ). напряжение на выходе вы­ прямителя В поднимается до напряжения пробоя входного стабилит­ рона, что приведет к срабатыванию усилителя 1. Срабатывая, усили­ тель включает реле 2 (схема реле приведена на рис. 6.7), и оно, спу­ стя заданную выдержку времени (4-7-8 сек), если перегрузка продол­ жается, через релейный усилитель 4, схема которого аналогична схеме 1, включит реле 3, которое, сработав, через реле 5 отключит первую группу малоответственных потребителей. При этом ток на­ грузки на генераторы уменьшится. Однако если он остается еще больше тока возврата защиты, то через 4—8 сек после включения реле 3 усилитель 9 включит реле 8 и оно отключит вторую группу потре­ бителей. Вслед за ней через 8—16 сек сработает реле 11 и отключит третью-группу потребителей. Таким образом, защита предусматривает каскадное (постепенное) отключение потребителей.

Каскадное отключение потребителей практикуют также на многих судах зарубежной постройки (ледокол «Ленинград»' [26, с. 3371, теп­ лоходы типа «Михаил Калинин» и др.). На судах начинает приме­ няться устройство токовой защиты генераторов (УТЗ), отличающее­ ся от УРГ тем, что на первой ступени срабатывания защиты выдержка времени зависит от тока нагрузки на генератор (чем боль­ ше ток, тем меньше время выдержки).

■Ценная особенность рассмотренной защиты от перегрузки заклю­ чается в том, что она отключает часть потребителей, а не генераторы и этим предотвращает обесточивание станции. Вместе с тем, если пере­

может быть применен либо датчик полного тока (сигнал на выходе выпрямителя Вп пропорционален полному току генератора) либо датчик активной составляющей полного тока. При установке датчика актив­ ного тока его настраивают исходя из перегрузочной способности дизеля генератора.

В качестве реле перегрузки устанавливают также индукционные реле мощности, электромагнитные, тепловые реле и др. Реле перегруз­ ки настраивают, учитывая перегрузочную способность генератора и его первичного двигателя. Срабатывая, реле отключают второстепен­ ных потребителей. Существенно, чтобы коэффициент возврата выби­ раемого реле был высоким.

Автоматического отключения защитой малоответственных потре­ бителей вполне достаточно, если иметь в виду перегрузку генератора или дизеля, возможную в результате одновременного включения

292

нескольких мощных потребителей, работающих эпизодически (комп­ рессоры и др.), или в результате включения мощных потребителей, не предусмотренных режимом (лебедки, брашпиль в ходовом режиме судна и др.).

На судах, где комплектация станции выполнена в расчете на па­ раллельную работу двух или большего числа генераторов (ходовой

входами и выходами. Схемы каждой из цепочек идентичны и повторяют схему рассмотренной цепочки блоков УРГ. Каждый из усилителей 1—3 и 9—11 собран по схеме, представленной на рис. 6.6. Схема реле времени 5 дана на рис. 6.7, а, реле времени 6 и 7 — на рис. 6.7, б.

При достижении током нагрузки генератора величины, соответст­ вующей току уставки (например, / срі = 0,85 / г. ном)> стабилитрон Д1 пробивается, схема приходит в действие, и через время срабатывания реле 5, если ток нагрузки не уменьшится до тока возврата защиты, включается реле 4, выдающее команду на включение программы за­ пуска резервного агрегата [24, с. 223].

293

Вторая цепочка блоков (реле) настроена на срабатывание (пробой

дятся в разомкнутом состоянии. После понижения нагрузки на гене­

на остановку резервного генератора.

Третья цепочка УРВ контролирует уровень напряжения генера­ тора. При номинальном напряжении стабилитрон ДЗ пробит и кон­ такты реле 12 разомкнуты. Если напряжение понизится до напряжения уставки (например, І1рав = 0,8 Нг.н0М), то ДЗ запирается и через вре­ мя выдержки реле 7 (4—8 тс), если напряжение не повысится до нап­

чик полного тока, либо датчик активной составляющей полного тока. Особого внимания заслуживает схема защиты генераторов и дизелей от перегрузки, выполненная на электронных логических элементах. Схема применена на теплоходе «Владимир Ильич» и других судах. Защита на логических элементах включает в себя два блока: блок питания, измерения тока и напряжения и блок защиты, выполненный

на электронных логических элементах.

Первый блок— блок трансформаторов (рис. 6.19, а).

Трансформатор 1 с двумя вторичными обмотками 380/29/29 в через два однофазных выпрямителя питает блок защиты током при напряже­ ниях 24 и 12 в. Напряжение 12 в снимают с делителя, образованного сопротивлениями R1—R4\ оно стабилизировано кремниевыми стаби­ литронами Д1 и Д2. Конденсаторы С1—С4 сглаживают выпрямлен­ ные напряжения.

Измерительные трансформаторы 2—7 непрерывно следят за вели­ чиной тока нагрузки и напряжением защищаемого генератора.

Обмотки однофазных трехобмоточных трансформаторов напряже­ ния 5—7 соединены «звездой»; выходы вторичных обмоток подключены к трехфазным выпрямительным мостам Впі и Вп2, . нагруженным сопротивлениями R12 и R13.

Вторичные обмотки трехобмоточных трансформаторов тока Т2—Т4 включены на сопротивления R8, R9, RIO и на нагрузочные сопротив­ ления R5, R6, R7.

Обмотки включаются на сопротивления R8, R9, RIO так, чтобы при активной нагрузке на генератор падение напряжения на сопро­ тивлениях складывалось с фазным напряжением вторичных обмоток трансформаторов 5—7 и вычиталось из него при переходе генера­ тора в режим работы двигателем. Таким образом, суммарное напря­ жение, подводимое к выпрямителю Вп2, определяется не только напря­ жением генератора, но и активной составляющей тока нагрузки на генератор.

Сопротивление R11 подбирается таким, чтобы в режиме холостого хода генератора сумма напряжений на сопротивлениях R12, R13 рав­ нялась нулю, тогда при активной нагрузке на генератор эта сумма

294

будет больше нуля, и тем больше, чем больше нагрузка. При увеличе­ нии угла сдвига тока за границы 90° (двигательный режим генератора) суммарное напряжение на сопротивлениях R12 и R13 меняет знак.

Падения напряжений на сопротивлениях R5, R6, R 7 пропорцио­ нальны полному току нагрузки на соответствующие фазы генератора, следовательно, и напряжение на выходе однофазных мостов, подклю­ ченных к сопротивлениям, также пропорционально току и определяет-

Рис. 6.19. Принципиальная упрощенная схема защиты генератора на логических элементах:

а — схема блока питания и измерения тока и напряжения: б, в, г, д — логиче­

ские цепочки схемы защиты генератора и дизеля от перегрузки и перехода в дви­ гательный режим

ся током наиболее нагруженной фазы. Стабилитрон ДЗ установлен

напряжения HI (рис. 6.19, б), так как на его вход отделителя напряже­ ния, образованного сопротивлениями R14, RJ5, поступает напряжение, превышающее напряжение срабатывания. Реле срабатывает, и на его выходе появляется сигнал «О1», который поступает на вход элемента «НЕ», при этом на выходе элемента появится сигнал «1», поступающий на вход усилителя, мощность на выходе которого достаточна для вклю-

1 Сигнал, обозначенный цифрой «0», соответствует напряжению от 0 до 1 в, а сигнал, обозначенный цифрой «1», —отрицательному напряжению от 3,5 до

12 в.

295

чения реле 1, включающего сигнализацию или замедленную пусковую программу резервного дизель-генератора.

Если активная нагрузка на генератор увеличивается до Р >- (1 — 1,15) Рцоы, то на вход реле напряжения Н2 (рис. 6.19, б) поступает положительное напряжение от делителя, образованного сопротивле­ ниями R16, R17, достаточное для срабатывания реле. Реле срабаты­ вает, и на его выходе появляется сигнал «О», поступающий на вход элемента «НЕ», где он преобразуется в сигнал «1», поступающий на вход усилителя и далее на реле 2, которое срабатывает и отключает второстепенные потребители. Реле 2 может включить программу уско­ ренного запуска резервного агрегата. Сигнал «1» с выхода элемента «НЕ», кроме того, поступает на вход хх элемента «И», однако на выходе его сигнал «1» не появится пока на второй вход х2 не будет подан тоже сигнал 1.

Наряду с защитой генератора (первичного двигателя) от перегруз­ ки по активной мощности в блоке предусмотрена защита генератора от сверхтоков (рис. 6.19, г). При увеличении тока нагрузки генера­ тора за границы допустимого ^ / > (1 -у 1,2) / ном, напряжение на входе реле НЗ превышает напряжение срабатывания и на его выходе появится сигнал «1», поступающий на вход х4 элемента «И» и одновре­ менно на вход элемента «НЕ», при этом на выходе элемента «НЕ» появ­ ляется сигнал «О». К моменту появления сигнала «О» под действием сигнала «1» конденсатор С8 заряжался. При замене сигнала «1» на сиг­ нал «О» конденсатор начинает разряжаться, и через некоторое время разряда (время задержки) сигнал «О» поступает на вход второго эле­ мента «НЕ», где он преобразуется в сигнал «1» и поступает на второй вход х2 элемента «И», что приведет к подаче сигнала «1» на усилитель и далее на реле 2, которое отключит второстепенных потребителей и включит программу пуска резервного агрегата.

Если, несмотря на отключение-некоторых потребителей, перегрузка генератора сохраняется, сигнал 1, пройдя два дополнительных эле­ мента «НЕ» (рис. 6.19, г), с некоторой задержкой во времени поступит на вход Хз элемента «И» и, пройдя его (на вход х4 сигнал «1» подан ранее), поступит на вход х8 следующего элемента «И». На вход х7

«И» через усилитель вызовет срабатывание реле 3, которое отключит выключатель генератора. На судах типа «Владимир Ильич» приняты такие уставки защиты: Рср — 1,15 Ян; /ср = 0 — отключаются неот­

Защита судовых генераторов напряжением до 500 в от перегрузки по току осуществляется также при помощи реле, встроенных в селек­ тивные выключатели, причем реле выключателей в зоне токов перег­ рузки обеспечивает чаще всего максимальную защиту с зависимой от тока характеристикой (выключатели серий АВСМ и др.).

296