Проектирование системы устройств автоматического управления и защиты судовой электростанции, отвечающей требованиям регистра РФ

4.4 Защита от обрыва фазы при питании с берега

Для защиты электроэнергетической системы от работы на двух фазах и для подачи сигнала о снижении напряжения при питании с берега применяется устройство ЗОФН. Оно рассчитано на работу в сетях трёхфазного переменного тока напряжением 380 В, частотой 50 Гц при токе нагрузки 800 или 1500 А в зависимости от модификации трансформаторов тока.

Устройство работает в судовых условиях при температуре окружающего воздуха от + 5 до + 50є C, длительных отклонениях напряжения ± 10 % и частоты ± 3 % от номинальных значений, а также при перегрузках по току сверх номинальных значений (10 % в течении 2 ч, 25 % в течении 30 мин, 50 % в течении 1 мин).

Устройство рассчитано таким образом, чтобы не происходило ложных срабатываний при возникновении следующих отклонений от нормального состояния в сети:

- симметричных (трёхфазных) и несимметричных (двухфазных и однофазных) коротких замыканий;

- симметрии токов нагрузки, доходящих до 25 %;

- набросов любой нагрузки (по величине и характеру) и сбросов нагрузки до нуля;

- кратковременных колебаний напряжения от - 25 до + 13 % и частоты тока от - 6 до + 4 % относительно номинальных значений.

ЗОФН состоит из двух блоков: блока защиты и сигнализации, смонтированных в одном корпусе, и блока трансформаторов тока.

Функциональная схема ЗОФН изображена на рис.18.

Рис. 18 Функциональная схема ЗОФН

Блок защиты и сигнализации включает в себя три узла: измерительный, исполнительный и узел сигнализации.

Измерительную часть схемы составляют: выпрямительный мост В₁, измерительное реле Р₁, а также элементы форсировки и ограничения тока в обмотке этого реле - конденсатор C₁ и сопротивление R₁. Питание реле Р₁ получает через выпрямитель В₁, подключённый к вторичным обмоткам W₂ трансформаторов тока, которые соединены в открытый треугольник.

Исполнительную часть схемы составляют: трёхфазный выпрямитель В₂, исполнительное реле Р₂, элементы выдержки времени срабатывания этого реле - конденсатор С₂ и сопротивление R₂, а также шунтирующее сопротивление Rш. Питание на выпрямитель В₂ поступает от вторичных обмоток W₃ трансформаторов тока, соединённых в звезду.

Узел сигнализации содержит реле Р₃, получающее питание через выпрямитель В₃ и блок стабилитронов Ст₁ и Ст₂ от понижающего трансформатора Тр, включённого на линейное напряжение системы.

Блок трансформаторов тока состоит из трёх специальных быстро насыщающихся двухобмоточных трансформаторов тока ТТ₁, ТТ₂, ТТ₃.

Работа защиты от обрыва фазы основана на принципе суммирования третьих гармонических составляющих ЭДС, возникающей в обмотках W₃, соединённых в звезду.

При ненасыщенной магнитной системе трансформаторов тока сумма ЭДС вторичных обмоток W₂ будет равна нулю. В случае насыщения сердечников трансформаторов тока форма ЭДС вторичных обмоток резко отличается от синусоидальной и по обмотке W₂ протекают третьи гармонические составляющие тока. На выводах обмоток трансформаторов тока, т.е. на выпрямителе В₁, будем иметь утроенную величину третьей гармоники ЭДС.

Третьи гармонические составляющие ЭДС воздействуют на измерительную часть схемы, контролируя неисправность фаз.

ЭДС вторичной обмотки W₂ воздействует на исполнительную часть схемы (реле Р₂), приводя сигнал об обрыве фазы к исполнителю.

При нормальной работе системы и насыщенных сердечниках трансформаторов тока и в их вторичных обмотках W₂ третьи гармоники ЭДС, суммируясь, воздействуют на измерительное реле Р₁, которое, сработав, разомкнёт свой размыкающий контакт в цепи обмотки исполнительного реле Р₂. Обмотки W₃ трансформатора, соединённые в звезду через выпрямитель В₂, нагружены только на сопротивление R_Ш.

В случае обрыва какой-либо фазы токи в исправных фазах будут равны по величине и сдвинуты по фазе на 180є. Во вторичных обмотках трансформаторов тока, соединённых последовательно, наводятся равные по величине и противоположные по направлению ЭДС, результирующая которых на выходе будет равна нулю. Реле Р₁, потеряв питание, подключает своим размыкающим контактом реле Р₂ на выход выпрямителя В₂. При этом конденсатор C₂ и сопротивление R₂ создают медленное нарастание напряжения на реле Р₂, т.е. выдержку времени при срабатывании. Реле Р₂, сработав, подаёт импульс на отключение автомата питания с берега.

При нормальном напряжении в системе стабилитроны Ст₁ и Ст₂ открыты, реле Р₃ находится под напряжением и его замыкающие контакты размыкают цепь сигнализации. Снижение напряжения системы на 15 - 20 % приводит к тому, что стабилитроны запираются, реле Р₃ теряет питание и замыкает свой контакт, подавая импульс на включение сигнализации.

Принципиальная схема ЗОФН изображена на рис.19

Рис. 19 Принципиальная схема ЗОФН

4.5 Реле обратной мощности (тока)

При параллельной работе ГА возможен переход одного из них в двигательный режим вследствие изменения направления потока мощности в цепи генератора из-за нарушения нормальной работы первичного двигателя. На судах в СЭЭС при параллельной работе генераторов применяют реле обратной мощности, предназначенные для защиты генератора путём отключения автоматического выключателя.

Для проектируемой СЭЭС выбираем реле типа РОТ-51.

Реле предназначено для включения в контролируемую сеть через измерительные трансформаторы тока 5 А и напряжения 380/127 В.

Ток срабатывания реле практически не зависит от изменения напряжения в сети в пределах (0,5 ч 1,0)U_Н. С помощью реле осуществляется ступенчатая регулировка уставок по величине обратного тока и по времени срабатывания.

По обратному активному току срабатывания имеются три уставки: 5, 10 и 15% от I_Р.Н при cosц_С = -1. С изменением cosц_С в пределах от -1 до -0,2 начальный ток срабатывания реле увеличивается. Отрицательные значения cosцc определяются углом между обратным током и напряжением сети. Этот угол при срабатывании реле может находиться в пределах от 180 до 900.

По времени срабатывания имеется 7 уставок в пределах от 1 до 5 секунд. Выдержки времени реле на всех уставках находятся в обратной зависимости от величины тока. При обратном токе, равном току отсечки (0,5 ч 0,7)Iн , время срабатывания не превышает 100 мсек. Реле возвращается в исходное положение без срабатывания при снижении обратного тока до 0,9Iн по истечении времени, равного 0,9 от величины уставки срабатывания.

Функциональная схема устройства изображена на рис. 20.

Рис. 20 Функциональная схема РОТ-51

Принципиальная схема устройства изображена на рис.20а.

4.6 Выбор генераторного автоматического выключателя

Для защиты СЭС и её элементов от коротких замыканий и перегрузок применяются автоматические выключатели (автоматы). Автоматическим выключателем (автоматом) называется электрический коммутационно-защитный аппарат с высокой коммутационной способностью, предназначенный для автоматического размыкания электрических цепей при аварийных ситуациях, а также для нечастых оперативных включений и отключений электрических цепей при нормальных условиях работы. В автоматы встраиваются так называемые расцепители, т.е. электромагнитные, электротепловые или полупроводниковые реле, которые при определённом значении тока дают импульс на размыкание контактов автомата. Этим автоматы обеспечивают так называемую максимальную токовую защиту.

Автоматические выключатели являются как аппаратами защиты электрооборудования, так и аппаратами, предназначенными для коммутации электрических цепей. Автоматы являются универсальными аппаратами защиты, что определяется количеством и назначением расцепителей, вставляемых в них, и возможностью использования внешних по отношению к автомату средств защиты, воздействующих на отключающий расцепитель, встроенный в автомат. Автоматы способны разрывать большие токи короткого замыкания и обеспечивают одновременное и обязательное отключение всех фаз защищаемого объекта. Автоматы обеспечивают местное и дистанционное включение и отключение электрических сетей (линий электропередачи). Использование автоматических выключателей позволяет автоматизировать работу СЭС.

На основании изложенного можно заключить, что автоматические выключатели являются наиболее распространёнными средствами защиты и управления СЭС.

Автоматические выключателя в большинстве случаев имеют два расцепителя. Один из них обеспечивает защиту от токов перегрузки, другой - от токов короткого замыкания.

Автоматические выключатели, имеющие устройство, объединяющее уставки по времени отключения токов короткого замыкания, принято называть селективными или избирательными.

Выбираем автоматические выключатели серии АС25-2М, которые являются селективными. Они изготавливаются с электромагнитными расцепителями мгновенного отключения (за время 0,04 с). Они осуществляют защиту от токов перегрузки более 10I_НОМ ±20% (время срабатывания не более 0,04 с) и от токов короткого замыкания (ударный ток короткого замыкания 3200 А).

4.7 Устройство звуковой и световой сигнализации типа УЗСС-1

Такие устройства широко применяются в системах дистанционного автоматизированного управления СЭЭС для предупредительной сигнализации о несоответствии положения ключей управления состоянием коммутационной аппаратуры, а также для контроля параметров установки. Устройства надёжно работают в судовых условиях при длительных колебаниях напряжения в пределах ±5% и частоты ±2,5%, при кратковременных колебаниях напряжения от -25% до +13% и частоты от -6 до +4% относительно их номинальных значений и температуре окружающей среды до +500С.

Блок-схема устройства изображена на рис.21.

Рис. 21 Функциональная схема УЗСС-1

УЗСС-1 рассчитано на десять каналов сигнализации с сигнальными лампами напряжением 26В, общей мощностью не более 40Вт и типа ЗВОФ24-70В1 напряжением 24В. Мощность, потребляемая устройством при одновременной работе звонка и ламп, не превышает 60ВА.

Принцип действия устройства следующий:

В момент подачи напряжения на первичную обмотку трансформатора Тр статический триггер устанавливается в исходное положение (П1 закрыт П2 открыт) с помощью диодно-емкостной цепочки 7С1-7Д6. В исходном положении транзисторы усилителя П3 и П4 закрыты. При замыкании контактов датчиков загорается соответствующая сигнальная лампа на пульте оператора и одновременно на базу транзистора П1 подаётся открывающий импульс, сформированный одной из пятидесяти диодно-емкостных цепочек устройства, связанной с контактом сработавшего датчика. При этом триггер переключается в другое состояние (П1 открыт П2 закрыт), открываются транзисторы усилителя П3 и П4, включается звонок. Для снятия звукового сигнала оператор нажимает нормально разомкнутую кнопку КС, устанавливая триггер в исходное состояние. Световой сигнал о неисправности объекта остаётся до её устранения и размыкания контактов датчика.

Устройство УЗСС-1 конструктивно представляет собой корпус и выдвигающееся шасси, выполненные из стали.

На шасси расположены 8 блоков устройства:

- блок питания БП;

- блок триггера и усилителя ТУБ;

- 5 диодно-конденсаторных блоков ДК1-ДК5;

- блок диодов Д.

Из 8 блоков 7 выполнены съёмными (ДК1-ДК5, Д, ТУБ) на штепсельных разъёмах РП3-30 и РП3-16, что облегчает условия обслуживания и ремонт устройства.

Принципиальная схема УЗСС изображена на рис.22.

5. Расчёт изменения напряжения и частоты

5.1 Режим включения статической нагрузки

5.1.1 Метод расчётных кривых

5.1.1.1 Структурная схема расчётного режима приведена на рис.24

Рис. 24

5.1.1.2 Перечень необходимых для расчета исходных данных приведён в таблице №1.

Таблица №1

Наименование	Обозначение	Численное значение
1. Тип генератора	МСК 91-4	-
2. Полная номинальная мощность генератора, кВА	SNГ	94
3. Полная мощность включаемой нагрузки, кВА	SВКЛ	28
4. Коэффициент мощности включаемой нагрузки	cos цВКЛ	0,8

5.1.1.3 Определяем полную проводимость включаемой статической нагрузки в относительных единицах:

5.1.1.4 По графику заданному в приложении 1 методического пособия определяем максимальный «провал» напряжения.

ДU = -4,9 %

5.1.2 Аналитический метод

5.1.2.1 Структурная схема расчетного режима приведена на рис.25.

Рис. 25

5.1.2.2 Перечень необходимых для расчета исходных данных приведён в таблице №2.

Таблица №2

Наименование	Обозначение	Численное значение
1. Тип генератора	MСK 91-4	-
2. Полная мощность включаемой нагрузки, кВА	SВКЛ	28
3. Коэффициент мощности включаемой нагрузки, о.е.	cos цВКЛ	0,8
4. Полная мощность предварительной нагрузки, кВА	SНО	30
5. Коэффициент мощности предварительной нагрузки, о.е.	cos цНО	0,6
Параметры синхронного генератора
6. Полная номинальная мощность, кВА	SNГ	94
7. Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.	xd	2,15
8. Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси, о.е	xq	0,96
9. Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.	x`d	0,24
10. Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.	x``d	0,185
11. Сверхпереходное индуктивное сопротивление по поперечной оси, о.е.	x``q	0,246
12. Коэффициент магнитной связи фаз статора и поперечного демпферного контура, о.е.	мq	0,744

5.1.2.3 “Провал” напряжения рассчитывается следующим образом.

Определяем полную проводимость нагрузки в относительных единицах:

Определяем полную проводимость предварительной нагрузки в относительных единицах:

Определяем активную и реактивную проводимости включаемой нагрузки в относительных единицах:

Определяем активную и реактивную проводимости предварительной нагрузки в относительных единицах:

Определяем суммарные активную и реактивную проводимости нагрузки генератора в относительных единицах:

Определяем составляющие напряжения генератора в исходном статическом режиме:

Определяем составляющие тока статора и ток возбуждения генератора в исходном статическом режиме:

Определяем составляющие напряжения генератора с учётом демпферных обмоток в первый момент после включения нагрузки:

Определяем «провал» напряжения генератора с учётом демпферных обмоток в первый момент после включения нагрузки:

Определяем составляющие напряжения генератора без учёта демпферных обмоток в первый момент после включения нагрузки:

Определяем «провал» напряжения генератора без учёта демпферных обмоток в первый момент включения нагрузки:

Определяем максимальный «провал» напряжения генератора при включении статической нагрузки:

5.2 Включение статического преобразователя

5.2.1 Метод расчётных кривых

5.2.1.1 Структурная схема расчётного режима приведена на рис.26

Рис. 26

5.2.1.2 Перечень необходимых для расчёта исходных данных приведён в таблице №3.

Таблица №3

Наименование	Обозначение	Численное значение
1. Тип генератора	МСК 91-4	-
2. Полная номинальная мощность генератора, кВА	SNГ	94
3. Мощность нагрузки, включаемой на стороне постоянного тока, кВт	Pd	35
4. Глубина регулирования напряжения преобразователя	л	0,45

5.2.1.3 Определяем полную мощность включаемой нагрузки, приведённой стороне переменного тока:

5.2.1.4 Полная проводимость включаемой нагрузки в относительных единицах:

По графику определяем максимальный «провал» напряжения:

ДU = -15 %

5.2.2 Аналитический метод

5.2.2.1 Структурная схема расчётного режима приведена на рис.27.

Рис. 27

5.2.2.2 Необходимые для расчета исходные данные и их численные значения приведены в таблице №4.

Таблица №4

Наименование	Обозначение	Численное значение
1. Тип генератора	MСK 91-4	-
2. Мощность нагрузки, включаемой на стороне постоянного тока, кВт	Pd	35
3. Глубина регулирования напряжения преобразователя	л	0,45
4. Полная мощность предварительной нагрузки, кВА	SНО	16
5. Коэффициент мощности предварительной нагрузки, о.е.	cos цНО	0,8
Параметры синхронного генератора
6. Полная номинальная мощность, кВА	SNГ	94
7. Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.	xd	2,15
8. Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси, о.е	xq	0,96
9. Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.	x`d	0,24
10. Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.	x``d	0,185
11. Сверхпереходное индуктивное сопротивление по поперечной оси, о.е.	x``d	0,246
12. Коэффициент магнитной связи фаз статора и поперечного демпферного контура, о.е.	мq	0,744

5.2.2.3 Определяем полную мощность включаемой нагрузки, приведённой к стороне переменного тока:

5.2.2.4 Рассчитаем «провал» напряжения

Определяем полную проводимость включаемой нагрузки в относительных единицах:

Определяем полную проводимость предварительной нагрузки в относительных единицах:

Определяем активную и реактивную проводимости включаемой нагрузки в относительных единицах:

Определяем активную и реактивную проводимости предварительной нагрузки в относительных единицах:

Определим суммарные активную и реактивную проводимости нагрузки генератора в относительных единицах:

Определяем составляющие напряжения генератора в исходном статическом режиме:

Определяем составляющие тока статора и ток возбуждения генератора в исходном статическом режиме:

Определяем оставляющие напряжения генератора с учетом демпферных обмоток в первый момент после включения нагрузки:

Определяем “провал” напряжения генератора с учетом демпферных обмоток в первый момент после включения нагрузки:

Определяем составлявшие напряжения генератора без учета демпферных обмоток в первый момент после включения нагрузки:

Определяем "провал" напряжения генератора без учета демпферных обмоток в первый момент после включения нагрузки:

Определяем максимальный "провал" напряжения генератора при включении статической нагрузки:

5.3 Режим прямого пуска асинхронного двигателя

5.3.1 Метод расчётных кривых

5.3.1.1 Структурная схема расчётного режима приведена на рис.28.

Рис. 28

5.3.1.2 Перечень необходимых для расчёта исходные данных приведён в таблице №5.

Таблица №5

Наименование	Обозначение	Численное значение
1. Тип генератора	МСК 91-4	-
2. Тип запускаемого двигателя	АМН-2	7 кВА
3. Полная номинальная мощность генератора, кВА	SNГ	94
4. Базисное сопротивление генератора, Ом	zБГ	0.536

5.3.1.3 Определяем полную проводимость Y_ДП= 0.83 Cm

Коэффициент мощности двигателя при пуске cos цдп = 0.42

5.3.1.4 Определяем полную проводимость двигателя в относительных единицах в момент включения:

По графику определяем максимальный «провал» напряжения:

ДU= -9 %.

5.3.2. Аналитически метод:

5.3.2.1 Структурная схема расчетного режима приведена на рис.29.

Рис. 29

5.3.2.2 Необходимые для расчета исходные данные приведёны в таблице №6.

Таблица №6

Наименование	Обозначение	Численное значение
1. Тип генератора	МСК 91 - 4	Проект конкретной электростанции
2. Тип запускаемого двигателя	АМН - 2
3. Полная мощность предварительной нагрузки, кВА	SНО	7
4. Усредненный коэффициент мощности предварительной нагрузки	cos цНО	0.9
Параметры генератора
5. Полная номинальная мощность, кВА	SНГ	94
6. Базисное сопротивление, Ом	zДП	0.563
7. Синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.	xd	2.15
8. Синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси, о.е.	xq	0.96
9. Переходное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.	x`d	0.24
10. Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси, о.е.	x``d	0.185
11. Сверхпереходное индуктивное сопротивление по поперечной оси, о.е.	x``q	0.246
12. Коэффициент магнитной связи фаз статора и поперечного демпферного контура, о.е.	мq	0.744

5.3.2.3 Рассчитаем «провал» напряжения.

Определим величины полной, активной и реактивной проводимостей двигателя в момент включения в относительных единицах:

Определим полную проводимость предварительной нагрузки генератора ротора в относительных единицах:

Определим активную и реактивную проводимости предварительной нагрузки генератора:

Определим суммарные активную и реактивную проводимости нагрузки генератора в момент включения двигателя:

Определим составляющие напряжения генератора в исходном статическом режиме:

Определяются составляющие тока статора и ток возбуждения генератора в исходном статическом режиме:

Рассчитываются составляющие напряжения генератора с демпферными обмотками в первый момент после включения двигателя:

Определяется “провал” напряжения генератора с демпферными обмотками в первый момент после включения двигателя:

Рассчитываются составляющие напряжения генератора без демпферных обмоток в первый момент после включения двигателя:

Определяется провал напряжения генератора без демпферных обмоток в первый момент после включения двигателя:

Определяется максимальный “провал” напряжения генератора при включении асинхронного двигателя:

Список литературы

1. Гальперин В. Е., Мальнев А. Н., Чурносов А. И. Системы и устройства судовой автоматики: схемотехника средств автоматизации. - Северодвинск: Севмашвтуз, 2004. - 51с.

2. Константинов В. Н. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. Л.: Судостроение, 1972.

3. Мещанинов П.А. Автоматизация судовых электроэнергетических систем. Л., «Судостроение», 1970.

4. Справочник судового электромонтажника. // Под ред. Китаенко Г. И. Т.2. Л.: Судостроение, 1980.

5. Яковлев Г.С. Судовые электроэнергетические системы. Л.: Судостроение, 1987.

Размещено на Allbest.ru