СУДОСТРОЕНИЕ 3'2000
РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК
А. Ю. Карандашов, Б. В. Никифоров, Д. Ю. Шишкин, А. В. Юрин
(ЦКБ МТ «Рубин») УДК 621.316.9:623.827
Электрические установки на подводных лодках (ПЛ) появились в 80-х годах XIX века после изобретения свинцово-кислотного аккумулятора. На первых ПЛ для надводного и подводного хода использовался общий двигатель — электромотор, питаемый аккумуляторной батареей (АБ), после израсходования запаса электроэнергии которой ПЛ были вынуждены возвращаться в места базирования для ее зарядки.
Для увеличения продолжительности плавания на рубеже XIX—XX веков основные военно-морские державы разрабатывали ряд проектов, в которых для надводного хода использовались тепловые двигатели (газолиновые, керосиновые или бензиновые), а для подводного — электромоторы с АБ, которые могли заряжаться от собственного генератора ПЛ. Дальнейшее развитие ПЛ получили в 1908—191 1 гг., когда в качестве двигателя для надводного хода стали использоваться дизели.
В России первая дизель-электрическая подводная лодка (ДЭПЛ) «Акула» была построена в 191 0 г. на Балтийском заводе по проекту И. Г. Бубнова. Лодка была трехвин-товая, с тремя дизелями завода Нобеля и электромотором на среднем валу [1 ].
Проблема защиты кабельных трасс, потребителей и источников электроэнергии от токов короткого замыкания (КЗ) и перегрузки решалась на ПЛ путем использования предохранителей с пластинчатыми плавкими вставками, коммутация в цепях осуществлялась при помощи рубящих выключателей (рубильников).
Важный шаг в направлении повышения электрической защиты на отечественных ДЭПЛ был сделан в 1933 г. Немецкая фирма Ре$Ы-тад (Бремен) при участии советских специалистов выполняла технический проект «Е-2», в соответствии с которым защита АБ оттоков КЗ осуществлялась с помощью однополюсных максимальных автоматических выключателей, позволявших включать и отключать батарею за 3—4 с [2]. Для питания потребителей вместо пластинчатых предохранителей были применены пробковые с номинальными токами до 430 А в герметичных коробках. Головная ДЭПЛ, проект которой завершался советскими специалистами самостоятельно, была сдана в 1936 г. Она дала начало ДЭПЛ известной IX серии.
С совершенствованием ПЛ и увеличением мощности источников электроэнергии все больше возрастает проблема электрической защиты. Основными причинами КЗ в судовых и корабельных электроэнергетических системах (ЭЭС) являются повреждения или старение изоляции электрооборудования и замыкания токоведущих частей вследствие ошибок личного состава. Как правило, КЗ сопровождаются электрической дугой, которая в электрораспределительных устройствах движется по неизолированным шинам и приводит к сильным разрушениям оборудования, вызывает значительное задымление отсеков.
Для обеспечения пожаробезопасности ДЭПЛ необходимы устройства, позволяющие быстро и надежно отключать дуговые замыкания. Проблема состоит в том, что токи КЗ, ограниченные дугой, значительно меньше токов металлического (глухого) замыкания и соизмеримы со значениями пусковых токов в нормальных эксплуатационных режимах. Защита от КЗ, осуществляемая предохранителями и автоматическими выключателями, может не срабатывать при дуговых замыканиях, так как они заведомо должны быть отстроены оттоков нормальных эксплуатационных режимов.
Возникновение дуги в сети постоянного тока сопровождается характерной пульсацией напряжения в широком диапазоне частот, которая может быть использована для распознавания наличия дугового замыкания. В 60-х годах ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова разработал серию устройств частотно-дуговой защиты (ЧДЗ) ненаправленного действия для защиты от дуговых замыканий силовой сети постоянного тока напряжением 110—330 В. Переменная составляющая напряжения пропускалась конденсатором и поступала на первичную обмотку трансформатора. Напряжение вторичной обмотки трансформатора после выпрямления подавалось на катушку реле, блок-контакты которого включали силовое реле, замыкающее цепи дистанционного отключения автоматических выключателей.
Зависимость напряжения срабатывания устройств ЧДЗ от частоты переменной составляющей представлена на рис. 1. Время срабатывания устройств с момента возникновения дуги составляло 0,05—0,08 с. Воз-
ВОЕННОЕ КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ
СУДОСТРОЕНИЕ 3'20U0
и, в
о
I 1.5 2 2.5 } 3.5 5 10 15 СГи
Рис. 1. Зависимость напряжения срабатывания ЧДЗ от частоты переменной составляющей
можно было ввести выдержку времени до 0,12 с. Устройства разраба-тывались специально для ЭЭС, предназначенных для ДЭПЛ второго поколения.
На ДЭПЛ третьего поколения (класса «Kilo» по классификации стран НАТО) используется устройство ЧДЗ ненаправленного действия для защиты от дуговых замыканий силовой сети постоянного тока напряжением 175—320 В, а также от кругового огня на коллекторах электрических машин. Чувствительность устройства на частоте 250 Гц составляет 850 мВ. Селективность работы
устройства защиты по отношению к срабатыванию автоматических выключателей и предохранителей достигается за счет выдержки времени, которая может выбираться в пределах от 0,12 до 0,55 с. Устройство ЧДЗ может обеспечивать отключение двух автоматических выключателей. Ликвидация дугового замыкания в силовой сети достигается одновременным отключением выключателей всех ис-
точников электроэнергии: дизель-генераторов, гребного электродвигателя и АБ.
В 80-х годах для защиты ЭЭС в ЦНИИ СЭТ было разработано усовершенствованное устройство защиты от дуговых КЗ в главных цепях сети постоянного тока напряжением 175—320 В. В связи с тем, что дуговое замыкание в сети с напряжением, изменяющимся в таких пределах, сопровождалось ограниченным провалом напряжения, в устройстве канал частоты дополнили каналом напряжения при одновременном срабатывании канала частоты и напряжения. Канал частоты имеет затрубленную уставку по амплитуде напряжения 3,5 В на частоте 250 Гц. Канал напряжения устройства срабатывает при провале напряжения сети в момент дугового замыкания до 0,75—0,4 от значения напряжения в предаварийном режиме. Устройство обеспечивает одновременное отключение двух автоматических выключателей с независимыми расце-
пителями и одного выключателя с минимальным расцепителем. Устройство имеет селективную выдержку времени 0,1 2 или 0,1 8 с.
При создании перспективных высокоэнерговооруженных ДЭПЛ возникла новая проблема. Так как основной сетью на ДЭПЛ является сеть постоянного тока, имеющая мощные источники электроэнергии — дизель-генераторы и АБ, — то КЗ в
Рис. 3. График нарастания тока КЗ от АБ
ней могут иметь наиболее тяжелые последствия, связанные с большими токами, которые оказывают механическое воздействие на источники, кабели, коммутационную аппаратуру и шины электрораспределительных устройств. Расчет токов КЗ показал возможность возникновения максимальных ударных токов до 1 30—250 кА в зависимости от расположения мест возникновения замыканий в пространстве корабля. Традиционные средства защиты оказались не в состоянии коммутировать такие токи. Для снижения токов КЗ до 100 кА и менее в ЭЭС перспективной ДЭПЛ удалось реализовать новейшие средства и методы электрической защиты (рис. 2).
Наибольшего значения токи КЗ достигают в точке К! в гребном электродвигателе. При этом происходит суммирование токов подпитки от двух групп АБ и генераторных агрегатов. По сравнению с ДЭПЛ класса «Kilo» у рассматриваемой ЭЭС мощнее АБ, а кабельные трассы несколько короче. Поэтому расчетные значения ударного тока КЗ в точках К1 и К2 достигают соответственно 250 и 1 80 кА:
'к 1,2 = 'ab + 'ri + 'г2 '
где Iк] 2 — УДаРный ток в точке К1 или К2; I— ток подпитки от двух групп АБ; /[■] = /р2 =30 кА — ток подпитки от каждого генераторного агрегата.
Следует отметить, что предусмотренные на перспективных ПЛ электродвигатели вентильного типа не рекуперируют электроэнергию в сеть при КЗ, поэтому в расчете не учитываются. Это относится и к гребным электродвигателям.
Анализ активных и реактивных сопротивлений источников и элементов сети распределения показал, что постоянная времени, характеризующая отношение эквивалентных ин-
АБ1
©
j^QFl
QF6
/
К.2
гэд гл
Kl
/QF5
FUI FU2
4=1-1 L-F=b
/... /
АБ2
©
QF2
QFK ... /
Рис. 2. Схема ЭЭС перспективной ДЭПЛ: АБ1, АБ2 — группы аккумуляторной батареи; П,
Г2 — генераторы; QF1—QF5 — автоматические выключатели главного электрооборудования; QF6—QFK — автоматические выключатели сети распределения; FUI, FU2 — силовые предохранители; Kl, К2 — точки коротких замыканий
СУДОСТРОЕНИЕ 'i'2'JOO
ВОЕННОЕ КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ
дуктивного и активного сопротивлений, колеблется в диапазоне 1,5— 2,5 мс в зависимости от расположения точки КЗ:
т=1э/к Э-
где Т — постоянная времени; —
эквивалентные активное и реактивное сопротивления в точке КЗ.
Временной график тока подпитки от каждой аккумуляторной группы определится следующим образом (рис. 3):
.У"
где /дБ — установившееся значение тока при запитке от АБ; t — время.
Поскольку постоянная времени Тпринимает значения от 1,5 до 2,5 мс, то ток АБ достигнет своего установившегося значения через 9— 10 мс после начала замыкания.
Для построения временного графика нарастания тока подпитки от генераторных агрегатов воспользуемся выражением, определяющим момент времени, к которому ударный ток достигает максимального значения [3]:
f=l/2fr,
где fr — частота генератора.
Подставляя в эту формулу числовое значение fr = 1 00 Гц, определяем f= 5 мс. Из графика зависимости /r(f) при КЗ для системы генератор—выпрямитель (рис. 4) видно, что ток достигает максимального значения через 3 мс, что согласуется с результатами вычислений.
К моменту отключения автоматических выключателей, реагирующих на нарастание тока, т. е. через 40—80 мс, ток достигнет значения, существенно превышающего предельную коммутационную способность выключателей. Выпускаемые в настоящее время отечественные воздушные автоматические выключатели отключить такой ток не могут. Так, выключатели серии ВА (QFJ — QF5, см. рис. 2) имеют электродинамическую стойкость 150 кА и коммутационную способнос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.