2. Системы автоматической защиты

Системой автоматической защиты называется совокупность элементов схемы управления, с помощью которой осуществляется контроль процессов в объекте управления, формирование сигналов в различных критических ситуациях и использование этих сигналов для предотвращения аварий путем остановки оборудования или переключения режима его работы, а также вызова обслуживающего персонала для выдачи ему информации о причинах возникновения и вида отклонений от нормальной работы.

Кроме отмеченных функций, вводимые в систему управления устройства защиты могут выполнять также функции защиты обслуживающего персонала от травматизма.

По назначению все системы автоматической защиты разделяются на четыре группы: системы предупредительной сигнализации; системы аварийного отключения и переключения оборудования; системы защиты обслуживающего персонала от травм; системы противопожарной защиты.

По физической природе входного сигнала устройства защиты делятся на электрические, гидравлические, механические, тепловые и др.

По числу контролируемых параметров различают системы защиты единичного и множественного контроля.

По числу выполняемых функций системы защиты делятся на однофункциональные и многофункциональные. Первые выполняют только одно действие (например, выключают электродвигатель при перегрузке). Многофункциональное устройство может кроме остановки электродвигателя включить сигнализацию или дополнительно выполнить какие-либо другие действия.

Системы автоматической защиты в большинстве случаев представляют собой разомкнутые системы, в состав которых входят следующие основные элементы: индикаторы аварийных ситуаций; усилительно-преобразующие устройства и элементы; исполнительные механизмы.

В индикаторе аварийных ситуаций текущее значение контролируемого параметра воспринимается первичным преобразователем (датчиком) и сравнивается с заданным значением. Именно в схеме сравнения происходят обнаружение признаков аварийной ситуации и формирование сигнала об этом событии.

Как правило, сигнал, полученный на. выходе индикатора аварийных ситуаций, обладает малой мощностью и не может непосредственно воздействовать на исполнительный механизм. В этих случаях сигнал предварительно подается на усилительно-преобразующее устройство, где сигнал может усиливаться, преобразовываться, а также стабилизироваться.

Сигналы индикатора аварийных ситуаций после усиления и преобразования приводят в действие исполнительные механизмы, которые предотвращают возможность аварии и оповещают обслуживающий персонал о ненормальных режимах работы оборудования.

В системах защиты, применяемых в сложных объектах, могут контролироваться сразу несколько параметров. В этом случае контроль осуществляется непрерывно или последовательно. При непрерывном контроле система защиты состоит из нескольких (по числу контролируемых параметров) параллельно включенных индикаторов аварийных ситуаций и усилительно-преобразующих элементов с одним исполнительным органом.

При последовательном контроле в одних и тех же индикаторах и усилительно-преобразующих элементах производится поочередная обработка исходной информации первичных преобразователей, поочередное включение которых осуществляется специальным переключателем.

К основным характеристикам устройств защиты относятся статические и динамические характеристики, чувствительность, инерционность, параметры и точность срабатывания, стабильность работы, способность к перегрузкам и надежность.

Статические характеристики выражают связь между входными и выходными параметрами в установившемся режиме, а динамические – в переходном, когда входные и выходные параметры изменяются во времени.

Инерционность определяется временем срабатывания, т. е. интервалом времени между моментами подачи на вход сигнала и выработки управляющего сигнала.

Точность срабатывания – разность между истинным значением и заданным значением контролируемого параметра, приводящая к срабатыванию устройства защиты.

Стабильность работы во времени определяется временными, температурными и другими интервалами, в пределах которых устройства могут нормально выполнять свои функции.

Способность к перегрузкам определяется максимальным значением контролируемого параметра и временем его действия, при которых устройства защиты не выходят из строя.

Надежность работы устройства защиты определяется рядом показателей, к числу которых относятся: вероятность безотказной работы в течение заданного интервала времени, средняя наработка на отказ и т. п.

Основными элементами индикаторов аварийных ситуаций являются первичные преобразователи, которые по конструкции и своим характеристикам практически не отличаются от первичных преобразователей, рассмотренных выше (см. гл. 2).

В устройствах защиты применяют стандартные схемы сравнения, усилители, преобразователи и исполнительные органы. Довольно часто в системах защиты используется исполнительный орган общей системы управления. Конструкции всех перечисленных элементов были рассмотрены выше.

В этом параграфе рассмотрены только те или иные индикаторы и сигнализаторы аварийных ситуаций.

На практике наибольшее распространение (в схемах управления оборудованием литейных и термических цехов) получили индикаторы аварийных ситуаций предельных положений, аварийных перемещений, предельных уровней жидкостей и сыпучих сред, аварийных деформаций и механических напряжений, аварийных сил и давлений, нарушений температурных режимов, погасания пламени топок, аварийной влажности, концентрации пыли и дыма, аварийных значений силы токов и напряжений, замыкания токоведущих шин на землю, систем защиты от травматизма и др.

Индикаторы предельных положений используют конечные (путевые) выключатели. Они устанавливаются таким образом, что срабатывают под действием подвижного элемента защищаемой системы при достижении им соответствующих точек контролируемого пути.

Индикаторы предельных уровней отличаются многообразием конструкций и принципов действия. Выбор типа индикатора зависит от физических свойств среды, уровень которой контролируется. Наибольшее распространение получили поплавковые и кондуктометрические индикаторы.

Индикаторы предельных деформаций и механических напряжений наиболее часто содержат тензометрические чувствительные элементы.

Индикаторы контроля статических и медленно изменяющихся сил обычно основаны на использовании динамометрических преобразователей с упругими элементами в виде пружин и колец. Для преобразования деформации в электрический сигнал применяют электроконтактные, потенциометрические или индуктивные первичные преобразователи.

Индикаторы аварийных давлений обычно имеют чувствительные элементы, подобные чувствительным элементам манометров (мембраны, сильфоны, трубчатые пружины и др.).

Индикаторы нарушений температурных режимов обычно базируются на чувствительных элементах, преобразующих тепловую энергию в электрический сигнал, т. е. различного типа термометры.

Индикаторы погасания пламени в топках контролируют наличие факела в камере сгорания нагревательной и плавильной печей, работающих на жидком или газообразном топливе. Подавая сигнал на отключение подачи топлива, индикаторы позволяют защищать печи от взрывов и других опасных последствий, которые могут возникнуть при погасании пламени. В таких индикаторах используются различные способы контроля наличия пламени: контроль за тепловыделением с помощью термочувствительного элемента; контроль за световым излучением, где используют фотоэлектрические преобразователи (фоторезисторы и фотоэлементы).

Весьма перспективными являются индикаторы в виде электронных датчиков, использующих ионную проводимость пламени. Так, через электроды датчика, введенные в зону факела, может протекать электрический ток с силой 2 ... 1200 тА.

Индикаторы дыма и пыли используются в системах противопожарной защиты, при контроле горения топлива, степени загрязнения окружающей среды и обнаружения недопустимых концентраций пыли в атмосфере цехов и помещений. Наиболее часто контроль осуществляется оптическими или радиоактивными методами по интенсивности излучения, поглощения или рассеивания частицами пыли и дыма.

Наиболее простыми защитными устройствами от перегрузок по току и коротких замыканий являются плавкие, предохранители.

Система защиты от производственного травматизма, который возможен при эксплуатации прессов, циркуляционных пил, механических фуганков и другого оборудования, останавливает машину при обнаружении приближения человека в опасной зоне. В этих случаях обычно применяют индикаторы на базе фотореле, которые срабатывают при прерывании светового барьера, ограждающего опасную зону. Кроме того, используют индикаторы генераторного типа, в качестве чувствительного элемента которого служит антенна. При приближении человека к антенне, подвешенной в опасной зоне, изменяется частота генератора. На выходе генератора появляется сигнал, который можно использовать для остановки оборудования. Генераторный индикатор может срабатывать на расстоянии 1 ... 100 см. Длина антенны может достигать 10 м.

Рис. 109. Схемы защиты электродвигателя от коротких замыканий:

а – с помощью плавких предохранителей; б – с помощью автоматического выключателя; в – с помощью реле максимального тока

Для оповещения обслуживающего персонала о возникновении опасных ситуаций, а также о причинах и характере аномальных режимов работы применяется специальная сигнализация, которая осуществляется акустическими и визуальными средствами, конструкция которых будет рассмотрена в последующих параграфах (см. гл. 13).

Из большого числа различных систем аварийного отключения оборудования наибольшее распространение в литейных и термических цехах получили системы защиты электродвигателей от перегрузок и короткого замыкания, нулевая защита, защита при обрыве троллейных проводов и другие, принцип которых будет рассмотрен ниже.

Защита в схемах управления электроприводами предназначена для предотвращений повреждения электрооборудования. Устройство защиты устанавливают как в силовых цепях, так и в цепях управления. К основным видам защиты в электроприводе относятся: защита от короткого замыкания; максимальная защита, срабатывающая даже при кратковременном превышении установленного значения силы тока; защита двигателей от перегрузок, если сила тока длительно превышает ее номинальное значение; защита от перенапряжения, возникающего в электрических цепях.

Защита от короткого замыкания обеспечивает немедленное отключение цепи, в которой произошло короткое замыкание или чрезмерное увеличение силы тока. Защита осуществляется с помощью плавких предохранителей (рис. 109, а), автоматических выключателей с электромагнитными расцепителями (рис. 109, б) и тепловых реле (рис. 109, в).

Защита плавкими предохранителями трехфазной силовой цепи двигателя обладает большим недостатком. При перегорании одной из вставок двигатель будет работать на двух фазах, что приведет к его перегреву. Этого недостатка лишена защита автоматическими выключателями. При их срабатывании отключаются все три фазы питающего напряжения.

Защита двигателя от перегрузки током предназначается для предотвращения перегрева двигателя при продолжительном режиме работы. Для этого в цепи трехфазного двигателя включаются два однополюсных или одно двухфазное тепловое реле. Тепловые элементы (нагреватели) этих реле включаются в цепи двигателя, как правило, после главных контактов магнитного пускателя или контактора (рис. 110).

Рис. 110. Схемы защиты электродвигателя от длительных нагрузок с помощью тепловых реле

Защита от длительных перегрузок может также осуществляться и автоматами и тепловыми расцепителями.

Схема защиты от перенапряжения выполняется на реле максимального напряжения, катушка которого включается в измерительную электрическую цепь. Необходимость такой защиты возникает при питании электроприводов от отдельных генераторов или преобразователей.

Нулевая защита – это такой вид защиты, который исключает возможность самопроизвольного включения электродвигателя после исчезновения напряжения или чрезмерного его снижения. При управлении двигателем с помощью кнопок по схемам, приведенным на рис. 108, такую защиту осуществляют магнитные пускатели КМ1 и КМ2. В этих схемах после отключения магнитных пускателей, замыкающих контакты КМ 1.1 и КМ2.1, включение параллельно пусковых кнопок SB1 и SB3 при появлении напряжения на схеме не позволяет включаться магнитным пускателям, так как цепи включения катушек разомкнуты.

Если управление электроприводом "Осуществляется переключателем с фиксированным положением, то нулевая защита обеспечивается включением реле напряжения KV (рис. 111). Реле включается в исходном положении переключателем, становится на самопитание и через замыкающий контакт создает цепь питания магнитных пускателей КМ1 и КМ2. При срабатывании защиты для включения KV надо переключатель поставить в исходное положение «О». В цепи катушки реле KV находятся также контакты теплового реле КК.

Рис. 111. Схема нулевой защиты с реле напряжения

Рис. 112. Схема защиты при обрыве троллейных проводов

Система защиты при обрыве троллейных проводов служит для защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током. Троллейные провода предназначаются в цехах для подвода электроэнергии к мостовым кранам, кран-балкам и другим транспортным средствам.

При обрыве одного из троллейных проводов (рис. 112) между точками А и В возникает разность потенциалов и возбуждается промежуточное реле КА. Размыкающий контакт реле размыкает цепь (с управляющими контактами УК) управления контактора КМ, и троллейные провода обесточиваются прежде, чем оборванный провод долетит до пола цеха. Для повышения чувствительности схемы промежуточное реле включено в диагональ диодного моста.

Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите о назначении исключающей блокировки.

2. Расскажите о назначении разрешающей блокировки.

3. Расскажите о назначении блокировки памяти.

4. Какие требования предъявляются к системам автоматической защиты?

5. Расскажите о структуре системы автоматической защиты.

6. Перечислите и дайте определения основных характеристик систем защиты.

7. Расскажите о классификациях систем автоматической защиты.

8. Расскажите об индикаторах аварийных ситуаций.

9. Какие виды сигнализации аварийного состояния применяются в настоящее время?

10. Расскажите о видах защиты в схемах управления электроприводами.

11. Расскажите о целях и видах нулевой защиты.

12. Дайте описание защиты при обрыве троллейных проводов.