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.