船舶主空气断路器的工作原理和保护功能分析

船舶主空气断路器的工作原理和保护功能分析 大连海事大学 ??????? 装??????? 订??????? 线????? ?? 二〇一一年六月 I 船舶主空气断路器的工作原理和保护功能 分析 专业班级:轮机2007中队8班 姓 名: 张洁喜 指导教师: 邸德辉 轮机工程学院 II 摘 要 本文针对空气断路器(ACB)在船舶上的应用，分析主空气断路器的工作原理。作为船舶主开关的空气断路器，它在三相交流电力系统中又是怎样工作的，它是如何保护发电机的。“育鲲”轮使用的主开关是施耐德的Masterpact NW12 N1型主开关，其逻辑控制单元是Micrologic 5.0A，就以“育鲲”轮主开关为例，全面分析“育鲲”轮主开关的合闸、分闸过程及现代主开关对发电机的保护原理。 首先，讲述了主空气断路器的特性，即主空气断路器的分类和主要技术参数;研究一般空气的断路器的工作原理，在这里增加交流电电弧的产生过程。然后，深入研究“育鲲”轮主开关的结构原理，再结合主开关控制电路和主配电板电路分析主开关的合闸和分闸的动作过程，其中合闸和分闸都分析了手动和自动过程。而作为现代船舶主开关，除了合闸和分闸外，还有一个很重要的内容就是对发电机进行保护。最后根据施耐德Masterpact NW12 N1型主开关对发电机的保护功能，分析过电流保护、失压保护和逆功率保护原理。 科学技术日新月异，追溯主开关的历史，船舶主开关的发展也很快。本文最后展望主开关的未来，大胆的设想未来船舶主开关的发展方向。 关键词:现代船舶主开关;空气断路器;脱扣;触头;过电流保护 III Abstract Aiming at application of air circuit breakers(ACB),the article talks about the working principle of air circuit breakers.How does the air circuit breaker work?how does it protect the generator as it is the ship’s main switch?”Yukun”ship is equipped with Masterpact NW12 N1 air ciecuit breaker made by Schneider,it’s logic control unit is Micrologic 5.0A. Take example for the main air circuit breaker used on “Yukun”,deeply analyzing the precess of connecting and disconnecting ,and protecting principle. At first,talk about ACB’characteristics,and discuss the working principle of general ACB.Additionally,deeply study structural principle with “Yukun”ship’s ACB.Combine with ACB control circuit and main switch board circuit,analyzing action of connecting and disconnecting which include “manual”and”auto”.However,except for connecting and disconnecting,there is a very important function to protect the generator as it is modern ACB.In the end,according to Schneider NW12 N1 ACB’protection function,analyzing protect principle of overcurrent 、lose voltage and counter power. Science and technology are changing day by day.Date back ACB’s history,the ship’ACB developed rapidly,too.The last,I talk about the direction with ACB’develop in the future. Keywords: the modern ship ACB;air ciecuit breaker;diaconnect;contact;over curent protection IV 目录 前言................................................................................................................................ 1 第一章 主空气断路器的特性...................................................................................... 2 1表征主空气断路器形式的特性.......................................................................... 2 2主空气断路器的主要技术参数.......................................................................... 3 第二章 主空气断路器的工作原理.............................................................................. 4 1触头系统.............................................................................................................. 4 2交流电弧的产生及灭弧原理.............................................................................. 5 3自由脱扣机构...................................................................................................... 5 4短路、过载、失压(欠压)、分励脱扣器........................................................ 6 第三章 “育鲲”轮主空气断路器的合闸、分闸过程分析...................................... 7 1主空气断路器结构原理...................................................................................... 7 2主空气断路器的合闸过程.................................................................................. 9 2.1合闸操作方式........................................................................................... 9 2.2直接合闸................................................................................................. 10 2.3同步合闸................................................................................................. 11 3主空气断路器的分闸过程................................................................................ 12 第四章 “育鲲”轮主空气断路器保护功能的实现................................................ 14 1过电流保护原理及参数设定............................................................................ 14 1.1长延时脱扣............................................................................................. 16 1.2短延时脱扣............................................................................................. 17 1.3瞬时脱扣................................................................................................. 17 1.4参数设定................................................................................................. 18 2欠压(失压)保护............................................................................................ 19 3逆功率保护........................................................................................................ 21 第五章 对“育鲲”轮Masterpact NW12 N1(Micrologic 5.0A)主空气断路器的改 进建议.......................................................................................................................... 21 1控制单元和控制方式改进................................................................................ 21 2绘制欠压保护延时曲线.................................................................................... 23 第六章 结论................................................................................................................ 24 参考文献...................................................................................................................... 26 致谢.............................................................................................................................. 27 附图.............................................................................................................................. 28 V 船舶主空气断路器的工作原理和保护功能分析 前言 断路器又称开关，是用来接通或分断一条或多条电路的电器。船舶主开关属于断路器，是断路器中的一种用于船舶上，接通或断开发电机和汇流排之间的电路的开关，由于船舶主开关的灭弧介质是空气，所以又叫主空气断路器(Air Circuit Breaker，即ACB)。主空气断路器是船舶主配电板非常重要的设备，它具备通断较大电流功能，又可以对主电路实现保护。 早期的断路器是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现，因而体积大，效果也不理想。而空气断路器的脱扣器是采用电磁式过电流脱扣器，该脱扣器只能实现瞬时保护功能。随着断路器的发展其额定工作电压、电流及分段能力和保护功能不断发展，脱扣器也随之发展起来。在采用油阻尼、空气阻尼和钟表机构等作为延时元件后，脱扣器实现了过载延时和短路延时等功能。所以，在传统断路器的基础上逐步开发出了更可靠和具有更多保护功能的断路器，如短路保护、过载保护、热保护、缺相保护等保护功能。 到20世界60年代初，由于电子技术的普遍应用，出现了半导体脱扣器。随着微型计算机的发展，进入20世界90年代初，低压断路器由电子式数字智能化方向发展，电气开关实现了智能化。对于智能化的电气开关，它除了保持了电子式脱扣器的各种优点外，还具有保护精度高调节范围广，操作方便等特点。不仅能够提供普通的断路器的各种保护功能，实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、触头磨损率、功率因素等)，各种保护功能的动作参数也能监视、设定和修改，保护电路动作时的故障值也可以储存在非易失储存器中也便查询。具有这些优点，智能脱扣器的功能日益强大，现在也在船舶低压配电系统中得到广泛应用。 主开关的自动化越高，越能更好的实现分断和保护功能，维护管理也越方便。现在的船舶主开关，从宏观结构来讲，已经没有以前那么复杂了，各种传感器、附件和控制计算单元等都是通过插口等装配在一起的。但是，这样高度的自动化，看似很方便，其实对我们的船舶管理人员要求更高了。要管理好现代船舶主开关，要求我们的管理人员要有更高的电气知识、网络知识和管理技能。因此，我们有必要更加深入地了解和研究现代船舶主开关的结构和工作原理。 目前，世界上主要的空气断路器有:ABB的F2系列、施耐德的NW和NT系列以及三菱的AE系列等。 1 第一章 主空气断路器的特性 1表征主空气断路器形式的特性 1.1极数 船舶配电系统可采用直流、交流单项、交流三相电力系统，现代船舶主要采用交流三相。船舶交流三相电力系统是三相三线制电力系统，所以采用的主开关是三极空气断路器。而照明系统的分路是单相，采用的断路器是双极断路器。在有的陆电系统中，把三相电源的中性点和负载的中性点用一条中性线连接起来，这种电力系统成为三相四线制，所使用的断路器为四极断路器。 1.2电流种类 电流只有交流和直流两种，现在的船舶较多采用交流电制，临时小应急电源是蓄电池，所以是直流。所以主开关是使用在交流电路中的空气断路器。 1.3灭弧介质 断路器的灭弧介质有空气、油和真空(真空中本没有任何介质，这里把真空称为一种介质)等，空气断路器的灭弧介质是空气。目前采用的船舶低压供电系统，主开关基本都使用空气断路器(Air Circuit Breaker)。 1.4合闸方式 操作断路器主触头接通供电称为合闸，空气断路器的合闸方式分为手动合闸和电动(电动机或电磁式)合闸两种方式。塑壳式断路器电流较小，可以采用手动合闸，电流较大和需要遥控操作时用电动合闸;框架式断路器电流较大，合闸采用电动合闸为主，手动合闸为备用的合闸方式。但需要同步合闸时都采用电动合闸方式。 事实上，现在船舶主开关基本上没有人力拉动手柄的合闸方式，如“育鲲”轮Masterpact NW12 N1 主开关，当控制电源失电不能用电动机储能时，用压缩弹簧机构的手柄代替电动机储能，再按合闸按钮合闸，而不是传统的不用储能而直接拉动开关手柄合闸。 1.5脱扣方式 操作断路器主触头断开称为分闸，分闸分为手动、电动、分励合失压脱扣方式。 操作断路器分闸可以直接拉动主触头断开，也可以操作机械机构脱扣使主触头断开。手动分闸是指在断路器上用手柄或分闸机构直接操作实现分闸，遥控分闸是利用电磁线圈的通、断电，使机械机构动作实现脱扣。 在通电的情况下使机械脱扣称为分励脱扣，而在失电的情况下保护电器动作自动使机械脱扣的脱口方式称为失压脱扣。 2 分励脱扣用来操作断路器分闸。失压脱扣器可用于操作分闸外还用于失压保护。有的断路器可同时设置两种脱扣器，有的只设置一种脱扣器。但是都必须设置失压脱扣器。 2主空气断路器的主要技术参数 2.1额定电压和额定电流 额定电压是指与通、断能力和短路性能有关的电压值，与允许通、断的电流值是相关的;额定电流又称额定持续电流，是断路器长期工作制所能承载的最大电流值。 2.2额定短路接通和分断能力 额定短路接通能力是指在额定条件(额定的电压、频率和特定的功率因素)下，能够可靠接通的短路接通能力之值，用最大预期峰值电流表示(最大预期峰值电流是指电流开始时可能出现的最大值瞬间的预期峰值电流)。 额定短路分段能力是指在额定条件(额定的电压、频率和特定的功率因素)下能够可靠分段的短路分段能力之值，用预期分段电流(交流周期分量的有效值)表示。 断路器的额定短路接通能力应大于所提供的短路电流计算得出的最大电流峰值;额定短路分断能力应大于短路电流的最大电流有效值。额定短路接通和分断能力这两个参数说明断路器在固定的电流范围内工作，在外部电源短路时合上断路器，触头可以承受短路电流的峰值而不致熔融或变形。 2.3限流能力 限流式断路器(分断时间短得足以使短路电流达到其预期峰值前分断的断路器)要求有较高的限流能力，一般要求限流系数在0.3~0.6之间。 2.4动作时间 动作时间是从电路出现短路的瞬间至触头分离、电弧熄灭、电路完全分断所需要的全部时间。 2.5保护特性 断路器的过电流保护特性，可用各种过电流情况与开关动作时间的关系曲线来描述。断路器的保护特性必须与被保护对象的允许发热对象相匹配。 除了过电流保护特性外，还有过电流+过功率+可编程保护特性等。如，施耐德的控制单元为Micrologic A 的Masterpact NW/NT系列主开关 是过电流保护特性，控制单元为Micrologic P的Masterpact NW/NT系列主开关是过电流+过功率+可编程保护特性。 2.6额定频率 额定频率是指断路器的电路中的电源频率，目前国际上民用电源有50Hz和60Hz两种频率，大多数断路器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 成对两种频率都能使用。 3 第二章 主空气断路器的工作原理 空气断路器一般包括:触头系统、灭弧室、过流脱扣器、失压脱扣器、分励脱扣器、自由脱扣器、电动操作机构和手动操作机构。如图2.0所示: 锁扣装置 辅助触头 操作机构 自由脱口机构 执行机构 主触头 灭弧室 过流脱扣器 失压脱扣器 分励脱扣器 图2.0自动空气断路器方框图 1触头系统 触头系统包括主触头、辅助触头，为了避免主触 头在断开时被电弧灼伤，除主触头外还设有弧触头， 大容量的断路器还设有预接触头。 “育鲲”轮施耐德NW系列主开关的预接触头由一 个机械指示触点和转换触点组成，如图2.1是预接触点 元件: 主触头用在主电路，辅助触头用在控制电路。他 们的闭合次序是:先接通弧触头，后接通预接触头，图2.1 预接触点 最后才接通主触头。在分闸时则相反，先断开主触头， 后断开预接触头，最后才断开弧触头。而辅助触头是 跟主触头联动的，断开与闭合是跟主触头同时进行的。采用这样的顺序就可保证主触头在接通和断开时都不被电弧灼伤。由于主触头采用银钨合金，保证正常时的通流能力，具有良好的耐磨和抗熔融性。触头设计时，就考虑到其电动稳定性，即短路电流所产生的电动力，不是减弱而是增加触头的压力。 4 2交流电弧的产生及灭弧原理 2.1断路器电弧的产生 电弧或弧光放电是一种物理现象，也是气体放电的一种形式。开关设备在分断时，会在触头间产生电弧，此时电路中的电流继续流通，直到电弧熄灭，触头间隙成为绝缘介质后，电流才被断开。发生在开关设备中的电弧简称为开关电弧。 带负载的电路被切断时，断开处低电位的自由电子会脱离金属触点，跑入空气隙中，在电压作用下，被加速后以很大的速度向高电位运动，与空气分子(如氧和氮分子)相撞，使空气发生撞击电离现象，产生新的电子和离子。这些新的电子和离子，被加速后又撞击别的空气分子，重新产生撞击电离，这种链锁反应使空气隙中自由电子骤然增多，空气开始导电，出现很大的电流，因而产生了电弧。 2.2灭弧原理 灭弧室是装设在触头周围、用绝缘材料制成的控制电弧燃烧并借以形成高速气流对电弧进行强烈气吹而使之熄灭的部件。 要提高断路器的的断流容量，必须具有强灭弧性能的灭弧室。灭弧室通常采用复式灭弧原理，既具有去离子栅片和灭弧栅，以减小断开开关时的飞弧区域。当开关断开时，强大的电流以电弧的形式进入灭弧栅片，利用复式灭弧栅片将长弧隔离成多段短弧，缩小飞弧距离，使电弧迅速熄灭。 3自由脱扣机构 自由脱扣机构是触头系统和操作传动装置之间的联系机构，其作用是使触头保持闭合或迅速断开。如图2.23为一自由脱扣机构示意图。(a)为合闸位置，此时连杆2和3几乎成一条直线，成为刚性连接，运动连杆处于死区;(b)为自动分闸后的位置;(c)为准备合闸位置，此时将手柄拉下，使杆2和3几乎成一直线刚性连接。将手柄向下拉式复位，如果不复位则不能合闸。 5 ((cc)准备合闸位置)准备合闸位置((bb)分闸位置)分闸位置((aa)合闸位置)合闸位置 图2.3自由脱口机构图 脱扣器是一种含有复位装置的断路器脱口装置。它将磁性元件、导磁铁、线圈、衬套、 储能器、驱动元件等紧凑的安装在一个体积很小的壳体内。并由磁性元件、壳体、导磁片、动作元件组成一个特定的磁回路。常态下，衔铁在永磁铁的作用下保持吸合状态，即磁回路将储能器处于最大的势能状态，当控制器检测到主回路过载或短路时，给脱扣器一个一定强度的短时持续脉冲信号(持续时间由软件控制)，使线圈通有电流而产生反向磁通，破坏了脱口期内的磁回路，储能器释放能量，衔铁弹出推动推杆，再推动断路器上的牵引杆执行动作，从而使断路器可靠分闸。当断路器分闸后，衔铁在永磁铁的作用下又吸合，但是牵引杆不会回到原位，要再次合闸时必须复位。 4短路、过载、失压(欠压)、分励脱扣器 失压(欠压)脱扣器是实现失压(欠压)保护的，分励脱扣器是为远距离控制断路器迅速分段电路用的。短路(过载)脱扣器也叫分励脱扣器，分励脱扣器实现过载长延时、短路短延时和特大短路瞬时脱扣的三段保护特性。 6 图2.4 短路(过载)、失压、分励脱扣器示意示意图 第三章“育鲲”轮主空气断路器的合闸、分闸过程分析 1主空气断路器结构原理 7 图3.1主开关结构原理图 1.1逻辑控制单元 控制单元是主开关的核心，电流测量输入安装在断路器下端的连接器上，其工作电源是24V DC。 Micrologic 5.0A控制单元能实现过电流保护(过载长延时+短路短延时+特大短路瞬时脱扣)，还有热记忆功能，能记忆脱扣前后的“热量(温度)—时间”图、能测量电流真实的rms值、能显示某段时间内每线(A线、B线和C线)电流的最大值等。复位后，重新记录“热量(温度)—时间”图，并显示这段时间的电流的最大值。 1.2远程操作(远程合闸/分闸) 远程“合闸/分闸”用于远距离闭合和断开断路器，由下列部分组成: ?安装有压缩弹簧限位开关(CH)的电动机(MCH); ?两个电压释放 一个闭合释放(XF)，是用于断路器合闸的;“XF”得电使断路器合闸，当断路器合闸后，“XF”释放电压。 一个断开释放(MX) ，用于过电流保护，当控制单元检测到一个超过保护始点的电流时，“MX”会得电，使断路器断开;当断路器断开后，“MX”又失电。 ?还有以下部分:一个预合闸开关(PF)、一个电动合闸按钮(BPFE)和故障远程复位按钮。 一个远程操作单元一般安装: ?分闸/合闸指示(OF) ?(故障脱扣)指示(SDE) 1.3电动机(MCH)储能 电动机压缩弹簧并且当断路器闭合的时候再压缩弹簧机构。压缩弹簧机构的手柄只有在辅助电源失电的时候作为备用;电动机还安装了一个用于发出弹簧机 8 构被压缩信号的限位开关(CH)。当电动机拉动弹簧储能完毕时，会触动限位开关(CH)，停止储能过程。当断路器闭合后，弹簧释放能量，又使限位开关闭合，电动机得电转动，使弹簧再次储能。如果电动机电源(220V AC)失电，用一个备用手柄人力储能。电动机压缩的频率最大为3转/1minute，最长压缩时间为4s。 1.4“预合闸”开关(PF) 用一个机械指示器和一个PF转换开关指示断路器“预合闸”的位置。当这个信号指示时，所有的下列信号有效: ?断路器在“分闸”位置; ?弹簧机构已经储能完毕; ?MX没储能(无电); ?脱扣复位; ?没有远程应急操作，即“MX2”无电，“MN”有电; ?断路器没有锁闭在“OFF”位置。 1.5电动合闸按钮(BPFE) 安装在断路器前部面板上，用于断路器的电 动合闸。通常安装一个透明盖，防止不小心按下 按钮。通过BPFE按钮电动合闸考虑到了所有的 安全功能，这些安全功能是装置控制和监视系统 的一部分，即采用“BPFE”合闸时，只有满足所 有的条件后才会合闸。 图3.15“BPFE”合闸 BPFE按钮连接到闭合释放(XF)。 1.6抽架的“连接”、“退出”和“试验” 这 3 个辅助触点装于抽架上: ? 转换开关触点，指示“连接”的位置 (CE); ? 转换开关触点，指示“退出”的位置 (CD)，这个位置表示断路器本体可以被抽出; ? 转换开关触点，指示“试验”的位置 (CT)，在这个位置中，主电源电路被切断，辅助电路连接。 2主空气断路器的合闸过程 2.1合闸操作方式 合闸操作有两种方式:直接合闸和同步合闸。直接合闸是指电网无电，单台发电机投入使用，也叫单机投入。直接合闸需要满足发电要求(如电压、频率)和主开关的合闸要求才能合闸。同步合闸是指电网有电，需要再投入一台发电机 9 供电才满足使用的需要，把这台发电机投入电网供电的过程叫同步合闸。同步合闸除了满足发电要求和主开关的合闸要求外，还需满足电压差、频率差和相角差在一定的范围内才能合闸。同步合闸是在同步屏上进行的，又可分为手动同步和自动同步合闸。手动同步是将电站管理模式选为“手动”，然后手动选择需要投入使用的发电机、启动，打开同步表、选择待并发电机，手动调频、手动并车，并且手动调载，最后关闭同步表的这样一个过程;而像“育鲲”轮自动化程度高的船舶，同步合闸只需选择电站管理模式为“自动”，然后选择待并发电机，就自动的实现上述手动并车的整个过程，这就是自动同步。但不论是手动同步合闸还是自动同步合闸，其原理是一样的，需要满足的条件也是一样的。 2.2直接合闸 以1号柴油发电机主开关的合闸为例，说明“育鲲”轮主开关的合闸过程，如图3.22是1号发电机的主开关控制电路图。主开关的控制电源是220V交流电，这个电源是通过主开关下端的连出线经过变压之后得到的，只要发电机建立电压，主开关就有了控制电源。 1号发电机单机投入运行，此时合闸必须满足的条件是: ?“MN”的电压必须在85%的额定电压以上(此时“MN”检测发电机的电压是否建立) ?弹簧机构已经储能 ?上一次脱扣复位 ?岸电、应急发电机开关未合闸 ?本机主开关未合闸 由于岸电没有合闸(如果使用岸电，需先停止岸电，才能让1号发电机投入运行，所以合闸也是直接合闸)，在主开关合闸之前，整个电网无电，开关K107.5、K105.7、M103.2、K293.31、K125.21、K145.21、K165.21、K198.3、K250.2和K192.4都是闭合的，此时发电机建立额定电压，“MN”立即得电(U > 85% Un)满足合闸的需要。储能机构是在工作电源为220V AC的电动机“MN”的工作下储能的，当储能完成时，限位开关“CH”断开，停止储能，当主开关合闸时，弹簧机构释放能量，使限位开关“CH”闭合，储能机构再次储能，为下次合闸做准备。所以弹簧机构是在上次主开关合闸之后就为这次合闸储能的。又由于主开关处于分闸位置，上次脱扣已经复位，满足预接触头“PF”闭合条件。 在主开关合闸控制线路上，由于主开关的辅助触头“OF1”的11和14触头是断开的，所以继电器K105.22无电，开关K105.22闭合。此时“电站管理”模式选为“手动”，则开关M103.2的触点17和18断开，手动连锁开关K105.5闭合。直接按下按钮“SB104.3”(装在同步屏上)，合闸线圈“XF”得电，主开关 10 合闸，发电机投入电网运行。 图3.22 1号发电机主开关控制电路 此时，主开关的辅助触点OF1的触点11和14闭合，继电器K105.22得电，继电器K105.22的辅助触点3和11断开，合闸线圈“XF”放电，辅助触点5和9闭合，主开关“合闸”指示灯亮。弹簧机构也释放能量，电动机再次转动储能直到储能完毕，为下次合闸做准备。 2.3同步合闸 2.3.1手动同步合闸 同步合闸时，电网有电。此时，只要启动待并发电机，建立电压，待并发电机的主开关的控制电源即得电。假设发电机DG2正在电网供电，待并发电机为DG1。则在DG1主开关控制电路中: I 辅助继电器电路中的“公共停车”开关没有按下，继电器K107.5无电，所以开关K107.5是闭合的; II 没有手动或自动分闸信号，开关K105.7闭合; III没有逆功率，电站管理电路中的PPU(M103.2)中的端子12和13是闭合的; IV没供应岸电(SC)，开关K293.31闭合; V 发电机G2供电，所以2号发电机(DG2)辅助继电器电路中的继电器K125.21有电，开关K125.21断开，同理，3号发电机(DG3)的继电器K145.21 11 无电，轴带发电机(SG)的继电器K165.21无电，开关K165.21闭合。由于主发电机和轴带发电机不能并联运行，所以柴油发电机主开关和轴带发电机的主开关至少有一个是断开的，即发电机DG1、DG2和DG3都投入运行时，开关K125.21和K145.21断开，轴带发电机不能投入运行，开挂K165.21是闭合的，反知，当K165.21断开时，K125.21和K145.21不能断开。当轴带发电机向汇流排供电时，母联开关(BS)是闭合的，而当轴带发电机没有供电时，而要用首侧推，母联开关也要闭合，即开关K198.3和K165.21可能同时断开，也可能不同时;总之，K125.21、K145.21、K165.21和K198.3这四个开关至少有一个闭合; VI 没有异常脱扣，同步控制屏上PLC开关量输出电路中的继电器K250.2无电，开关K250.2闭合; VII 2号发电机供电，汇流排有电，同步控制屏上辅助继电器电路中的继电器K192.4有电，开关K192.4断开;同步控制屏上同步选择及测量电路上的“万能转换开关”SA200.3打到“DG1”位置，触点5和6断开的，即开关SA200.3闭合;此时G1没有同步运行，则同步控制屏上的继电器K250.3无电，开关K250.3断开;DG1主开关断开，OF2上的触点21和24是断开的。即在开关K192.4、SA200.3、K250.3和OF2四个开关中只有SA200.3是闭合的。 此时只要起动发电机DG1，电压建立到额定值，“MN”即得电(U > 85%)。Un和直接合闸一样，满足合闸条件，预接触点“PF”闭合。同样，此时开关K105.22是闭合的。 在合闸线路中，由于是手动同步合闸，在“电站管理”模式仍选“手动”，手动连锁开关K105.5闭合。然后在同步屏上打开“同步表”，选择DG1，调节DG2的频率为50Hz，DG1的频率略高于50Hz，观察“同步表”，在11点(顺时针)迅速将DG1的主开关摁合，手动均功，最后关闭同步表。 此时DG1成功并入电网运行。 2.3.2自动同步合闸 自动同步合闸和手动同步合闸原理一样， 只是在合闸回路上不同。自动同步合闸时，在 “电站管理”模式中选择“自动”，手动连锁开 关K105.5断开，电站PPU(Protection and Paralleling Unit)自动检测电压、频率和相角，图3.2.32PPU(M103.2) 当满足并车条件时，PPU发出一个使得PPU上 的端口17和18连通(如图3.2.32)，闭合线路 上的开关M103.2闭合，闭合线圈“XF”得电，主开关闭合，发电机DG1投入电网运行。最后自动均功 3主空气断路器的分闸过程 主开关的分闸分为保护性分闸和正常分闸。保护性分闸将在主开关的保护功 12 能中全面探讨，这里仅分析主开关的正常分闸。主开关正常分闸的情况有: I接岸电时分闸 运行，由于负载的减少需要停止一台或两台运II两台或多台发电机同步 行的发电机 III发电机之间的切换 第III种情况跟第II种情况是一样的，发电机之间的切换需要把待运行的发电机启动并入电网，然后再停止运行发电机。对于第I种情况，属于停止单机运行的发电机。需要手动停止发电机;对于停止同步运行的发电机，可分为手动停止和自动停止。手动停止时需手动转移负荷和手动分闸;自动停止则自动转移负荷和自动分闸。 3.1停止单机运行的发电机 图3.31 手动分闸 以停止DG1为例，当要接岸电的时候，需要手动停止发电机DG1，岸电才能投入运行。手动停车时，手动连锁开关K105.5闭合，此时在同步屏上按下按钮“SB105.6”，继电器K105.7得电，DG1控制屏上的开关K105.7断开，“MN”失电，DG1主开关分闸。 3.2手动分闸同步运行的发电机 假设DG1和DG2同步运行，需停 止DG1。“电站管理”模式选择“手动”， 手动转移负载。同时向相反的方向调节 DG1和DG2的调速开关，使DG1的负 载减少，DG2的负载增加，直到DG1的 负载小于额定负载的5% ~ 10%(但不能 太小，防止逆功率跳闸)时，按下DG1 主开关分闸按钮“SB105.6”，DG1主开 关分闸。 3.3自动分闸同步运行的发电机 图3.32同步屏 13 “电站管理”模式选择“自动”，如果并联运行的单台发电机的负载小于额定负载的30%时，电站的自动调频调载功能会自动的把负载转移到优先选择的发电机上，然后自动分闸空载发电机的主开关。 假设DG1和DG2在网供电，此时手动连锁开关K105.5断开。优先选择模式为“DG2-DG1-DG3”，当单机功率都小于额定功率的30%时， DG1上的负荷会自动的转移到DG2上，当DG1的负载全部转移到DG2时，发出DG1分闸信号，继电器K250.41(如图3.32)得电，开关K150.41闭合，继电器K105.7得电，开关K105.7(主开关控制电路)断开，“MN”失电，DG1主开关分闸。 另外，“育鲲”轮上还有“半自动”的“电站管理”模式，其分闸过程在此不再过多探讨。 第四章“育鲲”轮主空气断路器保护功能的实现 以“育鲲”轮的施耐德主开关Masterpact NW12 N1为例，全面阐述“育鲲”轮主开关的保护功能 1过电流保护原理及参数设定 “育鲲”轮Masterpact NW12 N1主开关使用的逻辑控制单元是Micrologic 5.0A。其中“5.0”表示选择性保护，即长延时+短延时+瞬时脱扣的选择性保护;“A”表示过电流保护。 14 如图4.10为“育鲲”轮主开关的过电流保护特性曲线。负载电流产生的热 2It效应由决定。过载时，设电流产生的热效应为Q,要使在过载时在延时时间内产生的热量的最大值小于相等. Qmax 则 Q,Q,Q12max 22 (t为延时时间) It,It1122 22,,II11,,t,t,t 2112,,II2,,2 I,It,t 设,， I,xI101021 1t,t 则 202x at,由此可得出过载延时时间的基本方程为:(a和b为常数，x为整2x，b 定电流的倍数)随着过电流的增加，发电机流过的电流允许时间按指数规律下降。过电流 — 时间特性曲线用直角坐标系表示是指数曲线，比较直观。 如图所示的曲线1是发电机的过电流特性，这是过流保护的对象。过流应在电流达到曲线1之前动作跳闸;过流保护动作的时间应在特性曲线1的左侧。 主开关过流的三段保护为特性曲线2，选择性保护采用了过载长延时、短路 15 短延时及特大短路瞬时脱扣的三段保护特性。第一段电流Ir ~ Is是过载长延时，随着过电流的增加，延时tr按指数曲线下降;第二段电流Is ~ Ii是短路短延时，延时ts是有固定值或按反时限减小两种方式;第三段过电流大于或等于Ii，是特大短路瞬时脱扣，动作时间ti接近0。 1.1长延时脱扣 脱扣器始动电流Ir按基准电流的倍数整定，电流整定:Ir = x(其中IInn 为发电机的额定电流)，在N1主开关中，“x”的值可设定为0.4、 0.5 、0.6 、In 0.7 、0.8 、0.9、 0.95 、0.98 和1共9级，保护的范围在1.05Ir ~ 1.50Ir，即长延时的脱口电流值在1.05Ir ~ 1.50Ir之间。如设定x=0.8，则保护范围为0.84 In~ 1.20。这种设计使得一种主开关可以用于不同额定电流的发电机保护;又能In 通过发电机的工作条件和状况调节保护特性，比如发电机使用时间过长，工作性能变差，这时如果还按照新发电机的保护点去保护，则可能损坏发电机。 2在这个范围内，按发电机的It过电流特性保护，动作延时时间随电流的增加按指数曲线下降(反时限特性)。要考核动作的时间特性需要确定一个电流考核值，考核这个值所对应的时间。Micrologic 5.0A的长延时电流考核值有1.5Ir、6Ir和7.2Ir。“育鲲”轮使用的主开关电流考核值为6Ir，时间有0.5s 、1s、 2s 、4s、 8s、 12s、 16s、 20s 和24s共9个级。 16 1.2短延时脱扣 电流整定值:Isd = Ir x，在长延时保护设定中，已经设定了Ir的值;这里的“x”可设定的值有:1.5、 2 、2.5、 3 、4、 5、 6、 8 和10共9级;短延时具有定时限特性，大于始动电流后延时时间与电流大小无关，延时时间设定值有:on、off、0.1s、 0.2s、 0.3s和 0.4s共6级。当电流达到10?Ir时，根据不同的Ir，最大的设定时间有:20ms、 80ms、 140ms 230ms和 350ms，最大分段时间:80ms、 140ms、 200ms、 320ms和 500ms。 2发电机对短路的承载能力有关，具有反时限特性。Micrologic 5.0A断路It 22器在面板上增加了定时限和反时限选择开关，开关上标有on和off。“on”ItIt 2表示具有反时限特性，“off”表示具有定时限特性。当短延时设在“ off”位It置时，按设定的定时限时间动作。 2 现在一般都采用定时限，短延时设在“Itoff”位置。“育鲲”轮主开 2关短延时设定在“It off”位置的0.4s位置。 1.3瞬时脱扣 17 瞬时脱扣不是保护发电机本身，而是电力系统选择性保护的需要，即发电机发生短路时，断开发电机的ACB，保证其他并联发电机的正常供电。主开关不能保护由发电机本身引起的故障。 瞬时脱扣始动电流Ii = x，“x”有2 、3 、4 、6 、8 、10 、12 、15 和In off共9个级。脱扣器的分闸是瞬时的，延时时间接近0,。 1.4参数设定 如图4.14为“育鲲”轮主开关参数调节面板，在调节盘上用旋钮整定保护阀值和延时时间，整定值会立刻显示在屏幕上 图4.14 过电流参数调节盘 1.41长延时脱扣参数设定 通过使用一个与设定旋钮不同的长延时精度旋钮来限制设定延时时间的精度，可以改善设定精确度。有4个可转换值用来限制长延时始动点的设定精度，设定精度有:0 ~ -30%(1.5Ir)、0 ~ -20%(6Ir)、0 ~ -20%(7.2Ir)和off ， 18 为了结束过载保护“设定”过程，将长延时等级楔块打到“off”位置。 电流整定值及脱扣始动值如下表: 设定范围 x 整定电流Ir = In x 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 0.98 1 0.最小始动电流Ir = Inx 0.4 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 8 最大始动电流Ir = Inx 0.80 0.82 0.85 0.88 0.90 0.92 0.95 0.98 1 “育鲲”轮主开关的长延时整定电流设定为0.8，即整定电流Ir = 0.8(IInn为发电机的额定电流);延时时间设定为20s。所以长延时脱扣的始动电流最小为0.60，最大为0.90。 IInn 发电机的额定电流 I,938An I,0.8I,0.8，938A,750.4Arn 1.42短延时参数设定 整定电流:Isd = Ir x，x为2.5 Isd,Ir，2.5,750.4，2.5A,1876A则 延时时间设定表盘上有两个分区，在反时限“on”侧有0.1s、0.2s、0.3s和0.4s共4个级，在反时限“off”侧也有0.1s、0.2s、0.3s和0.4s共4个级。“育鲲”轮主开关设定为反时限“off”，延时时间设定为0.4s。 1.43瞬时脱扣参数设定 直接在瞬时脱扣设定表盘上设定瞬时脱扣电流整定值。整定电流:Ii,Ix，n“育鲲”轮主开关“x”设定为6。 则Ii,I，6,938，6A,5628A n 瞬时脱扣的最大设定时间为20ms，最大分断时间为50ms。 2欠压(失压)保护 欠压(失压)脱扣器保证在电压降到额定电压的40%或以下时必须动作，时空气断路器脱开，而在额定电压的70%或以上是必须保证空气断路器可靠合闸。因此，失压保护电压可以在额定电压的35% ~ 75%范围内整定。为了防止误动作，欠压保护也是带有一定延时的。 欠压保护主要是对作并联运行的发电机的保护。发电机并联运行时要防止把 19 未发电的或电压很低的发电机投入电网，还要防止电压消失后发电机继续留在电网上。 欠压线圈“MN”采用直流供电，直流电源装置的输入是被检测了的交流电压，当这个交流电压低于整定值时就会使“MN”释放电压，使主开关分闸。欠压保护装置能变压、整流，输出为直流电压供给欠压线圈，所以欠压线圈正常工作时是直流电源供电，机端电压低于欠压保护整定值时，失压线圈释放脱扣机构，使断路器分断。另外，“MN”除了有欠压(失压)保护功能外，还能远程脱口脱扣功能。 欠压保护装置能设定欠压整定值。有瞬时动作(Instantaneous opening order)和延时动作(Delayed opening order)，瞬时动作用于避免发电机不发电时闭合断路器，延时动作用于电压降到欠压保护整定值时，系统选择性延时保护。脱扣延时与否，延时多少，什么时候延时，取决于欠压保护装置延时单元的设置，延时不是“MN”放电的快慢，“MN”放电是瞬时的，延时是在欠压保护装置里的延时单元完成的。 失压脱扣延时单元有可调节和不可调节两种形式，不可调节的延时时间为 0.9s、1.5s和3s共四级。“育鲲”轮为0.25s，可调节的延时时间可调节为0.5s、 U可调节形式，电压延时操作始点为0.35 ~ 0.7，延时时间为0.5s。失压脱口后，n U只有当电压高于0.85时，欠压保护装置才会输出电压，使“MN”得电，断路n U器才能再次合闸，如果电压低于0.85，由于欠压保护装置和“MN”的欠压保n 护功能，断路器是不能合闸的。 20 3逆功率保护 由图3.22可知，逆功率保护也是通过欠压线圈“MN”实现的，而逆功率的监测是在电站管理单元(PPU)中完成的。以前的电站，逆功率是通过逆功率继电器检测的，现在船舶电站使用PLC，就不再需要逆功率继电器，只需输入电压和电流，PPU就能检测是否有逆功率。没有逆功率时，PPU上的端口12和13相当于一个导线，端口11和12断开，当PPU监测到逆功率的时候，PPU上的端口12和13断开，断开了欠压线圈“MN”的电源，“MN”失电瞬时释放脱扣。当待并发电机在刚投入运行时，由于存在频率差和相角差，在同步的过程中会引起待并发电机逆功率，但只要频率差和相角差在一定的范围内，短时的逆功率是允许的，所以逆功率保护应具有一定的延时。逆功率的延时是在PPU里完成的，当监测到逆功率时，延时一定时间发出开关闭合信号。 第五章 对“育鲲”轮Masterpact NW12 N1(Micrologic 5.0A)主空气断路器的改进建议 1控制单元和控制方式改进 图5.10 发电机主开关逻辑控制单元 21 图5.11 主开关控制电路 原来的主开关控制电路有很多连锁开关。如图5.10、5.11在此设计的主开关控制单元，合闸分闸都只需控制单元输出一个开关信号。 1.1合闸 把所有合闸的条件(“MN”的电压必须在85%的额定电压以上、弹簧机构已经储能、上一次脱扣复位、岸电、应急发电机开关未合闸、本机主开关未合闸等)全部输入逻辑控制单元。当发电机电压建立，主开关控制电源供上，是手动合闸还是自动合闸，只要按下按钮，控制单元自动检测，而不需手动连锁。当要手动合闸时，检测所有合闸条件满足，按下手动合闸按钮合闸，也不需要预接触头，预合闸的信息都由控制单元检测;当要自动合闸时，控制单元自动检测合闸条件，发出合闸信号，合闸线圈“XF”得电，主开关合闸。同步合闸信号来自同步屏。 1.2分闸 分闸的所以信息输入逻辑控制单元，手动分闸、逆功率分闸、多机运行自动分闸、或是异常脱扣，都有控制单元发出分闸信号。失压线圈的电源有一个整流装置整流供给，欠压保护装置的延时单元放在控制单元里，电压测量输入和电流测量输入一样安装在主开关下端的连接器上。 1.3马达储能 如果主开关合闸后储能机构又储能，则储能机构始终处于储能状态。在储能电路上设置一个开关，当主开关合闸后储能开关断开弹簧不再储能，只有当主开关断开后，发电机再次建立电压时才储能。如果开关合闸失败需再次合闸时，由于失败使储能开关再次闭合，为马上需要的第二次合闸储能，满足合闸需要。 22 2绘制欠压保护延时曲线 图5.20 同步发电机电势向量图 ,,,,,, 如图5.20为发电机电势向量图，(其，，E,U，Ir，jIX,U，Ir，jXaaataat0 , 中为定子电枢绕组的阻抗，为空载电动势。) EZ,r，jX0aaa ,, U由于电枢绕组的阻抗很小，和夹角也很小。当电压U减EZ,r，jX0aaa 小时，为了补偿U的减小，会急剧增加。从发电机的外特性曲线也可以看出Ia U减小时，会急剧增加。当电压稍微降低时，负载在低电压高电流下工作效率Ia 很低;当电压降低变大时，电流的急剧增加会损坏发电机。 由上式可知:E,Ucos,，Ircos,，IXsin,() ,,,,,0aaat ,EUcos0I,,所以:; arcos,，Xsin,rcos,，Xsin,atat E,cos0m,n,,设，; rcos,，Xsin,rcos,，Xsin,atat I,m，nU则; a U,xUUn,nU设(x为整定电压的倍数，整定电压)， 常数:; 00t0 I整定电压时的电流为; 0 ，mnxt,II则:; 0，mnt 23 a由过载延保护推导出来的公式:可知: t,2x，b at,失压保护延时时间:(其中a、b 、m、都是常数); nt2,,m，nxt,,，b,,m，nt,, 这也是一条指数曲线，延时电压在70%~35%之间，当电压低于35%UUnn时，瞬时脱扣。曲线如图5.21所示: 图5.21 欠压保护曲线图 如图，沿U轴方向，电压降低的倍数增加，电压降低。曲线1为预警脱扣，即还未低于欠压脱扣值之前，设值报警值，提醒你电压已经很低了。曲线2为欠压保护曲线，在和U之间是延时保护，当电压低于U时，瞬时脱扣。 U331 欠压保护装置在控制单元里，延时有控制单元的欠压延时单元完成。 欠压保护曲线的推导也用到了过电流保护的热效应公式，看起来似乎跟过电流保护一。实则不然，首先，欠压保护延时的变量时电压而不是电流;其次，过电流保护要在电流达到整定的电流以后才延时脱扣，而欠压延时不然，当整定一个电压时，根据发电机电势向量图得到一个电流，这个电流不等于过电流保护整定值;再次，欠压保护的延时比过电流保护延时短很多。 第六章 结论 通过对主开关的研究，我对主开关的工作原理、保护功能以及在实际应用中的实现过程有了更深入地了解，从主开关的发展历史预知道它未来的发展方向。 最开始的主开关没有储能，全靠人力搬动手柄合闸、过载保护采用发热元件 24 这种原始的方式;到后来的储能合闸，过载、欠压和逆功率保护通过测量电流，用开关和继电器传到分闸线圈的方式;再到现在的自动合闸，过载保护直接由控制单元控制，控制单元只需要一个电流输入、只需输入一个分闸信号，欠压保护由欠压保护装置实现。现在的主开关已经有很高的准确性和可靠，自动化程度非常高，是免维护的。 但是主开关的性能还有待改进，发展空间还很大，以后的主开关可能会向以下方向发展: I由现在的过电流保护方式向过电流+过功率+可编程保护方式发展; II欠压保护由现在的定时限延时+瞬时脱扣向反时限延时+瞬时脱扣方向发展; III过载长延时由现在的整定电流有级调节向无级调节方向发展，可以更准确的调节长延时整定电流; IV控制系统向数字控制系统发展，向小型化、模块化发展; V向高性能、可通信方向发展。控制单元与通讯单元之间进行信息传输，再通过总线连接到实现单元和微机控制系统，可以远程显示和控制，电机员在房间就能知道主开关的工作状态，并且能在房间里控制主开关，实现遥控、遥调、遥测、遥信功能。 25 参考文献 ,,, 赵殿礼 张春来( 船舶电站控制与管理技术( 大连:大连海事大学出版社，,,,,( ,,, 顾绳谷( 电机及拖动基础第,版上册( 北京:机械工业出版社(,,,,( ,,, 《MpNTNW Functions,Electricaldiagram》( Schneider(,,,,( ,,, 断路器灭弧原理和灭弧室 26 致谢 衷心的感谢轮机专业的各位老师，在大学学习期间给予了我极大地鼓励和帮助，在学习上给予了我严谨、耐心的指导，在生活上给予了我亲切、热情的关怀。老师们的渊博的学识、谦逊、谨慎的治学作风，一丝不苟、尽职尽责的工作态度以及正直的为人之道，都将使我终身受益，并鼓励我始终刻苦努力。在此，我想各位老师表示崇高的敬意和衷心的感谢～ 27 附图 附图 “育鲲”轮主开关结构图 1复位指示灯 2分闸按钮 3分闸位置锁 4电动合闸按钮 5合闸按钮 6弹簧储能指示 7按钮锁定 8触头位置指示 9操作计数器 28