Судовые электрические станции и сети - Параметры электроэнергетических систем

§ 4. ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Технический прогресс в области судостроения вызвал резкое увеличение электроэнерговооруженности современных судов. Поэтому очень важен выбор параметров СЭУ: род тока, напряжение и частота. Они являются основным фактором, определяющим многие технико-экономические и эксплуатационные показатели СЭС. От параметров зависят надежность, масса и размеры основного электрооборудования (источников тока, электродвигателей, пусковой и коммутационной аппаратуры, распределительных устройств и электрических сетей), расход на их изготовление дефицитных цветных металлов, безопасность обслуживания в условиях повышенной влажности.
При выборе параметров СЭС рассматриваются показатели: надежность работы, масса, размеры и стоимость элементов электрооборудования, учитываются возможность обеспечения режимов работы электрифицированных механизмов и устройств, а также условия их эксплуатации.
Примем следующие обозначения:
ах — надежность элементов электрооборудования;
— соответственно суммарные массы и объем, занимаемый элементами электрооборудования; а4, а5 — соответственно диапазон и плавность регулирования частоты вращения электропривода; а6 —экономичность регулирования электропривода;
«7, а& — соответственно перегрузочная и пусковая способность электропривода; - ад — затраты на сооружение и эксплуатацию электрооборудования; аю—степень электробезопасности при обслуживании электрооборудования.
Надежность а\ работы электрооборудования переменного тока повышается вследствие более высокой надежности его элементов.
В электроустановках переменного тока для всех групп электрифицированных механизмов и устройств применяют около 98% короткозамкнутых асинхронных электродвигателей от общего числа установленных электродвигателей. Прочная конструкция с закрытыми токоведущими частями, отсутствие коллектора, щеточного механизма и щеток повышают надежность их работы и безопасность обслуживания.
Пусковая электрическая аппаратура переменного тока более надежна в работе, чем аналогичная аппаратура постоянного тока. Для прямого пуска и включения большинства короткозамкнутых асинхронных электродвигателей применяют нереверсивные и реверсивные магнитные пускатели и кнопочные посты управления. Для пуска и регулирования частоты вращения отдельных сложных электроприводов переменного тока применяют магнитные станции повышенной надежности по сравнению с аналогичными устройствами постоянного тока.
В электроэнергетических системах высокую надежность должны иметь источники тока. В настоящее время на судах применяют самовозбуждающиеся синхронные генераторы с питанием обмотки возбуждения от главной цепи генератора через трансформаторы и выпрямительные устройства. Надежность источников электроэнергии значительно повышается вследствие применения статической системы возбуждения, исключающей вращающийся возбудитель — мл шину постоянного тока.
Коммутационная и защитная аппаратура и электроизмерительные приборы, установленные на главных и вторичных распределительных щитах переменного тока, в судовых условиях работают также надежно. Разработанная в настоящее время судовая аппаратура и электроизмерительные приборы и устройства переменного тока значительно улучшены по конструкции и характеристикам, что обеспечивает повышенную надежность их работы.
Главные и вторичные распределительные устройства переменного тока в настоящее время типизированы, улучшены их конструкции по сравнению с распределительными щитами постоянного тока.
Высокое сопротивление изоляции судовой сети переменного тока резко повышает надежность работы электрических установок в условиях повышенной влажности и переменных температур. В судовых цепях переменного тока для питания приемников с напряжениями, отличными от напряжений цепи, применяют трансформаторы напряжения. Вследствие этого цепь освещения, наиболее разветвленная на судне, имеет электромагнитную связь с силовой сетью, что обеспечивает повышение сопротивления изоляции всей судовой цепи. Кроме того, электрические машины, аппаратура, распределительные устройства имеют более высокое сопротивление изоляции (благодаря меньшему числу элементов), чем аналогичное электрооборудование постоянного тока.
Показатель а2 суммарной массы(кг) электрооборудования определяют по формуле
где Сэ, Ga, GrA, О р. у, G л. п, Gnp — масса соответственно электродвигателей, аппаратуры, генераторных агрегатов, распределительных устройств, линий передач (кабельной сети), преобразовательных устройств.
В составе электрооборудования переменного тока уменьшена масса электрических машин и незначительно — аппаратуры управления. Из графика на рис. 3 видно, что массы электродвигателей постоянного тока значительно больше, чем электродвигателей переменного.
Масса кабельных трасс, составляющая существенную часть от суммарной массы электрооборудования, зависит от сечения линий передач, которое определяется выражением
(1)
где Р— мощность приемника электроэнергии, кВт;
I — длина от источника тока до приемника, м;
Y — удельная проводимость меди, см/м;                                                        
U — номинальное напряжение, В; hU — допустимая потеря напряжения, %.
Из выражения (1) следует, что масса кабеля линий передач зависит от его сечения, которое пропорционально квадрату напряжения. Неудачно выбранное напряжение может привести к необоснованному завышению массы кабельных трасс, с увеличением напряжения масса кабеля уменьшается (рис. 4).
Для представления об изменениях массы кабелей при разных уровнях напряжений переменного тока судовой цепи выполнены расчеты для различных мощностей СЭС (рис. 5). Заштрихованная часть показывает массу кабелей линий передач, сечение которых не зависит от нагрузки судовой сети. Это кабели линий передач внешней и внутренней связи и контрольных цепей автоматизированных систем управления (АСУ) и др. Массы этих кабелей для разных мощностей СЭС составляют 20—40% суммарной массы кабельных сетей. Из рис. 5 следует, что существенное снижение массы кабелей линий передач происходит при переходе напряжения с 380 на 660 и 1140 В.
Показатель а3 объемазанимаемого электрооборудованием, определяют расчетом объемов его элементов.
При переходе с постоянного тока напряжением 220 В на переменный напряжением 380 В объем, занимаемый кабельными трассами, остается практически неизменным.
Показатели о4 — а8, зависящие от рода тока, влияют на режимы работы электроприводов.
Показатель а4 диапазона регулирования скорости электропривода определяется коэффициентом Кя как отношение максимальной скорости к минимальной,

Рис. 4. График зависимости массы кабелей судовой цепи от мощности, рода тока и напряжения
Показатель   плавности регулирования частоты вращения электропривода определяется коэффициентомгде а>;, (0/-1 — частоты вращения соответственно на t-й и (i-l)-ft ступенях регулирования.

Рис. 3. График зависимости массы от мощности электродвигателей постоянного тока (/) и асинхронных короткозамкнутых (2) при п = 1000 об/мин
Показатель ае экономичности регулирования электропривода определяется в основном потерями энергии, при этом

Рис. 5. Соотношение массы кабелей для сетей переменного тока напряжением 380, 660, 1140 В
(где Р2 — мощность
па валу электродвигателя, кВт;
/\Р — потеря мощности, кВт).
Показатель а7 перегрузочной способности находят из соотношения /Сп = -Мтах/Мн (где М
max
максимальный момент, развиваемый электродвигателем, Н-м,
Af„ — номинальный момент на палу электродвигателя, Н-м).
Показатель as пусковой способности электропривода равен отношению Мп/Мн (где УИП — пусковой момент электродвигателя, Н-м).

Рис. 6. Графики предельной мощности СЭС напряжением 400 В (по диапазону электродинамической устойчивости аппаратуры)
Показатель ад затрат на сооружение и эксплуатацию зависит от стоимости изготовления, монтажа, наладки и эксплуатации электрооборудования. Первоначальные затраты на электрооборудование 'переменного тока ниже, чем на электрооборудование постоянного. Вследствие повышенного срока службы электрооборудования переменного тока снижаются общие затраты на его эксплуатацию (стоимость электродвигателей постоянного тока в среднем вдвое выше). Для определения оптимальных параметров СЭС необходимо проанализировать указанные количественные и качественные показатели.
По показателям щ—а& определяют, насколько удовлетворяет электропривод требуемым режимам работы электрифицированных механизмов и устройств переменного и постоянного тока.
Установление уровней напряжения СЭС связано с обеспечением электробезопасности, которая зависит от выполнения комплекса технических и организационных защитных мероприятий, предусмотренных действующими Правилами Регистра   и Правилами технической  эксплуатации судового электрооборудования.

*Для приемников переменного тока частотой 60 Гц напряжение 440 В.
Уровень напряжения ограничивает мощность СЭС, так как применяемые выключатели автоматические (ВА) в морском исполнении допускают определенную предельную разрывную способность при коротком замыкании в системе, т. е. наибольший ток короткого замыкания в цепи способен отключить ВА без повреждения. Наибольшее значение токов с разрывной способностью составляет 110 и 120 кА. Для подтверждения этого положения были произведены расчеты ударных (максимальных) токов короткого замыкания СЭС при диапазоне мощностей 1000—6000 кВт с различным сочетанием единичных мощностей генераторов. По результатам расчетов были построены (рис. 6) кривые зависимости ударного тока короткого замыкания от мощности системы iyp,=f(P). Числовые обозначения кривых соответствуют числу генераторов. Если провести горизонтальные пунктирные линии, соответствующие предельным разрывным способностям АВ, до пересечения с кривой iyK= =f(P), то можно определить мощность СЭС для напряжения 400 В (она равна 3000 кВт).
На судах допускаются постоянный ток, а также переменный трехфазный и однофазный. В настоящее время на проектируемых и строящихся судах применяют трехфазный переменный ток напряжением источников тока 400 В. Для каждого рода тока устанавливают номинальные напряжения источников тока и приемников электроэнергии. Напряжение источников тока должно быть выше напряжения приемников, так как необходимо учитывать потери напряжения в судовой сети при передаче электроэнергии от источника к приемнику. Согласно Правилам Регистра СССР номинальные напряжения источников тока не должны превышать: для постоянного тока — 230 В; для переменного однофазного тока — 230 В при частоте 50 Гц или 270 В при частоте 60 Гц; для переменного трехфазного тока — 400 В при частоте 50 Гц или 460 В при частоте 50 Гц номинальные напряжения приемников не должны превышать значений, приведенных в табл. 2.
В особых случаях при использовании высокого напряжения для силовых приемников необходимо одобрение Регистра СССР. В энергетических системах допускаются частоты переменного тока 50, 60 и 400 Гц.