1-48 / 42 электрические аппараты защиты сээс

42. Выбор электрических аппаратов защиты

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЗАЩИТЕ.

1.СЕЛЕКТИВНОСТЬ (ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ) ЗАЩИТЫ.

Защита должна отключать только повреждённый участок сети или эл.машину, а всю остальную схему, оставить в рабочем состоянии. Тем самым обеспечивается надёжность эл. снабжения. Селективность защиты в сочетании с резервированием генераторов и других элементов схемы, в принципе, исключает повреждение эл. снабжения.

2.БЫСТРОТА ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТЫ.

Она повышает устойчивость СЭС. Сохраняет работоспособность приёмников эл. энергии при кратковременных понижениях напряжения.Уменьшаются повреждения при К.З. (деформация шин в ГРЩ, деформация обмоток в генераторе и т.д.)

3.НАДЁЖНОСТЬ ЗАЩИТЫ.

Защита срабатывает редко, однако вероятность срабатывания должна быть близка к 100%. Для этого конструкция защиты должна быть максимально простой, а так же целесообразно резервирование некоторых участков. Для надёжности срабатывания требуется периодический контроль её работоспособности.

4.ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ЗАЩИТЫ.

Она характеризуется коэффициентом чувствительности: К = I_к/I_сз, где I_сз-ток срабатывания защиты; I_к - первичный ток К.З. Этот коэффициент характеризует динамические качества защиты.

Коммутацию пуска двигателя при шестикратном токе, предельную комму­тацию — при десятикратном токе. Аппараты переменного тока чаще всего имеют мостиковые контакты и систему дугогашения в виде простых деионных решеток. На постоянном токе контактные элементы имеют специальные электромагнитные системы дугогашения.

Механическая износостойкость — способность аппарата выполнять определенное количество циклов «включение—отключение» (ВО) без тока, оставаясь после этого в исправном техническом состоянии. Уровень механической износоустойчивости связывается с допустимой частотой ВО за один час при нормальных условиях эксплуатации, или с общим ресурсом по числу циклов ВО.

Электрическая износостойкость — способность аппарата выполнять определенное количество коммутационных циклов ВО при коммутации его контактами цепей с заданными парамет­рами, оставаясь после этого в исправном техническом состоянии. При размыкании износ зависит от напряженности поля дугогашения, ско­рости движения и раствора контактов. В цепях переменного тока износ размыкающихся контактов возрастает пропорционально квадрату ра­бочего напряжения. При включении износ связывается со скоростью нарастания тока, его максимальным значением, длительностью вибра­ционного периода соударения. Здесь наиболее важным параметром яв­ляется нажатие контактов, которое строго регламентируется заводами-изготовителями в зависимости от материалов, рода тока и вида комму­тационной цепи.

Электрическая износостойкость определяется допустимым числом циклов ВО. Для аппаратов со сменными контактами она определяется ресурсом контактов до их замены. Обычно электрическая износоустой­чивость по числу циклов ВО составляет 8—15% механической.

По уровню механической и электрической износоустойчивости все электрические аппараты делятся на классы: 0—IV. Аппараты IV клас­са, имеющие наибольшие возможности, допускают до 1200 вкл/час при механическом ресурсе до 10⁷ циклов ВО.

Термическая стойкость — способность, не перегре­ваясь, противостоять предельным токам, проходящим через аппарат. В электроприводах термическая стойкость характеризует безотказную работу контактов в течение 1 с при токе 10 /_н. Термическая стойкость контактных групп современных контакторов, например, составляет (16-20)/„.

Динамическая стойкость — способность аппарата выдержать без повреждений ударный ток, близкий к короткому замы­канию. В электроприводах динамическая стойкость проверяется током 18—22 /_н продолжительностью 0,1 с. Для контакторов динамическая стойкость составляет (20—30) /_н; меньшее значение относится к ап­паратам большей мощности.

Время срабатывания. Собственное время срабатывания контакторов постоянного тока зависит от их габаритных размеров и находится в пределах 0,05—0,3 с, а контакторов переменного тока -— в пределах 0,03—0,07 с. В контакторах, управляемых постоянным током, имеется резко выраженная зависимость собственного времени срабатывания от приложенного к втягивающей катушке напряжения.

Электромагнитные реле времени постоянного тока имеют возмож­ность регулирования времени отпускания в зависимости от типа ап­парата в пределах 0,25—5 с. В судовых схемах управления весьма ши­роко используются контакторы и реле с механическим регулировани­ем задержки времени срабатывания, характеризуемые известной рабо­чей нестабильностью. Наиболее представительны воздушные демпфи­рующие устройства с регулированием времени в пределах 0,3—8,0 с. Для программных устройств, требующих более широкого диапазона контроля продолжительности операций, используются моторные реле времени.

Аппаратура защиты электроприводов. Расчетный срок службы асинхронных двигателей определится в основном ресурсом обмо­ток статора. Например, для морской модификации общесоюзной серии двигателей 4А срок службы составляет не менее 20 лет при наработке до 40 тыс. ч, а ресурс обмотки статора — до капиталь­ного ремонта 20 тыс. ч.

Решающим фактором, обусловливающим снижение качества изоляции, является повышенная температура. Поэтому все виды защит электроприводов имеют общую задачу исключить возможный перегрев дви­гателя при любом нарушении нормативного режима работы. Для всех I приводов обязательными являются защита от перегрузки и нулевая блокировка (защита). Имеются случаи дополнительного использования защиты от неполнофазного питания. Элементы и блоки защиты со­ставляют комплектную часть магнитных пускателей и станций управле­ния.

Защита от перегрузок. Выполняется различными тех­ническими средствами. Очень часто принцип действия защиты опреде­ляет ее наименование. Защита судовых асинхронных двигателей может быть разделена на три основные группы: тепловая токовая, температур­ная, токовая.

Тепловая токовая защита получила наибольшее распространение. Она выполняется посредством тепловых реле с тер­мобиметаллическими элементами. Такие реле включаются в две или три фазы двигателя. В отечественных электроприводах с асинхронными двигателями чаще всего используются реле серии ТРТ. Оценка тем­пературы двигателя производится косвенно по интегральному значению тока, протекающего через термоэлемент. Эффективность работы тепло­вой токовой защиты зависит от степени соответствия тепловых свойств реле и защищаемого объекта. Защитные характеристики реле задаются в виде ампер-секундных кривых (рис. 1.9), показывающих время сра­батывания в зависимости от кратности тока перегрузки. Удовлетвори­тельное действие защиты будет в случае, когда допустимое время пере­грузки двигателя и время срабатывания реле при том же токе совпа­дают.

Наиболее реально такое соответствие может быть достигнуто для электроприводов в условиях длительного режима работы. При кратко-^временном и повторно-кратковременном режимах, сопровождающихся частыми пусками, различие в температурных характеристиках реле и двигателя значительно ухудшает эффективность действия защиты. Остывание реле и двигателя происходит с различной интенсивностью. Поэтому тепловое реле практически не учитывает состояние двигате­ля по предшествующей нагрузке. В результате нагрев теплового эле­мента реле и двигателя при очередном включении происходит от раз­ной начальной температуры. Это обстоятельство предопределяет раз­личие в характере нагрева двигателя и термоэлемента, что ухудшает качество работы защиты в рассматриваемом режиме. Следует также от­метить, что в зоне перегрузок (1,05—1,15) /_н работа тепловых токовых реле на является стабильной.

Температурная защита. Осуществляется на основе непосредственного контроля температуры обмоток двигателя. Защита позволяет наиболее полно реализовать тепловые возможности электро­двигателя во всех режимах, при любых нагрузках. Исполнение защиты унифицировано для асинхронных машин любой мощности.

Наиболее простыми элементами температурной защиты являются биметаллические термореле, непосредственно встраиваемые в лобовые части статорных обмоток. Такой вид защиты распространен в палуб­ных электроприводах зарубежного производства (ФРГ, СФРЮ, ПНР). Чувствительный элемент термореле имеет выгнутую биметалличес­кую пластину или диск, которые при достижении определенной темпе­ратуры скачком изменяют свое со­стояние. Происходит размыкание контакта, связанного с биметалли­ческим элементом. При остывании чувствительный элемент также скачком возвращается в исходное состояние. Самовозврат реле проис­ходит при понижении температу­ры на 2—3° С [13.1 Недостатками реле являются некоторая инер­ционность, значительное время са­мовозврата. При постепенном ста­рении биметалла происходит увод уставки срабатывания, залипание контактов.

Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом применяются в качестве чувствительных элементов температурной защиты в приводах, построенных в ГДР. Термодатчики монтируются в лобовых частях обмоток

Рис. 1.9. Ампер-секундные характеристики - двигателей, имеют постоянную времени - тепловых реле ТРТ. Номи- нагрева 30+10 с. Измерительные токи: устройство представляет собой

/_до 10 А; 2 -от ДО до 140 А; 3 - свы

с релейным выходом. На рис. 1.10 представлена одна из модификаций схемы блока измерения. Спусковая схема представляет собой триггер Шмидта на двух транзисторах VT1 и VT2. Выходным элементом является реле К, включенное в цепь коллектора VТ2. Диод УД4 вы­полняет роль разрядного резистора. Управление триггером осущест­вляется посредством терморезистора RK, являющегося одним из плеч двойного делителя напряжения, составленного из резисторов R1 — R2 и RК — R3. В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 — открыт.

При повышении температуры двигателя сопротивление RK умень­шается. Достигнув порога срабатывания, триггер опрокидывается: VT1 — открывается, VT2 — закрывается. Реле К обесточивается, отклю­чая через вспомогательные реле главные контакторы двигателя. Полу­проводниковые терморезисторы имеют разброс параметров. Поэтому, используя данную схему как унифицированную, предусматривается возможность регулировки уставки срабатывания посредством резисто­ра R3, Диод УДЗ играет роль температурного компенсатора транзис­тора VT7, обеспечивая стабильность порога срабатывания. Резистор R9 изменяет взаимное влияние эмиттерной обратной связи в транзисто­рах VT1 и VT2, что позволяет регулировать коэффициент возврата триггера.

Питание схемы осуществляется через встроенный трансформатор Т. Диоды VD1 и VD2 составляют двухполупериодную схему выпрямле­ния, пульсирующий ток которой сглаживается конденсатором С.

Терморезисторы с положительным темпе­ратурным коэффициентом — позисторы. Ап­паратура с использованием позисторов считается более совершенной. Исправность цепи позисторов автоматически контролируется, так как ее обрыв эквивалентен срабатыванию защиты. Позисторы обладают свойством резкого увеличения сопротивления в узком интервале тем­ператур, соответствующем уставке срабатывания. Позисторы обладают стабильностью своих тепловых характеристик. Это обстоятельство существенно упрощает измерительную схему и позволяет унифицировать ее для использования в приводах любой мощности. На рис. 1.11 представлена схема температурной защиты типа S — MVA на позисторах, разработанная в ГДР для использования в судовом приводе. По­стоянная времени срабатывания составляет 0,025 с. Схема выполнена в виде несимметричного триггера на транзисторах V77, VT2 с выходом на реле К. В исходном состоянии VT1 открыт, VT2 — закрыт. Позистор RK является одним из плеч делителя напряжения Rl — RK. При повышении температуры до порога срабатывания происходит оп­рокидывание триггера. Транзистор VT1 закрывается, VT2 — откры­вается. Реле К осуществляет свои защитные функции. Достоинством схемы является ее простота, универсальность, отсутствие необходимо­сти в дополнительных регулировках, системах компенсации и настрой­ки. Уставка срабатывания зависит от типа позистора, который подби­рается в соответствии с классом изоляции двигателя. Более чем десяти­кратное изменение начального сопротивления позистора в интервале температуры уставки позволяет последовательно соединять до трех термодатчиков, контролируя нагрев электродвигателя одновременно в нескольких точках.

Токовая защита. Осуществляется посредством токовых электромагнитных реле. Уставка срабатывания реле лежит в преде­лах (1,15—1,25) /_н. Защита срабатывает с задержкой времени, не pea гируя на случайные кратковременные броски тока. Реле времени схем­ной автоматики контролируют также изготовку защиты, исключая ее действие в пусковой период.

Нулевая блокировка. Отключает привод при кратко­временном исчезновении напряжения, в том числе и при срабатывании защиты от перегрузки. Определяет возможность ввода в действие электропривода только из нулевого положения поста управления.

§ 30. Аппаратура защиты

Аппаратура защиты служит для предохранения электроэнер­гетической системы, в том числе судовой электростанции, от по­вреждения или от дальнейшего развития уже возникшего повреж­дения. Защита обычно состоит в том, что защищаемый объект от­ключается от источников электрической энергии. Воздействующая величина, на которую должна реагировать аппаратура защиты, может быть электрической и неэлектрической. В зависимости от характеристической величины различают защиту по току, напряже­нию, мощности, частоте, температуре, давлению и т. д.

Различают аппаратуру защиты мгновенного действия, защищаю­щую даже от кратковременных нарушений установленного режима, и с выдержкой времени, что особенно важно для обеспечения опре­деленной очередности срабатывания (селективности) защиты.

Максимальная защита — это защита от возможных поврежде­ний, вызываемых превышением тока, напряжения, мощности уста­новленных значений.

Максимальная защита по току может защищать от КЗ, тогда это будет защита мгновенного действия и от перегрузок — защита с выдержкой времени от повреждений, вызываемых длительным пре­вышением током его допустимого по нагреву значения, а также гру­зовая защита, при которой при превышении током его установлен­ного значения электроэнергетическая система не отключается., а переводится в режим работы, для нее безопасный.

Минимальная защита — это защита от возможных поврежде­ний, вызываемых снижением тока, напряжения, мощности до зна­чений меньше установленных.

Минимальная защита по напряжению имеет разновидность, ко­торая называется нулевой защитой, т. е. защитой от повреж­дений, вызываемых значительным снижением (без указания точно­го значения) или полным исчезновением напряжения.

Защита от обратного тока при постоянном или обратной мощ­ности при переменном токе служит для защиты генераторов от перехода их в двигательный режим работы.

Плавкий предохранитель — простейший из аппаратуры защиты от КЗ, представляющий собой коммутационный электрический ап­парат, предназначенный для отключения защищаемой цепи по­средством разрушения специально предусмотренной для этого плав­кой вставки под действием тока, превышающего установленное зна­чение. Для нагрева вставки и ее расплавления требуются опреде­ленный ток и время. Естественно, чем больше ток, тем меньше вре­мя, при каком-то значении тока вставка вообще не будет плавить­ся. Обычно этот ток больше номинального в 1,3 раза, поэтому плав­кий предохранитель нельзя считать средством защиты от перегруз­ки.

Конструктивно плавкие предохранители выполняются главным образом с закрытым патроном — трубчатым или пробочным (рис. 67).

Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной ра­боты, называют номинальным током плавкой вставки. Ток, на ко­торый рассчитаны токоведущие и контактные части предохраните­ля (патрона, контактных стоек и т. д.), называют номинальным то­ком предохранителя. Эти токи могут отличаться, так как в корпусе

одного и того же предохранителя можно использовать плавкие вставки на различ­ные номинальные токи. Однако номиналь­ный ток предохранителя равен наибольше­му из номинальных токов плавких вставок.

Основной характеристикой предохрани­теля является зависимость времени плав­ления вставки от протекающего через него тока — защитная характеристика. При токах, близких к току, при котором схема электро-плавляется плавкая вставка, температура теплового реле вставки может достигнуть больших значе­ний (медь — 1083 °С). В связи с этим принимают различные меры к снижению температуры плавкой вставки. Вот почему, в част­ности, применение самодельных плавких вставок недопустимо.

Для судовых электрических установок рекомендуются пробоч­ные предохранители серии ПД (рис. 67, а), имеющие плавкую вставку из серебряных проволок с одной контрольной проволокой из константана. Вставка помещается в фарфоровом патроне 3, заполненном кварцевым песком. Патрон с помощью головки 2 за­жимается в корпусе 1 с выводами 5 и 4.

Трубчатые предохранители (рис. 67, б) состоят из трубчатого патрона 1 с плавкой вставкой 3 внутри и контактных стоек 2. Пат­рон может быть с наполнителем, как у предохранителей серии ПН2, или без него, как у предохранителей серии ПР2.

Реле защиты по принципу действия могут быть электротепловы­ми, электромагнитными, электродинамическими и индукционными,

Электротепловое реле (рис. 68) — это аппарат защиты, работа которого основана на использовании выделенной теплоты при про­хождении электрического тока. Тепловая энергия, выделившаяся в нагревательном элементе 5, нагревает биметаллическую пластину 6_У составленную из двух металлов с разными коэффициентами ли­нейного расширения. При этом пластина изгибается, передавая свое перемещение через регулировочный винт 7 защелке 5, которая при какой-то температуре нагревания пластины освободит рычаг 1. Последний под действием пружины 2 повернется против часовой стрелки и разомкнет контакты 4. Для возврата реле в исходное по­ложение после остывания пластины 6 служит кнопка 3, которая по­ворачивает рычаг 1 по часовой стрелке, и в этом положении он снова будет удерживаться защелкой 8.

К недостаткам электротепловых реле следует отнести зависи­мость их характеристик от температуры окружающей среды и труд­ности согласования их кривых нагревания с кривыми нагревания защищаемых устройств. Поэтому электротепловые реле не приме­няют для защиты от перегрузки устройств, работающих в повтор­но-кратковременных и перемежающихся режимах. Электромагнитные реле защиты — измерительные реле исполь­зуются как реле максимального и минимального токов или напря­жения; могут быть мгновенного действия или с выдержкой времени, с самовозвратом и без него.

В электромагнитном реле минимального напряжения перемен­ного тока серии ЭРЭ2-100 (рис. 69) все узлы смонтированы на изоля­ционной плате. Магнитная система шихтованная, состоит из П-образного сердечника и якоря. Для фиксации якоря в отключенном положении служит винт 3, для регулирования напряжения отпа­дания — винт 2 и указатель уставки. Реле имеет один замыкаю­щий контакт.

Электродинамические реле защиты — это измерительные реле, принцип действия которых основан на взаимодействии двух токов, в них для усиления этого взаимодействия использованы ферромаг­нитные магнитопроводы. Примером реле этого типа может служить реле направления тока (рис. 70), которое имеет две магнитные сис­темы с расположенными на них обмотками: неподвижной 4—токо­вой, подвижной 3 — напряжения. Контактное устройство 7, свя­занное с подвижной магнитной системой с помощью специальной пружины 2, находится в одном из крайних положений, в результа­те чего контакт реле разомкнут.

Если имеются токи в обеих обмотках, то в результате их взаи­модействия создается вращающий момент по значению, пропорцио­нальный произведению токов, и по направлению, зависящий от их направления в обмотках. При изменении направления тока в од­ной из обмоток направление вращающего момента изменится на противоположное.

Для использования реле это­го типа в качестве реле обрат­ного тока обмотка напряжения выключается на выводы генера­тора параллельно, а токовая обмотка — в силовую цепь гене­ратора последовательно. При правильном включении реле и нормальной работе генератора вращающий момент, создавае­мый в реле, направлен в ту же сторону, что и момент, созда­ваемый пружиной. В этом слу­чае контактное устройство ос­тается в первоначальном поло­жении.

При переходе генератора в двигательный режим изменится на­правление тока, в том числе и в токовой обмотке реле, изменится знак вращающего момента пружины, контактное устройство по­вернется и перейдет в другое крайнее положение. При этом замы­кающий контакт реле замкнется и получит питание катушка неза­висимого расцепителя автоматического выключателя, который и отключит генератор от шин главного распределительного щита.

Реле обратного тока серии ДТ выпускаются с обмоткой напряже­ния, рассчитанной на номинальное напряжение 48 и ИОВ. При напряжении 220 В последовательно с обмоткой включается доба­вочный резистор. Номинальный ток реле составляет 6—1600 А.

Индукционные реле защиты — это измерительные реле, ис­пользуемые в цепях переменного тока как реле максимального то­ка, максимальной мощности и реле обратной мощности. Принцип действия реле этой системы основан на взаимодействии перемен­ных магнитных полей неподвижных обмоток с токами, индуциро­ванными этими полями в подвижном элементе.

Например, реле обратной мощности серии ИМ-149 (рис. 71) применяется в судовых электроэнергетических установках пере­менного тока при параллельной работе синхронных генераторов и служит для защиты генераторов от перехода в двигательный ре­жим работы.

Магнитная система этого реле состоит из двух электромагни­тов — верхнего 4 и нижнего 6. На верхнем электромагните распо­ложена токовая обмотка, которая питается через трансформатор тока от одной фазы генератора. На нижнем электромагните нахо­дится обмотка напряжения, состоящая из двух последовательно соединенных секций и подключенная на линейное напряжение ге­нератора между двумя другими фазами. При таком включении об­моток магнитные потоки электромагнитов сдвинуты между собой по фазе на уго,(где ф — угол сдвига фаз между током

и фазным напряжением генератора). При выполнении этого усло­вия значение вращающего момента будет пропорционально мощ­ности генератора, а его направление — определяться тем, в каком режиме работает генератор (в режиме генератора или двигателя).

Подвижная система реле выполнена в виде алюминиевого дис­ка 5. На оси диска расположена шестерня /, связанная с другой шестерней, на которой установлен подвижной контакт 3 реле. На оси шестерни подвижного контакта закреплена спиральная пру­жина 2, создающая противодействующий момент. В нормальном режиме противодействующая пружина удерживает подвижную систему в крайнем положении на упоре. При некоторой обратной мощности, на которую реле настроено, под действием вращающего момента диск повернется и с выдержкой времени, обеспечиваемой постоянными магнитами 7, замкнет контакты. Контакт реле, замк­нувшись, подает питание на катушку независимого расцепителя автоматического выключателя. Автоматический выключатель отключает генератор от шин, обесточивая тем самым цепь токо­вой катушки реле. Вращающий момент станет равным нулю, и под действием пружины реле вернется в исходное положение.

Реле перегрузки серии ИМ-145 предназначено для защиты судо­вых синхронных генераторов от перегрузки. Принцип действия это­го реле и его устройство подобны реле ИМ-149.