Судовые электрические станции и сети - Коммутационная и защитная аппаратура

Глава 10
КОММУТАЦИОННАЯ И ЗАЩИТНАЯ АППАРАТУРА § 35. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Коммутационная и защитная аппаратура, установленная на судовых РЩ, должна обладать следующими основными качествами: простотой и прочностью конструкций минимальных масс и размеров, повышенной износоустойчивостью, надежностью работы при значительных влажности и колебаниях температур, стабильностью характеристик при вибрации и ударных нагрузках, возможностью быстрой замены сменных деталей.
На РЩ применяют выключатели автоматические (ВА) воздушные селективные (избирательного действия) и установочные (ВАУ), которые совмещают функции коммутационного и защитного аппаратов. Выключатели ВА, встроенные в пластмассовые защитные корпуса, имеют значительно меньшие массу и размеры по сравнению с ручными выключателями в сочетании с предохранителями. Кроме того, они надежны, компактны, обладают высокой коммутационной способностью, возможностью быстрого восстановления питания группы и отдельных приемников электроэнергии. Выключатели ВА обеспечивают более совершенную защиту участков судовой сети от КЗ и перегрузок, могут долго работать без ухода; исключают возможность работы асинхронных электродвигателей на двух фазах (отключение одновременно трех фаз). По конструктивному исполнению они безопасны для обслуживания и удобны для монтажа.
ВА классифицируют по:
роду тока — переменного трехфазного и однофазного, постоянного;
типу расцепителей — электромагнитные и комбинированные (электромагнитный расцепитель — для защиты от КЗ, комбинированный — от КЗ и перегрузок);
способу использования — автоматические и неавтоматические;
месту присоединения внешних проводников — с передним, задним и комбинированным присоединением;
способу включения и отключения — ручного включения и отключения, дистанционного отключения, дистанционного включения и отключения;
защите от воздействия окружающей среды—защищенного и «брызгозащищенного исполнения.
Основные характеристики ВА: установки на время и токам срабатывания электромагнитных и комбинированных расцепителей; коммутационная способность; износоустойчивость; сопротивление и электрическая прочность изоляции; надежность работы в судовых условиях.
Кроме того, на РЩ устанавливают электроизмерительные приборы для измерения силы тока, напряжения, активной мощности, частоты, коэффициента мощности и сопротивления изоляции. Для переключения контрольных и измерительных цепей на РЩ находятся универсальные переключатели типов УП, КФ и др. Защита генераторов постоянного и переменного тока от обратных тока и мощности осуществляется реле обратного тока и обратной мощности.
Для коммутационных и защитных аппаратов установлены определения, характеризующие их коммутационную и термическую способности, рабочее состояние:
коммутационная способность — способность аппарата коммутировать электрические цепи при наиболее тяжелых условиях работы, характеризующаяся предельной коммутационной способностью, критической разрывной способностью и предельной способностью включения;
предельная коммутационная способность — наибольшее значение тока, который аппарат способен отключать без повреждений а включать без приваривания контактов;
критическая разрывная способность — наибольшие значения постоянного тока и эффективного переменного тока, которые аппарат способен отключить без недопустимой затяжки дуги;
термическая устойчивость — тепловое действие тока в электроаппаратах, определяемое как произведение силы тока на время;
значения срабатывания и возврата — значения переменных величин (напряжения, тока и т. п.), при которых аппарат срабатывает или происходит его возврат;
коэффициент возврата электромагнитного аппарата — отношение напряжений (токов) отпадания и втягивания. Наибольшее напряжение на зажимах катушки аппарата, при котором начинается и полностью заканчивается отпадание якоря электромагнита;
напряжение и ток втягивания — наименьшие напряжения и ток, при которых начинается и полностью заканчивается втягивание якоря электромагнита;
ток отпадания — наибольший ток, при котором начинается и полностью заканчивается отпадание якоря электромагнита;
уставка — значение величины срабатывания, на которую аппарат отрегулирован;
собственное время замыкания — для электромагнитного аппарата с замыкающим главным контактом — время от момента замыкания цепи втягивающей катушки до первого касания контактом аппарата;
собственное время размыкания — для электромагнитного аппарата с замыкающим главным контактом — время от начала прекращения питания втягивающей катушки до появления напряжения между подвижными и неподвижными контактами, обусловленного их расхождением; для автоматического воздушного выключателя, имеющего механизм свободного расцепления,— время от момента замыкания цепи отключающей катушки (или момента возникновения условий, вызывающих срабатывание механизма расцепления) до появления напряжения между подвижными и неподвижными контактами;
коммутационные циклы — отключение тока (О), его включение (В), включение и отключение (ВО).

§ 36. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Устройство и принцип действия. Воздушные ВА избирательного действия предназначены для защиты электрических цепей переменного и постоянного тока, а также нечастых коммутаций этих цепей при номинальных режимах нагрузки. На РЩ устанавливают несколько типов выключателей избирательного действия и установочных, имеющих общие принципы действия и конструктивные исполнения. Выключатели AM, А3300, А3500, АК50 являются типовыми для изучения параметров, характеристик, состава элементов и их взаимодействия при коммутации и защиты силовых цепей.
Выключатели серии AM применяют для цепей постоянного тока напряжением 230 В, переменного — напряжением 400 В и частотой 50 Гц. Они обладают высокими предельными значениями токов включения и отключения, электродинамической и термической устойчивости при КЗ.
В табл. 11 приведены данные, характеризующие предельные способности включения и отключения выключателей серии AM, а табл. 12 — значения их термической устойчивости за 0,63 с и токов динамической устойчивости.
Отключение выключателя в зоне КЗ возможно с трехступенчатой выдержкой времени. При наличии независимой выдержки обеспечивается избирательная защита СЭС, т. е. отключение во время КЗ отдельных поврежденных участков судовой сети автоматами с различными выдержками времени.
Выключатели могут быть открытого двух- или трехполюсного исполнения, выдвижного типа с ручным рычажным приводом.

Таблица 12

ВА состоит из контактной части дугогасительного устройства, механизма свободного расцепления и привода. В автомат встроены селективная пристройка, пристройка максимальных и отключающих расцепителей, коммутатор. Число и виды пристроек зависят от вариантов исполнения выключателя. На принципиальной схеме (рис. 68) показан принцип действия ВА.
Максимальный расцепитель выключателя, состоящий из якоря 5 и катушки 6, обеспечивает отключение при КЗ мгновенно или с заданной выдержкой времени посредством селективной пристройки. Срабатывание расцепителя регулируется пружиной 9, а время отключения устанавливается механизмом выдержки времени в селективной пристройке.

Рис. 68. Принципиальная схема ВА
Если ток в защищенной цепи превышает ток срабатывания расцепителя, якорь 5, поворачиваясь, передает усилие на пружину 9 и на реле времени селективной пристройки (пружина 8 обеспечивает жесткую связь). Реле срабатывает при наименьшем токе и отключает ВА. При значительных мгновенных токах (токах отсечки) создается большая сила притяжения якоря максимального расцепителя, пружина 8 быстро растягивается, и якорь освобождает защелку 4 отключающего валика и выключателя раньше, чем растягивается пружина 9 и срабатывает селективная пристройка 10. Наибольший ток отсечки регулируется жесткой пружиной 8 (1 — пружина отключения главных контактов 2\ 3 — рычаг; 7 — поворотная ось).
При определенных значениях тока якорь максимального расцепителя может возвращаться в первоначальное положение.
Пристройка селективной защиты состоит из часового механизма (анкера и шестерни) и парного рычага.
В выключателе типа AM с максимальным расцепителем 6 (рис. 69) и пристройкой селективной защиты ток КЗ, протекая по контакту, создает электромагнитное поле и притягивает якорь 5. Нажимая на рычаг 2, якорь поворачивает селективный валик 3 (4 — отключающий валик). При этом поворачивается рычаг 11, который находится на другом его конце, растягивается пружина 10, воздействуя на рычаг 9 селективной пристройки. Рычаг не может повернуться мгновенно из-за анкерного механизма 7, а лишь через некоторое время. При повороте рычага ролик 1 поворачивает в свою очередь отключающий вал ВА.
Выдержку времени определяют по формуле
tB= Т Zс
где Т — период колебания анкера;
Zс — число зубцов анкерной шестерни 8, находящейся в зацеплении с анкером.
Контактная система выключателя AM (рис. 70) состоит из главных 10—12 и разрывных (дугогасительных) контактов. При включении автомата сначала замыкаются дугогасительные контакты, затем главные. При отключении автомата контакты размыкаются в обратной последовательности. Это исключает появление дуги на главных контактах.

Рис. 69. Кинематическая схема отключения выключателя AM посредством максимального расцепителя и селективной пристройки

При коммутации ток в цепи дугогасительных контактов от вывода течет через ось 9, дугогасительный подвижный контакт 8, металлокерамическую пластинку 7 и попадает в компенсатор. Здесь он проходит через неподвижный дугогасительный контакт 5, ось 3, стойку 2 и далее к выводу.
В петлевом контуре (стрелками показано протекание тока) образуются большие электродинамические усилия, которые создают дополнительное нажатие на дугогасительные контакты. При включении автоматом токов КЗ электродинамические силы в контактах компенсируются подобными силами в петлевом контуре.
Устройство контактов способствует уничтожению вибрации их при включении. Пружина 6 создает конечное нажатие на дугогасительных контактах, а пружина 1 является упором, ограничивающим поворот подвижной детали под действием пружины 6. При включении ВА в короткозамкнутую цепь контакт 8 начинает вибрировать, но, благодаря нежесткому упору, подвижная деталь неподвижного контакта 5 может «следить» за подвижным контактом, чем исключается разрыв цепи.
Электрическая дуга гасится в дугогасительной камере, помещенной в стальном кожухе. Внутренние стенки камеры сходятся в верхней части в узкую щель и имеют сильно развитую охлаждающую поверхность (лабиринты). При отключении автомата дуга под действием электродинамических сил отключаемого тока растягивается на дугогасительных контактах, переходит на дугогасительные рога 4 и, перемещаясь внутри камеры, интенсивно охлаждается и гаснет.
С помощью механизма свободного расцепления производятся включение и отключение автомата, а также разъединение контактной части и привода при автоматическом и ручном отключении. Механизм состоит из системы шарнирно связанных между собой рычагов.

Рис. 70. Контактная часть выключателя AM в положении «Отключено»

* Данные приведены для комбинированного расцепителя.
Для включения автомата с рычажным приводом рукоятку привода рывком выводят из положения «Отключено» и быстрым непрерывным движением поворачивают до упора вверх. Для отключения автомата рукоятку рывком выводят из фиксированного положения и поворачивают до упора вниз.
До включения выключателя с механическим приводом вращением маховика против часовой стрелки приводят механизм свободного расцепления в положение «Взведен» (готов к включению). Затем маховик привода поворачивают по часовой стрелке на 90°, одновременно вал поворачивается также по часовой стрелки, а при отключении — наоборот.
Отключение выключателя может производиться вручную или автоматически. В последнем случае валик поворачивается максимальным или отключающим расцепителем. Отключающий расцепитель предназначен для дистанционного отключения ВА, которое происходит мгновенно, независимо от уставки на время медленного срабатывания. Катушка расцепителя должна включаться через замыкающие контакты коммутатора автомата.
Выключатели AM могут быть изготовлены с комбинированными расцепителями с уставками на ток и время замедленного срабатывания в зонах КЗ и перегрузок (табл. 13).
Токовременная характеристика выключателя AM (рис. 71) состоит из двух зон: перегрузки--1 и короткого замыкания — II. В зоне I характеристика имеет обратную зависимость t=f(I), а в зоне II автомат срабатывает с независимой выдержкой времени.
Коммутатор, служащий для сигнализации и электрического блокирования, посредством тяги и рычага связан с контактным валом автомата.

Выключатели могут быть выполнены без максимальных расцепителей и селективной пристройки для использования в качестве неавтоматических.

Рис. 71. Токовременная характеристика выключателя AM
Для соединения выключателя с корпусом судна служат винты.
Выключатели AM имеют обычный дистанционный привод и дистанционный привод с ускоренным включением. Дистанционный привод предназначен для нечастых оперативных включений автомата. Кроме того, предусматривается ручное включение с помощью съемной рукоятки. Дистанционный привод в трехполюсном исполнении с ускоренным включением предназначен для схем ЭС с точной автоматической синхронизацией генераторов при включении на параллельную работу. Собственное время включения привода ВА составляет 0,05—0,03 с.
Дистанционный привод ускоренного включения для трехполюсного выключателя (рис. 72) состоит из следующих основных узлов: электродвигателя М переменного (постоянного) тока; червячно-цилиндрической передачи; фрикционной муфты сцепления с электромагнитом управления (КМ— катушка электромагнита); конечного выключателя ВК; рычагов и включающих пружин, связанных с основным механизмом автомата; включающего электромагнита ЭВ и защелки.
Червячно-цилиндрический редуктор передает усилие с электродвигателя на взводящий кулачок привода. Фрикционная муфта служит для сцепления электродвигателя с редуктором. При снятии напряжения с катушки муфта расцепляется и притормаживает редуктор. Конечный включатель ВК служит для размыкания цепи электродвигателя и муфты сцепления при взведенном положении автомата ВА.
Включающие пружины через систему рычагов и регулируемую тягу связаны с основным механизмом автомата. Тяга обеспечивает взвод механизма свободного расцепления и включения ВА. В цепи управления выключателя кнопки КУ1, КУ2 предназначены для включения и отключения катушек электромагнита ускоренного включения и расцепителей отключающего РО и нулевого PH.
При использовании привода выключателя на напряжение 400 В переменного тока в цепь электродвигателя вводится добавочный резистор, установленный вне ВА.
Для включения автомата из положения «Взведено» нажимают на кнопку «Вкл.». Катушка электромагнита ЭВ получает питание, он своим рычагом воздействует на элементы кинематики механизма привода, и ВА включается посредством пружин, одновременна ставя рычаг электромагнита в положение «Взведено».

Рис. 72. Принципиальная схема управления ВА с приводом ускоренного отключения (а, б — цепи силовая и управления)

При включении ВА размыкаются контакты 1—2 блок-контакта БА коммутатора и замыкаются контакты 2—3 блок-контакта Б П. При этом питание через размыкающие контакты выключателя ВК подается в цепи электродвигателя и катушки электромагнита фрикционной муфты. Электродвигатель поворачивает рычаг, сидящий на валу, который замыкает размыкающие контакты выключателя ВК и размыкает замыкающие. Цепь электродвигателя и катушка электромагнита муфты лишаются питания, и электродвигатель затормаживается: ВА подготовлен к последующему включению.
Для отключения ВА посредством кнопки «Откл.» подают питание на катушку отключающего расцепителя. Якорь расцепителя притягивается, освободив рычаг, который ударом поворачивает включающий валик, и выключатель отключается. Одновременна замыкаются размыкающие контакты коммутатора выключателя и получает питание цепь электродвигателя и электромагнита фрикционной муфты. Электродвигатель поворачивает соответствующие рычаги, которые растягивают включающие пружины, размыкают замыкающие контакты, отключают цепь питания электродвигателя и электромагнита муфты и замыкают размыкающие контакты— ВА подготовлен к пуску.
При отключении ВА через максимальный расцепитель РМ (при перегрузках и КЗ в цепи) замыкаются контакты блок-контакта БА. Цепь электродвигателя и муфты получает питание, включающие пружины растягиваются, и выключатель устанавливается в положение «Взведено» (В1, В2 — выпрямители).
Обслуживание. Обслуживание ВА требует строгого соблюдения’ правил безопасности труда и инструкций. При периодических осмотрах необходимо обязательно отключать все цепи от источников питания.
Выключатель допускает подряд три включения короткозамкнутой цепи или пять отключений тока КЗ. После этого его следует' разобрать для осмотра и удаления нагара со всех деталей или,, в крайнем случае, продуть сжатым воздухом.
Особое внимание нужно обратить на правильные включения, и отключения ВА. Перед включением он должен быть взведен. Включение нужно производить быстрым, непрерывным движением до тех пор, пока привод не будет доведен до конечного положения (упора). В противном случае выключатель не включится, его контакты начнут медленно отходить обратно, что может привести к аварии. При правильном включении контакты движутся с большой скоростью независимо от скорости движения привода, и отключение происходит нормально.
Над выключателем не должно быть посторонних предметов» которые при сотрясении могут упасть и привести к аварии. Если ВА находится во включенном или отключенном положении продолжительное время, то рекомендуется через 7 дней производить два-три включения и отключения для самоочистки контактов от пленок окислов.
При систематических осмотрах ВА необходимо: проверять и при необходимости подтягивать крепящие болты и шинные болтовые соединения; проверять состояние дугогасительных контактов и следить за их чистотой; следить за правильной установкой указателей максимальных расцепителей относительно риски на шкалах. Изменение положения расцепителей требует последующей, проверки их калибровки под током; удалять щеткой из дугогасительной камеры копоть и капли меди (неисправную камеру заменить).
При регулировании выдержки времени пристройки селективной защиты ВА изменяют сцепление зубчатой рейки с шестерней путем поворота шестерни и сцепления ее заново с рейкой. Число зубьев, находящихся в зацеплении, можно ориентировочно определить по табл. 14.
Таблица 14