Генерирование и распределение электроэнергии на судах.

Схемы генерирования электроэнергии на судах (схемы судовой электростанции).

Требования к схемам СЭЭС и их классификации:

1. Надежность и живучесть СЭЭС.

Для этого:

Ø Резервируют отдельные элементы:

· Генераторы

· Секции шин ГРЩ

· Сами ГРЩ и т.д.

Ø Делят ГРЩ на автономные части (секции), каждая из которых может работать без связи с другими

Рекомендуемые материалы

Ø Включают минимальное число только необходимых аппаратов (упрощение)

Ø Применение автоматической защиты

Ø Автоматизация управления

2. Гибкость

Схема должна функционировать не только в нормальных режимах, но и при повреждениях.

Снятие напряжения при ремонте поврежденной части не должна нарушать работу основных потребителей.

Так же обеспечивается:

· Рациональным подключением потребителей к секциям ГРЩ.

· Применением параллельных первичных и вторичных источников энергии.

3. Удобство эксплуатации

Обеспечивается:

· Выбором типовой комплектации, уменьшающей объем профилактики и ремонтных работ.

· Автоматизации операции управления режимами СЭЭС.

· Применение автоматических систем поиска неисправностей.

4. Экономичность в эксплуатации

Обеспечивается:

· Выбором рационального объема автоматизации.

· Уменьшением годовых эксплуатационных расходов за счет электроснабжения с берега при стоянках, а на ходу судна – применением валогенераторов и утилизационных турбогенераторов.

Классификация.

1. По роду тока:

· СЭЭС постоянного тока

· СЭЭС переменного тока

2. По набору оборудования при комплектации:

· Типовые схемы СЭЭС (подавляющее большинство).

· Не типовые схемы СЭЭС (в основном на атомных судах).

3. По наличию собственного первичного двигателя:

· Схемы с ГА

· Схемы с валогенераторами.

Принципы построения схем СЭЭС.

Исходные данные:

· Заданный состав источников электроэнергии, их тип, количество и мощность

· Режимы работы судна и мощность потребляемая в этих режимах.

В типовых схемах необходимо предусматривать:

1. Параллельную работу ГА (параллельная работа по продолжительности разная: длительная, кратковременная (с целью перевода нагрузки)) и секционирывание шин для проведения ремонтных работ на ГРЩ.

2. Две секции пониженного напряжения для разделения приемников, низкое сопротивление изоляции.

3. Распределение приемников по секциям ГРЩ должно выполняться с учетом распределения напряжения и специфики судна.

4. Предусматривают отдельные секции стояночных приемников электроэнергии и перемычки на ограниченное число приемников, работающих в стояночном режиме.
Эти секции не выделяются, нет отдельного состава приемников, работающих на стоянки, или их мало.

5. Предусматривается раздельная работа одного или двух генераторов на собственные шины, если на судне есть приемники энергии, соизмеримые по мощности с генератором.

Нетиповые схемы СЭЭС.

Применяются только в технически обоснованных случаях, если нельзя использовать типовую схему.

При разработке не типовых схем также предусматривают секционирование шин, две секции пониженного напряжения и необходимость использования секций стояночных приемников и перемычек.

Пример типовых схем СЭЭС.

Типовая схема (3 основных ДГ, 1 аварийный)

1, 2 – основные, резервные потребители ходового режима.

3- фидер электроснабжения с берега.

4 – потребители стояночных режимов.

5 – освещение.

6 – бытовые потребители.

7 – неотключаемая нагрузка (особо ответственные потребители).

Реализуется практически на всех транспортных судах, сухогрузах, наливных, траулерах и т.д.

Нетиповая СЭЭС.

Рассмотрим схему СЭЭС атомного ледокола «Арктика».

СЭЭС включает:

Ø Две атомные части: носовую (ТГ₁, ТГ₂, ГРЩ1)

                                        Кормовую (ТГ₃, ТГ₄, ТГ₅, ГРЩ2, РДГ).

В основных режимах они работают отдельно и расположены в разных помещениях.

Ø Два аварийных: АДГ₁ и АДГ₂ и АРЩ установлены в отдельном помещению

Предусматривается длительная, при необходимости, параллельная работа основных ТГ.

Секционирование шин ГРЩ применение перемычек для питания как потребителей ядерной установки от щитов питания ЩПЯУ_1,2 , так и и питание основных потребителей обеспечивает надежность и живучесть СЭЭС.

СЭЭС авианосца.

Ядерный авианосец «Нимитц».

ЭК – энергетическое кольцо – шинопровод который обеспечивает связь между всеми электростанциями

СЭС1, 2, 3 – турбогенераторы на паре от ППУ.

В каждой СЭС 3 генератора по 3200 КВт – итого 28800КВт.

Носовая и кормовая СЭС на ДГ 2 по 2400 КВт

Итого ≈ 40000 КВт, то есть можно обеспечит город с населением 100000 чел.

СЭС с валогенераторными установками.

1 – главный двигатель (дизель или турбина).

2 – гребной вал.

3 – передача (турбозубчатая или другая).

4 – валогенератор.

Мощность главного двигателя выбирается для обеспечения заданной скорости хода при неблагоприятных условиях эксплуатации (встречный ветер, волна и т.д.). Это бывает редко. Поэтому имеются излишки 10-15% мощности главного двигателя, которые можно использовать для выработки электроэнергии в ходовых режимах. Поэтому экономия на вспомогательных ПД в ходовых режимах значительно снижает эксплуатационные расходы.

Условия выработки электроэнергии:

Колебания скорости вращения винта в статических режимах: +5%-10%

В динамических режимах возможна остановка и обратный ход, поэтому в статике необходимо обеспечить требуемое качество электроэнергии, а в динамических режимах СЭС должна обеспечивать перевод нагрузки с валогенератора на другой генератор.

Валогенераторная установка постоянного тока.

3 – текстронная (релейная) передача.

При статических колебаниях винта стабильность напряжения обеспечивается АРН ВГ

При остановках и т.д., нагрузка переводится на АДГ, он же стояночный. На момент перевода нагрузки с ВГ на АДГ, стабильность напряжения обеспечивают аккумуляторные батареи.

Годовые эксплуатационные расходы снижаются ≈ на 30% (в зависимости от ходовых режимов).

Валогенераторная установка переменного тока.

Здесь при колебаниях скорости винта существенной проблемой становится стабилизация частоты сети (стабилизация напряжения обеспечивается).

Различают:

Ø ВГУ стабильной частоты,

Ø ВГУ переменной частоты.

ВГУ стабильной частоты:

а) механический путь стабилизации частоты,

б) электрический путь стабилизации частоты.

При статических колебаниях вращения винта стабилизация частоты вращения ВГ (и частоты сети) обеспечивается за счет системы Г-Д постоянного тока (регулировка возбуждения ДПТ и ГПТ).

В динамических режимах отключается электромагнитная муфта 3, запускается дизель 4, с включением электромагнитной муфты 2, поддержание частоты вращения ВГ на момент перехода с ДПТ на 4, поддерживается накопителем энергии (маховик 1).

5 –стояночный ДГ.

Вариант б.

Частота вращения ВГ переменна, а частота тока сети постоянна. Это обеспечивается преобразователем частоты. Этот вариант экономичнее, а сегодня и надежней.

ВГУ переменной частоты.

1 – главный двигатель (турбина),

2 – вал,

3 – ГТЗА.

В СЭЭС есть шины ГРЩ, с секцией f=var и секции f=const. На шины f=var подключаются АД, а на шины f=const – потребители требующие стабильной частоты. АД работают нормально, если выполняется условие:

При статических колебаниях винта, выполнение условия обеспечивает АРН ВГ.

При динамических колебаниях, нагрузка переводится на АТГ.

При переводе нагрузки на АТГ, АС можно замкнуть, а ДГ отключить, так как на обоих секциях шин f=const.

Это самая экономичная СЭС (≈30%) для судов с турбинами.

Схемы с утилизационными генераторами тоже повышают экономичность ГЕУ (пар отработавший в ГЭУ).

Распределение электроэнергии на судах.

Электрические сети.

Электроэнергия от схем генерирования передается потребителям с помощью сетей.

Они бывают:

1. Силовая электрическая сеть – для распределения электроэнергии на судах от ГРЩ до потребителей или приемников электроэнергии.

2. Аварийная – используется для распределения энергии от аварийного щита до неотключаемой нагрузки, перечень приемников который оговорен нормативными документами.

3. Сеть приемников – предназначена для распределения электроэнергии от определенного щита или преобразователя до определенных потребителей.

К таким сетям относят:

Ø Сети основного освещения,

Ø Сети аварийного освещения,

Ø Сети переносного освещения,

Ø Сети вентиляции,

Ø Сеть 400 Гц,

Ø Сеть установок слабого тока (телефонные установки, звонковая и пожарная сигнализация, машинные телеграфы, сеть рабиотрансляции).

Рассмотрим принцип формирования силовой сети.

Сети бывают:

Ø Фидерные (а) (фидер – питающий радиус),

Ø Магистральные (б),

Ø Магистрально-фидерные (смешанные) (в).

а)                                                                      б)

в)

М – магистраль

МК – магистральная коробка

ГрЩ – групповой щит

При выборе принципа построения сети исходят из надежности электроснабжения, с одной стороны, и стоимости и веса (массы кабеля) сети.

Наиболее надежна – фидерная, так как выход из строя одного фидера не нарушает питание остальных потребителей.

При повреждении магистрали питания лишается большая группа потребителей, зато магистральная сеть имеет меньшую массу и меньшую стоимость

Смешанная сеть – сочетает достоинства и недостатки предыдущих.

Выбор зависит от количества и состава потребителей, мощности СЭС и назначения и состава судна.

Отдельные потребители могут питаться от нескольких источников (двубортное питание). Такой принцип питания называется кольцевым и применим на судах с ЯЭУ для неотключаемой нагрузки.

АДГ – аварийный дизель генератор.

1 – потребители с однобортным питанием

2,3 – потребители с двубортным питанием

АПП – автоматический переключатель питания

АПС – автоматический переключатель сетей

4 – выпрямители,

5 – высокочастотные преобразователи 220/400

Наиболее и мощные потребители получают питание от ГРЩ по отдельным фидерам (1).

Передача электроэнергии осуществляется судовыми кабелями

Судовой кабель – один или несколько изолированных гибких проводников, заключенных в общую оболочку. Кабель допускает непосредственную прокладку по стальным деталям корпуса, в сырых помещениях и на открытых палубах.

Судовой провод – один или несколько изолированных гибких проводников, заключенных в общую защитную оболочку, допускает прокладку непосредственно по стальным деталям корпуса в сухих отапливаемых помещениях.

Провод – изолированный или не изолированный электрический проводник, прокладываемый на изоляторах или изолирующих прокладках.

Шнур – два или три изолированных проводника, имеющих общую или раздельную оболочку из х/б или шелковых нитей, на судах шнур применяется для настольных ламп, вентиляторов и других бытовых приборов.

Классификация кабеля по назначению:

К – кабель

С – свинцовая оболочка

Б – броня из стальной ленты

Р – резиновая изоляция жил и наружная оболочка

Н – негорючий

Ш – шланговый

М – морской

П – плетенка ПСО

Э – экранированный

Б – изоляция на основе бутил-каучука

В – поливинилхлоридный шланг

О – облегченный

Для высокочастотных:

Р – радиокабель

К – коаксиальный

С – свинцовая оболочка

Г – гибкий

Выбор кабеля включает: выбор марки, расчет сечения токоведущей жилы по допустимому току, проверка выбранного сечения по допустимой потере напряжения.

Выбор марки:

Определяется назначением потребителя, к которому подводится питание и условиями прокладки.

Защита (броня) – нужна по условиям прокладки кабеля в сырых помещениях, на открытых палубах, где возможны механические повреждения.

Экран необходим для защиты от помех.

Расчет токов и выбор сечения кабеля.

Исходные данные и расчетные соотношения.

Исходными данными при расчете является:

Ø Заданная схема распределения электроэнергии по судну, то есть схема подключения кабелей, в соответствии с которой кабели можно разделить на две группы: питающие единичные потребители, питающие групповые потребители.

Ø Режим работы потребителя (РЩ) когда ток в кабели максимальный по сравнению с другими режимами (по коэффициенту загрузки из таблицы нагрузок).

Расчетный ток кабеля, соединяющего Генератор с ГРЩ, принимается равным номинальному току генератора.

На постоянном токе:

На переменном токе:

Расчетные токи кабелей, соединяющих единичные потребители с РЩ.

Для постоянного тока:

Для трехфазной цепи:

Р_н – номинальная мощность механизма (см. таблицу нагрузок)

К_з – коэффициент загрузки оборудования (см. таблицу 3)

U_н – номинальное напряжение сети

cos(φ_н) – номинальный коэффициент мощности

η_н – номинальный КПД потребителя

Расчетные кабели РЩ (группы потребителей).

Постоянный ток:

Переменный ток:

I_i – ток единичного потребителя

a, p – активная и реактивная составляющие

K_o – коэффициент одновременности работы потребителей, питающихся от данного РЩ

Кабель на судне прокладывают в трубах, пучках и т.п., что ухудшает условия охлаждения, по сравнению с одиночной прокладкой, это учитывают корректировкой рабочего тока, в соответствии с соотношением напряжения для тока РЩ:

К₁=0,8 – при прокладке кабеля в трубе или двухрядном пучке

К₁=0,9 – при однорядном пучке

К₁=0,6 – при трехрядном пучке

К₂ – учитывает число часов работы под напряжением

t_раб – время работы кабеля под нагрузкой за сутки в часах

Если К₁К₂>1, то К₁К₂ принимают равным 1.

Выбор сечения определяется по условию:

I_доп – допустимый для данного сечения ток по условиям нагрева для изоляции, при длительном режиме работы.

(а) – сечение подходит

(б) – сечение не подходит

На базе выполнения (1) произведены расчеты зависимости (2), где S – сечение, θ_с – температура окружающей среды.

Если θ_с>40˚С, то корректируют допустимый ток:

Выбирая сечение по току, на базе (2) дается гарантия, что нагрев такого сечения не превысит допустимых температур.

Проверка выбранного сечения по допустимой потере напряжения.

При прохождении тока по кабелю часть напряжения теряется на сопротивлении кабеля. По регистру РФ допускается потеря напряжения (это алгебраическая разность между напряжением в начале и в конце кабеля). Смотри таблицу:

Проверка выбранного сечения осуществляется по условию:

Различают понятия «потеря» и «падение» напряжения. На постоянном токе это одно и тоже. Так как «потеря» - алгебраическая разность, а «падение» - геометрическая разность.

Сети постоянного тока.

1. Фидерная сеть (сеть с нагрузкой в конце линии, сосредоточенная сеть).

Если (3) не выполняется, то

2. Магистральная сеть.

i – токи приемников

I – токи участков магистрали с сопротивлением R

l – длина отдельных участков

L – расстояние от отдельных приемников до ГРЩ

Уравнение связей:

 

Потеря напряжения до самого удаленного приемника:

(6) – формула участков или линейных токов.

Пользоваться ей не удобно, так как еще не известны I и l

Подставляя в (6) уравнение (4) и учитывая при группировании (5) получим:

(7) – формула моментов (более удобна).

В сетях освещения, где потребители задаются не токами, а мощностью можно пользоваться формулой:

Все эти формулы справедливы, при постоянстве сечения S=const, магистрального кабеля, что и происходит на практике.

Если (3) не выполняется, то сечение определяют по формуле аналогичной (3!!).

Сети переменного тока.

1. Однофазная сеть.

Ø Фидерная.

∆U – алгебраическая разность, с незначительной погрешностью определяется проекцией вектора 2Iz на направление U₂

Из треугольника abf   =>  

Из треугольника bcf   =>  

Из треугольника cde   =>  

Отсюда:

На практике для судовых кабелей R>>X≈0

 

Формула (9) аналогична (3!!) на постоянном токе, только вместо I стоит I_a.

Ещё посмотрите лекцию "10.1 Дисководы CD-ROM" по этой теме.

Ø Магистральная сеть.

Здесь формулы аналогичны (6)-(8), только с I_a и активной мощностью.

2. Трехфазная сеть.

Если считать потерю в проводе одной фазы ab, а другой – bf, то линейна потеря:

∆U_ф – потеря в фазе, формула (9).