Главный распределительный щит ( ГРЩ )

ГРЩ является частью судовой основной электростанции. Он предназначен для приёма электроэнергии от генераторных агрегатов, управления электрическими устройствами генераторных агрегатов, контроля параметров электрической энергии, включения и контроля за подачей электроэнергии в линии передачи этой энергии к группам потребителей и к некоторым потребителям по индивидуальным линиям питания, для защиты генераторных агрегатов и линий передачи электроэнергии от ненормальных режимов работы. Для этого ГРЩ должен быть укомплектован измерительными приборами и устройствами согласно Правил Морского Регистра Российской Федерации. Для приёма электроэнергии от генераторных агрегатов и передачи ёё в линии передачи судовой распределительной сети в секциях ГРЩ устанавливают специальные токопроводы сплошного сечения, которые называют шинами. Шины могут быть круглого или прямоугольного профиля, изолированными или неизолированными, окрашенными или неокрашенными. Окрашенные поверхности в 1,5 в 2 раза лучше излучают тепло. 40%, выделяющегося в шинах тепла, отводится в окружающее пространство излучением с поверхности шин, поэтому шины распределительных щитов чаще окрашивают. В системах переменного тока шины фазы А окрашивают в зелёный цвет, фазы В - в жёлтый, а фазы С - в фиолетовый. В системах постоянного тока шина положительной плярности окрашивается в красный цвет, а отрицательной - в синий. Окрашенные шины, той же площади сечения что и неокрашенные могу нести нагрузку на 15% больше. Имеет значение и расположение прямоугольных шин в пространстве. Шины установленные на ребро могут нести нагрузку, из-за лучшего естественного охлаждения, на 5-8% больше чем с плоскопараллельным расположением.

Температуру окружающей среды, при электрическом расчёте шин, принимают 40 град.С и если, в рабочих условиях, шины будут нагреваться больше - необходимо снижать нагрузку, применять шины большей площади сечения, или применять принудительное охлаждение.

Крепят шины к раме щита на изоляторах. Расстояния между шинами, а так же и между опорами в продольном направлении шин рассчитывают на динамическую нагрузку при токах короткого замыкания, так как в этом случае токи будут максимальными, максимальными будут и динамические силы, действующие на шины и их крепления. Сила взаимодействия между шинами, при протекании по ним тока, ньютон. Где К – 1,76 - коэффициент для трёхфазного К.З.; Кф – коэффициент формы сечения профиля балки шины;

-расстояние между опорами шин; а - расстояние между осями взаимодействующих шин. Расстояние между опорами шин и расстояние между осями шин принято в сантиметрах потому что в справочниках по сопромату механические напряжения приведены и в .

При условии равномерного распределения силы по длине балки, удельная сила

Ньютонов. Каждая шина рассматривается как многоопорная балка.

Шины в щитах укладываются параллельно и их взаимодействие происходит под прямым углом к продольной оси шин. Это приводит к появлению изгибающего момента. Максимальный изгибающий момент, действующий на шину в

поперечном направлении Нм для двухпролётной балки, и - для балки более двухпролётной.

На прочность балки влияиют не только её размеры, но и форма профиля, и вид укладки, и направление действия силы на балку. Это учитывается таким понятием как момент сопротивления. При одинаковых размерах сторон профиля сечения балок та балка которая воспринимает действующую силу вдоль большей стороны - выдерживает больший

изгибающий момент. Математически эта зависимость выражается так-

Где W - момент сопротивления балки, где b - меньшая строна профиля, h – большая сторона.

Соотношение между прочностью материала балки б, изгибающим моментом М и моментом сопротивления W, имеет математическое выражение -расчётная прочность балки..

. Если расчётная прочность балки меньше чем временная прочность её материала на разрыв, то балка соответствует необходимой прочности, если нет - то шину из каталога надо выбирать большего размера. Для электротехнической меди временная прочность на разрыв равна 14000 Н/см. кв.

После завершения расчётов шин на допустимые токи, на динамическую стойкость, их проверяют на теплостойкость А Q её находят по диаграмме зависимости AQ от Кф и

Её величину подставляют в выражение где I00- установившийся ток к.з., S – площадь поперечного сечения проводника (шины). tф - фиктивное время установления тока К.З. – определяется из рисунка 10.4

-32 -

Из рисунка 10.4 можно понять, что фиктивное время - это время когда процесс изменения тока к.з. практически завершился, а время к.з. – это время за которое ток к.з. принял значение которое в расчётах принято как установившийся ток к.з.

Аварийный распределительный щит - является составной частью аварийной судовой электростанции и выполняет те же функции что и ГРЩ в основной электростанции.

От АРЩ питаются потребители электрической энергии 1-й степени ответственности (1-й категории). Обычно АРЩ имеют три секции - одна силовая 380 вольт, одна генераторная 380 вольт и одна секция 220 вольт - питание навигационных приборов и общесудовых сигнализаций. В нормальном режиме работы судна АРЩ питается от ГРЩ через специальную кабельную линию которая в АРЩ имеет блокировку (Контактор КБ),

Который не позволяет включить работающий аварийный генератор если есть питание от ГРЩ. Система автоматического запуска АДГ может находиться внутри генераторной панели АРЩ или вынесена отдельно в специальном щите управления. В щите управления АДГ имеется, контролирующее питание от ГРЩ, реле, которое даёт команду на запуск АДГ и, в случае удачного запуска, подаётся команда на включение АДГ на шины АРЩ. Регистром на это определено 45 секунд. Дизель, на большинстве современных судов, находится на постоянном подогреве. Щит укомплектован контрольно - измерительными приборами что даёт возможность контролировать все необходимые параметры работы аварийной электростанции.

Вся автоматическая аппаратура управления получает питание по двум каналам - через

Выпрямитель и от аккумуляторов. Аккумуляторы должны обеспечить питанием приёмники в течении 30 минут. Механическая конструкция АРЩ аналогична принципу конструкции ГРЩ. Помещение где должна находиться аварийная электростанция должна неаходиться выше главной палубы, а выход из помещения станции должен быть в наружный контур судна (не во внутрь надстроек).

Групповые распределительные щиты - предназначены для распределения питания, поступающего от ГРЩ, между группой одноимённых потребителей расположенных в ближайшем контуре. Конструктивно РЩ выполнены в виде закрывающегося металлического шкафа. Ввод кабелей может осуществляться через уплотнительные сальники, или через открытый вырез, в нижней или боковой стенке шкафа. Щит снабжен приборами для контроля тока отдельных потребителей, автоматическими выключателями, или неавтоматическим с предохранителями в каждой линии. Степень защиты от влияния окружающей среды зависит от места установки щита и обозначается по принятой системе. Щиты могут быть оборудованы шинами голыми или в виде отрезков кабелей, в последнем случае шины могут не иметь специального крепления.

Контактные электрические аппараты - предназначены для осуществления оперативного включения, нормального отключения и аварийного отключения потребителей при срабатывании защиты. К аппаратам относят выключатели, контакторы, реле и т.п. устройства.

Выключатели существуют различных конструкций, но все они выполнены таким образом

что бы обеспечить быстрое замыкание и размыкание контактов, что достигается применением пружинных устройств, которые имеют два устойчивых состояния. Нарушение одного устойчивого состояния приводит к мгновенному переводу механизма в другое устойчивое состояние, при этом, производится перевод в другое состояние и положение контактов, осуществляя их прижатие друг к другу или разведение их одного от другого, устанавливая или разрывая целостность электрической цепи. Предварительное натяжение пружины и приведение её в действие может осуществляться мускульной силой оператора непосредственным воздействием на управляющий орган выключателя, или дистанционно с применением электромеханического привода. Выключатели на токи до сотен ампер обычно приводятся в действие оператором непосредственным воздействием, выключатели на токи тысячу и более ампер приводятся в действие через специальные механические передачи или с применением дистанционного привода. Выключатели на десятки и более ампер тока оборудуют устройствами дугогашения так как при

напряжениях более 30 вольт и токах в десятки ампер, при разрыве электрической цепи, возникает электрическая дуга в канале которой выделяется большое количество тепла и температура поднимается до 10 000 градусов Цельсия, это грозит разрушением не только контактов, но и других деталей выключателя. Способов дугогашения есть

несколько, но наибольшее распространение получили магнитное дутьё и дробление дуги на части. При магнитном дутье, специальной катушкой включаемой последовательно в цепь с разрываемыми контактами, создаётся магнитное поле направленное поперёк канала дуги и по правилу левой руки на дугу оказывается силовое действие выталкивающее её из области между контактами, таким образом, дуга удлиняется, её сопротивление увеличивается, выделение энергии уменьшается, дуга охлаждается, всё это вместе приводит к разрыву и угасанию дуги. Второй способ - установка деионной решетки - ряда металлических, изолированных друг от друга пластин охватывающих разрывающиеся контакты с трёх сторон. При возникновении дуги она отбрасывается на эти пластины магнитным или воздушным дутьём, расщепляется пластинами на несколько коротких частей, удлиняется, охлаждается и гаснет.

Кроме дуги, источником тепла на контактах могут быть шероховатость их поверхности, окисление металла контактов. Для устранения этого применяют специальные мало окисляющиеся сплавы серебра, платины и палладия, шлифуют и полируют контактную поверхность, увеличивают, по возможности, нажатие контактов пружинами сминая выступы неровностей контактирующих поверхностей увеличивая, таким образом, площадь касания контактов и уменьшая плотность тока в местах касания контактов, снижая выделение тепла в этих местах.

Увеличение площади касания и, таким образом, снижения плотности тока на контактах,

достигается так же созданием некоторого скольжения подвижного контакта 3 по поверхности неподвижного контакта 5 на (рисунке 10.6.) по мере осуществления процесса их замыкания. В этом случае, подвижный контакт 3 крепится на конце упругой пластины прикрепляемой к якорю 2 через изолирующую накладку 4. По мере движения якоря к сердечнику магнитопровода 1, контакт 3, после касания неподвижного контакта 5, продолжит скользящим движение по поверхности контакта 5 «зализывая» неровности на поверхностях обоих контактов и этот процесс продолжится до момента касания якорем неподвижного сердечника магнитопровода электромагнитного устройства. Это разрушает окисную плёнку на поверхности контактов, уменьшая выделение на них тепла.

Рис. 10.6. Электромагнитное контактное замыкающее устройство.

1. Неподвижный сердечник магнитопровод.
2. Якорь.
3. Упругая пластина с подвижным контактом
4. Изолирующая накладка.
5. Неподвижный контакт.
6. Электрическая обмотка.

ЛЕКЦИЯ № 11. Тема: Аппаратура в распределительных щитах.

Аппаратура в щитах применяется для предотвращения нежелательных последствий при возникновении ненормальностей в работе САЭЭС, т.е. осуществления её защиты.

66К защитной аппаратуре относят: предохранители, автоматические выключатели, электромагнитные, тепловые и индукционные реле работающие в измерительных цепях и осуществляющих отключение соответствующего оборудования и подачу предупредительных и аварийных сигналов.

Предохранители являются аппаратами максимальной защиты и предназначены для отключения отдельных элементов и цепей САЭЭС при возникновении коротких замыканий и превышении предельных токов перегрузки.

Конструкция этих аппаратов включает в свой состав корпус предохранителя, плавкую вставку и патрон, являющийся деталью удерживающей предохранитель на месте его установки. Плавкая вставка представляется в виде тонкой проволоки, помещаемой в корпус предохранителя, обычно

зажимаемой в контактные наконечники корпуса, или в виде цинковой пластины с несколькими зауженными местами по её длине. Вставки в виде пластины обычно изготавливают сменными, они зажимаются в контактных наконечниках имеющих крышки с резьбой для навинчивания крышек на наконечники прочно соединённые с корпусом предохранителя. Наконечники имеют прорези для проводки вставок через

Рис. 11.1 I тело наконечника и зажима его между наконечником и Пояснение к обеспечениюI его крышкой. Вставка предохранителя включается в селективности защиты. I электрическую цепь последовательно и по её телу протекает ток защищаемой нагрузки. Количество выделяемого в теле вставки тепла зависит от плотности тока, а в узких местах

площадь сечения тела вставки меньше - плотность тока больше. Температура вставки в этих местах выше чем в остальной части тела вставки. При определённой температуре пластина плавится в узких местах. Плавление происходит во всех узких местах, практически одновременно, что обеспечивает разрыв на несколько частей, возникающей электрической дуги, - её удлинение и быстрое гашение. Корпуса предохранителей изготавливают стеклянные, керамические, фибровые, различной формы и размеров. Один предохранитель может защищать отдельно работающее устройство или группу устройств одновременно. Выбирают предохранитель по величине тока вставки и размеру патрона в котором предохранитель крепится. Ток вставки для цепи освещения, нагревателей, приборов управления А.

Где Iпл. вст.- ток плавления вставки;

Iiн – номинальный ток одного потребителя энергии. i – число элементов цепи.

Для одиночно работающего электродвигателя

Ток плавления вставки . Где К – коэффициент пускового режима двигателя.

Рис 11.2 Изображение формы сменной вставки и распределения температуры по её длине

Для двигателей постоянного тока и асинхронных с фазным ротором К = 1,2 ….1,5.

Для асинхронных К.З. двигателей К = 2,5…3,0.

-36-

Большее значение относится к двигателям большей мощности.

где - сумма номинальных токов работающих двигателей, кроме того которому предстоит пуск. За двигатель с предстоящим пуском принимается двигатель с наибольшей мощностью из группы защищенных двигателей.

На рис.11.2. показана форма сменной плавкой вставки в виде пластины и распределение температуры нагрева вставки по её длине. В судовой сети предохранители и другие защитные устройства выбираются и устанавливаются в цепи так что бы устройство располагаемое ближе к потребителю электроэнергии срабатывало первым, оно располагается в шкафах управления. За ним должно срабатывать устройство с большей уставкой срабатывания по току. Это устройство защищает электрическую цепь на участке от потребителя до места установки защитного устройства, обычно это место в районном распределительном щите или в ГРЩ. Такая система защиты называется селективной (выборочной). Это значит, что система сама выбирает какую часть сети отключить в зависимости от того в каком участке сети произошла неполадка вызвавшая запредельное

увеличение тока. На рис.11.3 показано построение селективной защиты. Группа электродвигателей получает питание от ГРЩ через групповой распределительный щит РЩ. На рисм.11.1 пояснена работа селективной защиты.

. Рис. 11.3. Пример селективной защиты

Каждый двигатель питается через автоматический выключатель А1 ….А3 и имеет в своей цепи элемент тепловой защиты Е1….Е3 располагаемый в шкафу магнитного пускателя (на рисунке не показан). При черезмерном токе двигателяпервой срабатывает тепловая защита перегруженного двигателя, не мешая работе остальных машин. Второй срабатавает автоматический выключатель, отключая кабельную линию перегруженного двигателя, защищая её от неисправностей возникающих на участке от магнитного пускателя ло распределительного щита РЩ. И, наконец, автоматический выключатель сработает защищая линию от РЩ до ГРЩ в случае повреждений в РЩ или в кабельной линии от РЩ до ГРЩ. Так осущесмтвляется избирательно защита участков т линии питания двигателей от ГРЩ до двигателей т.е. до потребителей электрической энергии. В цепях маломощных двигателей (до десятка киловатт) вместо автоматических выключателей устанавливают простые неавтоматические выключатели и плавкие предохранители.

Автоматические выключатели (АВ) - сложные электрические аппараты которые предназначены как для коммутации электрических цепей, так и для защиты оборудования и сетей от перегрузок и коротких замыканий. АВ состоит из пространственной рамы в которой собираются в единую систему все элементы конструкции выключателя. В состав конструкции АВ входят: блок контактов силовых; блок контактов вспомогательных;

электромагнитные реле; дугогасительные устройства; включающая пружина; приводной механизм взвода рабочей пружины; система рычагов механизма свободного расцепления;

Тепловые или электромагнитные устройства защиты.

Рис. 11.4. Схематическое изображение автоматического выключателя.

Работает выключатель следующим образом. 1 – корпус выключателя - в нём установлены катушка 2 электромагнитного расцепителя, подвижный 5 и неподвижный 6 контакты, рабочая пружина 4. Механизм свободного расцепления состоит из деталей - диска 3, рычага 9, пружины 4 и рукоятки 8. При движении рукоятки 8 вперёд, диск 3, механизма свободного расцепления, поворачивается вокруг опоры 10 и передвигает вперёд рычаг 9 прижимая подвижный контакт 5 к неподвижному контакту 6 и растягивая пружину 4. По мере поворота диска 3 опора рычага 9 на диске 3 занимает место ниже точки опоры диска и система принимает устойчивое положение с замкнутым контактом. Катушка 2, электромагнитного расцепителя, включена последовательно в цепь питания потребителя электроэнергии. При превышении током потребителя заданной величины подвижный сердечник 7 расцепителя, действуя на рычаг 9, поднимает его конец опоры, на диске 3, занимает положение выше точки опоры 10 диска 3.Под действием пружины 4 диск 3 поворачивается, на рисунке против часовой стрелки, рычаг 9 отходит вправо отводя подвижный контакт от неподвижного, размыкая электрическую цепь. Механизм свободного расцепления занимает исходное устойчивое положение в выключенном положении выключателя. Выключатели выпускаются разных конструкций, но принцип их действия сохраняется для всех типов автоматических выключателей. Расцепители АВ могут быть по току перегрузки, максимального тока (К.З.), минимального напряжения, тепловые, электромагнитные с замедлителем срабатывания различного типа. В АВ могут быть одновременно как электромагнитные, так и тепловые расцепители.

Рис.11.5. Защитные характеристики расцепителей.

а) Электромагнитный расцепитель от тока короткого замыкания.

б) Электромагнитный расцепитель от токов перегрузки и к.з. с замедлителем.

в) Тепловой расцепитель от токов перегрузки.

Выбор автоматического выключателя производят по номинальному току главных контактов. Номинальный ток защищаемой сети не должен превышать номинальный ток выключателя. Затем определяют токи расцепителей для защиты сети от перегрузок и коротких замыканий. В характеристиках выключателей указываются номинальные токи как в зоне перегрузок, так и в зоне к.з.. Номинальный ток перегрузки является одним из главных параметров при выборе выключателей и он равен

где Iнр.гр. - номинальный ток расцепителя в зоне перегрузок,.

Iiн - номинальный ток i-того потребителя.

Неселективные установочные АВ срабатывают при токах перегрузки 1,25 -- 1,8 от номинального тока расцепителя в зоне перегрузок, при этом, чем больше ток перегрузки тем быстрее сработает ресцепитель. Некоторые АВ имеют механизм регулирования тока срабатывания, этот ток, после установки называют током уставки.

Где Iуст.гр.- ток уставки АВ в зоне перегрузок. Для защиты сетей в зоне кротких замыканий номинальный ток расцепителя в зоне к.з. равен Таб.11.1

В таблице 11.1 показаны токи расцепителей АВ при разных условиях работы.

Для защиты от коротких замыканий сетей при работе группы электродвигателей применяют формулу

Где - сумма токов одновременно работающих двигателей;

- разница между пусковым и номинальным токами двигателя с наибольшей мощностью.

В технических характеристиках АВ ток трогания расцепителя в режиме короткого замыкания называют уставкой тока в зоне К.З. Iуст. к.з. – она равна кратному числу номинального тока расцепителя в зоне перегрузок. Например, для АВ серии А3100Р

К.З. Iуст. к.з = 10 Iнр. гр.

Реле защиты. Кроме автоматических выключателей и предохранителей для защиты сетей от ненормальных режимов могут применяться различные виды реле работающие самостоятельно в устройствах управления.

Тепловые реле применяют для защиты двигателей постоянного и переменного тока. Принцип действия таких устройств основан на использовании эффекта изменения формы (изгибания) пластины состоящей из двух разных металлов с разными тепловыми коэффициентами деформации. При нагреве такой пластины её слои удлиняются на разную величину это приводит к изгибу пластины в сторону слоя с металлом с меньшим тепловым расширением. Изгибаясь пластина приводит в действие механизм замыкания или размыкания электрических контактов устройства, оказывая управляющее действие на работу электродвигателя. Характеристика теплового реле такая как изображено на рис.11.5 В. Для судового оборудования в России выпускают серию тепловых реле ТРТ различающихся диапазоном ампер- секундных характеристик с токами уставок в пределах (0,85…1,15) I номинального тока реле.

Индукционные реле применяют для защиты генераторов от перехода в двигательный режим при их параллельной работе (от обратной мощности или обратного тока).

Рис. 11.6. Принципиальная схема конструкции индукционного реле ИМ- 149

1- Подшипник. 2- Вал. 3- Пружина. 4 – Электромагнит с токовой катушкой.

5 – Электромагнит с катушкой напряжения. 6 – Замыкатель контактов 7.

7 - электрические контакты. 8 – Постоянный магнит. 9 – алюминиевый диск.

Работает ИМ-149 следующим образом: В пошипниках 1 установлен вал на котором закреплены два диска 6 и 8. Алюминиевый диск охватывают магнитопроводы 4, 5 и 8. Магнитопровод 4 формирует переменный магнитный поток, создаваемый расположенной на нём катушкой, включённой последовательно в разрыв фазы С, линии передачи электроэнергии от генератора к главным шинам ГРЩ. Магнитопровод 5 формирует переменный магнитный поток, создаваемый расположенной на этом магнитопроводе катушкой, включённой на напряжение между фазами В и С. Под действием магнитных потоков магнитопроводов 4 и 5 в алюминиевом диске 9 создаются вихревые токи которые, взаимодействуя с создаваемыми их потоками, создают вращающий момент на валу реле. Пружина 3, закручиваясь, противодействует вращению вала. Катушки магнитов включаются так что когда ток идёт от генератора в сеть – вал2 стремится повернуться в направлении препятствующем замыканию контактов 7 замыкателем 6. Если направление тока в одной из катушек магнитов изменить - момент действующий на вал 2 изменит своё напрвление на противоположное и вал, повернувшись переместит замыкатель 6 на упор с контактами 7 - замкнёт их. Через эти контакты будет подано питание на промежуточное электромагнитное реле которое обесточит катушку минимального напряжения генераторного автомата и автомат отключит генератор от главных шин ГРЩ. Постоянный магнит 8 предназначен для притормаживания вращения диска 9 для повышения устойчивости работы реле. В зависимости от схемы защиты генератора реле обратного тока может использоваться или с нормально - замкнутыми, или с нормально разомкнутыми контактами, работа реле от этого не меняется.

ЛЕЦИЯ № 12 Тема: Судовые электрические сети.

Судовые электрические сети предназначены для передачи электроэнергии от источников и распределения её между потребителями. В состав сети входят районные распределительные щиты РЩ, кабельные линии, ответвительные коробки и арматура - выключатели, розетки и т.п. устройства. Сети делят на силовые, осветительные и слаботочные разных назначений. По схеме передачи электроэнергии сети различают: Магистральные, лучевые и комбинированные или магистрально - лучевые. На Рис. 12. 1 приведены примеры типов сетей.

Рис.12. 1. Типы распределительных электрических сетей.

Магистральный тип сети представленный на рис. 12.1 изображает две магистрали. В таких случаях магистрали прокладываются вдоль бортов судна и в носовой части судна могут соединяться в одну цепь. Образующуюся при этом схему сети называют кольцевой.

Посредством судовой сети передаётся электрическая энергия, а значит часть этой энергии выделяется в элементах этой сети. Основными элементами участвующими в этом процессе являются кабели и провода, поэтому они нуждаются в расчётах на способность выполнять функции энергопередачи. Для каждого проводника сети определяется величина тока в номинальном режиме его работы и по величине тока определяют параметры кабеля или провода необходимого для передачи нужного количества энергии к объекту её потребления. На основании определённой величины рабочего тока любого из элементов в составе сети определяют, если этот необходимо, электрические и конструктивные параметры интересующего объекта. Так ток для кабеля, соединяющего генератор с ГРЩ, принимается равным номинальному току генератора.

Где Iгн – номинальный ток генератора Ампер, Рн – номинальная мощность генератора кВт, Uн - номинальное напряжение генератора вольт, COS н – номинальный коэффициент мощности.

Расчётный ток кабеля передачи энергии от аккумулятора равен току аккумуляторной данном режиме разряда (см. лекция № 6). Ток кабеля для первичной обмотки трансформатора определяется по формуле:

Где Sн – номинальная мощность трансформатора,

Uн – напряжение первичной обмотки трансформатора,

- номинальный КПД трансформатора.

Для вторичной обмотки трансформатора .

Ток кабеля соединяющего двигатель с РЩ или ГРЩ определяется по формуле:

Где Рн - номинальная мощность электродвигателя кВт.

Кз – коэффициент загрузки. Uс – Номинальное линейное напряжение сети В.

Для кабеля нагревательных приборов и приборов освещения с лампами накаливания ток определяется по формуле: Где Рн – номинальная мощность прибора кВт.

Uс – напряжение сети В.

Ток кабеля к РЩ питаемого от ГРЩ для постоянного тока А.

для переменного тока , Ipi – реактивный ток i-того приёмника; Кср – коэффициент совместной где Ii – ток отдельного i -того приёмника; Iai – активный ток i-того приём работы приёмников, подключённых к ГРЩ;

n – число приёмников рассматриваемой группы.

Расчётный ток приёмников принимают наибольшим с учётом возможной максимальной загрузки в различных режимах их работы. Последней формулой необходимо пользоваться когда к РЩ подключены приёмники с разным характером нагрузки, например, линия освещения с лампами накаливания и трансформатор. При однообразной по характеру нагрузке, например, двигатели асинхронные можно пользоваться формулой для постоянного тока, при этом ток Ii находится по формуле для Iэд соединяемого С РЩ.

После определения токов для линий электропередачи выбирают сечения жил кабелей с учётом условий работы кабеля. По расчётному току, с учётом продолжительности работы, места прокладки, окружающей температуре, прокладки в одиночном порядке или в жгуте,

в трубе или открыто, по справочной таблице выбирают сечение жилы кабеля. При этом в зависимости от вышеперечисленных условий корректируют расчётный ток кабеля.

Где К1 – коэффициент учёта расположения кабеля в пучке или в трубе,

К1 = 0,9 при прокладке в однорядном пучке, К1= 0,8 при прокладке в двухрядном пучке и К1= 0,6 при прокладке более чем в трёхрядном пучке.

- коэффициент длительности работы кабеля. tраб. –суммарное время работы кабеля в течении суток

При этом должно быть .

Так как К1 х К2 может быть больше или меньше единицы, то при значении этого произведения больше 1 оно принимается равным 1, в противном случае корректированный расчётный ток кабеля может оказаться меньше некорректированного, что противоречит тому, что при прокладке кабеля в пучке, его охлаждение ухудшается.

Рас чётный ток с учётом корректировки определяется по формуле

где - изменение токовой нагрузки при изменении температуры окружающей среды отличающееся от .При этом знак плюс или минус получается на основании выражения , где - ток кабеля, согласно таблицам, при ; 65 – заданная температура нагрева изоляции кабеля. - фактическая температура окружающей среды в . Из выражения видно, что величина будет положительной и ток расчётный корректированный ток увеличится, следовательно увеличится и сечение жилы кабеля.

При всё наоборот и сечение жилы кабеля уменьшится. Соответственно изменятся и полотности токов в жиле. Задача инженера по полученным данным найти в таблицах сечение кабеля соответствующее полученному Затем предстоит проверка кабеля на потерю напряжения и возможна, в связи с этим, корректировка сечения жилы кабеля. Снижение напряжения, как указывалось в предыдущих лекциях, ухудшает работу электродвигателей и другого оборудования Поэтому Правилами Регистра устанавливается, что потеря напряжения в кабельной линии от РЩ до потребителя электроэнергии не должна превышать: для силовой сети 7%; для сети освешения 110 и 220 вольт - 5%; для сети освещения 36 В - 10%.

Для сети постоянного тока потеря напряжения определяется по формуле

- ток нагрузки А

-Сопротивление одного провода Ом

- Номинальное напряжение сети В

- Длина кабеля М

- Площадь сечения жилы кабеля

- Удельная электрическая проводимость

Для меди =48 . 2-коэффициент учитывающий потери в прямом и обратном направлениях. В сетях переменного тока, когда присутствуют как активная, так и реактивная составляющие тока где X и R индуктивное и активное сопротивления всего кабеля.

В трёхфазной симметричной линии потери определяются так же, но вместо коэффициента 2 применяется коэффициент .

Поскольку индуктивное сопротивление кабеля при частоте тока 50 Гц многократно меньше активного сопротивления, то в инженерных расчётах допускается его не учитывать и линейную потерю напряжения определять по формуле: Эта формула не вносит заметных погрешностей при сечениях жилы кабеля менее 16 , но при больших сечениях, всё же надо пользоваться формулой учитывающей реактивную составляющую сопротивления линии. Так как то формулу для определения потери напряжения не учитывающую реактивного сопротивления можно написать .

Если в линии работают приёмники с близкими значениями (например, асинхронные двигатели) то можно использовать средний коэффициент мощности . Если в линию подключены разные приёмники (например люминесцентные светильники и нагревательные приборы) то для каждого приёмника рассчитывается активный ток Iа, который потом суммируется для определения общего тока Iа1 + Iа2 + Iа3….. и только потом определяют потерю линейного напряжения .

Сечение жилы кабеля выбрано правильно если .

Лекция 13. Тема: Безопасная эксплуатация судовых электроэнергетических систем.

В группу этих вопросов входят меры по предупреждению поражений персонала электрическим током при использовании электрифицированных технических средств судна, понимание процессов происходящих в электрооборудовании при его использовании и соблюдение правильности действий при управлении электрическими

устройствами для обеспечения безотказной и безаварийной работы технических систем и судна. Тема безопасности эксплуатации судовых электрических систем разделяется на три части: 1. Электро безопасность электрических сетей; 2. Пожарная безопасность электрических сетей; 3. Контроль сопротивления изоляции электрических сетей.

Электрические сети строятся по двум вариантам,- с нейтралью соединённой с корпусом судна, и изолированной нейтралью. Первый вариант на судах применяется на много реже чем второй, но его рассмотрение помогает лучше понять включение человека в замкнутую электрическую цепь и прохождение через его тело электрического тока поэтому этот вариант цепи рассмотрим первым. Рис.13.1

Рис. 13.1 Схема поражения человека электрическим током в сети с заземлённой нейтралью.

При случайном прикосновении человека к неизолированному проводу А человек включается в замкнутый контур так же как лампа ELА и на человека будет действовать напряжение Uф и пройдёт ток Iч определяемый сопротивлением Rч тела человека

где Rч – сопротивление тела человека. Rзк – сопротивление заземления контура. Эти сопротивления будут зависеть от многих составляющих причин:

-от состояния кожи человека, от его эмоционального состояния, от влажности, от состояния обуви и покрытий на которых будет стоять человек, от состояния места корпуса судна на котором человек будет стоять и эти сопротивления будут меняться в широких пределах. С этим будет меняться и ток через тело человека.

Действие тока на человека следующее: 0,5 …2,5 мА - человек не ощущает его действия; 3…6 мА - ощущается лёгкое пощипывание; 10…20 мА - ощущается болевое воздействие; 25…50 мА - возможен паралич мышц и невозможность самостоятельно оторваться от провода; 60…80 мА - наступает паралич дыхания; 90…100 мА - возникает паралич сердца. Из приведенного видно, что безопасным представляется ток до 10 мА. Задачей безопасной эксплуатации системы является ограничение возможного воздействия на человека тока до этой величины – 10 мА. При попадании под действие линейного напряжения ток через человека определяется согласно выражения

где Z – полное сопротивление утечек на корпус судна или на землю. Z

Rиз - сопротивление изоляции активное; Х - ёмкостное сопротивление между жилами проводов и корпусом. Известно, что Хс = 1/ w С

Где w = 2пf, С – ёмкость электрических сетей относительно корпуса. Тогда при увеличении С ёмкостное сопротивление, с увеличением частоты тока, - уменьшается, а ток увеличивается. Однако, решающую роль на величину полного сопротивления утечки играет активное сопротивление изоляции. Поэтому сопротивлению изоляции уделяют основное внимание.

Рис13.2 Схема поражения человека током в сети с изолированной нейтралью. Rиз Z.

Исходя из анализа схем на рисунках 13.1 и 13.2 можно сделать вывод, что правила и меры безопасности должны сводиться к трём группам:

1. Снижение подводимого напряжения в пределе стремясь к 0 ;

2. Повышение сопротивления контуров стремясь в пределе к бесконечности и ;

3. Применение защитных заземлений.

Понижение напряжения применяют для переносного освещения (36 …12 вольт) и переносное электрооборудование (инструмент, механизмы).

Повышение сопротивления цепи в которую включается человек при случайном попадании под напряжение достигается применением индивидуальной защиты (перчатки и т.п.), изолированием ручек инструмента. Во всех случаях в начале питающей линии должен быть выключатель автоматический или ручного привода, что бы можно было отключить питание при попадании человека под напряжение

Применение защитных заземлений понижает напряжение корпусов оборудования при пробое изоляции и снижает ток через человека до безопасной величины при случайном прикосновении к оборудованию с пробитой изоляцией. Заземляющий проводник должен быть без изоляции и иметь сечение не менее 4 мм.кв.

Рис. 13.3 Применение заземления оборудования.

Пожарной безопасности на судне уделяется особое внимание. Из-за неисправности электрооборудования на судах происходит до 6% всех пожаров и 75% из них приходится на неисправность электрических сетей. Причиной пожара может быть местный нагрев или электрическая дуга возникающие в местах перетирания или по любой причине местное снижения сопротивления изоляции до 200…600 Ом. В таких местах образуется токопроводящий мостик в котором выделяется достаточное количество тепловой энергии что бы поднять температуру до разрушения изоляционного материала и произойти короткому замыканию вызывающему возгорание способных к горению материалов в зоне действия нагрева. В сетях переменного тока с изолированной нейтралью ток замыкания и мощность выделяемой энергии определяется формулами:

Где IЗ -ток замыкания в месте повреждения изоляции;

Рз - мощность выделяемая в месте замыкания;

Rз - сопротивление токопроводящего мостика в месте замыкания.

Из формул видно, что ток IЗ, замыкания в месте повреждения изоляции, и мощность Рз, зависят от активного сопротивления Rз и ёмкостного сопротивления относительно корпуса. Это отражено на рисунке 13.4.

Рис. 13.4 Мощность энергии в точке местного нагрева.

Возможными причинами повышения температуры в местных точках являются ослабления контактных соединений и повышение сопротивлений в этих точках. Устранить эту опасность можно регулярными осмотрами этих соединений и их поджатиями.

Второй причиной возникновения пожаров являются искрообразование и дуга. Для устранения этих причин применяют усиление изоляции, прокладка кабелей в трубах, исключение подвижки кабелей в местах их креплений в трассах. Уменьшение объёма внутреннего пространства в коробках и шкафах расположения аппаратуры управления и распределения, относительно объёма занимаемого кабелями в них, это уменьшает доступ кислорода в эти объёмы в случае возникновения искрений и дуги и снижает возможность развития пожара. При этом, для снижения доступа кислорода воздуха в шкафы и коробки управления, ввод в них кабелей необходимо герметизирловать применением сальников.

Из всего изложенного вытекает, что опасность пожаров из-за снижения сопротивления изоляции связанного с уменьшением ёмкостного сопротивления при увеличении развития кабельной сети, возрастает. В связи с этим соблюдение безопасных методов эксплуатации сетей и поддержание исправном состоянии герметизирующих устройств кабельных вводов приобретает особо важное значение в повышении пожаробезопасности электрических систем.

Для обеспечения безопасности для человека от поражения электрическим током и снижения пожароопасности, при эксплуатации электрических систем, важным является контроль за состоянием сопротивления изоляции кабельных сетей и оборудования.

В связи с важностью этого вопроса он находится под надзором Морского Регистра России. Правилами Регистра установлены минимально допустимые величины сопротивления изоляции для каждого вида из электрооборудования судна и элемента его кабельной сети и проверяется сопротивление изоляции при каждом освидетельствовании Регистром технического состояния судовых устройств. При обнаружении сопротивления изоляции судовой сети или элемента электрооборудования судна ниже допустимой нрмы они запрещаются к эксплуатации, в этом случае невозможна эксплуатация и судна в целом. Поэтому контроль за сопротивлением изоляции ведётся ежедневно с записью в машинном журнале результата наблюдения, а раз в месяц производится измерение сопротивления изоляции судовым электроперсоналом с записью результатов в формуляре технического состояния СТС (в журнале записей состояния сопротивления изоляции).

При очередном освидетельствовании судна Регистром этот формуляр проверяется инспектором Регистра и производится измерение сопротивления изоляции всех частей электрооборудования суда под наблюдением инспектора Регистра с составлением соответствующего Акта. Ежедневный контроль сопротивления изоляции производится электромехаником судна, или лицом его замещающим, с использованием устройств измерения устаногвленных на ГРЩ. Такие же устройства могут быть установлены на районных электрических подстанциях. Устройства постоянного контроля сопротивления изоляции могут быть представлены специально включаемыми лампами накаливания или щитовыми мегомметрами, или специальными приборами типа «Электрон». Устройства типа «Электрон» могут быть сигнальными и защитными возможностями, при снижении сопротивления изоляции до установленного уровня включается звуковая и световая сигнализация, а линия, со снизившимся сопротивлением изоляции, автоматически отключается. Такое устройство применяется на некоторых судах для защиты персонала от поражения электрическим током.

Рис 13.5 Схема контроля изоляции с помощью ламп накаливания. При нажатии кнопки КН загораются лампы Л1, Л2, Л3, та лампа которая\ подключена к линии со сниженным сопротивлением изоляции светится слабее чем другие. Это указывает на только на наличие неисправности, но и на линию в которой надо искать неисправность.

Рис. 13.6 Схема включения щитового мегомметра.

В 13.6. используется метод наложения постоянного тока на сеть переменного тока для измерениясопротивления изоляции в такой сети. Выпрямленное выпрямителем напряжение подаётся к первичной обмотке трансформатора и в сеть переменного тока из которой, через сопротивление изоляции и через корпус судна, - ток проходит в обмотку мегомметра. Показания ме5гомметра пропорциональны сопротивлению изоляции, а шкала прибора градуирована в единицах измерения сопротивления. По такой шкале и показывается сопротивление измеренное мегомметром.

Лекция 14. ТЕМА: Параллельная работа генераторов.

Генераторы на судне подключаются на генераторные панели ГРЩ, которые соединяются с силовыми распределительными панелями. Таким образом каждый генератор питает одну часть потребителей электроэнергии получающих питание через силовые распределительные секции соединённые с этим генератором. Для того чтобы другим генератором питать потребители получающие, обычно, питание от своего генератора необходимо соединить главные шины разных силовых секций и подать на них питание от нужного генератора. На это уйдет какое-то время, кроме того, мощности одного генератора может оказаться недостаточной для питания всех потребителей работающих одновременно. Для быстрого переключения потребителей, без выключения генератора при переходе на другой генератор, надо включить два генератора на параллельную работу. Параллельная работа генераторов обеспечивает наибольшее значение КПД каждого из генераторов (при работе на 60 – 90% нагрузки), плавный перевод нагрузки с одного генератора на другой, надёжность работы электростанции, снижает колебания напряжения при изменении нагрузки электростанции, позволяет ремонт и обслуживание её частей не прерывая работы электростанции в целом.

Для безопасного выполнения процесса включения генераторов на параллельную работу необходимо обеспечить определённые условия включения генераторов: равенство напряжений работающего и включаемого генераторов; равенство частот; совпадение по фазе напряжений на момент включения включаемого генератора; одинаковое чередование фаз. Автоматические выключатели генераторов подключают неподвижными главными контактами к главным шинам генераторных секций ГРЩ, а подвижными - к проводам передающим питание от генератора на ГРЩ. Несоблюдение хотя бы одного из условий правильного включения генераторов приводит к броску уравнительного тока с нежелательными последствиями вплоть до отключения обоих генераторов и к повреждению генераторов или их приводных двигателей. Несовпадение по фазе напряжений, на момент включения генератора, равносильно неравенству напряжений между подвижными и неподвижными контактами генераторных автоматов. Неравенство частот вызывает постоянное смещение фаз напряжений генераторов относительно одного от другого и затрудняет своевременность включения генератора с теми же последствиями. Во всех случаях, несоответствия условий включения генераторов требуемым, вызывает появление уравнительного тока между включаемыми генераторами который может принимать недопустимые значения. При неодинаковых частотах и разных направлениях чередования фаз возникает биение напряжения. На рис.14.1 показана диаграмма ситуации при возникновении биения напряжения генератора для одной фазы, здесь представлено напряжение одной фазы работающего генератора и ЭДС подключаемого на параллельную работу генератора работающего без нагрузки, U1 и E2 = U2. Вектор U1 вращается со скоростью =2пf1, а Е2 - со скоростью =2пf2 показано на.Рис.14.1 В какой-то момент времени векторы расположатся как показано на Рис 14.1. Их результирующий вектор будет равен сумме векторов U1 и E2 = U2. В случае включения генератора в этот момент, п,од действием , по цепи пойдёт электрический ток Iу, по фазе отстающий от напряжения.

Рис. 14.1. Упросчённая диаграмма напряжений и уравнительного тока генераторов работающего и готовящегося к включению на параллельную работу.

на 90 градусов, так как активные сопротивления статорных обмоток генераторов ничтожно малы сравнительно с их индуктивными сопротивлениями. Для рассматриваемого момента ток Iу является практически активным и нагружает генераторы

один в генераторном - другой в двигательном режимах. Для гарантированной синхронизации ток Iу не должен превышать номинального тока генераторов.

Рис.14.2. Положение контактов АВ 1 и АВ 2 - автоматических генераторных выключателей перед включением их на параллельную работу.

На рис.14.2. Видно, что напряжение первого генератора, через главные шины ГРЩ, подводится к верхним (неподвижным) контактам АВ 2. Таким образом, напряжение первого (работающего генератора) и второго (включаемого генератора), правомерно рассматривать как напряжения между подвижным и неподвижным контактами АВ2 – второго генератора. разности частот вращения генераторов между подвижными и

Рис.14.3 Напряжение биения и его изменение во времени

На Рис. 14.3 показан момент максимального напряжения биения и необходимый момент включения генератора на параллельную работу. tнв – время начала включения генератора,

tкв – время окончания процесса включения генератора, tоп – время опережения момента включения необходимое на реакцию оператора и на срабатывание устройства включения.

Максимальное напряжение биения наступает, когда в результате взаимного перемещения во времени амплитуда напряжения генератора 1 и ЭДС генератора 2 оказываются в противофазе. Это взаимное перемещение амплитуд обусловлено разностью частот вращения генераторов, а значит и изменением положения взаимного расположения векторов этих величин на векторной диаграмме напряжений генераторов см. Рис.14.4

Рис.14.4. Векторная диаграмма напряжений и ЭДС при разных частотах вращения генераторов включаемых на параллельную работу.

Максимум напряжения между неподвижными и подвижными контактами (напряжения биения) АВ2 происходит с периодом Тб = 1/fб.

Таким образом, подключив параллельно разомкнутым контактам каждой фазы контролирующий прибор (лампы), можно контролировать напряжение биения и правильно определять момент включения включаемого генератора. Этот момент будет соотвествовать моменту погасания ламп т,е. моменту когда напряжение биения будет равно нулю.

Применяются методы включения генераторов на параллельную работу: точная ручная синхронизация,когда выполняются все условия включения генераторов на совместную работу; грубая ручная синхронизация, когда равество нулю напряжения биения не выдерживается. При этом возникающий уравнительный ток ограничивается специальным индуктивным сопротивлением, которое должно быть больше суммарного индуктивного сопротивления обоих включаемых в параллель генераторов. При этом уравнительный ток определится по выражению I= Uб(t)/ Х1 + Х2 + Хр где Х1 и Х2 индуктивные сопротивления генераторов, а Хр - индуктивное сопротивление реактора (специального временно включаемого индуктивного сопротивления. При таком расчёте провал напряжения укладывается в требуемый Регистром диапазон 20 ….30% от номинального.

-50-

Рис. 14.5. Схема грубой синхронизации.

Метод самосинхронизации: При подготовке синхронизации обмотка возбуждения включаемого генератора отключается от цепи её питания и замыкается на сопротивление в 20 раз превышающее значение сопротивления обмотки генератора, генератор разгоняется до частоты вращения близкой к номинальной, что контролируется с помощью тахометра, за тем Автоматический выключатель включаемого генератора включается на шины ГРЩ.

Блок контактами АВ 2 включается питание на реле времени которое с выдержкой времени включает контактор подачи питания на обмотку возбуждения включаемого генератора и отключает сопротивление, ранее включавшееся параллельно обмотке возбуждения включаемого генератора. В течении выдержки реле времени генератор работает как асинхронный двигатель с явно полюсным ротором замкнутым на сопротивление, включённое параллельно обмотке возбуждения, когда контактор отключит сопротивление и включит питание обмотки возбуждения возникает синхронный момент втягивающий генератор в синхронную работу с генератором 1. При этом создаётся бросок уравнительного тока равного 5…7 микратному от номинального это приводит к большому провалу напряжения на шинах ГРЩ, поэтому этот метод применяют редко и для включения генераторов по мощности меньших чем работающий генератор и на переходный период.

Современные судовые электростанции в высокой степени автоматизированы, синхронизация и включение генераторов на параллельную работу производится автоматически.

Рис.14.6. Блок схема автоматического синхронизатора.

В приборах автоматической синхронизации используются два принципа действия, - включение при постоянном угле опережения, и включение с постоянным временем опережения. Принцип постоянного времени опережения более эффективен и используется наиболее часто, так как при этом, включение генератора на шины ГРЩ производится в момент, когда напряжение биения Uб, равно нулю и броска уравнительного тока нет.

Такой эффект достигается благодаря применению в схеме элемента реагирующего на изменения частоты биения и осуществляющего коррекцию времени опережения обеспечивая его неизменность.

Рис.14.7. К пояснению принципа постоянства времени опережения на включение генератора.

На Рис.14.6 представлена блок схема автоматического синхронизатора типов УСГ- III и УСГ-35 которые осуществляют автоматическую синхронизацию генераторов при включении их на параллельную работу. Из схемы видно, что БВ блок включения подаст команду на срабатывание автоматического выключателя генератора лишь тогда когда на нём будет отсутствовать сигнал от БЗ - блока запрета блокирующего включение автоматического выключателя. Блок запрета снимает блокирующий сигнал только после получения соответствующих сигналов от БКН - контроля напряжения, и БКЧ - контроля частоты в момент равенства нулю напряжения биения.

Лекция № 15. ТЕМА: Распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами.

Генератор, включённый на параллельную работу, необходимо нагрузить. Нагрузку распределяют пропорционально,мощностям, параллельно работающим генераторам, стремясь что бы загрузка генераторов находилась в пределах 60 - 90 % от их номинальной мощности. Осуществляется распределение нагрузки регулированием подачи энергоносителя к первичным двигателям генераторных агрегатов. Под нагрузкой понимают, прежде всего, величину тока, который протекает по рабочим обмоткам генератора в соответствии с законом Ома I = U / Z. Чтобы изменить ток в цепи необходимо изменить напряжение в ней, а значит ЭДС источника электроэнергии. ЭДС генераторов, как постоянного, так и переменного тока, обеспечивается подачей тока в их обмотки возбуждения. Какое влияние на момент на валу приводного двигателя генераторного агрегата оказывает изменение напряжения на клеммах генератора - рассмотрим с применением рисунка 15.1. Когда напряжения генераторов равны – тока между ними не будет.

Рис. 15.1. Увеличение напряжения U2 после подключения G2 параллельно G1

При увеличении напряжения на генераторе U2, после подключения его параллельно U1, приводит к появлению тока Iу между генераторами, создаваемого напряжением Δ U= U2-- U1, Iу = ΔU/ Z2. Учитывая, что индуктивное сопротивление обмоток генератора значительно больше активного, принимают, что ток Iу будет индуктивным и отстающим от вектора Δ U на 90 градусов. Iу будет преимущественно индуктивным током нагрузки G2, а для G1 – ёмкостным, так как он опережает вектор напряжения U1. Для обоих генераторов уравнительный ток будет одинаков по величине, только для генератора 2 он будет размагничивающим, а для генератора 1 - намагничивающим.

15.2. Векторная диаграмма напряжений генераторов и уравнительного тока.

Рис.15.3. Век