Структурная электрическая схема ГРЩ

 

Главные распределительные щиты судовых электростанций имеют длину, как правило, несколько метров. В целях сокращения сроков и стоимости проектирования, изготовления, транспортировки и монтажа на судне (включая возможность погрузки через люки ограниченных размеров) ГРЩ выполняются из ряда отдельных конструктивно законченных секций, а именно:

- генераторных, предназначенных для контроля, защиты и управления работой генераторов, также передачи электроэнергии от генераторов на сборные шины ГРЩ;

- управления, предназначенных для контроля и управления работой электростанции в целом. Для этой цели устанавливается также (отдельно от ГРЩ) пульт управления;

- распределительных, предназначенных для контроля, защиты и управления передачей (распределением) электроэнергии от шин ГРЩ к потребителям или РЩ;

- питания с берега, управляющую приемом электроэнергии с берега и ее распределением между потребителями электроэнергии, а также для передачи электроэнергии от шин ГРЩ к потребителям стояночного режима работы судна.

Секция управления всегда находится в середине ГРЩ. Число генераторных секций обычно соответствует числу генераторов. Распределительные секции находятся справа и слева от генераторных, число их определяется числом и характером судовых потребителей электроэнергии и принятой системой распределения электроэнергии. Секция питания с берега обычно занимает крайнее место в ГРЩ.

На рис. 5.1 приведена примерная компоновка ГРЩ из типовых секций при установке на электростанции двух генераторов.

ГРЩ состоит из шести секций, две из них распределительные СР1, СР2, две генераторные СГ1, СГ2, одна управления СУ и одна питания с берега СПБ. На распределительных секциях установлены амперметры для контроля нагрузки наиболее мощных и ответственных потребителей электроэнергии, а также автоматы ВФ для защиты и коммутации отходящих от ГРЩ фидеров.

На генераторной секции установлены: приборы контроля нагрузки, напряжения, активной мощности и частоты генератора; автомат ВГ для защиты генератора от внешних коротких замыканий и значительных перегрузок; реле обратного активного тока РОТ для защиты генератора от двигательного режима работы; реле токовое РТД дифференциальной защиты генератора от внутренних коротких замыканий и замыканий на генераторном кабеле; устройство защиты УЗП генератора и его приводного двигателя от перегрузок; устройство включения УВР резервного генератора, а также отключения генератора при снижении нагрузки и защиты генератора от понижения напряжения; переключатель питания серводвигателя ПСД регулятора частоты вращения приводного двигателя генератора; устройство гашения поля генератор УГП; система регулирования тока возбуждения и напряжения генератора СРВ. Для питания перечисленных приборов, реле и устройств установлены датчик активного тока ДАТ, измерительные трансформаторы тока и напряжения.

На секции управления установлены: амперметр для контроля нагрузки, передаваемой по перемычке к АРЩ; вольтметр и частотомер (с двойной шкалой) для контроля напряжения и частоты генераторов; синхроноскоп для выполнения ручной точной синхронизации генераторов при включении на параллельную работу, а также при включении питания с берега; прибор контроля состояния изоляции ПКИ электросистемы, находящейся под напряжением; устройство автоматической точной синхронизации генераторов УСГ; устройство автоматического распределения активной мощности при параллельной работе генераторов; другие промежуточные и дополнительные устройства ДУ; секционирующий автомат ВС и автомат защиты фидера ВП питания АРЩ.

На секции питания с берега установлены: приборы контроля нагрузки, напряжения и частоты питания с берега; секционирующий автомат ВС и автомат защиты от коротких замыканий и значительных перегрузок фидера питания с берега ВПБ; устройство для защиты питания с берега от работы на двух фазах и сигнализации напряжения, состоящее из блока реле БР и блока трансформаторов тока БТТ; прибор контроля изоляции ПКИ или омметр; фазоуказатель ФУ и переключатель ПФ для согласования чередования фаз береговой и судовой электросистемы; автомат перемычки ВП для передачи питания с берега на секцию СР1 при осмотре секций СГ2 и СР2 (возможна также передача электроэнергии от генератора Г1 через автомат ВП секции СР1 на секцию питания с берега).

ГРЩ в сборе представляет собой щит с оболочкой для защиты от прикосновения людей к токоведущим частям. Сверху щита ставится лист, защищающий от попадания воды. лицевая часть оболочки состоит из отдельных съемных или открывающихся панелей. С боковых сторон ставятся перфорированные листы. Проход за щитом закрывается дверями с одной (при длине менее 3 м) или с двух сторон. Каркасы секций выполнены из угловой стали. Секции между собой соединяются стальными болтами в верхней и нижней частях каркаса. Сборные шины секций соединяются шинными накладками и медными болтами.

Подвод кабелей ко всем секциям ГРЩ осуществляется снизу. При этом каждый кабель должен иметь прогиб для допущения свободного вертикального перемещения щита, поскольку он устанавливается на амортизированной раме. Расстояние от настила до токоведущих зажимов должно быть не менее 0,2 м. Рукоятки всех аппаратов и шкалы приборов должны иметь таблички с надписями, поясняющими их назначение. На одной из панелей секции управления крепится структурная схема ГРЩ. Для освещения щита, кроме основного освещения помещения, предусматриваются светильники с арматурой, отбрасывающей световой поток в сторону щита. Пространство за щитом также освещается. Питание всех этих светильников осуществляется от шин щита. С задней стороны щита устанавливаются предохранители или малогабаритные автоматы для защиты от коротких замыканий проводов, соединяющих приборы, аппараты и устройства, установленные в секциях щита. Распределительные секции комплектуются из отдельно заготовленных блоков автоматов.

 

 

 

Рис. 5.1

Схема электрическая структурная ГРЩ, состоящего из шести секций

 

 

Ширина секций может быть различной, но обычно находится в пределах 0,7 – 1,0 м. Глубина и высота различных секций выполняются одинаковыми и соответственно равными 0,65 м и 2,0 м.

Амперметры генераторов включаются через переключатели, которые обеспечивают измерение токов во всех трех фазах без разрыва цепей трансформаторов тока.

Вольтметры с обычными переключателями позволяют измерять напряжение между любыми двумя фазами. Прибор контроля изоляции имеет визуальный указатель и звуковой сигнал, которых включается при снижении сопротивления изоляции до заданного уровня.

Иногда на секциях генераторных и управления устанавливается по нескольку фидерных автоматов.

Ручная синхронизация предусматривается в качестве резерва к автоматической, а также для синхронизации генераторов с береговой электросистемой.

Согласование порядка чередования фаз питания с берега и сборных шин ГРЩ необходимо для возможности их синхронизации и сохранения направления вращения судовых асинхронных двигателей.

При проектировании структурной схемы ГРЩ необходимо выполнить требование ПРР в отношении установки электроизмерительных приборов:

1. для каждого генератора постоянного тока должны устанавливаться на ГРЩ по одному амперметру и вольтметру.

2. для каждого генератора переменного тока должны устанавливаться на ГРЩ следующие приборы:

- амперметр с переключателем для измерения тока в каждой фазе;

- вольтметр с переключателем для измерения фазных и линейных напряжений;

- частотомер;

- ваттметр (для одиночно работающих генераторов ваттметр допускается не устанавливать);

- другие необходимые приборы.

3. в цепях ответственных потребителей рекомендуется на ГРЩ устанавливать амперметры с переключателями, но не более чем на 6 потребителей.

4. на ГРЩ должно быть установлено отдельное устройство для измерения сопротивления изоляции.

5. в фидере питания от внешнего источника электрической энергии на ГРЩ должны устанавливаться следующие приборы и устройства:

- коммутационные и защитные устройства;

- вольтметр или сигнальная лампа, показывающая напряжение на выводах кабеля;

- указатель чередования фаз и двухфазный переключатель.

Структурная электрическая схема ГРЩ выполняется карандашом на миллиметровой бумаге или ватмане формата А3 с соблюдением действующих ГОСТ на условные графические обозначения в электрических схемах.

 

 

Выбор аппаратов и приборов

 

Надежная работа СЭЭС полностью зависит от правильного выбора примененных в ней электрических аппаратов. Их выбор обычно производится по техническим условиям не поставку, каталогам или официальным справочникам. При этом прежде всего необходимо убедиться, что данный аппарат рассчитан на работу в судовых условиях, т.е. удовлетворяет требованиям Регистра (или других документов, которыми необходимо руководствоваться в данном случае) по температуре окружающего воздуха, относительной влажности, кратковременным и длительным наклонам, виброустойчивости и т.п.

Далее выбирают конструкцию аппарата в зависимости от места его установки. Если аппарат встраивается в щит, пульт и т.д., то он может быть открытого исполнения. Если же аппарат устанавливается индивидуально, то он должен иметь внешнюю оболочку (корпус) в зависимости от места установки на судне. Одновременно с этим учитывают и другие конструктивные особенности аппарата, такие как: материал корпуса – стальной или пластмассовый; вид привода – рычажный, маховичный или электропривод; способ крепления – на вертикальную или горизонтальную стенку; способ подвода кабелей – с передним или задним присоединением проводов и др.

Затем выбирают аппарат по основным номинальным параметрам, к которым относятся род тока, частота. Напряжение и ток нагрузки аппарата. Каждый аппарат рассчитывается на нормальную работу постоянного или переменного тока определенной частоты при номинальном напряжении и токе. Некоторые аппараты могут работать как на постоянном, так и переменном токе. При выборе любого аппарата необходимо соблюдение следующих двух условий:

U_ном ³ U_раб;

I_ном ³ I_раб.

где U_ном, I_ном – соответственно номинальные напряжение и ток аппарата;

U_раб, I_раб – рабочие напряжение и ток аппарата в данной схеме включения.

Выполнение первого условия необходимо во избежание электрического пробоя изоляции аппаратов. Габариты каждого аппарата прежде всего определяются номинальным напряжением, на которое рассчитаны воздушные зазоры и толщина изоляционного материала между его токоведущими частями различной полярности (или разных фаз). Если номинальное напряжение аппарата будет меньше рабочего напряжения сети, это неизбежно приведет к пробою изоляции аппарата, т.е. к короткому замыканию и выходу его из строя. Дугогасительные устройства аппаратов, отключающих токи короткого замыкания, также рассчитываются на определенное напряжение, при котором они надежно обеспечивают гашение дуги. Если рабочее напряжение отключающего аппарата превышает номинальное расчетное значение, то гашение дуги может затянуться на очень большое время, в течение которого контакты аппарата перегреются и оплавятся.

Выполнение второго условия необходимо во избежание перегрева аппаратов. Детали каждого аппарата рассчитываются на прохождение по ним определенного номинального тока. Прохождение этого тока будет вызывать нагревание аппарата до определенной максимально допустимой температуры. Если же рабочий ток, протекающий по аппарату, будет больше номинального, то это вызовет превышение температуры нагревания токоведущих частей аппарата над максимально допустимой температурой, вследствие чего изоляционные материалы, применяемые в аппарате, станут проводящими и произойдет короткое замыкание между его отдельными токоведущими частями. Превышение рабочего тока над номинальным отрицательно сказывается и на дугогашении. При отключении такого тока под действием чрезмерно интенсивной дуги аппарат будет поврежден.

Рабочее напряжение и рабочие токи аппаратов определяют на основании расчета электросхемы, в которой они устанавливаются. Номинальное напряжение и номинальные токи аппаратов принимают по каталогам или технических условиям на поставку аппаратов.

Рассмотренные условия выбора аппаратов являются общими для всех электрических аппаратов.

Однако на этом выбор аппаратов не заканчивается. Далее необходимо учитывать специфические для каждого аппарата условия.

Выбор предохранителей. При выборе предохранителей вначале производится выбор номинального тока плавкой вставки, а затем номинального тока патрона.

Для защиты сетей освещения, нагревательных приборов, управления и т.п. плавкую вставку выбирают по условию:

I_{пл. вст} ³ I_раб.

Для защиты сетей, питающих электродвигатели, ток плавкой вставки предохранителей следует определять с учетом пусковых токов, в противном случае во время пуска электродвигателей она сгорит.

При питании одиночных электродвигателей ток плавкой вставки выбирают по формуле

I_{пл. вст} ³ К I_раб.

При питании нескольких (n) электродвигателей от данной линии плавкую вставку выбирают из условия, что двигатель с наибольшим пусковым током находится в пусковом режиме, а остальные работают нормально:

L_{пл. вст} = К₀ SI_i + КI_раб,

где К₀ SI_i - сумма рабочих токов электродвигателей (без одного, имеющего наибольший пусковой ток) с учетом коэффициента одновременности их работы К₀;

I_раб – рабочий ток пускаемого электродвигателя;

К – коэффициент, учитывающий пусковой режим работы электродвигателя.

Значения К для электродвигателей постоянного тока и асинхронных с фазным ротором, пускаемых с помощью реостата, следующие:

- малой и средней мощности К=1,0;

- большой мощности К=1,5;

для короткозамкнутых асинхронных электродвигателей;

- с редкими пусками и длительностью разгона (5 – 10с) К=2,5;

- с частыми пусками и длительностью разгона до 40с К=3.0.

После выбора плавкой вставки выбирают соответствующий ей патрон предохранителя, а затем проверяют предохранитель на разрывную способность. Под разрывной способностью предохранителя понимают такой ток короткого замыкания, который отключается их без нарушения механической прочности деталей. Интенсивность дуги, температура и давление в патроне пропорциональны току, разрываемому плавкой вставкой. Поэтому с увеличением тока к.з. необходимо выбирать предохранитель с большим габаритом патрона.

Проверка предохранителей по разрывной способности токов к.з. производится по условию

i_{уд. расч} £ i_{уд доп},

где i_{уд. расч} - расчетное значение ударного тока к.з. в электросистемах переменного тока или максимальное значение тока к.з. в электросистемах постоянного тока;

i_{уд доп} – предельно допустимый ток к.з., отключаемый предохранителем (дается в справочных данных).

Технические данные предохранителей см. приложение, табл. 10

Выбор автоматических выключателей. Выбор по рабочему току аналогичен выбору предохранителей. Вначале выбирают номинальный ток максимальных расцепителей, а затем номинальный ток автомата. Номинальный ток расцепителей автоматов, включенных в различные питающие линии (генераторные, между ГРЩ и РЩ, а также отдельных потребителей), выбирают по расчетным рабочим токам этих линий, исходя из условия

I_{ном. р} ³ I_раб,

где I_{ном. р} - номинальный ток расцепителей автомата (даются в справочных данных);

I_раб - рабочий ток, определяемый по формулам:

для кабеля, соединяющего генератор с ГРЩ

- на постоянном токе

- на переменном токе

где Р_г – номинальная мощность генератора, Вт;

U_г – номинальное напряжение генератора, В;

cosj_г – номинальный коэффициент мощности генератора (обычно равен 0,8).

Рабочий ток кабеля, питающего преобразователь, принимается равным номинальному току на входе преобразователя. Например, для кабеля, питающего трехфазный трансформатор, значение рабочего тока определяется по формуле

,

где S – номинальная мощность трансформатора (на выходе), ВА;

U₁ – номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора, В;

h - КПД трансформатора.

Значение рабочего тока кабеля, отходящего от трансформатора, определяется по формуле

,

где U₂ – номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора, В.

Рабочий ток кабеля, соединяющего электродвигатель с РЩ или ГРЩ, принимают равным номинальному:

,

где P_i – номинальная мощность потребителя, Вт;

U_с – номинальное напряжение сети, В;

cosj_i – номинальный коэффициент мощности потребителя;

h_i – КПД потребителя.

Расчетный ток кабеля, соединяющего ГРЩ и РЩ, определяют как сумму (на постоянном токе арифметическую, на переменном – геометрическую) токов потребителей, питающихся от РЩ в одном из режимов (ходовом, аварийном, при стоянке)., когда эта сумма будет наибольшей с учетом коэффициента одновременности их работы. На постоянном токе

I_РЩ = К₀ (I₁ + I₂ + … + I_n),

где I₁, I₂, …, I_n – номинальные токи потребителей и запасных автоматов, установленных на РЩ, А;

К₀ – коэффициент одновременности работы потребителей, питающихся от РЩ.

На переменном токе для определения рабочего (полного) тока I_п необходимо предварительно определять сумму активных и реактивных токов потребителей:

I_{а i} = I_i cosj_i; I_{р i} = I_I sinj_I;

I_а = SI_{а I}; I_р = SI_{р I};

.

При близких значениях коэффициентов мощности потребителей для упрощения расчета геометрическую сумму токов можно заменять арифметической.

После выбора номинального тока расцепителей необходимо выбрать соответствующие уставки расцепителей в зоне коротких замыканий во избежание ложных срабатываний автоматов в моменты пуска электродвигателей по условию:

I_{уст. а} ³ 1,2 I_п. _дв,

где I_{уст. а} - ток уставки (ток мгновенного отключения) автомата в зоне к.з.;

I_п. _дв – пусковой ток двигателя (или нескольких двигателей).

Если по данному автомату протекают пусковые токи нескольких потребителей (при самозапуске, переключении питания), то выполнение последнего условия может оказаться невозможным. Необходимо, чтобы согласно времятоковой характеристике автомат отключался за время, в 2 – 3 раза превышающее время пуска двигателей (обычно не более 2с).

Далее производят проверку автоматов по токам короткого замыкания. Известно, что автоматы имеют основные (главные) и дугогасительные контакты. При выключении автомата вначале размыкаются главные контакты, а затем дугогасительные. При включении автоматов замыкание контактов происходит в обратной последовательности.

При возникновении тока короткого замыкания в цепи, где установлен автомат, последний подвергается:

- воздействию на контакты больших динамических усилий вследствие взаимодействия магнитных полей, образованных током;

- воздействию дуги на дугогасительные контакты и дугогасительное устройство;

- тепловому воздействию вследствие выделения большого количества тепла в токоведущих частях.

В связи с этим автоматы избирательного действия проверяются по условиям:

1. на разрывную способность и динамическую стойкость

i_{уд. расч} £ i_{уд доп};

I_расч £ I_доп,

где i_{уд. расч} - расчетный ударный ток к.з.;

i_{уд доп} – допустимое значение ударного тока к.з. автомата;

I_расч - расчетное действующее значение тока к.з. в момент расхождения дугогасительных контактов автомата;

I_доп – допустимое действующее значение тока автомата в момент расхождения контактов.

1. на термическую стойкость в сетях переменного тока

I_¥² t_ф £ I²t_доп;

на термическую стойкость в сетях постоянного тока

I_ср² t_к.з. £ I²t_доп,

где I_¥ - установившееся значение тока к.з.;

t_ф - фиктивное время к.з.;

I_ср – среднее значение тока к.з.;

t_к.з – действительное время к.з.;

I²t_доп – допустимое значение термической стойкости аппарата.

Автоматы мгновенного (неизбирательного) действия проверяются только на разрывную способность по условию

i_{уд. расч} £ i_{уд доп}.

Подобные автоматы и предохранители на термическую стойкость не проверяются.

Автоматы, которые устанавливаются на большом удалении от ГРЩ (в сетях вентиляции, камбузного оборудования, освещения), проверяются на чувствительность защиты от коротких замыканий, поскольку значения токов к.з., которые они должны отключать, могут быть весьма незначительными. Проверка производится по условию

I_{уст. а} ³ 1,5 I_к.з.,

где I_{уст. а} – ток уставки автомата в зоне к.з.;

I_к.з – действующее значение периодической составляющей тока к.з.

Если это условие не выполняется, необходимо увеличить сечение питающих кабелей в сети или применить автоматы с меньшим значением тока трогания.

Технические данные автоматических воздушных выключателей см. приложение, табл. 11 - 15

Выбор контакторов, магнитных пускателей. В схемах СЭЭС часто применяют контакторы, которые являются аппаратами дистанционного действия и предназначены для замыкания и размыкания силовых цепей электрического тока. При выборе контакторов помимо основных условий учитываются режим работы (длительный, кратковременный, повторно-кратковременный), количество допустимых включений в час и общее количество срабатываний, т.е. износоустойчивость.

Кроме того контакторы выбираются по числу замыкающих и размыкающих главных и вспомогательных контактов, требуемых для данной схемы. В зависимости от величины разрываемого тока применяют контакторы с дугогашением и без него. В первом случае контакторы могут разрывать токи, достигающие десятикратной величины.

Магнитные пускатели являются основными аппаратами, предназначенными для пуска, остановки и защиты от перегрузки асинхронных короткозамкнутых двигателей. Выбор типа и величины пускателя обычно связывается с мощностью и напряжением электродвигателя.

Выбор электроизмерительных приборов. При выборе электроизмерительных приборов необходимо учитывать их нормальное рабочее положение (горизонтальное или вертикальное), класс точности, назначение. Исполнение и пределы измерения (шкалу). Вместе с приборами выбирают соответствующие им шунты или трансформаторы тока.

Все электроизмерительные приборы выдерживают большие кратковременные перегрузки, а именно: один удар десятикратным током в течение 5с или девять ударов десятикратным током продолжительностью по 0,5с с интервалом в одну минуту. Поэтому для электроизмерительных приборов не опасны пусковые токи двигателей, токи к.к. в сети и т.п.

При выборе аппаратуры и электроизмерительных приборов необходимо также выполнять требования Регистра:

1. при перегрузке 110 – 150% номинального тока следует выключать генератор с выдержкой времени, соответствующей теплостойкости генератора. Для защиты генератора при перегрузках током более 150% номинального рекомендуется, чтобы выдержка времени не превышала 2мин. для генератора переменного тока и 15с для генератора постоянного тока.

2. автоматические выключатели, защищающие электродвигатели постоянного тока рулевых устройств от токов короткого замыкания, должны иметь уставки на мгновенное выключение при токе не менее 300% и не более 400% номинального тока защищаемого двигателя; для двигателей переменного тока – на мгновенное выключении при токе приблизительно 125% наибольшего пускового тока защищаемого двигателя.

3. электроизмерительные приборы должны иметь пределы шкал не менее следующих:

- вольтметры – 120% номинального значения напряжения;

- амперметры для генераторов, не работающих параллельно, и приемников – 130% номинального тока;

- амперметры для генераторов, работающих параллельно: шкала тока нагрузки – 130% номинального; шкала обратного тока – 15% номинального;

- ваттметры для генераторов, работающих параллельно: для мощности нагрузки – 130% номинальной; для обратной мощности – 15% номинальной;

- частотомеры - ±10% номинальной частоты.

Технические данные электроизмерительных приборов см. в приложении, табл. 17 – 28.

Все расчеты по выбору аппаратов необходимо свести в таблицу следующей формы:

 

№ п / п	Наименование потребителя	Номинальная мощность, кВт	Рабочий ток потребителя, А	Номинальный ток автомата (предохранителя), А	Номинальный ток расцепителя автомата (плавкой вставки), А	Тип защиты	Примечание

 

Выбранные электроизмерительные приборы необходимо свести в таблицу следующей формы:

 

№ п / п	Наименование потребителя	Рабочий ток потребителя, А	Номинальное напряжение потребителя, В,	Номинальная частота, Гц	Система прибора	Диапазон измерения	Способ подключения	Количество, шт.	Класс точность прибора