Рис. 106. Принципиальная схема возбуждения генератора типа SSED911-12. Д — дроссель; В — выпрямитель; УП — уравнительная перемычка; ТТ — трансформатор тока; PC — разрядное сопротивление; А — автомат генератора.
Повреждения выпрямителей систем самовозбуждения синхронных генераторов.
На большой серии судов типа «Джанкой» постройки ГДР судовые электростанции укомплектованы тремя самовозбуждающимися генераторами типа SSEД 911-12 производства фирмы «Сименс-Шуккерт». Упрощенная принципиальная схема возбуждения генератора представлена на рис. 106.
Паспортные данные генератора: мощность 280 кВА, напряжение 400 В, ток нагрузки 404 А, коэффициент мощности 0,7, частота вращения 500 об/ мин.
В электростанциях судов этой серии возникали многочисленные аварийные ситуации из-за повреждений выпрямителей в цепях самовозбуждения генераторов. За три года эксплуатации только в Мурманском морском пароходстве произошло 29 случаев выхода генераторов из строя по названной причине. В качестве выпрямителей В системы самовозбуждения генераторов фирмой были применены селеновые вентили.
Паспортные данные выпрямителей: тип ДВ 75/90—75, максимальное напряжение трехфазного тока 75 В, номинальное напряжение трехфазного тока 60 В, номинальное напряжение постоянного тока 70 В, номинальный постоянный ток 75 А.
Максимальным напряжением трехфазного тока в соответствии с терминологией, принятой фирмой, будем называть амплитудное значение напряжения, а не наибольшее эффективное, как принято в СССР для селеновых вентилей. Действительно, для трехфазной мостовой схемы амплитудное значение обратного напряжения на 4,5% больше номинального напряжения постоянного тока, что соответствует приведенным фирмой данным.
Для выяснения причин повреждения выпрямителей было проведено осциллографирование основных параметров генераторов при пусках мощных асинхронных электродвигателей и включениях генераторов на параллельную работу. При этом записывались напряжение и ток статора генератора, уравнительный ток, напряжение на входе и ток на выходе выпрямителя. Значения напряжения на стороне переменного тока выпрямителя, измеряемые приборами детекторной системы, пересчитывались с учетом отличия, формы кривой от синусоиды.
Рис. 107. Изменение напряжений и токов выпрямителя возбуждения при пуске асинхронного двигателя мощностью 38 кВт и различных предварительных нагрузках генератора.
Исследования показали, что при включении мощных электродвигателей, в особенности при возможном практически совпадении времени пуска нескольких электроприводов, напряжения на переменной стороне выпрямителя превышают максимально допустимые.
Такое увеличение напряжений на выпрямителях с ростом токовой нагрузки генератора объясняется особенностями принятой системы возбуждения, осуществляющей сильное токовое компаундирование (амплитудно-фазовая система).
На рис. 107 представлены графики изменения переменных напряжений и постоянных токов выпрямителя при включении асинхронного короткозамкнутого электродвигателя компрессора мощностью 38 кВт при различных предварительных нагрузках генератора. На графиках представлены амплитудные значения несинусоидальных напряжений на входе выпрямителя. В некоторые моменты эти напряжения достигали 80 В, при этом ток выпрямителя с учетом 30—40 А на сопротивлении PC близок к номинальному.
Особенно опасным для выпрямителей режимом является одновременный пуск нескольких мощных электроприводов, расположенных в машинном отделении (при минимальной протяженности кабельных линий до главного распределительного щита). При параллельной работе двух генераторов одновременный пуск двух электродвигателей мощностью 38 кВт вызывает увеличение напряжения на переменной стороне выпрямителя каждого генератора до 80 В (выше допустимого значения).
Включение генераторов на параллельную работу также может вызвать броски реактивного тока статора. Действие системы амплитудно-фазового компаундирования обеспечивает при этом всплески нагрузки на выпрямителях. Включение генераторов проводилось методом точной синхронизации вручную. Многочисленные осциллограммы показали, что процессы включения отличаются друг от друга.
Рис. 108. Осциллограмма процесса включения генератора на параллельную работу.
На рис. 108 представлена осциллограмма включения генератора на шины ГРЩ для параллельной работы. В момент включения автомата всплеск тока статора достигал 2000 А, напряжения на переменной стороне выпрямителя во многих случаях были близкими или превышали максимально допустимые. Очевидно, что при неудачных включениях перенапряжения могут быть еще больше. Следовательно, причина повреждений выпрямителей объясняется режимом их работы на пределе по обратным напряжениям при токовых нагрузках, близких к номинальным, в нормальных эксплуатационных условиях.
Размещение выпрямителей в машинных отделениях в верхней части ГРЩ без индивидуальной вентиляции могло способствовать уменьшению их нагрузочных возможностей. Неудачный расчет и выбор выпрямителей без необходимых запасов усугублялся условиями размещения выпрямителей на судах. Судовыми специалистами были установлены вентиляторы для охлаждения выпрямителей, автоматически запускающиеся при включении генератора на нагрузку. Позднее селеновые вентили были заменены отечественными кремниевыми, выбранными с общепринятыми запасами по токам и напряжениям. После таких изменений повреждений выпрямителей на теплоходах типа «Джанкой» не наблюдалось.
Аварийные происшествия из-за схемных неточностей.
Непрерывность электроснабжения определяется не только схемами и качеством основного оборудования» судовых электростанций, но и надежностью элементов и электросхем управления. В эксплуатации иногда, чаще всего при аварийных ситуациях, обнаруживается, что неточности в схемах управления бывают причинами повреждений оборудования.
Для примера рассмотрим аварийные случаи на электростанциях судов типа «Звенигород».
Основными источниками электроэнергии на судах этого типа являются три синхронных самовозбуждающихся дизель-генератора мощностью 400 кВА при напряжении 400 В, токе 578 А и частоте вращения 500 об/мин. Синхронизация генераторов может осуществляться двумя способами: вручную (точная синхронизация) и полуавтоматически (грубая синхронизация).
В качестве аварийного источника электроэнергии установлен дизель-генератор с самовозбуждением, мощностью 60 кВ·А при напряжении 400 В, токе 86,5 А и частоте вращения 1500 об/мин. Автоматический пуск аварийного дизель-генератора происходит через 4 с после обесточивания аварийного щита, имеющего фидерное соединение с ГРЩ.
В сентябре 1970 г. во время стоянки теплохода «Звенигород» в порту генератор судовой электростанции был включен на параллельную работу с генератором ГРЩ (на схеме не показан) методом грубой синхронизации. Упрощенная принципиальная схема синхронизации представлена на рис. 109. Контактор дросселя КД, управляемый кнопкой КВД, подключает генератор к шинам ГРЩ через дроссель. Реле времени РВ1 через 6 с включает промежуточный контактор КП, включающая катушка автомата ВА получает питание и генератор включается непосредственно на шины ГРЩ. Блокировочные контакты (микровыключатели) автомата отключают катушку реле времени РВ2, чем обеспечивается отключение дросселя. Процесс глубокой синхронизации этим заканчивается.
Через несколько минут после включения» генератора Г2ГРЩ был обесточен из-за появления за щитом дыма. Источником дыма оказался дроссель грубой синхронизации. По техническим условиям допускается работа дросселя под нагрузкой в течение 1 мин. В данном случае из-за неисправности микровыключателя в цепи управления включающей катушкой автомат на шины не включился, а дроссель остался под нагрузкой и перегрелся.
Учитывая ограничения в длительности работы дросселя под нагрузкой, судовые специалисты предложили использовать реле времени не только для включения контактора КП, т. е. автомата, но и для отключения дросселя. С этой целью размыкающий контакт РВ1, ранее не используемый в схеме, был включен последовательно с катушкой реле времени РВ2 (см. рис. 109,б). При таком включении дроссель через 7 с (суммарное время срабатывания реле PB1 и РВ2 и контактора КД) отключается независимо от состояния автомата и схемы его включения.
Рис. 109. Схема грубой синхронизации генераторов теплоходов типа «Звенигород»: а — проектный вариант; б — внесенные в эксплуатации изменения.
Свободный блокировочный контакт контактора КД был использован для сигнализации о режиме работы дросселя. Схема с внесенными в нее изменениями была неоднократно опробована. Практика показала, что вероятность создания аварийной ситуации значительно уменьшилась.
В ноябре 1970 г. теплоход «Зареченск» при движении полным ходом в открытом море отклонился от курса в результате исчезновения электропитания в навигационных устройствах. Навигационный распределительный щит, рулевые указатели, радиолокационное оборудование и средства радиосвязи, щиты освещения и некоторые другие потребители электроэнергии были подключены к шинам аварийного распределительного щита (АРЩ). Этот щит в нормальных режимах работы судовой электростанции получал электропитание от ГРЩ через специальный фидер, включаемый автоматом на ГРЩ и контактором на АРЩ. В случаях запуска аварийного дизель-генератора соединительный фидер отключался контактором.
На рис. 110 показана схема включения контактора К и устройства запуска аварийного дизель-генератора. В рассматриваемом случае потребители, включенные на АРЩ, обесточились из-за неисправности катушки блокировочного контактора БК, что вызвало отключение фидерного контактора К (контакты БК другого назначения на схеме не показаны).
Рис. 110. Принципиальная схема электроснабжения аварийного распределительного щита.
Рис. 111. Элементы схемы возбуждения синхронных генераторов типа ТК2-2.
Несмотря на нормальное электроснабжение ГРЩ, исчезновение напряжения на шинах АРЩ должно было вызвать автоматический запуск аварийного дизель-генератора. Однако устройство автозапуска, подключенное к контактору К со стороны фидера от ГРЩ, получало в данном случае ложную информацию о наличии напряжения на шинах АРЩ. Если бы устройство автозапуска было подключено к контактору со стороны АРЩ, аварийный дизель-генератор включился бы автоматически и электроснабжение АРЩ было восстановлено во много раз быстрее, чем это произошло при ручном запуске аварийного генератора. Незначительная разница в месте подключения устройства автозапуска привела в данном случае к существенному уменьшению надежности электроснабжения ответственных потребителей и при других условиях плавания могла стать причиной серьезной аварии судна.
На генераторах типа ТК2-2 электростанций линейного ледокола в эксплуатации выявились недостатки схемы, предназначенной для возбуждения от постороннего источника в случае несостоявшегося самовозбуждения генератора (рис. 111). Номинальные параметры генераторов: мощность 2000 кВт, напряжение 400 В, ток статора 4120 А, частота вращения 3000 об/мин. В нормальных режимах работы система возбуждения подключена к статорной обмотке генератора контакторами КВ. В схеме использованы размыкающие контакты двух контакторов типа КМ2712-18 двухполюсного исполнения на номинальный ток 50 А при напряжении 380 В.
Если работающий на холостом ходу генератор не возбуждается, схема управления обеспечивает отключение системы возбуждения от статорной обмотки (размыканием контактов КВ) и подключение электропитания системы возбуждения от шин ГРЩ (замыканием контактов КВН). Шины ГРЩ при необходимости используются в качестве постороннего источника для кратковременного питания систем возбуждения генераторов, так как электроэнергетическая система линейного ледокола обеспечивает практически беспрерывно номинальное напряжение на шинах.
В качестве КВН установлен контактор второй величины типа КМ2312-18 в трехполюсном исполнении. Собственное время срабатывания и отпускания контакторов КВ и КВН составляет соответственно 0,031—0,074 и 0,036—0,044 с. При необходимости обеспечить возбуждение генератора от шин ГРЩ нажимается кнопка К (рис. 111). При этом включаются обе катушки контакторов KB, система возбуждения отключается главными контактами КВ от статора генератора. Блокировочные контакты КВ включают катушку контактора КВН, подключающего систему возбуждения генератора к шинам ГРЩ с напряжением 390 В.
При осуществлении названных переключений многократно происходило включение статорных обмоток невозбужденных генераторов на шины ГРЩ по цепи, образованной контактами КВ и КВН. Вследствие большого разброса в регулировке положений главных и блокировочных контактов контактора КВ последние замыкали цепь катушки КВН раньше, чем полностью размыкались главные контакты. Подключение статорной обмотки генератора на шины ГРЩ практически создавало цепь короткого замыкания. Контакторы КВ и КВН в большинстве случаев полностью выходили из строя.
Восстановление повреждений занимало несколько часов, в течение которых генератор не мог быть использован в энергосистеме ледокола.
Учитывая возможный разброс собственного времени срабатывания быстродействующих контакторов, индуктивный характер нагрузки, несовпадение во времени коммутации главных и вспомогательных контактов, следует считать схему переключения контакторов КВ и КВН неудачной.
При создании электросхем и систем управления любой сложности следует учитывать влияние отказов отдельных элементов на безаварийность основного оборудования и всего судна.
