Общие условия защиты электрооборудования на кранах от аварийных ситуаций
По своему назначению, специфике работы и конструктивным особенностям грузоподъемные краны относятся к категории оборудования, имеющего повышенную опасность, что объясняется самим процессом работы этих механизмов на площадках и в помещениях, где одновременно находятся люди и ценное оборудование.
Общие требования по безопасности работы кранов и кранового электрооборудования сформулированы в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов» и «Правилами устройства электроустановок».
Все электрооборудование, располагаемое в кабинах управления кранами, снабжается заземленными металлическими кожухами или должно быть полностью закрыто от возможности прикосновения к токоведущим частям. В кабине управления также должен находиться аппарат, обеспечивающий непосредственное или дистанционное отключение всех питающих кабельных трасс, проведенных по крану, за исключением вводных устройств.
Выход на площадки крана, где расположены не защищенное кожухами электрооборудование, токоподводы или троллеи тележки, может осуществляться только через двери и люки, имеющие блокировку, отключающую питание всех источников электроэнергии крана.
Участок главных троллеев, главные токоприемники и токовводы, остающиеся под напряжением при отключений всей внутрикрановой разводки,. должны иметь надежное ограждение от случайного прикосновения к ним. Это ограждение должно иметь замок с индивидуальным ключом.
Ремонт и осмотр токовводов может осуществляться только при отключении питания главных троллеев или общего вводного устройства, расположенного вне крана. Цепи несколько кранов питаются от общецеховых троллеев, то предусматривается ремонтный участок, где может быть осуществлено отключение троллеев без перерыва питания остальных кранов.
Краны являются движущимися установками и подвержены вибрациям и ударам в процессе движения, поэтому возможность повреждения кабелей и проводов на кранах относительно выше, чем при их стационарной прокладке. Кроме того, на ряде кранов токопереход на движущиеся части осуществляется с помощью гибких шланговых кабелей, повреждение которых полностью исключить невозможно. С учетом этого первой задачей защиты является защита электрооборудования на кранах от токов к. з.
Токи к. з. в отдельных цепях в пределах крана будут тем меньше, чем меньше сечения монтажных проводов этих цепей и меньше размеры различных токопереходов и токоразъемов. Максимальные токи к. з. в цепях управления при сечении проводов 2,5 мм2 составляют 1200—2500 А. При этом для защиты цепей возможно применение предохранителей серии ПР на токи 6—20 А или любых видов автоматических выключателей АП 50, АК 63 и т. п. Токи к. з., А, в цепях электродвигателей ориентировочно, можно определить, по формуле
где Iкзюф — ток короткого замыкания в фазе питающей, линии через 0,04 с; sп — сечение провода в рассматриваемой цепи, мм2.
Так как ток к. э. не должен до его отключения разрушать коммутационный аппарат, находящийся в данной цепи, то необходимо при выборе аппаратов и сечений проводов соблюдать определенные соотношения, обеспечивающие термическую стойкость аппарата. Полагая, что термическая стойкость большинства аппаратов, применяемых в крановом электроприводе, составляет 10Iн в течение 1 с, то соотношение между максимальным допустимым сечением провода, мм2, и номинальным током аппарата должно быть следующим:
где Iн — номинальный ток аппарата, А.
Последнее соотношение показывает, что при возможных токах к. з. на фидере более 8000 А аппараты на 25 А устанавливать недопустимо по термической стойкости. Аппараты на токи 63 А могут использоваться только при сечениях кабеля не более 6 мм2, а аппараты на ток 100 А — при сечениях кабеля не более 16 мм2.
При возможных токах к. з. 12 000 А (предельных для кранов) аппараты на токи 63 А могут использоваться только при сечениях кабеля не более 4 мм2, т. е. при номинальных токах до 30 А. Аппараты на ток 100 А могут использоваться при сечениях кабеля не более 10 мм2, т. е. при номинальных токах до 60 А. Таким образом, для кранов, получающих питание от фидеров особо большой мощности, необходимо либо устанавливать аппараты на токи не ниже 100—160 А, либо ограничивать сечения проводов к этим аппаратам с целью снижения возможных токов к. з.
Защита кабельной сети крана от токов к. з. осуществляется с помощью реле максимального тока мгновенного действия, а при необходимости может осуществляться установочными автоматами.
Защита проводов от токов к. з. осложняется большим интервалом мощностей электродвигателей механизмов в пределах одного крана. В соответствии с правилами устройства электроустановок защитные аппараты должны быть рассчитаны на ток срабатывания не выше 450% продолжительного тока защищаемой цепи. Этими же правилами для проводов и кабелей, работающих с повторно-кратковременной нагрузкой, допустимый по нагреву ток определяется выражением
Где Iпв и Iн — номинальные токи кабеля в повторно-кратковременном и продолжительном режимах работы.
При ПВ=40% Iпв = 1,4 х Iн. Таким образом, кратность уставки защиты к допустимому току провода (кабеля) должна быть не выше 450/1,4=320% тока в режиме 40% ПВ. Допускаемые нагрузки на провода и кабели в пределах крана при температуре окружающей среды 45° С приведены в справочных таблицах.
Крановые электроприводы имеют следующие основные типы защитных устройств:
• максимальную защиту для отключения электропривода от сети при возникновении в защищаемой цепи недопустимых токов;
• нулевую защиту для отключения электропривода при прекращении или перерыве подачи питания от источника электроэнергии. Разновидностью нулевой защиты является нулевая блокировка, исключающая самозапуск электродвигателя при восстановлении питания на подводящей линии, если орган управления находится в рабочем положении
• конечную защиту для предотвращения перемещения движущихся конструкций сверх определенных допустимых границ.
Важной задачей системы защиты является предотвращение у всех типов электроприводов крановых механизмов недопустимых перегрузок, связанных с неисправностью схем управления, заклиниванием механизмов, обрывом цепи тормоза и т. п. В этом отличие требований к защите от перегрузок крановых электроприводов от защиты от перегрузок для электроприводов продолжительных режимов.
В связи с неопределенностью нагрузки крановых механизмов, меняющимися темпами нагрева двигателей, их работой в условиях частых пусков и торможений не представляется возможным даже ставить задачу защиты электроприводов от тепловых перегрузок. Единственным условием предотвращения тепловых перегрузок кранового электрооборудования является его правильный выбор с учетом заранее рассчитанных любых возможных в эксплуатации режимов работы.
Таким образом, защита от перегрузок сводится к контролю пускового тока при ступенчатом пуске и защите от заклинивания короткозамкнутых двигателей или электроприводов с токовой отсечкой. При правильно организованном пуске электропривода со ступенчатым разгоном пусковой ток не должен превышать 220— 240% тока, соответствующего расчетному значению.
С учетом необходимого запаса на разброс как пускового тока, так и уставки максимального реле последняя должна рыть рассчитана на срабатывание при токе около 250% расчетного который может быть равен или меньше тока электродвигателя в режиме ПВ=40%.
Согласно изложенному, на реле максимального тока в системе крановых электроприводов возлагается две функции:
1. защита от токов к. з. проводов (кабелей) в каждом полюсе на постоянном токе и в каждой фазе на переменном токе,
2. защита от перегрузок, для обеспечения которой достаточно включить реле в один из полюсов или одну из фаз.
В соответствии с правилами электроприводы кранов должны иметь нулевую блокировку, т. е. при перерыве питания электропривод должен отключаться, а его повторное включение возможно только после возвращения органа управления в нулевое положение. Это требование не распространяется на системы кнопочного управления с пола, имеющие кнопки с самовозвратом.
Наличие, нулевой блокировки исключает самозапуск электроприводов кранов, а также исключает повторное включение при срабатывании различных защит.
Защита от обрыва фазы на кранах не применяется. Анализ возможных последствий обрыва фазы вне крана и приемлемой системы защиты от обрыва фазы показал, что, с одной стороны, в настоящее время нет удовлетворительного технического решения по применению надежного, дешевого и простого аппарата контроля напряжения на фазах, а с другой стороны, обрыв фазы в пределах крана и вне его маловероятен в связи с тем, что применение плавких предохранителей в главной цепи в настоящее время не практикуется.
Новые системы динамического торможения, применяемые взамен торможения методом противовключения, сводят к минимуму опасность падения груза при обрыве фазы.
Реле защиты от перегрузок в крановом электроприводе
Для защиты цепей кранового электрооборудования от перегрузок применяется электромагнитное реле мгновенного действия типа РЭО 401. Эти реле могут использоваться как в цепях переменного, так и постоянного тока. Реле имеет два конструктивных исполнения. На рис. 1 показан общий вид реле РЭО 401.
Реле состоит из двух основных узлов: электромагнита 2 и размыкающего вспомогательного контакта 1. Катушка электромагнита 3 расположена на трубке 4, в которой свободно перемещается якорь 5. Положение якоря в трубке регулируется по высоте и определяет значение тока срабатывания реле. При возрастании тока в катушке выше тока срабатывания якорь поднимается вверх и через толкатель контактного узла размыкает контакты.
Во втором исполнении электромагниты реле в количестве от двух до четырех штук крепятся на общем основании, имеющем также общую скобу, передающую усилия любого отдельного якоря электромагнита - к вспомогательному контакту, установленному на основании. Таким образом, в этом исполнении несколько электромагнитов воздействуют на один вспомогательный контакт.
После отключения тока возврат якоря происходит под действием собственного веса. Реле имеет один размыкающий вспомогательный контакт. Вспомогательный контакт рассчитан на коммутацию переменного тока до 10 А при напряжении 380 В и или на коммутацию постоянного тока 1 А при 220 В и L/R = 0,05
Рис. 1. Общий вид реле РЭО 401
Катушки реле на токи свыше 40 А выполнены из неизолированной меди. Выводы этих катушек расположены на специальной изоляционной панели. Катушки на токи до 40 А — изолированные. При выборе реле для установки в. комплектных устройствах следует руководствоваться допустимой нагрузкой катушки в режиме ПВ = 40% и диапазоном срабатывания с учетом необходимых уставок отключения.
Реле РЭО 401 могут выполнять свои функции при условии, что пусковой ток электропривода меньше, чем ток заторможенного электродвигателя при включении его на номинальное напряжение, т. е. защита коротко-замкнутых электродвигателей и электроприводов с отсечкой тока с помощью реле РЭО 401 невозможна. Защита таких электродвигателей должна выполняться с помощью тепловых температурно-токовых реле серии ТРТ.
Реле ТРТ имеют пять габаритов в интервале токов от 1,75 до 550 А. Реле всех типов заключены в пластмассовый кожух и различаются формой реагирующего теплового элемента, наличием дополнительного нагревателя и размерами выводов. Реле пятого габарита смонтировано на трансформаторе тока. В качестве реагирующего теплового элемента реле используется биметалл инварсталь, обтекаемый током и дополнительно подогреваемый нагревателем. Реле имеет один размыкающий контакт, рассчитанный на коммутацию переменного тока 10 А, 380 В при Cos φ = 0, 4 и постоянного тока 0,5 А, 220 В при L/R = 0,05.
Технические данные реле ТРТ приводятся в справочниках. Временные характеристики реле серии ТРТ показаны на рис. 2. Реле не срабатывает при токе 110% номинального в продолжительном режиме. При токе 135% номинального реле срабатывает за время 5—20 мин. При токе 600% номинального реле срабатывает за время от 3 до 15 с. Имеющийся на реле регулятор позволяет регулировать номинальный ток уставки в пределах ±15%. Возврат контактов реле во включенное состояние происходит через 1—3 мин после отключения тока.
При выборе реле следует руководствоваться условиями:
1) среднеквадратичный ток защищаемой цепи должен быть не выше номинального тока нагревателя;
2) при трех пусках подряд реле не должно срабатывать;
3) время срабатывания при пусковом токе не должно быть выше допустимого времени стоянки электродвигателя под током в этом режиме.
При пользовании временной характеристикой срабатывания реле ТРТ следует учитывать, что возможные фактические отклонения тока срабатывания около ±20% тока уставки.
Защитные панели
В соответствии с требованиями каждый кран должен оборудоваться устройством, предназначенным для подачи питания к электроприводам механизмов и его отключения, причем включение, т. е. подача питания, может осуществляться после отпирания включающего устройства с помощью индивидуального ключа-марки.
Рис. 2. Временные характеристики реле серии ТРТ.
В свою очередь ключ не может быть вынут без выполнения операции отключения. Такая блокировка позволяет гарантировать приведение крана в пригодное к действию состояние только лицом, имеющим право на управление краном.
На всех типах кранов с электроприводом, кроме строительных башенных кранов, индивидуальный ключ-марка применяется в защитной панели. У строительных башенных кранов указанный ключ используется для блокирования главного рубильника (или автомата) в шкафу питания башенного крана, к которому подключен гибкий кабель питания.
Рис. 3. Схема цепей управления защитных панелей: а — при управлении кулачковыми контроллерами; б — при управлении магнитными контроллерами; 1П—ЗП — предохранители; KB — кнопка «возврат»; КЛ — контакт люка; АВ - аварийный выключатель; Л — линейный контактор: МР1, МР2 — контакты максимальных реле; КВВ, КВН — конечные выключатели; ПП — переключатель проверки; K12 — нулевые контакты контроллеров.