Судовые электроэнергетические системы, типы их структур

По первому признаку СЭС делят на системы с одной, двум, тремя и большим количеством электростанций; по второму – на фидерные, магистральные и фидерно-магистральные; по третьему – на автономные, с отбором мощности от силовой установки и единые с силовой установкой.

На рис. 2.1 представлено три варианта структурных схем автономных СЭС. СЭС с двумя основными электростанциями более надежна и живуча по сравнению с СЭС, имеющей одну основную электростанцию. К двум электростанция приходится прибегать при необходимости в установке на судне большого количества генераторов и значительной их мощности (при большой мощности электростанции ударные токи к.з. могут превысить предельные значения по динамической устойчивости существующих автоматических выключателей).

СЭС является полностью автономной, если в состав ее входят только дизель-генераторы. Если же в составе СЭС имеются турбогенераторы, то вместе с ними всегда устанавливаются и дизель-генераторы ( в качестве резервных, стояночных или аварийных источников), так как турбогенераторы (паротурбогенераторы) работают только тогда, когда функционирует котельная установка. Кроме того, турбогенераторы по сравнению с дизель-генераторами требуют значительно большего времени для ввода их под нагрузку с "холодного" состояния.

Независимо от количества основных электростанций согласно требованиям Регистра на большинстве судов должна аварийная электростанция. Аварийная электростанция имеет электрическую связь с одной из основных электростанций, по которой в нормальных режимах работы передается электроэнергия в направлении от основной электростанции к аварийной.

а)

б)

в)

Т/Д – турбина или дизель; Г1-Г2 – генераторы; ГРЩ, ГРЩ1, ГРЩ2 – главные распределительные щиты; РЩ1-РЩ4 – распределительные щиты; ЩПБ – щит питания с берега; П – потребитель; Пер – перемычка; АРЩ – аварийный распределительный щит; АГ – аварийный генератор; К – контактор.

Рис.2.1. Электрические структурные схемы автономной СЭС:

а – с одной основной электростанцией; б – с двумя основными электростанциями; в – с одной основной и одной аварийной электростанциями

При исчезновении напряжения на сборных шинах основной электростанции дается сигнал на автоматический запуск аварийного генератора и подключение его к шинам аварийного распределительного щита. Таким образом, обеспечивается непрерывное (с переключением) питание потребителей электроэнергии, подключенных к аварийной электростанции. Аварийная электростанция всегда располагается вне зоны возможного затопления, т.е. выше главной палубы.

Отбор мощности от силовой установки для СЭС может осуществляться путем применения в составе электростанций:

1. валогенераторов – генераторов, приводимых через механическую передачу от судового валопровода или от вала отбора мощности главного двигателя (рис.2.2);

Д – дизель; ВГ – валогенератор; ГД –главный двигатель; Т – турбина; УК – утилизационный котел.

Рис.2.2. Электрическая структурная схема СЭС с отбором мощности с валогенератором и с утильтурбогенератором

2. турбогенераторов (утильтурбогенераторов), которые получают пар от утилизационных котлов, использующих тепло выхлопных газов главных двигателей (рис.2.2).

Первые могут применяться как на теплоходах, так и на пароходах, вторые – только на теплоходах. Существуют также комбинированные системы, которые имеют валогенераторы и турбогенераторы отбора мощности. Валогенераторные системы – системы непосредственного отбора мощности, а утильтурбогенераторные – системы косвенного отбора мощности.

Применение рассматриваемых систем целесообразно на тех судах, которые почти все ходовое время имеют постоянную или с незначительными колебаниями скорость. Использование валогенераторов или утиьтурбогенераторов дает возможность сократить время работы автономных источников электроэнергии и уменьшить эксплуатационные расходы.

Основным недостатком систем отбора мощности является зависимость их работы от скорости судна. При применении валогенераторов изменение скорости судна, т.е. изменение частоты вращения гребного вала, непосредственно связано с изменением частоты вращения генератора, в результате чего выходные параметры валогенераторов – напряжение и частота тока – уменьшаются от номинальных значений при ходе со скоростью "Полный" до нуля при постановке главных машин на "Стоп".

Стабилизация выходных параметров валогенераторов и улучшение условий их параллельной работы могут быть достигнуты применением специальных преобразователей электроэнергии.

Утилизационные турбогенераторы благодаря тепловой инерции системы, а также возможности регулирования расхода пара имеют более стабильные выходные параметры.

При постановке машин на "Стоп" они продолжают функционировать в течение 5-20 мин.

Единой называется СЭС, которая представляет собой совокупность источников электроэнергии, электрораспределительных щитов, а также гребных электродвигателей с системой их пуска и управления (рис.2.3). Единая СЭС применяется на самоходных плавучих кранах, землечерпательных снарядах и других судах технического флота, где значение мощности, необходимой при работе технологического оборудования в период стоянки судна, соизмеримо с мощностью, необходимой для движения судна. Возможно также применение единых СЭС на некоторых ледоколах, промысловых и других судах, где удается совместить требования, предъявляемые к гребным электрическим установкам и автономным СЭС.

ПУ – преобразовательное (пусковое) устройство; М1, М2 – гребные электродвигатели.

Рис.2.3. Электрическая структурная схема единой СЭС

Судовые потребители могут получать питание непосредственно от главного распределительного щита или от вторичных распределительных или групповых щитов. Непосредственное питание от главного распределительного щита получают потребители, работа которых обеспечивает движение и управление судном.

Питание вторичных и групповых щитов осуществляется по фидерной (радиальной), магистральной или фидерно-магистральной (смешанной) схемам (рис.2.4).

При магистральной схеме распределения электроэнергии (рис.2.4,а) все потребители получают питание по нескольким магистралям через включенные в них щиты или магистральные коробки (МК).

При радиальной схеме распределения электроэнергии (рис.2.4, б) наиболее ответственные и мощные потребители получают питание по непосредственно от ГРЩ по отдельным фидерам, а все остальные потребители - от распределительных щитов, питающихся по отдельным фидерам от ГРЩ.

При смешанной системе распределения электроэнергии (рис.2.4, в) одна часть потребителей получает питание по радиальной системе, а другая – по магистральной.

При выборе той или иной системы распределения электроэнергии следует учитывать надежность снабжения электроэнергией потребителей и минимальность массы сетей.

Радиальная схема обладает высокой надежностью при питании потребителей, так как выход из строя отдельного фидера не нарушает питания остальных потребителей.

В магистральной схеме при поврежденной отдельной магистрали лишается питания большая группа потребителей и, кроме того, исключается возможность централизованного управления питанием потребителей электроэнергии. Однако магистральная схема распределения электроэнергии имеет меньшую массу по сравнению с радиальной.

Смешанная схема сочетает в себе достоинства и недостатки как радиальной, так и магистральной систем распределения.

Выбор той или иной системы распределения электроэнергии зависит от назначения судна, мощности его электроэнергетической установки, а также от количества и расположения потребителей электроэнергии.

а)

б)

в)

Рис.2.4. Схемы распределения электроэнергии на судах

Передача электрической энергии на судах производится по отдельным сетям: силовой, нормального и аварийного освещения, слабого тока, радиотрансляции и т.д.

От силовой сети получают питание электроприводы энергетической установки, палубных механизмов, насосов судовых систем, вентиляторов и т.п.

Сеть нормального освещения состоит из отдельных цепей наружного и внутреннего освещения, сигнальных и отличительных огней и других цепей.

Сеть аварийного освещения является составной частью сети нормального освещения, но питается от аварийного источника и, в частности, от аккумуляторной батареи.

В сеть установок слабого тока включаются телефонные установки, звонковая и пожарная сигнализация, машинные телеграфы, рулевые указатели и т.п.

Сеть радиотрансляции содержит радиотрансляционную аппаратуру.

2. Структурные схемы электростанций СЭС

По виду преобразуемой энергии электростанции подразделяются на тепловые и атомные. На тепловых судовых электростанциях преобразуют химическую энергию топлива (нефть, уголь и т.п.) в электрическую. В качестве первичных двигателей распространены дизели и паровые турбины. На атомных станциях преобразуют энергию атомного ядра в электрическую. В качестве первичных двигателей используются паровые турбины.

По роду тока электрические станции подразделяют на станции постоянного и станции переменного тока.

По назначению электростанции подразделяют на электростанции СЭС, электростанции гребных электроустановок (ГЭУ) и аварийные электростанции.

Электростанции СЭС обеспечивают энергией электрические приводы главной энергетической установки судна, палубных механизмов, насосов, вентиляторов, снабжают питанием средства судовождения, освещение и оборудование камбуза. В качестве первичных двигателей распространены дизели и паровые турбины.

Электростанции ГЭУ обеспечивают питание двигателей гребных валов электроходов. Первичные двигатели ГЭУ – дизели и паровые турбины.

Аварийные электростанции обеспечивают питание жизненно важной части приемников на судне в случае выхода из строя станции СЭС. В качестве аварийных источников электрической энергии могут применяться аккумуляторные батареи.

По способу управления электрические станции на судах и судовые механические установки отличаются степенью автоматизации – классы автоматизации А1 и А2.

Структурные схемы электростанций СЭС должны предусматривать:

1. параллельную работу всех генераторов, установленных на электростанции;

2. раздельную работу отдельных генераторов (или групп генераторов), каждый (каждая) из которых подключается к отдельной секции сборных шин;

3. защиту генераторов и линий электропередачи от ненормальных режимов работы;

4. прием питания (одной из электростанций) с берега или от других судов;

5. систему управления при переходе от одного режима работы электростанции к другому;

6. выполнение периодических осмотров и ремонтов ГРЩ электростанции при снятом напряжении;

7. возможность изготовления ГРЩ по секциям;

8. минимальные габариты и массу ГРЩ.

Схемы электростанций судов имеют весьма разнотипные структурные схемы. Среди них выделяют схемы с одной или несколькими независимыми системами сборных шин, допускающие переключение генераторов или потребителей.

На рис.2.5 представлена структурная схема электростанции с одной системой сборных шин, которые разделены на пять секций. К секциям шин Ш1 и Ш2 подключены генераторы и наиболее ответственные потребители. К секции шин Ш3 подключены в основном потребители стояночного режима, сюда же может быть подано питание с берега. К секциям шин Ш4 и Ш5 подключены потребители камбуза, освещение и другие потребители на напряжение 220 В. С помощью выключателей имеется возможность разделить ГРЩ на секции и осуществить осмотр аппаратуры тех или иных генераторов и соответствующих потребителей электроэнергии. Наличие генераторов дает возможность осуществлять параллельную работу генераторов попарно или всех четырех вместе. С помощью выключателя В2 можно произвести поочередный осмотр секций Ш4 и Ш5. С помощью переключателя секция Ш3 (со стояночными потребителями) может получить питание от любых двух генераторов, подключенных к секции Ш1 или Ш2. При приеме питания с берега на секцию Ш3 поочередно могут быть осмотрены секции Ш1 и Ш2.

При наличии трех генераторов на электростанции обычно для каждого из них выделяется отдельная секция шин с разбивкой потребителей на три или только на две крайние секции шин.

Валогенераторы и утилизационные турбогенераторы, как правили, выделяются на собственные секции шин.

Турбогенераторы и дизель-генераторы также принято разделять по отдельным секциям шин.

В качестве секционных аппаратов применяются как разъединители, так и автоматические выключатели.

Защита генераторов и всех линий электропитания, отходящих от ГРЩ, осуществляется автоматическими выключателями.

Ш1-Ш5 – секции шин; ЩПБ – щит питания с берега.

Рис.2.5. Электрическая структурная схема электростанции с одной системой сборных

На рис.2.6 представлена структурная схема электростанции с двумя системами сборных шин. Две отдельные системы шин, в нормальной работе не соединенные между собой, могут быть признаны целесообразными в том случае, когда общая мощность параллельно работающих генераторов ограничивается предельными для аппаратов значениями токов короткого замыкания в системе и вместе с тем все генераторы устанавливаются в пределах одной электростанции.

При этом каждая система шин может быть с помощью выключателей В1 и В2 разделена на две секции. Подобная схема обладает высокой маневренностью в работе и ремонтопригодностью. Недостатком ее является двойной комплект автоматических выключателей для каждого генератор, что связано с увеличением габаритов ГРЩ электростанции. Однако при большой мощности генераторов и невозможности разместить на судне несколько электростанций данная схема заслуживает внимания.

Рис.2.6. Электрическая структурная схема электростанции с двумя системами сборных шин