§ 11.3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДОВЫХ СИСТЕМ С РАЗНЫМ РЕЖИМОМ НЕЙТРАЛИ
Нейтраль электрической системы любого назначения может быть изолирована от земли (корпуса судна) или электрически с ней связана. В судовых электрических системах могут быть различные режимы работы нейтрали; при этом различными будут условия электробезопасности человека, экономичности системы, надежности электроснабжения потребителей и пожаробезопасности на судне.
Рис. 11.3. Схемы замещения трехфазных электрических установок: a — с изолированной нейтралью; б — с компенсированной нейтралью; в — векторная диаграмма токов через тело человека при компенсированной нейтрали
Электробезопасность человека при различных режимах нейтрали следует рассматривать и сопоставлять, оценивая возможную величину тока через человека при прикосновении к голому проводнику одной фазы. Такое прикосновение в условиях эксплуатации судовых электрических установок вполне вероятно, и с ним следует считаться.
Сразу же заметим, что одновременно прикосновение к проводам двух фаз ставит человека в значительно более опасные условия, так как независимо от нейтрали ток через тело человека будет определяться линейным напряжением установки. Однако одновременное касание голых проводов двух фаз встречается редко, и было бы несправедливо принимать его за критерий безопасности установки.
Рассмотрим условия безопасности в системе с изолированной нейтралью.
Прикасаясь к голому проводу одной из фаз трехфазной системы с изолированной нейтралью, человек оказывается подключенным в цепь, представление о которой дает рис. 11.3, а.
с изолированной и заземленной нейтралью обеспечивают практически одинаковые условия электробезопасности. Для эффективного повышения безопасности на судах с С0 > Скр следует перейти от систем с изолированной нейтралью к системам с нейтралью, заземленной через индуктивность (рис. 11.3,б), с тем, чтобы скомпенсировать емкостную составляющую тока через тело человека индуктивной составляющей. Систему с нейтралью, заземленной через индуктивность, можно назвать компенсированной системой или системой с компенсированной нейтралью.
Снижение тока Iч путем заземления нейтрали через индуктивность очень значительно, если индуктивность настраивается так, что соблюдаются условия резонанса: индуктивный ток Il равен емкостному току Ic (Il = Ic).
Судовые электрические системы с компенсированной нейтралью при любом практически возможном на судах Сэ сохраняют все преимущества систем с изолированной нейтралью — в этом их ценная особенность.
Важно уяснить, что при полной компенсации емкостной составляющей тока утечки индуктивной составляющей ток через тело человека, касающегося одной из фаз компенсированной системы, все же не будет равен нулю: останется нескомпенсированная активная составляющая тока 1а (рис. 11.3, в). Ее величина определяется величиной потерь в дросселе (индуктивности). Чаще всего преобладает первая составляющая; чтобы уменьшить ее, следует сделать все возможное для уменьшения потерь в меди и стали дросселя (индуктивности).
Существенно, что ток 1а также можно скомпенсировать, например, путем автоматического подключения дополнительной емкости в отсутствующую фазу. Так, при прикосновении к фазе А, дополнительную емкость следует подключить к фазе В, и т. д. Рис. 11.5 поясняет сказанное. Очевидно, что решение задачи компенсации не только тока Iс, но и тока Iа несколько усложняет схему компенсирующего устройства. Однако для систем с очень большой емкостью (С0 > 5-6 мкф) уменьшить ток через тело человека до безопасной величины (30 ма и менее) целесообразно за счет компенсации как Iс, так и Iа. Компенсация Iс и Iа позволяет уменьшить ток через человека практически до нуля (рис. 11.5), остаются неуравновешенными только высшие гармонические составляющие тока через человека.
Итак, исходя из условий электробезопасности для судов с С0< <Скр (малотоннажных), следует применять систему с изолированной нейтралью, а для судов с С0>Скр (средне- и крупнотоннажных) — систему с компенсированной нейтралью. На морских судах современных типов, как правило, С0>Скр.
Рис. 11.5. Векторные диаграммы: а — емкостные токи Ihc и Icc в фазах В и С при замыкании на корпус фазы А (емкость фазы В больше емкости фазы С); b — токи в фазе А при замыкании ее на корпус в системе с компенсированной нейтралью, если емкость фазы В больше емкости фазы С
Экономичность решения вопросов электроснабжения на судах существенно зависит от режима нейтрали системы лишь в том случае, если при системе с глухим заземлением нейтрали в качестве обратного провода использовать корпус судна. Тогда, за счет применения одножильных кабелей вместо двухжильных, однополюсных выключателей— вместо двухполюсных, а также за счет исключения трансформаторов для питания однофазных приемников напряжением 220 или 127 в, по данным расчетов, можно уменьшить расходы на распределительную сеть на 30—50%. Помимо экономии в весе и стоимости кабеля и трансформаторов, снижаются расходы на электромонтажные работы и, кроме того, уменьшаются габариты и вес распределительных устройств. Очевидно, что экономия тем больше, чем больше на судне однофазных приемников. Так, на пассажирских судах возможная экономия выше, чем на судах сухогрузных.
Возможное уменьшение расходов на распределительную сеть — основное преимущество трехфазной системы с глухозаземленной нейтралью.
На судах с С0>Скр переход от режима с изолированной нейтралью к режиму с глухозаземленной нейтралью практически не изменяет условий электробезопасности, но открывает перспективу уменьшения расходов на распределительную сеть.
На судах с С0<Скр переход к системе с глухозаземленной нейтралью ухудшает условия электробезопасности. Возможная экономия в стоимости распределительной сети при этом едва ли может быть принята во внимание, тем более, что на судах с малым С0 протяженность сети мала и, значит, экономия также соответственно мала.
Надежность электроснабжения потребителей на судне существенно зависит от режима нейтрали судовой электрической системы.
В системах с изолированной нейтралью могут быть, как известно, трех- и двухфазные к. з., отключаемые защитой аварийного участка.
При однофазном замыкании на корпус судна в системе с изолированной нейтралью ток повреждения мал, треугольник междуфазных напряжений практически не изменяется, приемники продолжают работать нормально. Повреждение может быть исправлено без отключения поврежденного участка и, следовательно, без перерыва электроснабжения потребителей.
В системе с глухозаземленной нейтралью могут быть не только трехи двухфазовые к. з., отключаемые защитой аварийного участка, но и однофазные. При однофазных к. з. ток повреждения велик: в некоторых случаях он может быть больше тока трех- или двухфазного к. з.
(§ 3.6), следовательно, однофазные к. з. также должны отключаться защитой поврежденного участка.
Статистика повреждений не раз устанавливала, что однофазные замыкания на корпус судна встречаются в десятки раз чаще трех- или двухфазных замыканий между токопроводами.
Отключение защитой приемников не только при трех- и двухфазных, но и при однофазных к. з., увеличивает в десятки раз вероятность внезапного перерыва питания в системах с глухим заземлением нейтрали, уменьшает надежность электроснабжения потребителей, в том числе потребителей, жизненно важных для судна (двигатели рулевой машины, охлаждающие, масляные насосы и др.), требует расширения применения схем с автоматическим вводом резерва.
Как было замечено, в системе с глухим заземлением нейтрали возможно использовать два напряжения: линейное и фазное, и, следовательно, нет необходимости трансформировать напряжение для питания бытовых потребителей судна, что удешевляет распределительную сеть и уменьшает ее вес. Однако сеть без трансформаторов имеет и свои недостатки: так, например, при повреждении в сетях бытовых потребителей остаточное напряжение на шинах ГРЩ в аварийном и послеаварийной режимах будет меньше, чем в сетях с трансформаторами, возрастет ток утечки и т. д. В системе с компенсированной нейтралью надежность электроснабжения не меньше чем и в системе с изолированной нейтралью.
Пожаробезопасность. Трех- и двухфазные короткие замыкания в судовых системах происходят редко, вероятность их мала. Причем еще меньше вероятно замыкание двух или трез фаз через корпус судна. Следовательно, большие аварийные токи через корпус судна в системах с изолированной или компенсированной нейтралью практически никогда не протекают. Напротив, в системах с глухим заземлением нейтрали большие аварийные токи через корпус судна протекают относительно часто — при каждом однофазном к. з. При этом каждое однофазное к. з. может сопровождаться электрической дугой между фазой и корпусом судна. Возможно образование дуги и в местах плохого контакта на пути тока между местом короткого замыкания и точкой заземления нейтрали источника тока.
Вероятность возникновения пожара в системах с глухим заземлением нейтрали велика, поэтому классификационные общества всех стран исключают применение на танкерах систем с глухим заземлением нейтрали.
Вместе с тем следует сослаться на опыт лайнера «Россия», где за 20 лет эксплуатации разветвленной электрической системы с глухим заземлением при защите приемников быстродействующими АВВ не было зарегистрировано ни одного случая возгорания [43, № 4, 1968].
В системах с изолированной нейтралью При малой емкости системы возникновение электрической дуги практически исключено. В этом одно из достоинств таких систем. Однако на судах с большой емкостью системы продолжительная электрическая дуга при изолированной нейтрали возможна. На рис. 11.6 приведена одна из осциллограмм, полученных при исследовании макета судовой электрической системы
с емкостью фазы С0=12 мкф. На осциллограмме зафиксирована перемещающаяся дуга, многократно возникающая и погасающая на аварийном участке.
При опытах на электроходе «Серебрянск» под действием открытой дуги однофазного замыкания на корпус в силовой сети напряжением 380 в, работающей с изолированной нейтралью (ток однофазного замыкания 2,4 а), тряпка и бумага, смоченные в дизельном топливе или мазле, воспламенялись.
В системе с компенсированной нейтралью при любой вероятной емкости системы длительное горение электрической дуги при замыкании одной из фаз на корпус исключено.
Рис. 11.6. Осциллограмма тока замыкания на корпус судна и напряжения Uа между фазой А и корпусом при быстром замыкании и медленном размыкании фазы А (С0=12 мкф; UA= 380 в; f=50 гц)
Из выполненного анализа систем с различным режимом работы нейтрали следует, что электрические системы с компенсированной нейтралью по показателям электро- и пожаробезопасности превосходят системы с изолированной и глухозаземленной нейтралью. Вместе с тем система с компенсированной нейтралью по надежности электроснабжения превосходит систему с глухозаземленной нейтралью и не уступает системе с изолированной нейтралью. Компенсированная система, как это уже отмечалось ранее, имеет все основания найти применение на судах морского флота [43, № 10, 1966; 26, с. 459].
