В судовых электрических сетях могут возникать два ненормальных режима: короткое замыкание и перегрузка. Для защиты сетей от этих ненормальных режимов используются автоматические выключатели (автоматы) и предохранители. Отключение любого автомата осуществляется встроенными в автомат расцепителями (реле), которые, реагируя на отклонение режима работы от нормального, дают механический импульс на размыкание токоведу-щих контактов автомата. Защита предохранителями обеспечивается в результате расплавления плавкой вставки предохранителя под действием проходящего по ней тока ненормального режима.
Рис. 1. Схема включения реле обратного тока.
С целью обеспечения селективности защиты генераторов и участков судовых электрических сетей применяются универсальные и установочные автоматы. Универсальные автоматы серий АВ, АС и AM, как уже отмечалось в предыдущем параграфе, имеют два механических замедлителя, один из которых обеспечцвает выдержку времени при отключении коротких замыканий, другой — при отключении перегрузок. Благодаря этому они и обеспечивают селективность (избирательность) защиты. В отличие от установочных универсальные автоматы рассчитываются на значительно большие токи отключения при коротких замыканиях, имеют ручной и дистанционный приводы, в результате чего являются более Сложными и имеют значительно большие габариты и стоимость. Поэтому универсальные автоматы, кроме генераторных, используются только в качестве секционных и реже — для включения наиболее ответственных и мощных фидеров.
Наибольшее распространение для защиты судовых электрических сетей получили установочные автоматы серий A3100, А3300, А3500, АК50, АК25 и АС25. Установочные автоматы могут выполняться как с электромагнитным и тепловым расцепителями, так и с каждым из них в отдельности. Электромагнитные расцепители автоматов обеспечивают защиту от коротких замыканий, причем срабатывают без выдержки времени (так как замедлители отсутствуют). Тепловые расцепители осуществляют защиту от перегрузок и имеют обратнозависимую время-токовую характеристику.
Таким образом, автоматы, имеющие электромагнитные и тепловые расцепители, обеспечивают защиту как от коротких замыканий, так .и от перегрузок. Установочные автоматы с одним электромагнитным расцепителем используются для защиты от коротких замыканий, а автоматы с одним тепловым расцепителем — для защиты от перегрузок. Существенным недостатком всех автоматов является то, что они не реагируют на малые перегрузки.
Установочные автоматы серии А3500 имеют электромагнитные расцепители с замедлителем, обеспечивающим отключение коротких замыканий с выдержкой времени 0,15 и 0,33 с, и, следовательно, являются селективными.
Наиболее простыми и широко распространенными аппаратами защиты от коротких замыканий в осветительных и слабомощных сетях являются плавкие предохранители.
В судовых электроэнергетических системах в настоящее время наибольшее применение получили трубчатые предохранители серии ПР и пробочные — серии ПДС, причем трубчатые предохранители изготовляются на напряжение 220 В (первый габарит) и 500 В (второй габарит) и на токи вставки от 6 до 1000 А, а пробочные предохранители — на напряжение 380 В и токи вставки от 6 до 600 А. Принцип работы предохранителей различного конструктивного исполнения одинаков.
В нормальном режиме рабочий ток протекает по вставке предохранителя, как и по любому другому участку цепи, не вызывая се перегрева. Но под действием тока короткого замыкания или
значительной перегрузки вставка расплавляется, причем с увеличением тока уменьшается время плавления.
При коротких замыканиях вставка плавится практически мгновенно, а при токах перегрузки время перегорания вставки обратно пропорционально величине тока. На рис. 50 представлена обратно-зависимая время-токовая характеристика предохранителей, которые могут обеспечить отключение поврежденного участка цепи только с величины тока, равного 1,3 1Н0м. Обратнозависимая время-токовая характеристика указывает на способность предохранителя обеспечить некоторую избирательность действия защиты.
Проведем технико-экономическое сравнение автоматов и предохранителей как аппаратов защиты судовых электрических сетей. К основным преимуществам автоматических выключателей относятся:
1) более высокая коммутационная (разрывная) способность;
2) возможность быстрого восстановления питания отключенных потребителей;
3) одновременное и обязательное отключение всех фаз, что исключает возможность работы асинхронных двигателей на двух фазах;
4) большая возможность селективной защиты при коротких замыканиях, более совершенная защита сетей при перегрузках;
5) большая безопасность в пожарном отношении;
6) отсутствие необходимости большого количества ЗИПа.
В сравнении с предохранителями автоматические выключатели имеют и недостатки: сложную конструкцию автомата и более высокую, чем у предохранителя, стоимость. Поэтому в сетях освещения, сигнализации и контроля, а также и других сетях, где не требуется большая разрывная способность аппарата и где рационально предусмотреть лишь защиту от коротких замыканий, предохранители в настоящее время имеют широкое распространение.
Наиболее ответственной защитой судовых электрических сетей является защита от коротких замыканий, которая также должна быть селективной, что можно обеспечить настройкой защитных аппаратов по времени отключения или по току срабатывания.
Рис. 2. Время-токовая характеристика предохранителей серии ПР.
Для судовых сетей, защищаемых установочными и селективными автоматами, необходимо выбирать Д=0,15-0,25 с.
При коротком замыкании в точке К1 ток короткого замыкания потечет от генераторов Г1 и Г2 по аппаратам защиты первой — четвертой ступеней и поэтому, очевидно, все они придут в действие. Но к моменту отключения короткого замыкания аппаратом защиты первой ступени, имеющим наименьшее время срабатывания (так как он ближе всего расположен к потребителям), остальные не успеют отключить соответствующие участки схемы и, поскольку причина, вызвавшая начало их действия, устранена, возвратятся в исходное состояние. После отключения поврежденного участка вся остальная система приходит в нормальный режим работы.
Выбрав в качестве аппарата защиты первой ступени плавкий предохранитель или установочный автомат с временем отключения короткого замыкания, можно определить выдержки времени при срабатывании аппаратов защиты остальных ступеней и в соответствии с этим выбрать тип аппарата. Очевидно, генераторные автоматы должны иметь наибольшее время срабатывания.
Однако следует иметь в виду, что для обеспечения динамической устойчивости генераторов время срабатывания аппарата, отключающего точку короткого замыкания от параллельно работающих генераторов, должно быть меньше времени отключения короткого замыкания, определенного из расчета динамической устойчивости. С целью удовлетворения этих требований возможно возникнет необходимость выбрать, например, в качестве аппарата защиты первой ступени плавкий предохранитель или установочный автомат, а в качестве аппарата защиты второй ступени — также установочный автомат, но с большим током максимального расцепи-теля. Поскольку предохранитель и электромагнитный расцепитель установочного автомата имеют соизмеримое время срабатывания, селективности защиты на данном участке схемы получить не Удастся.
Характерным случаем является короткое замыкание в точке КЗ. При этом селективная защита должна срабатывать в следующем порядке. Секционный автомат защиты третьей ступени с выдержкой времени отключает от точки короткого замыкания второй генератор Г2, восстанавливая тем самым нормальный режим работы данной секции ГРЩ. Поскольку первый генератор по-прежнему продолжает обтекаться током короткого замыкания, его автомат защиты четвертой ступени сработает с выдержкой времени. Потребители, питающиеся с шин этой секции, будут обесточены. В этом случае ответственные потребители, обычно получающие питание по двум фидерам, должны быть переключены на питание с неповрежденных секций ГРЩ.
Рис. 3. Схема селективной защиты судовой электрической сети.
Защита от коротких замыканий в судовых цепях генератор — потребители обычно осуществляется как универсальными (с выдержкой времени), так и установочными автоматами. В этих случаях рационально избирательность между установочными автоматами осуществить по току, а избирательность между универсальными, имеющими замедлители, и установочными автоматами — по времени. Этот принцип построения защиты возможен также и потому, что токи короткого замыкания в конце линии, где применяются установочные автоматы, значительно меньше, чем вблизи генераторов, и могут быть соизмеримыми с токами срабатывания автоматов.
Кабели, идущие от генераторов до ГРЩ, выбирают по номинальной мощности генераторов, а идущие к потребителям — по номинальной мощности этих потребителей. В связи с этим указанные кабели защищают вместе с соответствующим оборудованием судовых электроэнергетических систем. Кабели, идущие к отдельным распределительным щитам, выбирают по суммарному току всех питающихся от щита потребителей.
Кроме обеспечения селективной защиты от коротких замыканий, все установленные в последовательную цепочку автоматы должны также обеспечивать селективное срабатывание и при перегрузках, чего добиваются на основании сравнения время-токовых характеристик выбранных автоматов.
Одновременно необходимо проверить выбранные автоматы на недопустимость отключения асинхронных двигателей под действием пусковых токов. Во избежание срабатывания автомата при пуске асинхронного двигателя нужно, чтобы пусковой ток двигателя был меньше тока максимального расцепителя автомата.