Основные сведения о судовых электрических станциях.
Проектирование (разработка) передвижных электрических станций ведется в соответствии с нормативными документами: Правила Российского Речного Регистра, ГОСТ ИСО 8528-2005.
Cудовая электроэнергетическая установка
Судовая электроэнергетическая установка (СЭЭУ) представляет собой технический комплекс, включающий в себя различные виды электрооборудования, обеспечивающего процессы генерирования, преобразования и распределения электроэнергии между приёмниками, преобразующими электроэнергию в другие виды энергии (механическую, тепловую и т.п.).
В состав судовой электроэнергетической установки входят:
– судовая электроэнергетическая система (ПЭС);
– общесудовые приёмники электроэнергии;
– гребная электрическая установка (ГЭУ).
Судовая электроэнергетическая система включает в себя одну или несколько судовых электрических станций (ПЭС), судовые электрические сети и устройства распределения. Она является основной частью оборудования судов.
С учётом специфических условий работы судовой электроэнергетической системы, отличающихся от условий работы установок береговых, к ней предъявляются высокие требования в отношении надёжности и ремонтопригодности.
Судовые электростанции (ПЭС) осуществляют производство, приём и преобразование и распределение энергии; питание всех судовых приёмников. В состав её входят: источники электроэнергии, преобразователи и накопители, распределительные устройства и линии электросвязи. Она состоит из источников электроэнергии и главного электрического распределительного щита (ГРЩ).
По роду преобразуемой энергии в электрическую ПЭС делятся на тепловые и ядерные. На судах российского речного флота применяются тепловые ПЭС. По параметрам электроэнергии ПЭС делятся на системы постоянного и переменного тока. Большинство речных судов оборудуются ПЭС переменного тока.
По назначению ПЭС подразделяются на:
– системы общего назначения, служащие для снабжения электрической энергией судовых приёмников в нормальных условиях эксплуатации;
– специальные, для питания приёмников специального назначения. К специальным относят ПЭС, питающие ГЭУ. В них источники электроэнергии подключаются к щиту электродвижения (ЩЭД).;
– аварийные, питающие особо ответственные преемники при отказе ПЭС общего назначения.
Если ПЭС одновременно обеспечивает электроэнергией гребной электродвигатель и общесудовые приёмники, то судовую электроэнергетическую система называется единой.
Размещение ПЭС может быть различным. Как правило, при сравнительно наибольших мощностях источники, преобразователи и распределители электроэнергии находятся в машинном помещении. Наиболее рациональным является размещение источников электроэнергии отдельно от распределительных устройств, которые разместятся в специальном выделенном помещении – центральном посту управления СЭУ.
Род тока и параметры ПЭС.
Правилами Российского Речного Регистра (РРР) разрешается использование на судах речного флота постоянный или переменный ток. Поэтому род тока в общем случае следует выбирать на основе технико-экономических показателей.
Род тока ПЭС определяется родом тока большинства приёмников. Немногочисленные менее мощные приёмники другого рода тока в таком случае будут получать питание через преобразователи. Для электронагревателей и освещения с использованием ламп накаливания род тока не имеет значения. Для работы приборов управления судном необходим переменный ток. Его также целесообразно использовать для питания радионавигационных приборов и радиостанции. Электродвигатели постоянного тока по сравнению с асинхронными электродвигателями при одном и том же токе развивают больший пусковой момент, и обладают более простыми способами регулирования частоты вращения. Эти двигатели могут быть использованы для привода механизмов с частыми пусками и с большим начальным сопротивлением. Постоянный ток имеет свои недостатки. В условиях повышенной влажности под действием постоянного тока снижается сопротивление электроизоляции. В сетях постоянного тока существуют явления блуждающих токов и токов утечки, вызывающих коррозию.
В системах переменного тока полную характеристику рода тока определяют также по его частоте.
В настоящее время на судах речного флота в большинстве случаев используется переменный ток с частотой 50 Гц. Это позволяет добиться высокой степени унификации оборудования. На скоростных судах, например, является перспективным использование переменного тока с частотой 400 Гц, что позволяет уменьшить габаритные размеры и массу электрооборудования.
Переменный ток на ПЭС бывает представлен одно- и многофазной системой напряжения, в частном случае трёхфазной. Преимущество трёхфазной системы по сравнению с однофазной состоит в том, что она позволяет получить вращающееся магнитное поле, положенное в основу работы асинхронных электродвигателей и синхронных генераторов. На речных судах, применяются трёхфазные симметричные системы синусоидальных напряжений. Основными источниками переменного тока в судовых электростанциях являются трёхфазные синхронные генераторы. На судах речного флота используются генераторы отечественного и зарубежного производства, имеющие различные системы возбуждения.
Правила РРР устанавливают номинальное напряжение на выводах источников электроэнергии, предназначенное для питания судовой сети. Так, оно не должно превышать следующих значений, при токе:
трёхфазном переменном – 0.4 кВ (400 В);
однофазном переменном – 0.23 кВ (230 В);
постоянном – 0.23 кВ (230 В).
Повышение напряжения до 1000 В не оказывает существенного влияния на габаритные размеры, массу, стоимость и КПД источников и приёмников электроэнергии. Так у трансформаторов изменяется только число витков и площадь поперечного сечения проводников. При переходе на более высокое напряжение число витков нужно увеличить пропорционально росту напряжения, а площадь поперечного сечения проводников уменьшать. В сумме объём и масса материала проводника практически не изменятся. Такой же останется и толщина изоляционных материалов. Значительное влияние значение напряжения оказывает на судовую кабельную сеть, электрические аппараты, их массу и соответственно стоимость. Стоимость и масса кабельной сети находится в прямой зависимости от площади поперечного сечения токопроводящих жил. Площадь поперечного сечения в свою очередь зависит от тока, проходящего по кабелю. Эта зависимость нелинейная: площадь поперечного сечения растёт в большей степени, чем значение тока, так как необходимо снижать плотность тока в жиле для необходимого охлаждения. Ток кабеля при неизменной мощности находится в обратной пропорциональной зависимости от напряжения.
При сравнительно небольшой мощности ПЭС существенную роль играют максимальная допустимая площадь поперечного сечения жилы и конечное количество стандартных значений площадей. Одним из основных параметров выбора напряжения является масса кабельной сети. Следует также помнить, что повышение напряжения ПЭС увеличивает вероятность поражения электрическим током, что требует повышения эффективности мероприятий по обеспечению безопасности обслуживающего персонала.
Cудовые системы распределения электроэнергии
Электрические распределительные сети состоят из:
– электрораспределительных щитов (РЩ);
– кабельных линий электропередачи, передающих электроэнергию от источников или распределительных щитов (РЩ) к приёмникам;
– преобразователей электроэнергии, питающих локальные сетей, таких как сеть переносного рабочего освещения, трансляционная сеть и т.д.
Силовые сети ПЭС могут быть представлены радиальной, магистральной или смешанной системой канализации электроэнергии.
При радиальной (фидерной) системе канализации электроэнергии наиболее ответственные и мощные потребители электроэнергии получают питание непосредственно от главного распределительного щита (ГРЩ). Остальные потребители меньшего значения – от электрораспределительных щитов (РЩ), которые в свою очередь получают питание отдельными питающими линиями от ГРЩ. Правилами РРР регламентирован перечень приёмников, получающих питание от ГРЩ: электроприводы рулевого устройства, якорно-швартовные устройства, пожарные насосы, спасательные средства, навигационные и радиоприборы, коммутатор сигнально–отличительных огней, щиты основного освещения и другие, имеющиеся на конкретном судне ответственные потребители.
Преимущества данной системы: надёжность и независимость приёмников друг от друга. Недостатки: повышенный расход кабеля, значительный объем электромонтажных работ, большое число проходов через переборки.
В магистральной системе потребители получают питание от РЩ или ответвительной коробки (ОК), которые в свою очередь получают питание от ГРЩ. Эта система также имеет свои преимущества: меньший по сравнению с радиальной системой расход кабеля, меньший объем монтажных работ, минимальное число проходов через переборки. Основным недостатком такой системы является меньшая надёжность.
Третьим видом системы распределения является смешанная система распределения: одна часть потребителей получает питание по радиальной, а другая – по магистральной системе
Радиальная система обладает более высокой живучестью. При выходе из строя одного кабеля магистральной системы нарушается снабжение электроэнергией большого количества потребителей.
Приёмники электроэнергии
Приёмниками электроэнергии на судах являются электрифицированные механизмы и устройства, преобразователи электроэнергии, электронагревательные приборы, освещение, радиотехнические средства, электронавигационные приборы и системы, внутрисудовая связь и сигнализация, системы автоматизации и др.
Выбор мощности и числа генераторных агрегатов (ГА) определяется числом, мощностью, характеристиками и прочими параметрами приёмников электроэнергии.
Энерговооружённость судна в общем случае зависит от суммарной мощности установленных приёмников, определяющей общую мощность ПЭС. Общая установленная мощность приёмников электроэнергии больше суммарной мощности всех генераторных агрегатов, так как в каждом отдельном эксплуатационном режиме судна работает лишь часть потребителей.
По назначению и режимам работы судовые электроприводы подразделяются на категории: палубные механизмы, вспомогательные механизмы ЭУ, механизмы судовых систем, бытовые приборы, электрические светильники и нагревательные приборы, электро- и радионавигационные приборы, аппараты внешней и внутрисудовой связи и сигнализации.
По степени надёжности электроснабжения потребители подразделяются на ответственные и неответственные. Ответственные потребители обеспечивают движение и управление судном в ходовом и аварийном режимах. Это рулевые электроприводы, электроприводы компрессоров, пожарных и осушительных насосов, навигационные системы и приборы, радиотехнические средства,. Перерыв в электроснабжении этих приёмников недопустим.
Неответственные приёмники электроэнергии – это электроприводы вентиляции и кондиционирования воздуха жилых и служебных помещений, электронагревательные приборы, электроприборы бытовых механизмов и др. Эта группа приёмников допускает перерыв электроснабжения.
Требования к источникам электроэнергии.
Требования к источникам электроэнергии регламентируются Правилами РРР в гл.3 Части VI ПКПС.
Количество и мощность источников электрической энергии.
2.1.1 При выборе количества и мощности источников электрической энергии необходимо учитывать все режимы, в которых будет работать судно:
.1 ходового режима;
.2 манёврового;
.3 аварийного (пожар, пробоина корпуса и прочих внештатных ситуаций, влияющих на безопасность судоходства);
.4 стояночного;
.5 других специфичных режимов в соответствии с назначением судна.
3.1.2 Необходимо, чтобы на каждом самоходном судне было предусмотрено не менее двух основных источников энергии. В том случае, когда источниками являются генераторы, то хотя бы один из них должен иметь независимый привод.
2.1.3 Мощность основных источников электрической энергии должна быть такой, чтобы при выходе из строя любого из источников оставшиеся обеспечивали питанием все ответственные устройств режимах работы судна.
2.1.4 В нормальных условиях работы мощность источников электрической энергии должна быть достаточной для пуска электродвигателя максимальной мощности, и при этом не должно происходить самопроизвольного отключения других работающих электродвигателей.
Допустимые напряжения и частота
Правилами Российского Речного Регистра (РРР) разрешается использование на судах речного флота постоянный или переменный ток. Поэтому род тока в общем случае следует выбирать на основе технико-экономических показателей.
Род тока ПЭС определяется родом тока большинства приёмников. Немногочисленные менее мощные приёмники другого рода тока в таком случае будут получать питание через преобразователи. Для электронагревателей и освещения с использованием ламп накаливания род тока не имеет значения. Для работы приборов управления судном необходим переменный ток. Его также целесообразно использовать для питания радионавигационных приборов и радиостанции. Электродвигатели постоянного тока по сравнению с асинхронными электродвигателями при одном и том же токе развивают больший пусковой момент, и обладают более простыми способами регулирования частоты вращения. Эти двигатели могут быть использованы для привода механизмов с частыми пусками и с большим начальным сопротивлением. Постоянный ток имеет свои недостатки. В условиях повышенной влажности под действием постоянного тока снижается сопротивление электроизоляции. В сетях постоянного тока существуют явления блуждающих токов и токов утечки, вызывающих коррозию.
В системах переменного тока полную характеристику рода тока определяют также по его частоте.
В настоящее время на судах речного флота в большинстве случаев используется переменный ток с частотой 50 Гц. Это позволяет добиться высокой степени унификации оборудования. На скоростных судах, например, является перспективным использование переменного тока с частотой 400 Гц, что позволяет уменьшить габаритные размеры и массу электрооборудования.
Переменный ток на ПЭС бывает представлен одно- и многофазной системой напряжения, в частном случае трёхфазной. Преимущество трёхфазной системы по сравнению с однофазной состоит в том, что она позволяет получить вращающееся магнитное поле, положенное в основу работы асинхронных электродвигателей и синхронных генераторов. На речных судах, применяются трёхфазные симметричные системы синусоидальных напряжений. Основными источниками переменного тока в судовых электростанциях являются трёхфазные синхронные генераторы. На судах речного флота используются генераторы отечественного и зарубежного производства, имеющие различные системы возбуждения.
Правила РРР устанавливают номинальное напряжение на выводах источников электроэнергии, предназначенное для питания судовой сети. Так, оно не должно превышать следующих значений, при токе:
трёхфазном переменном – 0.4 кВ (400 В);
однофазном переменном – 0.23 кВ (230 В);
постоянном – 0.23 кВ (230 В).
Повышение напряжения до 1000 В не оказывает существенного влияния на габаритные размеры, массу, стоимость и КПД источников и приёмников электроэнергии. Так у трансформаторов изменяется только число витков и площадь поперечного сечения проводников. При переходе на более высокое напряжение число витков нужно увеличить пропорционально росту напряжения, а площадь поперечного сечения проводников уменьшать. В сумме объём и масса материала проводника практически не изменятся. Такой же останется и толщина изоляционных материалов. Значительное влияние значение напряжения оказывает на судовую кабельную сеть, электрические аппараты, их массу и соответственно стоимость. Стоимость и масса кабельной сети находится в прямой зависимости от площади поперечного сечения токопроводящих жил. Площадь поперечного сечения в свою очередь зависит от тока, проходящего по кабелю. Эта зависимость нелинейная: площадь поперечного сечения растёт в большей степени, чем значение тока, так как необходимо снижать плотность тока в жиле для необходимого охлаждения. Ток кабеля при неизменной мощности находится в обратной пропорциональной зависимости от напряжения.
При сравнительно небольшой мощности ПЭС существенную роль играют максимальная допустимая площадь поперечного сечения жилы и конечное количество стандартных значений площадей. Одним из основных параметров выбора напряжения является масса кабельной сети. Следует также помнить, что повышение напряжения ПЭС увеличивает вероятность поражения электрическим током, что требует повышения эффективности мероприятий по обеспечению безопасности обслуживающего персонала. Номинальные напряжения на выводах потребителей не должны превышать значений, указанных в табл. 2.1. Значения внутрисистемных напряжений не регламентируются. Использование источников электрической энергии с номинальным напряжением на выводах выше 400 В является предметом специального рассмотрения Речным Регистром.
Потребители Напряжение, В
Постоян-ный ток Перемен-ный ток
1. Электрические приводы судовых технических средств, стационарные камбузные, отопительные и нагревательные установки и цепи управления ими 220 380
2. Отопительные приборы в каютах и общественных помещениях 220 2201
3. Освещение, сигнализация и связь на всех судах, в том числе и на наливных, перевозящих нефтепродукты с температурой вспышки паров 100 °С и выше 220 220
4. Освещение, сигнализация и связь на наливных судах, перевозящих нефтепродукты с температурой вспышки паров ниже 100 °С и толкачах для них 1102 1272
5. Штепсельные розетки для переносных ручных ламп (за исключением грузовых люстр) 24 12
6. Штепсельные розетки в каютах и общественных помещениях для бытового электрического оборудования 220 220
7. Переносной инструмент и переносные пульты управления 3 24 42
8. Штепсельные розетки для питания перемещаемых силовых потребителей, закрепленных во время работы 220 380
1 Допускается напряжение 380 В при условии невозможности доступа к частям, находящимся под напряжением, без применения специального инструмента.
2 Допускается напряжение 220 В при условии установки устройства непрерывного автоматического контроля сопротивления изоляции электрических сетей с подачей сигнала при понижении сопротивления изоляции в помещение, где несут постоянную вахту (рулевая рубка, машинное отделение, помещение главного распределительного щита и т. п.).
3 Допускается применение переносного инструмента с двойной изоляцией, работающего от напряжения 220 В.
Таблица 2.1 Номинальные значения напряжения для потребителей
Обоснование рода тока и значения напряжения
На основании требований РРР и перечисленных выше сравнительных характеристик в проекте был выбран переменный род тока. ПЭС переменного рода тока позволяет: преобразовать напряжение с помощью трансформаторов; разделять ПЭС с помощью трансформаторов на отдельные, не связанные друг с другом части силовой и осветительной сети; получать электроэнергию от береговой сети без преобразователей; иметь высокий уровень унификации судового электрооборудования.
В соответствии с требованиями было выбрано напряжение генераторов 400В в качестве номинального. Номинальную частоту сети принимаем равной 50 Гц, в соответствии со стандартами РФ на промышленную частоту сети. Выбор таких значений позволяет использовать унифицированные аппараты и элементы сети (электродвигатели, кабели, аппаратуру защиты), что положительно сказывается на экономических показателях.
?
Выбор генератора
Определение допустимой мощности генератора для заданных условий эксплуатации
Генератор – один из главных элементов, от которого зависят основные технические и эксплуатационные показатели электроагрегатов (надежность в работе, отклонения напряжения, масса, размеры и т. д.).
При выборе генератора для проектируемого электроагрегата определяется мощность генератора для заданных техническими требованиями условий эксплуатации и отобрать несколько генераторов, удовлетворяющих условию:
Pг ? Pп , (3.1)
где Pг – мощность генератора при заданных условиях эксплуатации, кВт;
Pп – заданная мощность потребителей, кВт.
Проверяется соответствие электрических параметров отобранных генераторов требованиям НТД, проводится сравнительный анализ отобранных генераторов и выбирается лучший генератор.
По заданной мощности потребителей электроэнергии из справочников выбираются генераторы, номинальная мощность Pн которых больше или равна мощности потребителей, т. е.
Pн ? Pп. (3.2)
Чтобы определить, какую мощность Рг будут иметь выбранные генераторы при заданной высоте над уровнем моря и температуре окружающей среды, необходимо иметь в виду следующее. Номинальная мощность Pн генераторов обеспечивается при температуре окружающего воздуха 313 К (400С) и высоте над уровнем моря до 1000 м. Допустимая мощность генераторов при более тяжелых условиях эксплуатации (температуре окружающего воздуха свыше 313 К (400 С) и высоте над уровнем моря свыше 1000 м) уменьшается. Её величина указывается в стандартах и технических описаниях для конкретных типов генераторов.
Рекомендуется принимать допустимую мощность генератора равной номинальной (Pг = Pн), если выполняются условия, указанные в табл. 2.1.
Таблица 3.1 Пограничные условия, при которых допускается нагружать генератор номинальной мощностью
Температура окружающей среды, °С 40 35 30 25
Высота над уровнем моря, м 1000 2000 3000 4000
Если же при высоте над уровнем моря более 1000 м температура превышает указанную в табл. 2.1, то на каждые 200 м сверх 1000 м мощность генератора необходимо уменьшить на 1,3 %, т. е. провести расчет допустимой мощности генератора по формуле
Pг = Pн - •Pн , кВт, (3.3)
где H – высота над уровнем моря, м.
После этого можно отобрать генераторы по условию (3.1).
При заданной мощности потребителей Pп = 100 кВт, в соответствии с условием (3.1) принимаем мощность генератора Pг = 100 кВт.
Из справочников и каталогов выбираем генераторы, номинальная мощность Pн которых равна Pг = 100 кВт.
№
п/п Технические характеристики выбранных генераторов
Марка генератора ГСФ – 100Д ЕСС – 93 – 42 – М201 ОС – У2 – У2
1 Номинальная мощность, кВт 100 100 100
2 Номинальное напряжение, В 400 230 или 400 230 или 400
3 Номинальная частота, Гц 50 50 50
4 Коэффициент полезного действия, % 89 92 90
5 Система возбуждения Статическая Статическая Статическая (3-я гармоника)
6 Способ начального возбуждения От АКБ U > 12В Остаточная намагниченность и конденсаторы Остаточная намагниченность и конденсаторы
7 Особенности конструкции Фланцевая Фланцевая Бесстанинная
8 Масса, кг 830 865 275
9 Габаритные размеры (диаметр вала), мм 1070 ? 740 ? 980 1080 ? 705 ? 845 (75) 1090 ? 700 ? 840
10 Номинальный ток якоря, А 181 157 или 90 312 или 180
11 Номинальный коэффициент мощности, соs j, о. е. 0,8 0,8 0,8
Проверка соответствия электрических параметров генераторов требованиям стандартов
Государственный стандарт 22407 «Генераторы синхронные мощностью до 100 кВт» предъявляет к выходным электрическим параметрам генераторов следующие требования.
1. Отклонение напряжения генераторов в установившемся тепловом состоянии при изменении симметричной нагрузки от 0 до 100 % номинальной с cos? от 0,8 до 1,0 (при отстающем токе) не должно превышать ±2 % среднерегулируемого значения для генераторов с корректором напряжения (КН) и от ±3,5 до ±5 % среднерегулируемого значения – для генераторов без КН.
2. Отклонение напряжения генераторов в установившемся тепловом состоянии при неизменной симметричной нагрузке от 0 до 100 % номинальной с cos? от 0,8 до 1,0 (при отстающем токе) не должно превышать ±0,5 % среднерегулируемого значения для генераторов с КН и ±1% - для генераторов без КН.
3. Система возбуждения генераторов должна обеспечивать возможность ручного изменения значения устанавливаемого напряжения (установку напряжения) при симметричной нагрузке от 0 до 100 % номинальной мощности с cos? от 0,8 до 1,0 в пределах:
100 ± 5 % номинального напряжения – для генераторов с КН мощностью от 4 до 30 кВт включительно;
100 – 5 % номинального напряжения – для генераторов мощностью менее
4 кВт и генераторов без КН;
от номинального напряжения – для генераторов с КН мощностью свыше 30 кВт. При этом уставка напряжения от минус 5 до минус 10 % номинального напряжения должна обеспечиваться в режиме параллельной работы генераторов с сетью неограниченной мощности.
4. Значение несимметрии линейных напряжений при холостом ходе генераторов в режиме самовозбуждения не должно превышать 1,5 % номинального значения.
5. Изменение напряжения при сбросах или набросах 100 %-й нагрузки с cos? от 0,8 до 1,0 не должно превышать 20 % установленного значения – для генераторов с КН мощностью свыше 4 кВт и 30 % установленного значения – для генераторов без КН мощностью 4 кВт и ниже.
При сбросах или набросах 50 % нагрузки изменение напряжения соответственно не должно превышать 10 и 15 % установленного значения.
6. Генераторы ПЭС должны выдерживать 10 %-ю перегрузку по току в течение 1 ч при температуре окружающей среды до 313 К (400C) и высоте над уровнем моря до 1000 м.
