ГЛАВА 5
Элементы оборудования распределительных устройств судовых электрических станций
§ 5.1. ШИНЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ И СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ
Шины распределительных устройств служат для сбора и распределения электрической энергии; их применяют также для присоединения к сборным шинам генераторов, трансформаторов и аппаратов и для соединения их между собой. Обычно в качестве шин применяют голые (неизолированные) проводники.
В береговых установках распространены более дешевые — алюминиевые, а в установках на небольшие токи — стальные шины, на судах же используют медные шины, довольно устойчивые к коррозии.
В установившемся режиме допустимый ток нагрузки на шины
• (5.1)
Здесь k — коэффициент, учитывающий все виды теплоотдачи, вт/м2 °C;
F — поверхность охлаждения, м3;
θдоп — длительно допустимая температура нагрева, °C;
θсреды — расчетная температура среды, °C;
R — сопротивление шины, ом.
Допустимый ток, таким образом, зависит от ряда рассматриваемых ниже факторов.
Окраска шин повышает допустимую нагрузку примерно на 15%. Объясняется это тем, что около 40% тепла отдается с поверхности шин путем лучеиспускания, а краски имеют постоянную лучеиспускания в, в полтора—два раза большую, чем неокрашенные окисленные поверхности, и в четыре—десять раз большую, чем поверхности полированные.
Окраска шин, кроме того, облегчает ориентировку персонала.
В судовых установках следует окрашивать шины: фазы А — в зеленый, фазы В — в желтый и фазы С — в фиолетовый цвета [30, 5.2. 2.8].
Форма сечения шин существенно влияет на величину поверхности охлаждения и, следовательно, на допустимый ток нагрузки. При той же площади поперечного сечения шина прямоугольного сечения всегда имеет большую поверхность охлаждения, чем шина сплошного круглого сечения, и разница тем больше, чем тоньше шина. Кроме того, при той же площади сечения поверхностный эффект и, значит, активное сопротивление у шины прямоугольного сечения меньше.
Расположение шин несколько влияет на величину допустимого тока, так как от него зависит теплоотдача путем конвекции. Допустимая нагрузка на шины, расположенные плашмя, на 5—8% меньше допустимой нагрузки при расположении на ребро.
Число полос шин на фазу (полюс) сказывается на величине допустимого тока вследствие ухудшения условий охлаждения каждой из шин в пакете. В установке переменного тока допустимый ток на пакет шин дополнительно снижается из-за эффекта близости, природа которого та же, что и поверхностного эффекта, но обусловливается магнитными полями соседних полос (потоком взаимоиндукции). Вытеснение тока из средних полос пакета в результате эффекта близости ухудшает использование металла шин. Поэтому обычно в установках переменного тока включают в пакет не более двух-трех полос. При токах, требующих большего числа полос, применяют шины, образующие в сечении полый, почти замкнутый квадрат (коробчатое сечение).
Температура нагрева шин, принимая за допустимую, θдоп, и температура среды, принимаемая за расчетную, θcpеды, существенно влияют на величину допустимого тока нагрузки.
В судовых установках температуру окружающей среды в соответствии с указаниями Регистра принимают θсреды=40 или 45° С [30, 5.1.3.2], а тепловую нагрузку шин, чтобы облегчить вес установки, берут высокой, принимая θдоп=90° С.
При покрытии же медных шин в месте контакта слоем полуды или кадмия Регистр СССР допускает нагрев контактов шин до 100° С, а при серебрении — до 120° С.
Следует заметить, что фактическая температура внутри распределительного щита θфакт, особенно брызгозащищенного и водозащищенного исполнений, бывает больше 40° С, и тогда допустимый ток нагрузки Iθ определяют расчетом по формуле
(5.2)
где I40 — допустимый ток нагрузки шины при θсреды=40° С.
Выбор сборных шин распределительного устройства включает в себя определение наибольшего длительного тока нагрузки на шины, выбор сечения шин и проверку шин на динамическую и термическую устойчивость, возможность появления механического резонанса.
Наибольший ток определяют исходя из фактического распределения нагрузки вдоль шин в проектируемой установке с учетом коэффициента одновременности работы потребителей. При этом выбирается наиболее тяжелый режим работы установки. На мощных установках учитывают изменение рабочего тока по длине сборных шин.
Определив максимальный длительный ток нагрузки Iн.макс, сечение шин выбирают по справочным данным.
Необходимо, чтобы собственная частота была ниже основной частоты силы или превосходила ее не менее чем в два раза.
Проверка возможности появления резонанса предусмотрена Правилами Регистра [30, 5.2.2.6.1.
Проверка шин на термическую устойчивость производится так, как это показано в § 3.8. За продолжительность к. з. принимается длительность задержки срабатывания максимальной защиты со стороны источников питания.
Силовые кабели.
В электрических установках силовые кабели применяют для связи генераторов и трансформаторов со сборными шинами, для питания двигателей, обеспечивающих работу агрегатов электрической станции, и для выводов к потребителям или для их непосредственного питания.
В судовых установках в качестве силовых кабелей наибольшее распространение, как известно, получили кабели КНРП, КНРЭ, КНР с медными жилами и резиновой негорючей оболочкой [30, табл. 2.13.2.3—11.
Применение силовых кабелей определяется следующими качествами.
Выбор марки кабеля по тем условиям, в которых кабелю надлежит работать. При выборе числа жил кабеля считаются с тем, что магнитный поток одножильного кабеля в установках переменного тока вызывает потери в металлической оболочке и броне кабелей от вихревых токов и гистерезиса, которые увеличивают нагрев изоляции кабеля. На судах вихревые токи нагревают также металлические переборки и палубы судна.
Передача трехфазного тока осуществляется, как правило, трехжильными, а в установках с нулевым проводом — четырехжильными кабелями, суммарный магнитный поток которых равен нулю. Передача однофазного тока должна осуществляться двухжильными кабелями.
Выбор кабеля по напряжению сводится к сопоставлению номинального напряжения установки i/ycT. пом с номинальным напряжением кабеля Пкад ном.
Должно быть
. Возможное превышение
на 10—15% рабочего напряжения над номинальным неопасно, так как изоляция кабеля на это рассчитана.
Выбор сечения кабеля s по длительному току нагрузки производится по справочным данным, исходя из условия
где Iн. макс — максимальный длительный ток нагрузки линии;
k1 — коэффициент, изменяющий допустимый ток при прокладке кабеля в среде с температурой, отличной от температуры, принятой за расчетную;
k2 — коэффициент, вводимый при скрытой прокладке кабелей или прокладке их в трубах длиной свыше 1,3 м, а также при многорядной открытой прокладке (k2 = 0,75);
Iдоп — допустимый ток нагрузки на кабель при расчетной температуре в 45 или 40° С.
Проверка кабеля на термическую устойчивость производится, как показано в § 3.9.
Проверка кабеля на потерю напряжения подробно рассматривается в курсе «Электрические сети».
Заметим, что кабели к генераторам, трансформаторам и к приемникам, расположенные вблизи от сборных шин, практически нет необходимости проверять на потерю напряжения.
