книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник
.pdf
О. П. ХАЙДУКОВ, Б. В. ОСОКИН
электро
оборудование
судов
Утверждено Управлением учебных заведений Министерства морского флота в качестве учебника для учащихся судоводительских и судомеханических специальностей высших инженерных морских училищ
МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1974
УДК 621.3.002.5:629.123 (0.75.8)
Электрооборудование судов. Х а й д у к о в О. П., О с о к и н Б. В. Изд-во «Транспорт», 1974, стр. 1—328.
В книге большое внимание уделяется физическим процессам, про исходящим в электрических машинах, аппаратах и приборах. Зна чительная часть книги посвящена элементам современного электро оборудования, специальным электрическим машикам, полупро водниковым приборам и т. д.
Рассматриваются примеры схем различных электроустановок су дов как отечественной, так и зарубежной постройки.
В главах II, III, IV, V излагаются некоторые вопросы судовой электротехники, знание которых совершенно необходимо при изу чении электрооборудования современных судов. Здесь особое внима
ние |
обращается на |
полупроводниковые |
приборы и их применение. |
В |
последующих |
главах учебника |
рассматриваются различные |
элементы, устройства и системы судового электрооборудования. Кратко изложены основы теории электропривода, методы расчета и выбора отдельных элементов электрооборудования. Учтены ближай шие перспективы и направления в развитии судовой электротехники. В книге нашли свое отражение и вопросы правильной технической эксплуатации электрооборудования.
Книга является учебником для учащихся судоводительских и судомеханических факультетов высших инженерных морских училищ.
Учебник может быть полезным инженерно-техническим работни кам морского, речного и рыбопромыслового флота, занимающимся эксплуатацией судов, а также курсантам и студентам средних море ходных училищ и судостроительных техникумов.
Рис. |
197, табл. 21, библ. 23. |
|
Введение, главы I, II, III, IV, V и § 36 написаны О. П. Хайдуко- |
||
вым, |
а главы |
VI, VII, VIII, IX, X, XI, XII, XIII и § 3, § 7 — |
Б. В. Осокиным. |
___ |
|
31806-313
X 049(01)—74 313—74
© Издательство «ТРАНСПОРТ», 1974
Введение
Современные морские суда характеризуются высокой степенью элек трификации. На каждую 1000 т водоизмещения приходится в среднем 160 кВт установленной мощности электрооборудования, а на каждую 1000 э. л. с. силовой установки — 120 кВт генераторной мощности и 360 кВт установленной мощности электрооборудования. На многих типах судов эти показатели значительно выше, £1 суммарная установленная мощность электрооборудования превосходит мощ
ность силовой установки. Общая установленная мощность электрооборудования на судах отечественного морского флота составляет сейчас около 4 млн. кВт. Судо
вые электрические станции вырабатывают в год свыше 1,5 млрд. кВт-ч электро энергии.
Электрическая энергия используется для управления судном и обеспечения безопасности мореплавания (рулевое устройство, брашпили, шпили, электро- и радионавигационные приборы, сигнальные отличительные огни), обеспечения движения судна (вспомогательные механизмы машинно-котельного отделения), в грузоподъемных и грузовых устройствах (лебедки, краны, лифты, тельферы, топенантные устройства открытия трюмов, грузовые насосы), в системах, обеспе чивающих борьбу за живучесть судна (пожарные и балластно-осушительные насосы, водонепроницаемые перегородки, спринклерные и углекислотные систе мы). С помощью электроэнергии осуществляется радиосвязь между судами и берегом, внутрисудовая связь и сигнализация, обеспечивается освещение. Велико значение электроэнергии для обеспечения нормальных бытовых условий жизни су дового экипажа (вентиляция, электроотопление, нагревательные приборы, санитар ные насосы, климатические станции, рефрижераторные установки). На судах повышенной маневренности (ледоколы, суда ледового плавания, буксиры, паро мы) установлены гребные электрические двигатели.
Дальнейшее совершенствование морского транспорта основывается на ком плексной автоматизации, осуществляемой прежде всего на базе развития электри фикации судов. Уже сейчас имеются суда с автоматизированным навигационным комплексом с применением цифровых и аналоговых электронных вычислитель ных машин. На многих судах установлены системы дистанционного автоматизи рованного управления (ДАУ) главным двигателем с мостика и из центрального поста управления (ЦПУ) в машинном отделении; автоматизированного управле ния судовой электростанцией; автоматического управления работой вспомога тельных механизмов и устройств, обслуживающих энергетическую установку; системы централизованного контроля, сигнализации и регистрации рабочих пара метров энергетической установки; автоматизированные общесудовые системы
(пожарные, балластные и др.).
Отечественный морской флот пополнился за последнее время новейшими ав томатизированными судами типа «Краснокамск», «Новгород», «Котовский», «Сестрорецк» и многими другими. На теплоходе «Светлогорск» (судно типа «Сла вянок») установлен комплекс опытных средств автоматизации отечественного производства.
Комплексная автоматизация судов сокращает численность судового экипажа, облегчает его работу, повышает производительность труда, улучшает эксплуата ционные характеристики судна, удлиняет период между ремонтами и профилак тическими осмотрами, уменьшает вероятность возникновения опасных аварийных
3
ситуаций вследствие улучшения контроля оборудования и навигационной обста новки.
В соответствии с Директивами XXIV съезда КПСС предусмотрена широкая программа дальнейшего развития транспорта, в том числе и морского. Внедрение автоматики и новой техники в электрооборудование судов будет способствовать выполнению этих задач.
Перспективы развития электрооборудования судов тесно связано с появле нием новых типов судов, силовых установок и механизмов, ростом мощности силовых установок и автоматизацией судов. В связи с этим специалисты, работа ющие в области электрооборудования судов, должны решать следующие задачи:
завершение процесса внедрения переменного тока на судах; применение судовых электрических станций с повышенным напряжением на
крупных пассажирских судах, а также на судах с мощными электроприводами; применение электроэнергетических систем с повышенной частотой перемен
ного тока (200'—400 Гц);
применение гребных электрических установок двойного рода тока, состоящих из синхронных генераторов, кремниевых неуправляемых или управляемых вы прямителей и гребных электродвигателей постоянного тока;
создание бесщеточных генераторов, представляющих собой бесконтактную электрическую машину, снабженную возбудителем переменного тока, энергия которого через полупроводниковые выпрямители, укрепленные на валу и враща ющиеся вместе с ним, подается в обмотку возбуждения генератора;
применение установок отбора мощности - - утилизационных генераторов и валогенераторов;
замена тепловых первичных двигателей новыми источниками, непосредствен но преобразующими тепловую или химическую энергию в электрическую, — тер моэмиссионными, электрохимическими и магнито-гидродинамическими генерато рами;
использование магнито-гидрореактивных двигателей для подводных транспортных судов;
создание мощных судовых источников электроэнергии, основанных на явле нии сверхпроводимости;
замена кабельных трасс шинопроводами, связанная с уменьшением веса ма гистральных трасс на 20—30%;
применение тиристорных электроприводов постоянного и переменного тока, обладающих хорошими техническими, эксплуатационными и весогабаритными показателями;
замена электромеханической контрольной аппаратуры бесконтактными ти ристорными коммутационными устройствами;
переход от контактно-релейных защит судовых источников и потребителей от ненормальных режимов к защитам на базе транзисторной электроники и ло гических элементов;
применение новых термочувствительных полупроводниковых элементов-по- зисторов для встроенной температурной защиты обмоток электрических машин; использование средств технической диагностики и создание систем из неболь
шого числа типовых унифицированных быстросъемных блоков; применение твердых полупроводниковых микросхем;
создание устройств судовой электрической станции, автоматически организу ющих как процесс генерирования, так и процесс потребления электроэнергии.
Глава I
Судовое электрооборудование
иэлектротехнические материалы
§1. Требования к судовому электрооборудованию
Судовое электрооборудование работает в специфических усло виях, отличных от условий работы промышленного электрообору дования. Это отличие определяется рядом следующих факторов:
значительные изменения температуры окружающего воздуха при неограниченном районе плавания (от —50 до +50°С);
высокие значения относительной влажности воздуха (в закры тых судовых помещениях от 40 до 70%, в отдельных случаях и до 90%, на палубе — от 70 до 90%, а в тропиках — до предела насы щения);
наличие соли в морской воде (до 4%) и морском воздухе
(до 6 мг/м3) ;
наличие паров соляра, масла и других нефтепродуктов в судо вых помещениях (от 5 до 20 мг/м3);
длительный крен на любой борт, длительный дифферент, бор товая и килевая качка;
сотрясения при ударах судна о волны или встречные предметы; вибрация, создаваемая работой главных двигателей, винтов, а также отдельных механизмов и достигающая колебаний несколько десятков герц при амплитуде колебаний в несколько милли
метров;
размещение электрооборудования в тесных помещениях и выго родках с целью экономии места, что затрудняет доступ к нему и эксплуатацию.
В большинстве стран мира постройка судов и их техническая эксплуатация осуществляются под надзором государственных ор ганов— классификационных обществ. В Советском Союзе таким классификационным обществом является Регистр СССР.
Регистром СССР разрабатываются «Правила классификации и постройки морских судов», последние из которых вступили в силу с 1 июля 1971'г. В ч. XI «Электрическое оборудование» этих Правил учтены в связи с особыми условиями работы повышенные по срав нению с общепромышленным оборудованием требования к судово му электрооборудованию: высокая надежность, высокая механи ческая прочность, минимальный вес и габариты при оптимальном коэффициенте полезного действия, удобство в обслуживании, ми нимальные помехи радиоприему, малая щумность и пр.
5
При этом необходимо отметить, что многие положения настоя щих Правил, касающиеся электрооборудования судов, существен но отличаются от положений Правил, действовавших до 1 июля
1971 г.
Правила определяют следующие условия работы электричес кого оборудования на судне.
1. Электрическое оборудование должно быть такой конструкци чтобы во всех случаях в установившихся режимах оно оставалось работоспособным при отклонениях напряжения и частоты от номи нальных величин, указанных в табл. 1.
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
Отклонение от номинальных единиц, % |
||
Показатели |
Длительное |
Кратковременное |
||
|
|
|||
|
Величина |
Время, с |
||
|
|
|
||
Напряжение................................. |
+ |
6 |
+ 15 |
1,5 |
|
— 10 |
—30 |
|
|
Частота .......................................... |
± |
5 |
±10 |
5 |
2. В качестве номинальных рабочих температур окружающег воздуха и охлаждающей воды для электрического оборудования должны использоваться температуры, указанные в табл. 2.3
Т а б л и ц а 2
Температура окружающего воздуха и охлаждающей воды, “С
Место расположения |
Неограниченный район |
Плавание вне тропической |
||
оборудования |
|
плавания |
|
зоны |
|
|
|
|
|
|
Воздух |
Вода |
Воздух |
Вода |
Машинное отделение, кам- |
От +45, |
+ 30 |
От +40, |
+ 25 |
б у з .............................................. |
+35* |
+30 |
||
|
до —10 |
|
до —10 |
|
Открытые палубы . . . . |
От +45 |
|
От +40 |
|
|
до —30 |
|
до —30 |
|
Другие помещения . . . |
От +40 |
|
От +40 |
|
|
до —10 |
|
до —10 |
|
* При принудительном воздушном охлаждении с забором воздуха с открытой палубы.
3. Электрическое оборудование должно безотказно работать условиях относительной влажности воздуха 75±3% при температуре+45+2°С или 80±3% при температуре +40±2°С, а также при относительной влажности воздуха 95±3% при температуре + 2 5 ± ±2°С.
6
4. Электрическое оборудование должно безотказно работать при длительном крене судна до 15° и дифференте до 5°, а также при бортовой качке до 22,5° и килевой до 10° от вертикали.
5. Электрическое оборудование должно безотказно работать при вибрациях с частотой от 5 до 30 Гц, с амплитудой 1 мм, для частот от 5 до 8 Гц и с ускорением 0,5 g — при частотах от 8 до
30Гц.
6.Электрическое оборудование должно безотказно работать при ударах с ускорением 3g при частоте от 40 до 80 ударов в ми нуту.
Помещения судна подвергаются различному воздействию вне шней среды. В связи с этим электрооборудование, устанавливаемое в помещениях и пространствах судна, должно иметь одно из сле дующих исполнений корпуса: открытое; защищенное; каплезащи щенное; брызгозащищенное; водозащищенное (защищенное от струй воды); водонепроницаемое; погружное, и выбирается в зависимо сти от места его установки в соответствии с табл. 3. Персонал, обслуживающий электрооборудование судна, должен быть защи
щен |
от |
соприкосновения |
с |
находящимися под |
напряжением |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Исполнение |
электрооборудования |
|
|
|
Помещения |
|
|
|
|
Характеристи |
Исполнение корпуса |
Обозначе |
|||
|
|
|
|
|
|
ка помещений |
ние по ре |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
комендации |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
МЭК |
Жилые, |
общественные и служебные, |
Сухие |
Защищенное |
. IP30 |
||||||||
а также относящиеся к ним |
коридоры |
|
|
|
|
|||||||
и трапы |
|
|
|
|
|
|
|
|
Открытое, защи |
[Р00 |
||
Специальные для установки |
распре |
Влажные |
||||||||||
делительных устройств, |
станций |
и |
|
щенное, каплезащи |
[РЗО |
|||||||
пультов управления, |
трансформаторов |
|
щенное |
|
IP22 |
|||||||
и электрических машин |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Для рефрижераторных |
машин, |
ру |
Повышенной |
Брызгозащищен |
1Р44 |
|||||||
левых иашин, агрегатные для |
палуб |
влажности |
ное |
|
|
|||||||
ных |
механизмов |
и |
подруливающих |
|
|
|
|
|||||
устройств, |
насосные |
на |
еухогрузных |
|
|
|
|
|||||
судах |
и другие аналогичные |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Машинные и котельные |
|
|
|
|
То же |
То же |
|
IP44 |
||||
Камбузы, умывальники, уборные |
|
» |
» |
|
IP44 |
|||||||
Душевые, ванные, бани, посудомой |
Особо сырые |
Водозащищенное |
IP55 |
|||||||||
ки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IP55 |
Для обработки продуктов |
промысла |
То же |
То же |
|
||||||||
и лова, прачечные |
|
|
|
|
|
|
|
|
IP55 |
|||
Трюмы, |
не предназначенные для пе |
|
|
|
||||||||
ревозки и хранения сухого и жидкого |
|
|
|
|
||||||||
топлива и легковоспламеняющихся гру |
|
|
|
|
||||||||
зов, рефрижераторные |
трюмы |
и кла |
|
|
|
|
||||||
довые |
|
|
|
|
|
|
|
|
» |
Водонепроницае |
IP56 |
|
Открытые палубы |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мое (палубное) |
IP58 |
|
Пространства, |
в которых |
оборудо |
Затопляемые |
Погружное |
||||||||
вание должно работать под |
водой |
|
|
|
|
|
||||||
7
или движущимися частями внутри корпуса. Для обозначения степени защиты согласно Правилам Регистра применяются две буквы IP и следующие за ними две цифры, первая из которых обо значает степень защиты персонала и степень защиты оборудова ния от попадания внутрь предметов, а вторая — степень защиты обо
рудования от проникновения воды. |
Степени защиты |
определены |
таблицей Правил и имеют для первой цифры семь |
значений (от |
|
О до 6), а для второй — девять значений (от 0 до 8). |
|
|
К каждому из отдельных видов |
электрооборудования судов |
|
Правилами Регистра СССР предъявляются особые дополнительные требования.
§ 2. Электротехнические материалы, применяемые в судовом электрооборудовании
Электротехнические материалы обладают особыми свойства ми по отношению к электрическому току, электрическому и магнит ному полям и подразделяются на проводниковые, полупроводнико вые, электроизоляционные и магнитные.
П р о в о д н и к о в ы е м а т е р и а л ы — это материалы, из ко торых изготовляются токоведущие части проводов, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток электрических машин, ап паратов и электроизмерительных приборов, разного рода токопро водящие детали, а также активные элементы электронагреватель ных устройств, сопротивлений и реостатов. Они разделяются на две основные группы: материалы высокой проводимости и материа лы высокого сопротивления.
К материалам высокой проводимости относятся в первую оче редь медь и алюминий, имеющие преимущественное применение в электрических устройствах.
Согласно Правилам Регистра СССР все токоведущие части электрических устройств на судах должны изготовляться из меди, медных сплавов и других материалов, обладающих равноценными
свойствами. |
~ |
Проводниковая медь обладает многими преимуществами перед |
|
другими материалами высокой проводимости. К числу |
наиболее |
ценных свойств меди относятся: высокая электропроводность, до статочно высокая механическая прочность, пригодность для боль шинства видов обработки, значительная стойкость против корро зии, способность свариваться и спаиваться.
Механические характеристики меди зависят от термической об работки. Для изолированных проводов, кабелей, обмоточных про водов требуется мягкая медная проволока марки ММ, изготовля емая из отожженной меди. Для шин распределительных устройств, пластин коллекторов электрических машин применяется твердая медь марки МТ (неотожженная медь). Существенным недостат ком чистой меди является ползучесть, подверженность усталости и
8
слабое сопротивление стиранию. Поэтому токоведущие детали электроаппаратов изготовляются из сплавов на медной основе (про водниковые латуни и бронзы), которые лишены этих недостатков. При этом необходимо отметить, что электропроводность латуней и бронз значительно меньше электропроводности чистой меди.
Алюминий как проводниковый материал довольно широко используется в береговых установках, однако в судовых электри ческих устройствах он не применяется, во-первых, вследствие недо статочной надежности контактов алюминий — латунь и алюминий — медь в местах присоединения аппаратуры, во-вторых, по причине недостаточной коррозионной стойкости алюминия. Регистр СССР
разрешает изготовлять из алюминия или его сплавов, стойких к морским условиям, короткозамкнутые обмотки асинхронных дви гателей. В последнее время делаются попытки применять алюми ний для изготовления токоведущих жил морских кабелей.
Для изготовления электрических контактов в электроаппаратах применяют серебро, обладающее наименьшим удельным сопротив лением. Серебряные контакты почти не окисляются на воздухе и хорошо отводят тепло при образовании дуги. В последнее время стали широко применять металлокерамические контакты с различ ным процентным содержанием серебра.
Электронагревательные элементы, реостаты, пусковые, регули ровочные, балластные и прочие виды сопротивлений изготовляют из проводниковых материалов, обладающих высоким удельным сопро тивлением. При этом для электронагревательных элементов приме няются сплавы, обладающие высокой жаростойкостью: нихром — хромоникелевый сплав (80%Ni, 20%Сг), содержащий в неболь ших количествах присадки железа, углерода, титана, кремния и мар ганца, и фехраль — особо жаростойкий хромоалюминиевый сплав (15% Сг, 5%А1, 80%Fe). Для изготовления элементов сопротивле ния реостатов применяются сплавы, обладающие малым темпера турным коэффициентом сопротивления: констант (59% Си, 40%№, 1%М.п) и никелин (67%Cu, 32%Ni, 1%Мп). Шунты посто янные сопротивления в электроизмерительной аппаратуре изготов ляются из манганина (86%Cu, 2%Ni, 12%Мп), обладающего весь ма незначительной величиной температурного коэффициента соп ротивления и высокой стабильностью свойств во времени.
Для изготовления электровакуумной аппаратуры (нити ламп накаливания, электроды, пружины, различные детали электриче ских и электронных ламп) применяют проводниковые тугоплав кие металлы: вольфрам, молибден и их сплавы.
Вкачестве проводникового материала широкое распространение
вэлектрооборудовании имеют специальные сорта прессованного электротехнического угля. Из этого материала изготовляются щет ки электрических машин, угли для прожекторов, столбы сопротив ления для угольных регуляторов напряжения, реостаты, аноды гальванических элементов, малогабаритные сопротивления радио
технических устройств. Применение угля для щеток электрических машин объясняется его способностью противостоять высоким тем
9