Распределительные устройства предназначены для приема и распределения электроэнергии между потребителями. На судах для этой цели служат ГРЩ, распределительные щиты (РЩ) и щиты отдельных потребителей (ЩП).
Главный распределительный щит предназначен для управления работой генераторов и распределения электроэнергии по всему судну. На нем располагаются коммутационная, защитная, сигнальная и регулировочная аппаратуры. Измерительные приборы, установленные на ГРЩ, осуществляют контроль за качеством (напряжение, частота) и количеством (ток, мощность) распределяемой энергии. ГРЩ имеют обычно защищенное исполнение, при котором исключается непреднамеренное прикосновение к токоведущим частям. Выполняют ГРЩ в виде отдельных панелей, объединенных единым каркасом и единой системой шин. Для управления и контроля за работой каждого генератора отводится отдельная панель. Генераторные панели обычно располагаются в середине ГРЩ, а по обеим сторонам от генераторных панелей находятся панели потребителей. Конструкция ГРЩ, размеры, проходы и доступ к ним определяются Правилами Регистра СССР.
Для каждого генератора постоянного тока должно быть установлено по одному вольтметру и амперметру, а для каждого генератора переменного тока — амперметр с переключателем для измерения тока в каждой фазе, вольтметр с переключателем для измерения фазных и линейных напряжений, частотомер, ваттметр. Кроме перечисленных обязательных приборов, иногда устанавливают фазометры для измерения коэффициента мощности и вольтметр с амперметром в цепи возбуждения генератора.
Для включения генераторов на параллельную работу иногда предусматривается на ГРЩ отдельная панель, а установленная на ней аппаратура при помощи переключателей может быть использована для синхронизации любого генератора.
На панелях потребителей установлены коммутационные аппараты (автоматические или пакетные выключатели) и амперметры с переключателями, позволяющими измерять ток наиболее ответственных или относительно мощных потребителей (группы потребителей). На одной из панелей потребителей размещается устройство для контроля состояния изоляции всей сети. На ГРЩ переменного тока, кроме того, находится панель распределения электроэнергии для освещения судна. Питание на шины этой панели подается от трансформаторов, которые понижают напряжение для осветительной сети и исключают электрическую связь между силовой сетью и сетью освещения.
Распределительные щиты предназначены для распределения электроэнергии в отдельной группе потребителей, например в распределительном щите механизмов машинного отделения левого борта или распределительном щите кормовых грузовых лебедок и т. д.
На распределительных щитах в качестве коммутационной и защитной аппаратуры используют либо установочные, автоматические выключатели, либо пакетные выключатели и плавкие предохранители. РЩ обычно имеют брызгозащищенное исполнение. При установке на открытой палубе щит должен быть водозащищенного исполнения. Ввод кабелей в РЩ осуществляется через специальные сальники.
Конструктивное исполнение ГРЩ и РЩ весьма разнообразно. Объясняется это индивидуальными особенностями установки распределительных устройств на судне, заранее заданными размерами и формами щитов. Главный распределительный щит чаще устанавливают в поперечной плоскости судна, но в последнее время на некоторых типах судов их стали располагать вдоль судна.
Через ЩП осуществляется подача питания на электродвигатель того или иного механизма. В зависимости от сложности электропривода такой щит может выполнять функции либо только пуска и защиты электродвигателя (например, магнитный пускатель вентилятора, насоса), либо пуска, реверса, регулирования частоты вращения и торможения электропривода (например, магнитная станция электропривода брашпиля или грузовой лебедки).
§ 33. КОММУТАЦИОННАЯ И ЗАЩИТНАЯ АППАРАТУРА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Коммутационным аппаратом называется устройство, предназначенное для замыкания и размыкания электрических цепей.
Коммутационные аппараты, устанавливаемые на СЭС, можно разделить на две группы: аппараты, предназначенные только для замыкания и размыкания электрических цепей; аппараты, которые выполняют еще функцию защиты электрических цепей, т. е. автоматически выключают цепь при наступлении в ней ненормального режима.
К первой группе относятся рубильники, разъединители, пакетные выключатели и переключатели, плавкие предохранители, ко второй — различные автоматические выключатели.
Особую группу коммутационных аппаратов составляют контакторы и реле.
Рубильник (рис. 84) — наиболее простой коммутационный аппарат. Рубильники выполняют одно-, двух- и трехполюсными на ток 100 А и выше. Для гашения электрической дуги, возникающей при размыкании электрической цепи под током, на контакты надевают дугогасительные камеры. Контакты рубильника имеют врубную конструкцию. Подвижные контакты выполняют в виде ножей, разрезанных вдоль на две половины. Обе половины соединены между собой шарнирно и при помощи пружин. При выключении рубильника одни половины подвижных контактов (моментные ножи) остаются замкнутыми, а затем пружинами они вырываются. Таким образом достигается быстрое расхождение контактов независимо от скорости движения ручки рубильника, что очень важно, для быстрого гашения дуги и сохранения контактов от обгорания.
Разъединитель — рубильник, не имеющий дугогасительного устройства. Разъединители служат для размыкания электрических цепей без тока. На судах в настоящее время рубильники находят ограниченное применение из-за больших размеров.
Пакетные выключатели и переключатели (рис. 85, а и б) получили очень широкое распространение. Пакетный выключатель (см. рис. 85, б) состоит из набора колец (пакетов) 5, сделанных из изоляционного материала. Внутри каждого кольца располагается контактное устройство. Неподвижные контакты закреплены на самом кольце, а подвижные — на валике, который поворачивается рукояткой управления 1 через специальный механизм 2 мгновенного переключения и фиксации (3 — поворотное устройство; 4 — закрывающая шайба; 6 — основание выключателя). У пакетных выключателей на каждом кольце располагаются только два неподвижных контакта, а подвижный контакт имеет диаметральную конструкцию.
Рис. 84. Рубильник
У пакетных переключателей на каждом, кольце располагается несколько неподвижных контактов, а подвижные имеют сложную конфигурацию.
При размыкании цепи на каждом полюсе образуется сразу два разрыва и дуга гасится в закрытой камере, образованной внутренней полостью кольца (пакета). В каждой такой камере укладывается шайба из материала (например, фибра), генерирующего газ при высокой температуре электрической Дуги. Повышение давления в камере способствует быстрому гашению дуги, возникающей при размыкании контактов под током.
Пакетные выключатели и переключатели выпускают на токи до 400 А при напряжении 220 и 380 В. Они компактны и удобны для монтажа, безопасны в эксплуатации. Однако надежность их часто оказывается недостаточной. Как уже отмечалось, рубильники и пакетные выключатели не выполняют функций защиты электрических установок, поэтому их применяют всегда совместно с плавкими предохранителями.
Плавкий предохранитель автоматически отключает цепь при коротком замыкании или при перегрузке. Ток, превышающий допустимое значение, расплавляет плавкую вставку, вследствие чего и происходит отключение цепи.
Рис. 85. Пакетный выключатель
Материалом плавкой вставки могут быть свинец, сплав свинца с оловом, цинк, медь, серебро и др. Недостатком меди и серебра как материала для плавкой вставки является высокая температура плавления, что приводит к перегреву корпуса предохранителя. Кроме того, медная вставка со временем окисляется и ее токопроводящее сечение уменьшается — происходит ее преждевременное перегорание. Легкоплавкие материалы имеют невысокую электропроводность, поэтому плавкие вставки из них получаются относительно большого сечения.
Широко распространены цинковые вставки фигурной конфигурации (рис. 86). При коротком замыкании расплавление происходит сразу в двух узких
местах и средняя часть выпадает, что способствует лучшему гашению дуги. При перегрузке вставка расплавляется в одном узком месте.
На судах распространены плавкие предохранители двух типов: трубчатые и пробочные. Трубчатые предохранители (рис. 87, а) выпускают на токи 15—1000 А. Предохранитель имеет следующие элементы: контактные ножи 1; латунные колпачки 2 и втулки 4; фибровую трубку 5. Болты 3 служат для крепления плавкой вставки 6.
Пробочные предохранители (рис. 87, б) выпускают на токи 1 — 600 А. Плавная вставка 6 у пробочных предохранителей располагается внутри фарфорового цилиндра 8, заполненного кварцевым песком. При перегорании плавкой вставки специальной пружиной выбрасывается контрольный глазок (на рисунке: 7 — фарфоровый колпак с контактной пластиной; 9 — контактное кольцо; 10 — вывод).
К достоинствам плавких предохранителей относятся простота конструкции, невысокая стоимость, быстрота срабатывания при токах короткого замыкания, отсутствие светового и звукового эффектов при срабатывании.
Рис. 87. Плавкие предохранители
Рис. 88. Механизм свободного расцепления:
а — подготовлено к включению; б — включено; в — выключено автоматически
Вместе с тем при защите электроустановок плавкими предохранителями существует опасность отключения лишь одной фазы при трехфазном питании асинхронных двигателей, что ставит электродвигатель в аварийные условия работы. Замена сработавших предохранителей происходит относительно долго, а значит, удлиняется перерыв в питании потребителей. Применение плавких предохранителей, пакетных выключателей и рубильников затрудняет или делает невозможной автоматизацию коммутационных процессов и применение дистанционного управления.
Автоматические воздушные выключатели (автоматы) широко распространены, Воздушными они называются потому, что электрическая дуга, возникающая при размыкании контактов, гасится в окружающем воздухе в отличие от выключателей, у которых она гасится в масле или специальном газе.
Автоматические выключатели выпускают одно-, двух- и трехполюсными на номинальные токи до 6000 А, напряжение до 660 В переменного тока и до 440 В — постоянного. Существует множество конструкций выключателей. Однако при любом варианте конструктивного исполнения автоматический выключатель состоит из следующих основных частей: контактной системы, приводного механизма, механизма свободного расцепления, расцепителей, дугогасительного устройства.
Контактная система состоит из главных контактов, предназначенных для замыкания и размыкания силовой электрической цепи, и вспомогательных контактов, предназначенных для замыкания и размыкания цепей управления. Главные контакты могут иметь сложную многоступенчатую конструкцию, позволяющую уменьшать их обгорание при размыкании цепи под током.
Приводной механизм служит для включения автомата непосредственно вручную или дистанционно. Для дистанционного включения могут быть использованы электромагнит, серводвигатель или пневматический привод.
Механизм свободного расцепления, (рис. 88) обеспечивает необходимую скорость расхождения контактов при размыкании цепи независимо от типа приводного механизма и действий оператора. Автоматическое отключение как раз и происходит воздействием на механизм свободного расцепления. Жесткость системы рычагов при включении обеспечивается упором 2 и тем, что центр 3 лежит несколько ниже линии, соединяющей оси 4 рычагов 1.
Если толкатель 5 поднимет центр 3 выше, тогда система станет гибкой и контакты 6 разомкнутся под действием отключающей пружины. Рукоятка ручного включения при этом останется в положении «включено» и для последующего включения автомата ее нужно отвести.
Расцепителями называются устройства, которые реагируют на тот или иной ненормальный режим в электрической цепи и воздействуя на механизм свободного расцепления, отключают автомат. У автоматических выключателей могут быть следующие расцепители: независимый, максимальный, минимальный, тепловой, обратного тока.
Независимый расцепитель состоит из электромагнитной катушки, при подаче питания на которую якорь притягивается и через рычаг воздействует на толкатель. Питание на катушку подается при нажатии кнопки дистанционного выключения или при срабатывании каких-либо реле, если при этом требуется отключение цепи.
Максимальный расцепитель отличается от независимого тем, что его катушка включается в главную цепь последовательно, поэтому имеет мало витков из относительно толстого провода. Если ток в цепи превысил допустимое значение (перегрузка или короткое замыкание), то якорь притягивается и воздействует на механизм свободного расцепления. Применяют максимальные расцепители с замедлением, у которых якорь связан с часовым механизмом.
Минимальный расцепитель включается в главную цепь параллельно. Если напряжения в цепи нет или оно недостаточно, то якорь не притягивается и толкатель находится в верхнем положении — включить автомат невозможно.
Тепловой расцепитель состоит из биметаллической пластины, которая подогревается током, протекающим в главной цепи. Если ток превышает допустимое значение (перегрузка), то биметаллическая пластина прогибается и воздействует на механизм свободного расцепления.
Для защиты генераторов на судовых электростанциях применяют универсальные селективные автоматические выключатели. Максимальный расцепитель срабатывает с выдержкой времени (2—120 с), зависящей от степени перегрузки. При коротком замыкании он срабатывает с минимальной выдержкой времени (0,18; 0,38 и 0,63 с), необходимой для обеспечения избирательности защиты. Для получения выдержки времени при срабатывании автоматического выключателя, кроме часового механизма, .применяют другие механические замедлители.
Главный недостаток обычных электромагнитных расцепителей (электромагнитная катушка, магнитопровод, якорь) с механическими замедлителями состоит в нестабильности их работы, или, иначе говоря, в разбросе параметров срабатывания.
Более совершенны полупроводниковые расцепители, которые отличаются большей стабильностью, чувствительностью и могут совмещать несколько функций. Полупроводниковый расцепитель, например, автомата А-3700 имеет два канала: канал защиты от перегрузок с выдержкой времени (получаемой электронным способом), обратно пропорциональной степени перегрузки; канал защиты от коротких замыканий с фиксированной выдержкой времени. Измерительные и исполнительные элементы у обоих каналов общие.
Для защиты потребителей электроэнергии широко применяют установочные автоматические выключатели, которые имеют только максимальный и тепловой расцепители. Максимальный расцепитель реагирует на токи короткого замыкания, а тепловой — на токи перегрузки. Однополюсные установочные автоматы на токи 10, 15 и 25 А применяют для защиты цепей освещения и в бытовом электрооборудовании.
