Энергии. Требования к судовому электрооборудованию

Основные параметры СЭЭС, которые определяют ее технико-экономическую эффективность, – это род тока, значение напряжения, частота тока. Важную роль приобретает сегодня и качество электрической энергии.

Род тока.На судах речного флота Российским Речным Регистром (РРР) [17, 18] разрешается применять постоянный и переменный ток. Однако опыт эксплуатации СЭЭС показал преимущества переменного тока, особенно при больших мощностях энергетических систем.

Сравнивая составные элементы СЭЭС постоянного и переменного тока, необходимо отметить, что при использовании постоянного тока судовые электроприводы отличаются хорошими регулировочными и пусковыми характеристиками; электрораспределительные устройства – меньшими массой, габаритными размерами, стоимостью и объемом.

При использовании в СЭЭС переменного тока для электроприводов в основном применяются асинхронные короткозамкнутые двигатели, реже – асинхронные двигатели с фазным ротором и синхронные двигатели.

Асинхронные короткозамкнутые двигатели (благодаря отсутствию коллектора) обладают большей надежностью, меньшими на 30–40% массой и на 20–30% габаритными размерами, в 2–3 раза меньшей стоимостью, имеют более высокий КПД по сравнению с коллекторными двигателями и более низкий уровень шума.

Система управления асинхронным двигателем проще, а следовательно, он имеет большую надежность, меньшие габаритные размеры, массу и стоимость. Следует отметить сложность регулирования частоты вращения в широких пределах и значительные провалы напряжения при пуске мощных асинхронных короткозамкнутых двигателей.

Следует отметить, что СЭЭС переменного тока дают возможность:

– преобразовать напряжение с помощью трансформаторов;

– разделять на отдельные, электрически не связанные друг с другом части (силовую и осветительную сети);

– получать электроэнергию с берега без преобразователей;

– применять более высокое напряжение;

– повысить уровень унификации судового электрооборудования с электрооборудованием общего (берегового) применения.

Если приемники электроэнергии постоянного и переменного тока на судне сравнительно одинаковы и по важности, и по количеству (например, суда технического флота), вопрос о выборе рода тока решается рассмотрением вариантов с определением экономической эффективности, которая ожидается от их внедрения.

На некоторых судах (ледокол типа «Капитан Чечкин») применяются два рода тока, когда гребные электродвигатели питаются постоянным током, а остальные приемники – переменным.

Структурная схема судовой электростанции приведена на рис. 1.

Размещение СЭС может быть различным. При небольших мощностях СЭС источники, преобразователи и распределительные

Рис. 1. Структурная схема судовой электростанции

устройства станции размещают в машинном отделении. Иногда источники электрической энергии устанавливают в помещении, смежном с машинным отделением, а распределительное устройство – вблизи с постом управления главными двигателями. Конечно, наиболее удач-

ным является размещение источников электроэнергии в отдельном помещении, а распределительного устройства – в центральном посту управления энергетической установкой, как это сделано на теплоходах проектов № 301, 092-16 и др.

Так как условия работы судового электрооборудования в целом отличаются от общепромышленных условий, то это определяет следующие к нему требования: судовое оборудование должно надежно работать при длительном крене до 15° и дифференте до 5°, бортовой качке с амплитудой до 22,5° с периодом 7–9 с и килевой – до 10° от вертикали, повышенной влажности и температуре; при кренах, качках и дифферентах аппаратура не должна самопроизвольно включаться; подвижные контакты электрооборудования не должны изменять коммутационного положения при бортовой качке с амплитудой до 45°.

Вращающие источники электроэнергии с целью уменьшения нагрузок на подшипники при качке судна располагают параллельно его диаметральной плоскости, а распределительные устройства для удобства работы устанавливают, когда это позволяют размерения судна, перпендикулярно этой плоскости.

Судовое электрооборудование должно иметь минимальные массу и габаритные размеры, возможность взаимозаменяемости его элементов, высокий КПД, малые шумность и стоимость, быть удобным в обслуживании и ремонте.

Выполнение этих требований позволило увеличить рентабельность работы судна. Так, уменьшение массы электрооборудования привело к увеличению грузоподъемности судна, а увеличение КПД – к снижению запасов топлива при той же длительности плавания.

При этом судовые электрические станции должны обеспечивать возможность:

– раздельной и параллельной работы генераторных агрегатов, электрической защиты генераторов, ГРЩ и подсоединенных к ним кабельных линий при возникновении аварийных ситуаций;

– связи с береговыми электрическими системами и СЭЭС других судов;

– управления качеством распределения генерируемой электроэнергии;

– выполнения эксплуатационного наблюдения за элементами СЭС и проведения ремонтных работ.

Выбор значения напряжения.Согласно Правилам Регистра номинальные напряжения на выводах источников электроэнергии не должны превышать следующих значений: 0,4 кВ (400 В) – при трехфазной системе переменного тока; 0,230 кВ (230 В) – при однофазной системе переменного тока; 0,23 кВ (230 В) – при постоянном токе.

Для судов технического флота, а также для специальных судов допускается применение трехфазной системы напряжением до 10 кВ включительно.

Следует отметить, что напряжение до 1000 В практически не оказывает влияния на массу, габаритные размеры и стоимость электрических машин и трансформаторов. Масса, габаритные размеры и стоимость электрических аппаратов и кабельных линий электропередачи зависят от напряжения и тока, протекающего по ним, а следовательно, и электрораспределительные щиты, в которых устанавливаются электрические аппараты, будут иметь массу, габаритные размеры и стоимость, зависящие от напряжения и тока. (Особенно это заметно при сравнении аппаратуры, выпускаемой на напряжение 24 В и до 400 В.)

Масса, габаритные размеры и стоимость кабельных линий при данной мощности, например, с повышением напряжения, уменьшаются, так как повышение напряжения приводит к уменьшению тока, а это потребует меньшую площадь поперечного сечения токопроводящих жил. Поэтому стремление сохранить в определенных пределах массу и габаритные размеры электрооборудования по мере увеличения мощности СЭЭС должно сопровождаться ростом ее номинального напряжения.

Однако следует помнить, что при малой мощности СЭЭС существенную роль начинают играть такие факторы, как механическая прочность жилы кабеля, дискретность стандартных значений площадей сечений жил кабелей и т.д.

Важную роль при выборе значения напряжения судна имеет и напряжение береговых установок, особенно при постоянном питании с берега. Следует также помнить, что повышение напряжения СЭЭС всегда связано с увеличением вероятности поражения электрическим током, поэтому по мере роста напряжения СЭЭС должна повышаться эффективность мероприятий по обеспечению безопасности обслуживания.

Исходя из вышеизложенного для СЭЭС речных судов приняты следующие значения напряжения, В:

силовые приемники при источниках мощностью:

свыше 50 кВт 380

то же 50 кВт и менее 220

основное освещение:

переменного тока 220

постоянного тока 24

аварийное освещение:

переменного тока 220

постоянного тока 24

переносное освещение:

переменного тока 12

постоянного тока 24

Сети освещения необходимо отделять от силовых сетей.

Выбор частоты тока. Основной частотой переменного тока как на судах, так и в береговых электроустановках принята частота 50 Гц.

На современных судах имеется группа приемников, частота тока которых равна 400–500 Гц (радиолокационное, навигационное и другое оборудование). Их питание осуществляется от судовой сети с частотой 50 Гц через преобразователи, вращающиеся и статические, количество которых на крупных судах может быть значительным. Для таких приемников иногда целесообразно иметь систему централизованного снабжения электроэнергией переменного тока частотой 400–500 Гц.

Исследования показали, что увеличение частоты питающего тока приводит к снижению массы и габаритных размеров у вращающихся машин, трансформаторов, магнитных усилителей, конденсаторов, элементов электроавтоматики. Однако масса и габаритные размеры коммутационных аппаратов при повышении частоты тока увеличиваются из-за ухудшения условий дугогашения, а в связи с этим из-за повышения тепловыделений в шинопроводах увеличиваются масса и габаритные размеры электрораспределительных устройств.

Повышение частоты отрицательно сказывается на массе и габаритных размерах электрических кабелей, так как увеличение частоты приводит к увеличению потерь энергии и электрического сопротивления кабелей.

Габаритные размеры и масса электрораспределительных устройств (ЭРУ) и кабельных линий электропередачи при повышении частоты питающего тока резко увеличиваются по мере роста мощностей СЭЭС.

В судовых установках электрооборудование повышенной частоты применяется на судах на подводных крыльях и воздушной подушке, на экранопланах, где мощности СЭЭС небольшие, а снижение массы и габаритных размеров электрооборудования является особенно необходимым.

В связи с резким увеличением степени электрификации судов размещение оборудования и кабельных трасс становится крайне затруднительным, а масса электрооборудования – весьма большой. Особенно это ощущается в помещениях электростанций, постов управления СЭЭС. Большое внимание уделяется показателям качества электроэнергии, что необходимо для обеспечения работы средств автоматизации и вычислительной техники.

Качеством электрической энергии называется совокупность свойств электрической энергии, определяющих ее пригодность для судовых электроприемникову. К показателям качества в установившихся режимах относят:

– длительное отклонение напряжения в данной точке системы по отношению к номинальному значению, %:

;

(1)

– длительное отклонение частоты тока по отношению к номинальному значению, %:

;

(2)

– коэффициент несимметрии напряжения основной частоты в трехфазной системе, %:

(3)

где U_max, U_min – максимальное и минимальное значения линейного напряжения;

– коэффициент амплитудной низкочастотной модуляции напряжения переменного тока, %:

(4)

где ΔU_мод – амплитуда огибающей модулированного напряжения;

– модуляцию напряжения, которая может характеризоваться частотой модуляции,

(5)

где Т_мод – период огибающей модулированного напряжения;

– коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, %:

(6)

где – сумма квадратов действующих значений высших гармонических составляющих U_ν данной периодической кривой;

U₁– действующее значение основной гармонической составляющей данной гармонической кривой, В;

– коэффициенты пульсации напряжения постоянного тока, %:

(7)

где U_µ – амплитуда низшей гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения;

U_ср – среднее значение выпрямленного напряжения;

(8)

где U_max, U_min – максимальное и минимальное мгновенные значения выпрямленного напряжения;

(9)

Для единообразия оценки пульсации напряжения при различных его средних значениях допускается величину U_ср заменять U_ном, а величину U_max+ U_min – на величину 2U_ном.

К показателям качества электроэнергии в переходных процессах СЭЭС относят:

– кратковременные отклонения напряжения, %,

;