Контрольная работа по "Судовой электротехнике"

Вопрос  – 1

Защита генераторов  судовых электростанций от перегрузок, токов внешних КЗ и перехода в  двигательный режим.

Кратко опишите  типы, конструктивное устройство и  принцип действия защитной аппаратуры.

При эксплуатации генераторов  возможны их повреждения и ненормальные режимы. Судовые генераторы защищают от перегрузки и от токов внешних  к.з. (максимальная защита), а также от перехода в двигательный режим (направленная защита) и от однофазных замыканий на корпус (контроль состояния изоляции). Генераторы должны быть снабжены устройствами для гашения поля. Мощные СГ (1000 кВА и более) должны защищаться также от внутренних междуфазных повреждений при помощи дифференциальной защиты.

Защиту от перегрузки по току выполняется с помощью УРГ  и УВР.

1. Защита СГ с помощью автоматических выключателей

Основным защитным аппаратом  от ненормальных режимов работы генераторов  переменного тока является обычно автоматический выключатель, располагаемый на щите управления генератором. Для обеспечения  этих функций генераторный автомат  должен иметь: 
1. Максимальные расцепители, обеспечивающие характеристику с двумя зонами – перегрузки и к.з.

2. Селективную пристройку, обеспечивающую выдержку времени  отключения токов к.з.

3. Отключающий расцепитель (его часто называют отключающим реле), при подаче напряжения на который автомат практически мгновенно отключается.

4. Ручной и иногда дистанционный  привод, при подаче напряжения  на который автомат включается.

5. Блокировочные контакты  для включения сигнальных ламп  и других цепей контроля и  управления.

Защита от токов к.з. осуществляется следующим образом: при возникновении в цепи токов, больших тока уставки выбранного автомата, срабатывает максимальный расцепитель и выключает автомат. Короткие замыкания внутри генератора или на кабеле, соединяющем его с ГРЩ, наблюдаются крайне редко, поэтому специальных защит от подобных аварий обычно не предусматривается. Но возникновение к.з. в генераторе или на его кабеле может быть обнаружено визуально (дым, пламя), и тогда необходимо его прекратить. В этом случае, как и при всех отключениях СГ, осуществляется так называемое гашение поля генератора. 

2. Гашение поля СГ

Под гашением поля генератора понимают процесс непрерывного уменьшения поля машины до заданного значения с тем, чтобы понизить эдс генератора до заданной величины.

При повреждениях изоляции внутри генератора или на его выводах, что на судах, как известно, наблюдается, к месту повреждения устремляются токи к.з. В этих условиях важно не только отключить генератор от сети, но и погасить его поле, для того чтобы ограничить размеры аварии, спасти обмотку и железо генератора от полного сгорания.

Погасить поле ротора необходимо и тогда, когда в результате повреждения  изоляции ротора закорачивается часть витков его обмотки, магнитная симметрия нарушается и возникает вибрация машины.

К автоматическим устройствам, обеспечивающим гашение поля генераторов (автоматом гашения поля), предъявляют  требования:

- быстроты действия, чтобы  возможно скорее снизить эдс генератора до значения E_Г.МИН , при котором электрическая дуга в месте повреждения, погаснув, не загорится вновь;

- сохранение напряжения  на кольцах ротора во время  гашения поля в допустимых  границах, безопасных для его  изоляции.

Быстрое гашение поля генераторов  может рассматриваться как средство уменьшения отключаемого выключателем тока к.з., т.е. как средство уменьшения тока к моменту размыкания контактов выключателя, что облегчает работу его контактов и дугогасительных устройств, так как с уменьшением тока уменьшается время горения дуги и энергия, рассеиваемая дугой.

Известно много способов гашения поля. Наиболее распространенные из них: разрядом энергии на активное сопротивление, разрядом энергии на дугогасительную решетку и гашение поля путем противовключения возбудителя (путем реверсирования возбуждения).

При гашении поля разрядом энергии на активное сопротивление  в нужный момент, определяемый срабатыванием  защиты генератора, замыкается контакт 1 (рис.19.1, б) и размыкается с минимальным интервалом времени контакт 2. При этом обмотка возбуждения включается на сопротивление R и отсоединяется от возбудителя. Ток в обмотке начинает уменьшаться (рис. 19.1, а). Свободный процесс затухания тока описывается уравнением  
 
. 
 
Его решение 

, (19.1) 
 
где I_НАЧ – значение тока в обмотке возбуждения к началу процесса гашения поля; 
 
 - постоянная времени контура цепи возбуждения, замкнутого на сопротивление R.

Из уравнения (19.1) непосредственно  следует, что сопротивление R нельзя брать малым, так как тогда будет мала скорость спада тока в контуре возбуждения и велико время гашения поля. Активное сопротивление нельзя взять и очень большим – тогда будет велико наибольшее напряжение на роторе: U_МАКС=I_НАЧR.

Величину R выбирают такой, чтобы 
,

причем U_{ДОП.МАКС}≤k_НU_ИСП.

Здесь k_Н – коэффициент надежности, равный примерно 0,6;

U_ИСП – испытательное напряжение;

I_НАЧ – начальный ток возбуждения (берется с учетом свободного тока в роторе при трехфазном к.з.).

Принято брать R=(4-5)r₁ для цепи возбуждения напряжением 110-220 В и R=(7-8)r₁ для цепей напряжением 24-48 В (r₁ – сопротивление обмотки возбуждения в горячем состоянии).

Гашение поля генераторов  с самовозбуждением возможно как  путем закорачивания блока вентилей на выходе (замыкание контакта 1), так и при помощи замыкания блока на входе (контакты 3) при одновременном размыкании как в первом, так и во втором вариантах контакта 2.

В первом варианте обмотка  возбуждения генератора лишается питания  и включается на сопротивление R, во втором она лишается питания, включается на сопротивление R и, кроме того, на нелинейное сопротивление вентилей, что дополнительно несколько сокращает время гашения поля. 

Время гашения поля можно  существенно уменьшить, если подключить к зажимам обмотки ротора не постоянное сопротивление R, а нелинейное сопротивление с характеристикой, зависящей от величины протекающего тока, например сопротивление типа вилита.

 
 
Гашение поля генератора путем разряда  энергии поля на активное сопротивление: 
 
а – характер изменения тока и напряжения при разряде энергии на сопротивление; б – принципиальная схема гашения поля генераторов с самовозбуждением при закорачивании выпрямителя на выходе (1) или на входе (3)

Еще лучших результатов можно  добиться, подключая к обмотке  возбуждения в нужный момент деионную решетку по схеме рис.19.1, б. При срабатывании защиты замыкается контакт 1, размыкается контакт 2 и обмотка возбуждения отсоединяется от возбудителя, оставаясь на некоторое время замкнутой на небольшое сопротивление r. После размыкания контакта 2 практически сразу размыкается и контакт 1, при этом образуется электрическая дуга, которая втягивается в деионную решетку и дробится на ней на ряд коротких (2-3 мм) электрических дуг. Напряжение горения короткой дуги, как уже известно, в широком диапазоне токов неизменно и составляет 20-30 В. Следовательно, если подключить к контуру ротора какое-то число дуг, включенных последовательно так, чтобы имелось ΣU_Д=U_{ДОП.МАКС}, то разряд энергии поля будет происходить при неизменном напряжении на зажимах (кольцах) ротора, равном U_{ДОП.МАКС} (времяt_Г=0.18Т).

Очевидно, что скорость гашения  поля при неизменном напряжении на обмотке возбуждения, равном максимальному, т.е. при U_{ДОП.МАКС}, будет больше скорости гашения поля при больше скорости гашения поля при уменьшающемся значении U, как это имеет место при разряде энергии на сопротивление R.

В рассматриваемом случае изменение тока описывается уравнением  
 
 
. 
 
После интегрирования получим i и затем t_Г: 
 
, 
 
где   - постоянная времени обмотки возбуждения. 
 
.

Развозбуждение машин путем противовключения форсированного возбудителя очень эффективно, особенно для машин с успокоительными контурами.

Технически просто задача противовключения возбудителя решается в схемах возбуждения генераторов с применением тиристоров или симисторов. На рис. 19.2 показана реверсивная схема возбуждения генератора на тиристорах. Гашение поля путем реверсирования возбудителя при трехкратной форсировке напряжения примерно в 8 раз эффективнее гашения поля разрядом энергии на активное сопротивление.

Для бесщеточных СГ устройство гашения должно либо вращаться вместе с ротором генератора, либо подключаться к обмотке возбуждения через специально устанавливаемые кольца и щеточный контакт.

Для бесщеточных СГ, снабженных тиристорной системой возбуждения, эффективное гашение поля возможно путем реверсирования возбудителя.

 

 
 
Рис.19.2. Гашение поля генератора путем  реверсирования тиристорного возбудителя

 

3. Защита от длительных  токов перегрузки СГ

Защита от длительных токов  перегрузки, служащая для предупреждения перегрева генератора из-за длительного  прохождения большого тока, может  осуществляться, например, с использованием аппаратуры, контролирующей температуру  машины.

Измерительный орган защиты располагается в наиболее горячей  точке машины. В машинах переменного  тока эта точка, как правило, располагается  в пазу статора, в средней части.

Наилучшими качествами обладает система тепловой защиты, где измерительным  органом является термометр сопротивления (рис.19.3). 
 

 
 
Рис.19.3. Схема тепловой защиты с использованием термометра сопротивления 

Включенное в одно из плеч моста сопротивление с большим  температурным коэффициентом сопротивления (так называемый термистор R1) при  изменении температуры нарушает равновесие моста, что приводит к  росту тока в катушке промежуточного реле РП. Последнее через реле времени  или непосредственно воздействует на отключающий расцепитель. Нередко промежуточное реле используется лишь для включения световой и звуковой сигнализации о перегрузке, а снятие перегрузки производится дежурным оператором.

 

4. Направленная защита  СГ

Защита СГ от двигательного  режима работы (направленная защита) осуществляется с помощью реле обратной активной мощности (рис.19.4), так как в системах переменного тока определенное направление  имеет только энергия (мощность).

 
 
Рис. 19.4. Схема включения реле обратной активной мощности

В качестве реле обратной мощности используется аппарат индукционной системы (с алюминиевым диском). При  нормальной работе генератора две катушки  этого реле (токовая КТ и напряжения КН) создают момент, вращающий диск в сторону, соответствующую разомкнутому положению контакта РОМ. При переходе генератора в двигательный режим диск реле начинает вращаться в обратную сторону, т.е. в сторону замыкания контактов реле РОМ. Выдержка времени срабатывания реле зависит от длины пути, который должен быть пройден диском до момента замыкания контактов, что может регулироваться от 0 до 10 сек.

Замкнувшиеся контакты подают питание на отключающий расцепитель либо другое устройство в системе защиты. Обычно выдержка времени реле устанавливается ближе к максимальной во избежание ложных отключений генераторов при включении на параллельную работу, когда могут быть кратковременные толчки обратной мощности.

5. Дифференциальная электрических машин

Для защиты от междуфазных  замыканий в обмотках статора  генераторов и электродвигателей  переменного используется дифференциальная защита, включенная по схеме 19.4. 
 

 
 
Рис.19.5. Схема дифференциальной защиты

 

На рис. 19.5 показаны: трансформатор  тока 1; реле максимального тока 2; промежуточное  реле 3; добавочные сопротивления 4. 

При нормальной работе, когда  по обмоткам, трансформаторов 1 протекают  одинаковые токи, ток в катушках максимальных реле, равный разности этих токов, будет равным нулю. Если произойдет короткое замыкание между фазами, то возрастет разность токов трансформаторов  тока, возрастет ток катушек максимальных реле и последние через промежуточное  реле отключают автомат генератора (двигателя).

Дифференциальная защита срабатывает лишь при к.з. в точке, расположенной в зоне между трансформаторами тока, - эту зону принято называть защищаемой зоной.

Ценная особенность дифференциальной защиты в том, что ее не нужно отстраивать  от токов нагрузки, а также в  том, что в нее не нужно вводить  выдержки времени. Избирательность  срабатывания дифференциальной защиты обеспечивается самим принципом  ее работы. 

Несмотря на равенство  первичных токов по величине и  совпадение их по фазе, разность вторичных  токов равна току небаланса. Можно  показать, что ток небаланса равен  разности намагничивающих токов: он тем больше, чем больше кратность  первичного тока и чем заметнее в  первичном токе переходного режима апериодическая составляющая. Несколько возрастает ток небаланса и при понижении частоты первичного тока.

Чтобы дифференциальная защита работала селективно, ее следует отстроить  от тока небаланса, т.е. ток срабатывания должен быть больше тока небаланса.

Защита (рис.19.5) срабатывает  при двух- и трехфазных к.з. в зоне защиты. В системах с глухим заземлением нейтрали защита срабатывает также при однофазных к.з. на корпус судна.

В системах с незаземленной  нейтралью однофазные к.з. на корпус исключены; в атких системах при замыкании на корпус одной из фаз ток замыкания очень мал (равен току утечки) и защита срабатывать не будет. В системах с изолированной нейтралью для защиты достаточно четырех трансформаторов тока. При установке шести трансформаторов тока, как показано на рис.19.5 два из них должны рассматриваться как резервные. Чтобы защита не срабатывала под действием тока небаланса и не срабатывала при обрыве провода вторичной цепи, когда в цепи реле может появиться ток, соответствующий номинальному току генератора, принято выбирать ток срабатывания защиты, равным 1.3 номинального тока генератора.

6. Защита от замыканий  на корпус

В СЭС переменного тока нейтраль не заземляется. Поэтому замыкание на корпус одной из фаз еше не является аварией. Аварийный режим будет иметь место при к.з. второй фазы. Вот почему иногда устанавливают защиту, которая сигнализирует о замыкании на корпус одной фазы. Эта защита может осуществляться с помощью фильтров токов нулевой последовательности (рис.19.6). При симметричной загрузке фаз сумма токов вторичных обмоток трансформаторов тока ТТ равна нулю, т.е. равен нулю ток в катушке А. При замыкании на корпус одной фазы симметрия нагрузки фаз будет нарушена. Теперь уже через катушку А будет протекать тока, равный сумме токов нулевой последовательности. Реле срабатывает и своим контактом включает сигнальное устройство (лампа, звонок).

 

 
 
Рис. 19.6. Схема защиты от замыканий  на корпус

 

7. Функциональная схема  управления СЭС

Для пояснения работы схемы  автоматизированного управления СЭС (рис.19.7) допустим, что в СЭС работает один из трех генераторов и нагрузка увеличилась до уставки срабатывания устройства включения резерва УВР, например доI_раб=0,85I_г.ном., тогда УВР через заданное время (4-8 сек) включает программу запуска резервного агрегата, причем последний задается положением ключа К. После запуска агрегата он самовозбуждается и его напряжение и частота вращения стабилизируются блоком системы стабилизации напряжения и регулятором частоты вращения ДГ. Затем в действие вступит устройство автоматической синхронизации УСГ, выравнивающее при необходимости частоты изменения напряжения (частоты вращения) работающего и запускающего агрегатов и включающее генератор на параллельную работу. После включения генератора вступает в работу устройство регулирования частоты и нагрузки (УРЧН), выравнивающее распределения активных нагрузок между генераторами при помощи прибора регулирования частоты ПРЧ, датчиков активного тока ДАТ и усилителей У. Распределение реактивных нагрузок выполняется устройствами АРВ (автоматическое регулирование возбуждения).

 
 

 
 
Рис. 19.7. Функциональная схема управления судовой электроэнергетической  системой

При перегрузке генератора (генераторов) например до I_раб= 1,1I_г.ном, если перегрузка не уменьшится за время 4-8 сек, устройство автоматической разгрузки генераторов УРГ отключит первую группу малоответственных потребителей, а затем через 4-8 сек, если перегрузка сохранится, вторую группу и, наконец, третью группу потребителей или выключатель генератора. Увеличение тока через генератор до тока к.з., что возможно, например, при замыкании на шинах ГРЩ, вызовет срабатывание защиты, встроенной в выключатель генератора, и его отключение от сети. Генератор будет отключен защитой, и при переходе в режим работы двигателем сработает реле обратной мощности М.

Если нагрузка на каждом из параллельно работающих генераторов  или на одном из них уменьшится до 30-35% от номинальной, УВР отключит генератор или включит систему  предупредительной сигнализации.

СЭС управляется также  и такими функциональными устройствами, как устройство непрерывного контроля изоляции системы (УКИ).

Автоматизация СЭС обеспечивает высокую надежность работы СЭС в  условиях сложности управления многочисленными  электрическими и механическими  агрегатами судна, быстроты протекания многих процессов, особенно аварийных.

Современные СЭС имеют  развитую автоматизированную систему управления как в рабочих, так и в аварийных и ненормальных режимах работы. Для повышения надежности и экономичности СЭС необходимо высокий уровень автоматизации управления и контроля. Необходимо иметь разветвленную систему непрерывного и периодического контроля состояния оборудования и режима, автоматически регистрировать отклонения всех контролируемых параметров от установленных пределов, необходимо накопление информации, позволяющей судить о состоянии оборудования и изменении его характеристик в процессе эксплуатации. Необходимо также такое построение автоматической системы управления СЭС и главной энергетической установки, чтобы после аварийного обесточивания судна ввести силовую установку в действие и восстановить ход судна в минимально возможное время и без участия вахтенного персонала. Очень важна автоматизация распознавания и ликвидации предаварийных и аварийных состояний агрегатов, систем и др.

На современных судах судовые системы управления объединяются в единый общесудовой комплекс на основе применения электронных вычислительных (управляющих) машин (ЭВМ).  

Оборудование  фирмы Delomatic

Многофункциональная система Delomatic предназначена для управления, контроля и защиты электростанции, состоящей из генераторных агрегатов, сетевых вводов, валогенераторов, секционных выключателей. Система позволяет автоматизировать электростанции любой сложности и обеспечивает выполнение широкого диапазона функций, режимов работы требующихся для правильного функционирования объектов как речного или морского так и берегового базирования.

Система сертифицирована  международными классификационными обществами (ABS, BV, DNV, GL, LR), Российским Морским и  Речным Регистрами.

Контроллеры GC-1F и GC-1

Контроллеры автоматизации  генераторного агрегата GC-1F и GC-1

Микропроцессорные контроллеры GC-1F предназначены для  автоматизации генераторных агрегатов  в различных режимах работы (без  функции синхронизации).  Дополнительно контроллеры позволяют реализовать управление докачкой топлива, подогревателем охлаждающей жидкости и другими вспомогательными механизмами. Блоки GC-1F обеспечивают контроль основных параметров двигателя и генератора. Информация о состоянии генераторного агрегата выводится на дисплей на русском языке, и на мнемосхему на лицевой панели. Опционально контроллеры GC-1F могут иметь расширенный диапазон рабочих температур до -40С (опция L2). Контроллеры GC-1F имеют 6 конфигурируемых дискретных входов и 8 конфигурируемых релейных выходов, а также 3 многофункциональных конфигурируемых аналоговых входа.

Контроллеры GC-1F стандартно поддерживают интерфейс передачи данных Canbus J1939 для различных двигателей (Detroit Diesel, John Deere, Deutz, Volvo Penta EMS, Volvo Penta EMS 2, Scania EMS, Scania EMS 2, MTU MDEC 302, MTU MDEC 303, MTU ADEC, Cummins, Iveco, Perkins, Caterpillar). Также все контроллеры GC-1F стандартно имеют интерфейс передачи данных Modbus RS485 для подключения к системе дистанционного мониторинга и управления.

GC-1F ТИП2

Микропроцессорный контроллер GC-1F предназначен для контроля, управления и защиты различных типов  генераторных агрегатов без функций  управления контакторами и ручными  автоматическими выключателями. Контроллер позволяет осуществить автоматический пуск/остановку двигателя с лицевой  панели либо дистанционно, мониторинг и защиту двигателя/генератора, сигнал отключения на независимый расцепитель автоматического выключателя…

GC-1F ТИП3 (опция G6)

Микропроцессорный контроллер GC-1F G6 предназначен для контроля, управления и защиты различных типов  генераторных агрегатов c функцией управления одним контактором или автоматическим выключателем с моторным приводом — автономная работа генераторного агрегата. Контроллер позволяет осуществить автоматический пуск/остановку двигателя с лицевой панели либо дистанционно, мониторинг и защиту двигателя/генератора

GC-1F ТИП4 (опция B3)

Микропроцессорный контроллер GC-1F B3 предназначен для контроля, управления и защиты различных типов  генераторных агрегатов c функцией управления двумя контакторами или автоматическими выключателями с моторным приводом — режим автоматического резервирования сети. Контроллер позволяет осуществить ручной пуск/остановку двигателя с лицевой панели либо автоматический пуск с переводом нагрузки на генератор при неисправности параметров сети. Также мониторинг и защиту двигателя/генератора… 

GC-1F ТИП5 (опции Y10, M19)

Микропроцессорный контроллер GC-1F Y10 M19 предназначен для  управления и защиты различных типов  переключателей ATS (сеть-сеть) c функцией управления двумя контакторами или автоматическими выключателями с моторным приводом. Контроллер позволяет выдать команду на пуск/остановку генераторного агрегата при неисправности обоих сетевых вводов…

PPM — Система управления  судовой электростанцией

Многофункциональная система PPM предназначена для управления, контроля и защиты электростанций речного  и морского базирования, максимально  содержащих от 2 до 16 паралельно работающих генераторов, 2 валогенераторов (вводов питания с берега), 8 секционных выключателей, аварийного/стояночного генератора. Режим работы электростанции задается оператором с помощью дополнительной панели расположенной в любом месте на судне. Система сертифицирована международными классификационными обществами, Российским Морским и Речным Регистрами и обеспечивает выполнение широкого диапазона функций, требующихся для правильного функционирования судовых электростанций:

Управление, контроль, защита двигателя и генератора

Управление частотой/напряжением (активной/реактивной мощностью) генератора

Интерфейс Canbus J1939 для связи с системой управления двигателем

Пуск/остановка  генераторных агрегатов по резерву  мощности на шинах ГРЩ

Задание генераторным агрегатам приоритета на запуск

Подключение мощных потребителей

Запуск генераторов  по обесточиванию шин ГРЩ

Управление секционными  выключателями

Управление выключателем питания с берега

Ведение журналов аварий и событий

Отключение групп  неответственных потребителей

Подключение дополнительной панели оператора для задания  режимов работы электростанции

Широкие возможности  мониторинга электростанции из нескольких мест

 

Вопрос – 2

Условия и способы  прокладки судовых кабельных  трасс в помещениях с повышенной влажностью и температурой; проход кабелей через водонепроницаемые  переборки.

 

Кабельные трассы прокладываются, как правило, прямолинейно и в  местах, доступных для их монтажа, а также осмотра и ремонта  во время эксплуатации. Расстояние кабельной трассы от источников тепла  должно быть не менее 100 мм. Не допускается  прокладка кабелей через топливные  и масляные цистерны, за исключением  случаев, указанных в дополнительных требованиях Речного Регистра РФ к электрооборудованию нефтеналивных  судов. Запрещена прокладка кабелей  в трубах на расстоянии менее 50 мм от топливных и масляных цистерн  и пространства двойного дна.

 

Радиус изгиба труб не должен быть меньше допустимого радиуса  изгиба проложенного в них кабеля самой большой площади поперечного  сечения. Минимальный радиус изгиба небронированного кабеля принимается  равным пятикратному значению его внешнего диаметра; бронированного кабеля — десятикратному значению его диаметра; проводи — трехкратному значению его диаметра.

В помещениях и их отдельных  частях, где возможно воздействие  на кабельные трассы повышенных температур, топлива, масел, агрессивных сред, а  также в особо сырых помещениях должны размещаться только отводы от кабельных трасс к электрооборудованию, расположенному в этих помещениях. Прокладка магистральных трасс  в этих помещениях допускается в  отдельных случаях при условии  обеспечения защиты кабелей от указанных  воздействий.

Кабели и кабельные  трассы при размещении их вблизи горячих  трубопроводов, паровой арматуры, источников тепловыделения, переборок с воспламеняющимися  и взрывоопасными жидкостями или  веществами должны располагаться с  учетом минимально допустимых расстояний размещения электрооборудования в  соответствии с указанными нижк требованиями, а также оговоренными в НТД и технологической документации на электромонтаж и судовой монтаж. 

Расстояние от ближайших  к трубопроводу выступающих частей электрооборудования (генераторов, обратимых  преобразователей, щитов управления, главных распределительных щитов, щитов питания с берега и др.) до поверхности изоляции трубопроводов  должно быть, мм, не менее:

150 - до трубопроводов свежего  пара;

130 - до трубопроводов выхлопа  дизелей;

100 - до трубопроводов отработанного  пара;

10 - до трубопроводов с  холодной средой (гидравлики, топлива,  пресной воды и др.).