ГЛАВА 9
Схемы, судовых электрических станций, распределительные устройства, пульты и посты управления
§ 9 1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СХЕМАМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
Проектирование судовой электрической установки (электрической станции, подстанции и др.) всегда включает в себя разработку схемы ее основных цепей, по которым электрическая энергия от генераторов (трансформаторов) доводится до потребителей, и вторичных цепей, т. е. цепей дистанционного и автоматического управления установкой и ее отдельными элементами, цепей контроля за состоянием и работой оборудования и соответствующей сигнализации, измерительных приборов установки, цепи аппаратов защиты и т. п.
При разработке схем электрических станций и подстанций исходят из того, что схемы должны удовлетворять требованиям надежности, гибкости, удобства эксплуатации и экономичности.
- Надежность работы установки должна соответствовать ее назначению, положению в судовой электрической системе и значению потребителей, получающих электроэнергию от установки.
Для обеспечения надежности установки в любом режиме работы судна предусматриваются:
резервирование отдельных элементов (генераторов, линий электроснабжения, электроприводов насосов и др.);
деление установки на несколько частей (секций), каждая из которых при необходимости может работать без связи с другими секциями;
упрощение установки путем включения в нее минимального числа только безусловно необходимых аппаратов;
автоматическое включение резерва (резервного генератора, аварийного генератора, резервной линии, резервных электроприводов и т. п.);
автоматическая разгрузка генераторов (дизелей) при токах (нагрузках), превышающих допустимую величину, и разгрузка при частоте ниже допустимой;
применение селективно работающих защит с возможно меньшим временем срабатывания;
применение рациональной схемы технического обслуживания; централизация и автоматизация управления системой и др.
- Гибкость в работе установки должна быть такой, чтобы она удовлетворяла своему назначению (обеспечивала ход судна, выполнение грузовых операций и др.) не только в нормальном режиме ее работы,
но и при повреждении отдельных элементов установки (аппаратов и др.)·
Комплектация установки и ее схема должны допускать немедленное исправление повреждения оборудования, позволять профилактический контроль для устранения внезапных отказов и профилактическое восстановление для предупреждения постепенных отказов, например, из-за износа деталей, старения изоляции и др.
Гибкость установки, ее комплектация и схема должны обеспечивать устранение повреждений и выполнение профилактических работ при снятом напряжении с ремонтируемого или осматриваемого элемента, причем снятие напряжения не должно нарушать работу основного оборудования судна, обеспечивающего ход судна или грузовые операции.
Гибкость установки обеспечивается секционированием сборных шин, резервированием ответственных потребителей и линий, рациональным подключением потребителей к различным секциям шин, применением параллельной работы генераторов, трансформаторов и др.
- Удобство эксплуатации установки обеспечивается выбором возможно более простой схемы, выбором комплектации станции, уменьшающей объем профилактических и ремонтных работ и увеличивающей периоды между этими работами, широким применением систем централизованного, дистанционного управления, применением систем автоматического управления режимами работы оборудования и контроля за его работой, применением устройств контроля и защиты, облегчающих и ускоряющих поиск неисправностей, прогнозирующих неисправности улучшающих условия электробезопасности при эксплуатации установки.
- Экономичность эксплуатации установки достигается выбором рациональных границ автоматизации электроэнергетической установки с учетом границ, выбираемых для автоматизации управления судном и главной энергетической установкой; применением такой комплектации станции, которая обеспечивает наименьшие годовые эксплуатационные расходы по электроснабжению (§ 1.7) с учетом возможностей, открываемых широким применением на стоянках электроснабжения судов с берега, а на ходу судна — УТГ и валогенераторов.
Подчеркнем, что требования к надежности снабжения потребителей всегда должны соответствовать степени их ответственности.
Потребителей судовых установок можно подразделить на три категории.
К первой категории следует отнести особенно ответственных потребителей, перерыв в питании которых может быть связан с опасностью для жизни людей, с возможной крупной аварией судна. В число приемников этой категории входят коммутатор сигнально-отличительных огней, радиостанция, прожекторы, рулевой электропривод (на пассажирских и приравненных к ним судах,) привод закрывания клинкетных дверей, аварийный пожарный насос и некоторые другие приемники.
Ввиду большой ответственности приемников первой категории питание их на всех судах вместимостью 300 рег. т и более [30, 2.14.1] должно обеспечиваться от двух независимых источников (электростанции СЭС и АЭС), причем перерыв в питании этой группы потребителей разрешается лишь на время ввода резервного питания (аварийной электростанции).
Ко второй категории следует отнести ответственную группу потребителей судна [30,2.3.3]: брашпиль, пожарные и трюмно-осушительные насосы и разные механизмы, непосредственно обслуживающие главные силовые установки, а также механизмы и аппараты, обеспечивающие движение судна, управление им и сохранность груза. Питание потребителей второй категории должно быть надежным как в нормальных, так и в аварийных условиях работы судовой электрической станции (выход из строя генератора, авария на шинах главного распределительного щита — ГРЩ и др.).
К третьей категории относят малоответствунную группу потребителей (мастерские, камбуз, грелки отопления, бытовую вентиляцию и др.). Для них возможен перерыв питания на время перегрузки генераторов станции, ликвидации аварии на станции, ремонта линии и т. д.
§ 9.2. СХЕМЫ СТАНЦИЙ С ОДНОЙ СИСТЕМОЙ НЕСЕКЦИОНИРОВАННЫХ СБОРНЫХ ШИН
На рис. 9.1, а представлена схема судовой электрической станции с одной несекционированной системой сборных шин. Отличительная особенность схемы в том, что сборные шины СШ, принимающие электроэнергию от генераторов и распределяющие ее между потребителями, выполняются без деления их на отдельные участки-секции.
Рис. 9.1. Принципиальные однолинейные схемы судовых электрических станций с одной несекционированной системой сборных шин
К шинам через выключатели подключены генераторы и линии, связывающие станцию с потребителями. Так выполнены схемы на большом числе судов, электрифицированных как на постоянном, так и на переменном токе (теплоходы «Академик Крылов», «Грузия», «Дмитрий Донской», «Арагви» и др.).
Достоинство рассматриваемой схемы в ее простоте и небольшой стоимости. Однако схеме присущи и существенные недостатки: она не обеспечивает высокой надежности электроснабжения и гибкости установки. При коротком замыкании на сборных шинах или при отказе в срабатывании защиты отходящей линии выпадают из работы все генераторы станции и, значит, выпадают из работы все потребители, не имеющие резервного источника питания. Ремонт и чистка сборных шин и выключателей требуют снятия напряжения с установки, следовательно, отключения от сборных шин всех генераторов.
Несколько большей гибкостью обладает схема, приведенная на рис. 9.1, б теплохода «Станиславский». Ее особенность—в наличии специальной секции стояночного генератора Г1, что позволяет при стоянке судна снимать напряжение с части установки, подключенной к основным генераторам, а это облегчает ремонт и осмотр оборудования станции.
На рис. 9.1, в приведена схема с одной системой сборных шин станции парохода «Адмирал Нахимов», отличающаяся от схемы, приведенной на рис. 9.1, а, дополнительным включением рубильника в цепь генераторов станции, что облегчает ремонт генераторных выключателей, т. е. делает схему более гибкой.
На судах новейшей постройки система несекционированных сборных шин применения не находит.
§ 9.3. СХЕМЫ СТАНЦИИ С ОДНОЙ СИСТЕМОЙ СЕКЦИОНИРОВАННЫХ СБОРНЫХ ШИН
Рис. 9.2. Принципиальные однолинейные схемы судовых электрических станций с одной секционированной системой сборных шин
Секционирование сборных шин, т. е. деление их на несколько независимых частей (секций), каждая из которых имеет свой источник питания (рис. 9.2), позволяет избавиться от части недостатков, присущих станциям с одной несекционированной системой сборных шин. Так, для ремонта шин и выключателей линий при секционировании сборных шин достаточно вывести из работы только одну секцию станции; при этом сохраняется нормальная работа других секций с подключенными к ним генераторами и потребителями. При коротком замыкании на шинах, отказе в работе защиты линии или выключателя, если шины секционированы рубильником или съемной перемычкой (рис.9.2, а, б), сработает защита генераторов, и тогда станция полностью прекратит работу. Однако через небольшое время, необходимое для отключения рубильника или снятия перемычки, поврежденный участок будет отсоединен и нормальная работа неповрежденных участков восстановится.
При секционировании шин выключателем (рис. 9.2, в), снабженным защитой, аварийная секция отключается автоматически, что позволяет сохранить без перерыва питания нормальную работу потребителей, присоединенных к неповрежденным секциям. Таким образом, установка секционного выключателя предпочтительнее установки секционного рубильника.
На судовых станциях постоянного и переменного тока применяют как секционирование шин рубильниками (теплоходы «Волголес», «Красноград» и др), съемными перемычками (теплоходы «Андижан», «Михаил Калинин», «Дубна» и др.), так и селективными выключателями (турбоход «Ленинский комсомол», теплоходы «Вытегралес», «Полтава» и др.).
Заметим, что при разработке схемы судовой электрической станции необходимо основные и резервные ответственные механизмы и аппараты распределить между секциями сборных шин так, чтобы при выходе из строя одной из секций питание этих приемников обеспечивалось от неповрежденной секции шин.
Заметим, что секционирование шин ГРЩ на станциях мощностью свыше 1000 кВт (ква) предусмотрено требованиями Регистра СССР 130, 5.2.7.61.
Надежность электроснабжения приемников дополнительно значительно повышается, если они не только обеспечиваются питанием по двум линиям, подключенным к разным секциям шин станции (резерв по сети), но предусматривается также автоматическое переключение приемника с одной линии на другую при потере напряжения на питающей линии (секции). Такое переключение электроприемников с одной линии на другую называют автоматическим включением резерва.
§ 9.4. СХЕМЫ СТАНЦИЙ С НЕСКОЛЬКИМИ СИСТЕМАМИ СБОРНЫХ ШИН
Одна секционированная система сборных шин имеет несомненные преимущества перед несекционированной системой шин, однако ей присущи и некоторые недостатки. Так, на время ремонта и осмотра одной из секций потребители, не имеющие резерва по сети, остаются без питания; ответственная группа потребителей лишается резерва по сети, так как при ремонтах и повреждениях питание подводится к ней только по линии, присоединенной к неповрежденной секции; кроме того, возможная мощность станции уменьшается при этом на величину мощности источников, присоединенных к ремонтируемой секции шин.
Части перечисленных недостатков лишена схема станции с двумя системами сборных шин (рис. 9.3, а). Особенность приведенного варианта схемы — в секционировании первой системы сборных шин выключателем ВС и связи шин соединительными выключателями ВШ. Однако приводимая схема наряду с некоторыми достоинствами имеет и очевидные недостатки: она сложнее и дороже схемы с одной секционированной системой сборных шин. Кроме того, при эксплуатации схемы значительно вероятнее ошибки обслуживающего персонала. Рассматриваемая схема применена на теплоходе «Тельман», но дальнейшего распространения не получила.
Рис. 9.3. Принципиальные однолинейные схемы судовых электрических станций с двумя системами сборных шин
На рис. 9.3, б представлена принципиальная схема станции с двумя системами сборных шин, примененная на рефрижераторе типа «Чапаев». Схема обладает значительной гибкостью: позволяет снимать напряжение с любой из систем сборных шин и с любого из фидерных выключателей без ущерба для электроснабжения судна, что несомненноценно. Однако в схеме двойное число фидерных выключателей, что удорожает, усложняет и увеличивает объем ремонтных и профилактических работ.
§ 9.5. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СХЕМ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
Секция шин с потребителями третьей категории. В схемах судовых электрических станций довольно часто все или часть потребителей третьей категории выносятся на отдельную секцию сборных шин, иногда таких секций две. Известны схемы с выносом части потребителей третьей категории на отдельные распределительные щиты, получающие питание от шин ГРЩ. Такое объединение потребителей облегчает защите генераторов от перегрузки разгружать генератор автоматически, путем отключения выделенной секции шин.
Линия электроснабжения потребителей судна с берега. На судах современных типов на время стоянки в порту предусматривается электроснабжение с берега. Для передачи электроэнергии на шины ГРЩ предусматривают кабельную линию, связывающую ГРЩ со специальным щитом приема питания с берега (ЩПБ). На ГРЩ устанавливают выключатель, соответствующий номинальному току кабеля, необходима также установка указателя порядка чередования фаз, переключателя фаз и защиты от обрыва фазы и понижения напряжения (ЗОФН).
Секция шин с потребителями, работающими при стоянке судна без грузовых операций. Присоединение потребителей, работающих в режиме стоянки судна, должно быть таким, чтобы, не нарушая их работу при электроснабжении с берега, можно было снять напряжение с любой из секций шин ГРЩ. Следует стремиться к объединению потребителей режима стоянки на одну специально выделенную секцию с подсоединенной к ней линией питания с берега; такое решение технически возможно.
Секция шин трансформаторной подстанции судна. На современных судовых электрических станциях переменного тока применяют преимущественно напряжение 380 в. Для электроснабжения части потребителей судна при напряжении 220 или 127 в устанавливают судовую трансформаторную подстанцию. Чаще всего подстанция объединяется с электростанцией судна, точнее — с ГРЩ станции, причем сборные шины подстанции напряжением 220 или 127 в (при напряжении на вторичной стороне трансформаторов соответственно 230 и 133 в) являются изолированными секциями сборных шин ГРЩ.
Рис. 9.4. Однолинейная схема судовой электрической станции
При нескольких трансформаторах на подстанции их присоединяют к одной или разным секциям сборных шин ГРЩ напряжением 380 в или применяют схему с переключением (рис. 9.4).
Связь станции со схемой АЭС. Если на судне установлена АЭС, то ее сборные шины соединяют кабелем со сборными шинами ГРЩ судовой станции. В аварийном режиме от сборных шин АЭС должны получать питание все потребители первой категории (30, § 2. 14.3.1). В нормальном режиме работы электрической станции судна питание приемников этой категории также часто осуществляется через шины АЭС. При потере напряжения на кабеле, питающем АЭС от шин ГРЩ, автоматически запускается дизель-генератор АЭС и прерванное питание потребителей первой категории возобновляется, но теперь уже непосредственно от шин АЭС.
Особенности схем станций большой мощности. В схемах станций большой мощности (более тысячи киловатт) приходится принимать меры, ограничивающие ток к. з. Для этой цели в схему станции можно включать реакторы или разделять установку на несколько частей (например, носовую и кормовую), связанных кабельными линиями, разделять шины ГРЩ на секции, связанные кабельными перемычками, практиковать на вторичной стороне раздельную работу трансформаторов и др. (§ 3.11).
Полезно помнить, что ограничение тока к. з. путем включения реакторов или кабельных перемычек может быть иногда экономически оправдано также на станциях средней мощности.
Для иллюстрации выполненного рассмотрения на рис. 9.4 приведен один из возможных вариантов принципиальной схемы электрической станции средней мощности переменного тока напряжением 380 в. В приводимой схеме при перегрузке генераторов предусмотрено автоматическое отсоединение выключателем В потребителей третьей категории (секции 4), предусмотрено секционирование шин станции селективным выключателем ВС и секционирование шин подстанции рубильником.
Трансформаторы получают питание от секции 3, к которой подведена линия электроснабжения с берега (через ЩПБ). К этой секции, а также к секции 4 подключены все потребители стояночного режима. В режиме стоянки, при электроснабжении судна с берега, переключатель В разомкнут, что позволяет эксплуатационному персоналу выполнять ремонт, замену и регулировку оборудования, а также профилактические работы при снятом напряжении с секций 1 и 2 сборных шин. Это очень ценная особенность схемы. Переключатель В позволяет также, переключив секции 3 и 4 на одну из генераторных секций, снять напряжение с другой секции, предварительно отключив выключатель ВС, что дает возможность выполнять ремонтные работы и профилактические осмотры при снятом напряжении не только на стоянке, но и на ходу судна, что очень важно.
Однако очевидно, что снять напряжение с секции 1 или 2 в режиме хода судна можно лишь в схемах, где основные и резервные потребители ходового режима подключены к секциям так, что при снятом напряжении с одной из секций ход судна и управление им не нарушаются.
Потребители первой категории присоединены к шинам АЭС (секция 5); в нормальных условиях работы установки их питание обеспечивается от шин ГРЩ, а в аварийном режиме — от шин АЭС; при потере напряжения на шинах ГРЩ автоматически размыкаются контакты у контактора КЛ1, замыкаются контакты КЛ2 и запускается аварийный дизель-генератор.
Если на станции не два генератора, а три, то следует предусмотреть не две, а три генераторные секции, подключив к каждой из них один генератор.
