船舶电力系统中的常用电器ch4

1第四章船舶電力系統中的常用電器2第一節概述一、電器分類•根據我國低壓電器(low-voltageapparatus)標準規定，低壓電器通常是指交流600V及以下與直流600V及以下電路中起通斷、控制、保護和調節作用的電氣設備，以及利用電能來控制、保護和調節非電量過程和非電量裝置的用電裝備。•船舶的電力系統一般是低壓系統，因此，船舶電器一般都是低壓電器。•按所控制的對象分為低壓配電電器(distributingapparatus)與低壓控制電器(controlapparatus)。低壓配電電器主要用於配電系統中，對此類電器的要求是工作可靠，有足夠的動穩定性與熱穩定性。電器的動穩定性是指電器承受短路電流的電動力作用而不致損壞的能力；電器的熱穩定性是指電器承受規定時間內短路電流產生的熱效應而不致損壞的能力。控制電器主要用於控制裝置和用電設備中，要求這類電器工作準確可靠、操作頻率高、壽命長。3二、電器選擇的基本準則•各種電器和載流部分的具體選擇條件並不完全一樣，但對它們的基本要求都相同。要保證配電裝置可靠地工作，必須按正常條件來選電器，而按短路情形來校驗熱穩定和動穩定。•正常工作的選擇條件是指額定電壓和額定電流。1﹒額定電壓電器的額定電壓就是銘牌上標出的線電壓。電器可以長期處在超過額定電壓15%的電壓下工作，這一電壓值稱為電器的最大工作電壓。選擇時，必須使電器裝置點的電網額定電壓不超過電器的額定電壓，即UN≧N電網(1)式中UN為電器的額定電壓；N電網為電網的額定電壓。42﹒額定電流•電器的額定電流是指在一定周圍空氣溫度下無限長時間內電器所能允許通過的電流。因此，選擇時應滿足條件IN≧I工作(2)式中IN為電器的額定電壓；I工作為最大連續工作電流‧目前生產的電器，設計時取周圍介質計算溫度為45℃(或40℃)，如果周圍最高氣溫大於45℃，由於發熱，會降低電器絕緣壽命，因此，電器的連續允許電流應按下式校正式中I為空氣溫度為t0時的連續允許電流；I45為空氣溫度為45℃時電器的額定電流；t0為周圍實際溫度；t1為電器某部份的最高允許溫度(例如，斷路器和隔離開關根據觸頭的條件為75℃，匯流排為90℃)。)3(1014545tttII53﹒短路熱穩定校驗‧由於短路電流超過正常電流很多倍，因此雖然流過的時間很短，可是溫度上升仍然很高。導體在短路時的最高溫度不應超過此類導體的短時發熱容許溫度。滿足這個條件時認為對短路電流是熱穩定的，穩定的條件是Q允許≧Q短路(4)式中Q允許為短路時容許發熱量，製造廠常以某t秒允許通過電流It所產生的熱量來表示，Q允許=；Q短路為短路時產生的熱量，Q短路=因此，式(4)又可寫成式中為穩態短路電流；為假想時間。式(5)即為熱穩定校驗條件。製造廠常將t定為:1s，5s，10sRtI21(5)22tItIt。RtI2tI64.電動力穩定校驗•當短路特別是短路電流最大值通過該電器時，因電動力與通過電流的平方成正比，此力可達很大數值，以至可能破壞電器結構或引起支持該設備的絕緣子等元器件損壞。因此，電器設備必須能承受短路時引起的機械力作用，即具有足夠的電動力穩定度，才能可靠工作。•電動力穩定校驗就是檢查電器能承受短路電流機械效應的能力。電器的動穩定性用容許的短路電流最大幅值表示。校驗時，將製造廠規定的最大允許電流與短路路沖及電流比較，即Imax≧Ip或imax≧ip式中imax，Imax為設備最大允許電流的幅值和有效值；ip，Ip為電路短路沖擊電流及其有效值。7第二節船用空氣斷路器•在船舶配電裝置中廣泛地使用空氣斷路器。空氣斷路器也稱為自動空氣開關，有框架式與裝置式兩種類型。•船舶發電機主開關大多採用框架式，配電開關大多採用裝置式。8一、斷路器型號的命名方式•斷路器的命名符合低壓電器的命名方式，國產斷路器型號命名的格式如下D9－／其中D表示斷路器；為字母，W表示萬能式；Z表示裝置式；數字，9表示船用是數字，表示產品序號，如有4，5，8和14等；是數字，表示斷路器的額定電流，單位為安培；是一位字符，表示派生型號，見表3所示；是一位數字，表示極數，如3表示3級或3相；是兩位數字，，表示脫扣器代號，如表4所示。123456１234569表3低壓電氣派生型號的字符涵義符號涵義符號涵義A(以及B、C、D…)結構設計改型變化N可逆F返回，帶分勵脫扣P電磁復位，防滴式，單相，兩個電源，電壓的H保護式，帶緩沖裝置S有鎖位機構，手動復位，防水式，三相，三個電源，雙線圈J直流、自動復位、防震、重任務K開啟式TA乾熱帶L電流的TH濕熱帶M密封式，滅磁W無滅弧裝置10＊例如:DW98-200/3表示船用萬能(框架)式斷路器，斷路器的額定電流為200A，3級開關。＊國外產品及國內近年引進產品的命名方法不同，如日本寺崎公司的萬能式空氣斷路器有AH系列，裝置式斷路器有TO，TG等系列。表4脫扣器代號中數字涵義左邊一位數字涵義右邊一位數字涵義數字涵義數字涵義0無脫扣器0不帶附件1熱脫扣器1帶分勵脫扣2電磁脫扣器(瞬動)2帶輔助觸頭3復式脫扣器3帶失壓脫扣4電磁脫扣器(短延時)4帶分勵脫扣及輔助觸頭5過載長延時，短路瞬動5帶分勵且失壓脫扣6過載長延時，短路短延時6帶兩組輔助觸頭7帶失壓脫扣及輔助觸頭11二、框架式自動空氣斷路器•框架式自動空氣斷路器也稱為萬能式自動空氣斷路器或萬能式空氣開關。框架式自動空氣斷路器，正常運行時作為接通和斷開主斷路的開關電器，在不正常運行時對主電路進行過載、短路和失欠壓保護，自動斷開電路。它既是一種開關電器，又是一種保護電器。•框架式自動空氣斷路器的組成一般包括:觸頭系統、滅弧室、過流脫扣器、失壓脫扣器、分勵脫扣器、自由脫扣機構，電動操作機構和手動操作機構。其方框圖如圖1所示。圖1空氣斷路器方框圖鎖扣裝置操作機構自由脫扣機構傳動機構主觸頭滅弧室輔助觸頭分勵脫扣器失壓脫扣器過流脫扣器121.觸頭系統•空氣斷路器一般有2~3組主觸頭、5~6組輔助觸頭。•主觸頭用在主電路，輔助觸頭用在控制電路。開關在閉合時通過的額定電流由主觸頭承擔。為了避免主觸頭在斷開電流時被電弧灼傷，除主觸頭外還沒有弧觸頭，大容量空氣斷路器有的還沒預接觸頭。•閉合次序是:先接通弧觸頭，後接通預接觸頭，最後才接通主觸頭。在分閘時則次序相反，先斷開主觸頭，後斷開預接觸頭，最後才斷開弧觸頭。•觸頭系統的設計，應保證有足夠的電動穩定性，具有電動力補償，即短路電流所產生的電動力，不是減弱而是加強觸頭的壓力。132.滅弧室•提高空氣斷路器的斷流容量，必須具有強滅弧性能的滅弧室。•滅弧室通常根據複式滅弧原理製成，具有去離子柵片和滅焰柵，以減小斷開開關時的飛弧區域。•當開關斷開時，強大的電流以電弧的形式進入滅弧柵片，利用複式滅弧柵片將長弧隔離成多段短弧已縮小飛弧距離，使電弧迅速降溫、熄滅。143.自由脫扣機構自由脫扣機構的作用是使觸頭保持閉合或迅速斷開。它是觸頭系統和操作傳動裝置之間的聯繫機構。自由脫扣機構有三個功能:(1)將手柄或手動合閘部份的操作傳遞給觸頭系統；(2)當合閘操作完成後，維持觸頭系統處於接通位置；(3)保護部份動作能夠使它自由脫扣。•為了實現這些功能，不同型號的開關有不同的構造，典型自由脫扣機構由四連杆機構組成。15如圖2所示，自由脫扣機構是一個穩定的四連桿機構。圖2(a)為合閘位置，此時連桿2和3幾乎成一直線，鉸鏈接點b稍低於a和c的連線，連桿2和3成為剛性連接，運動連桿處於死區，觸頭處於閉合狀態。圖2(b)為自動分閘後的位置，及當釋放器的銜接或頂桿向上衝擊b點時，圖2(a)位置的剛性連結被破壞，因而自由脫扣器動作而使觸頭分閘。圖2(c)為準備合閘位置，此時將手柄向下拉，使連桿2和3幾乎成一直線剛性連接，然後再把手把往上推，就能重新合閘。164.過流、失壓、分勵脫扣器•斷路器按需要可以裝設過流過流、失壓、分勵脫扣器，如圖3所示。(1)失壓脫扣器•失壓脫扣器保證在電壓降到額定電壓值的40﹪或以下時必須動作，使空氣斷路器斷開，而在額定電壓的75﹪或以上時必須保證空氣斷路器可靠合閘，因此，失壓保護可在額定電壓的35﹪~75﹪範圍內整定。•實際上失壓脫扣器一般由一個瞬時動作的電壓繼電器組成，當線路電壓低於某一整定值時，由於電磁吸力不足，繼電器釋放，通過自由脫扣機構使開關自動跳閘。•為了避免在電網電壓瞬時的波動下產生誤動作(如較大的異步電動機啟動等)，要求在欠壓情況下可帶有1~3s左右的延時，即當電網電壓降到額定電壓的75﹪~35﹪之間時，經與系統選擇性保護相關協調，延時1~3s使開關可靠分斷。1718(2)分勵脫扣器分勵脫扣器是為遠距離控制斷路器迅速開斷電路而用的。分勵脫扣線圈要在75﹪~110﹪額定電壓時能使空氣斷路器跳閘。19(3)分勵脫扣器•過流脫扣器為了實現選擇性的保護動作，採用了過載長延時(包含定時限和反時限兩種)、短路短延時及特大短路瞬時脫扣的三段式保護特性。•反時限的涵義是指過流越多，要求開關的動作時間越短；過流越小，要求開關動作時間就越長。也就是要求開關的動作時間與過載電流成反比關係。•過流脫扣器開始動作的電流值稱整定電流，它的數值是可以調整的。•一般在過流脫扣器額定電流IN的1~10倍範圍內進行整定。過載長延時整定電流為1~1.5IN，延時為15~30S。短路短延時整定電流為2~4IN，延時在0.2~0.6S內選擇。特大短路時的整定電流整定電流可在5~10IN範圍內整定，此時開關瞬時動作，斷開時間約為0.1S。205.操作方式•目前船舶採用的空氣斷路器有三種傳動操作方式，即手柄合閘、電磁鐵合閘和電動機合閘。•一般較大容量的開關採用電合閘，以減少操作強度，並能滿足自動控制和遙控操作的需要。•船用框架式自動空氣斷路器大多採用按鈕合閘操作，其內部實際合閘操作機構不是電磁鐵形式就是電動機型式，但均要保留有手柄操作方式。•不論哪一種操作方式，均要首先使儲能彈簧儲能，並使自由脫扣機構”再扣”，然後利用彈簧的儲能快速合閘，即使合閘的時間與操作無關，僅與斷路器內部機制有關。•目前框架式自動空氣斷路器，採用電磁鐵合閘操作機構的合閘時間一般在0.1S左右；採用電動機合閘操作機構的合閘時間一般在0.3~0.4S左右。21當發電機啟動成功、電壓建立後，交流電壓經二極管D整流向電容器C充電。當按下合閘按鈕SB，電容器C對繼電器KA放電，KA動作，其常閉觸點打開，切除電容充電迴路，常開觸點閉合，接通整流橋電路，電磁鐵線圈KM通電動作，將開關內主彈簧拉長儲能，自由脫扣機構已處於”再扣”位置。電容器快放完電時繼電器KA釋放，其常開觸點打開，切除橋式整流電路，電磁鐵線圈KM斷電，此時儲能的主彈簧釋放，自由脫扣機構動作使斷路器主觸點合閘。合閘後，由於DW觸點斷開，此時在按下按鈕SB，不會再有合閘動作。另外，KA的常閉觸點閉合，電容器C又充電儲能為下次合閘做好準備。22發電機建立電壓後，按下電磁控制開關，繼電器KA1通電，其常開觸點KA1閉合後繼電器KA2有電，其常開觸點KA2閉合，合閘線圈KM通電，快速將動銜鐵吸上，利用動銜鐵的質量和速度，通過電磁合閘柱銷，對四連杆機構產生一個較大的衝擊，推動合閘機構合閘。合閘後，自動開關的輔助常開觸點DW閉合，繼電器KA3通電，其常閉觸點KA3斷開，繼電器KA1通電，其常開觸點KA1斷開；控制繼電器KA2失電，觸點KA2斷開，然而使合閘線圈KM斷電，電磁吸力消失，合閘動銜鐵恢復原樣，準備下次合閘。23整個合閘過程分為兩個階段:儲能階段及合閘階段。在儲能階段，電動機M經連鎖觸頭CK1(CK1在儲能階段閉合，在儲能階段結束即合閘階段是斷開的)和中間繼電器K的常閉觸頭K1獲得供電，電動機開始運轉，使合閘機構儲能，直至連鎖觸頭CK1斷開，CK2閉合(CK2閉合情況與CK1相反)，然而使電動機斷電而停轉，完成了合閘準備。在合閘階段也就是如果要使空氣斷路器合閘，可按下合閘按鈕SB，經空氣斷路器常閉輔觸點QF1使中間繼電器K接通電源。通過繼電器常開觸點K2、K3的閉合，使電動機通電運轉，然而使空氣斷路器合閘。合閘後，由於空氣斷路器