РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СЭЭС

Состояние любой электросистемы, характеризуемое совокупностью параметров (мощность, ток, напряжение, сопротивление и т. п.) в данный момент времени, принято называть режимом работы системы. В теории электросистем рассматривается большое количество режимов работы, например, холостого хода, номинальный, перегрузки, короткого замыка­ния, установившийся, переходный и др.

Режимом холостого хода электросистемы (устройства, установки) называется режим, соответствующий нулевому значению ее полезной (ра­бочей) мощности при любом значении напряжения и частоты.

Номинальным режимом системы называется режим, соответствую­щий номинальным значениям мощности, тока, напряжения и частоты.

Режим перегрузки характеризуется значениями мощности и тока выше номинальных, режим перенапряжения — значением напряжения выше номинального, режим недогрузки — значениями тока и мощности ниже номинальных. Режим короткого замыкания характеризуется наличием в системе не менее двух точек, принадлежащих различным фазам, напряжение и сопротивление между которыми равно нулю (значение тока при этом, как правило, намного больше номинального).

Режим, который характеризуется постоянными значениями парамет­ров или медленным их изменением в заданных пределах, называется установившимся (статическим).

Режим, который характеризуется резким (мгновенным) изменением любого параметра, называется переходным (динамическим).

Переходные режимы обычно возникают между двумя установившимися режимами.

Нормальными режимами работы электросистем следует считать режим холостого хода (кратковременно), номинальный режим и режимы с параметрами, отличающимися от номинальных в допускаемых пределах. Все другие режимы систем следует считать ненормальными.

Ненормальный режим является аварийным, если он связан с опас­ностью для жизни людей или большим материальным ущербом.

Любой ненормальный режим должен устраняться при помощи автоматических устройств или обслуживающего персонала.

Режимы работы систем, кроме того, подразделяют по времени (длительные — определенное количество часов, кратковременные — минуты и доли секунд и повторно-кратковременные) и по характеру нагрузки (постоянная, переменная, периодическая или кратковременная).

Электрическая энергия является продукцией, которая вырабатывается и распределяется СЭЭС по приемникам. В связи с этим качество электрической энергии определяется совокупностью свойств, обусловливающих пригодность ее для использования приемниками. Данные свойства считаются идеальными при следующих условиях: на зажимах приемников электроэнергии напряжение и частота равны номинальным значе­ниям; форма кривой напряжения переменного тока представляет собой синусоиду, период которой соответствует номинальной частоте; напряжение постоянного тока является неизменным во времени; напряжения трехфазного переменного тока симметричны.

В действительности этого никогда не бывает по ряду причин. Напряжение и частота источников электрической энергии зависят от их нагруз­ки, напряжение на зажимах приемника всегда меньше напряжения источника на величину потери напряжения в сети, напряжение и частота источ­ников электроэнергии резко уменьшаются при набросах нагрузки, напряжение генераторов электроэнергии обычно имеет трапецеидальную форму, форма кривой напряжения очень искажается в системах с управляемыми полупроводниковыми вентилями и т. д. В связи с этим практически качество электроэнергии характеризуется следующими реальными показателями (отклонениями от идеальных свойств):

длительным (в установившемся режиме) отклонением напряжения в данной точке системы по отношению к номинальному;

длительным отклонением частоты тока по отношению к номинальному;

кратковременным (в переходном режиме) отклонением напряжения от номинального;

кратковременным отклонением частоты от номинальной;

коэффициентом несимметрии напряжений в трехфазной системе;

коэффициентом искажения синусоидальности формы кривой на­пряжения;

коэффициентом смещения нейтрали в трехфазной системе;

коэффициентом пульсации напряжения постоянного тока;

коэффициентом низкочастотной амплитудной модуляции напряжения переменного тока.

Согласно Правилам Регистра СССР, длительное отклонение напряжения на зажимах приборов освещения должно быть не более ± 5 %, на зажимах электродвигателей и других приемников электроэнергии ± 10 %. Кратковременное снижение напряжения должно быть не более 30 %. Длительное снижение частоты не более 5 %, кратковременное не более 10 %. Несимметрия напряжений зависит от неравномерности распределения нагрузки по отдельным фазам трехфазной системы. Эта неравно­мерность должна быть в пределах ± 15 %.

Коэффициент искажения формы кривой напряжения должен быть не более 10 % (это определяется как отношение суммы амплитуд высших гармоник к амплитуде первой — основной гармоники в процентах). Значе­ния других коэффициентов регламентируются конкретными особенностями системы и приемников электроэнергии.

Снижение напряжения на зажимах электродвигателей постоянного и переменного тока вызывает уменьшение вращающегося момента, частоты вращения и номинальной мощности, увеличение потребляемого тока. При этом возможна перегрузка и остановка двигателя. При снижении напряжения резко уменьшается светоотдача ламп накаливания, а при его увеличении снижается срок их службы.

Снижение частоты на зажимах асинхронных двигателей связано с уменьшением частоты вращения и производительности механизмов, с которыми они сочленены.

Несимметрия напряжения и смещение нейтрали на зажимах двигателей и генераторов переменного трехфазного тока влечет за собой потери мощности и дополнительный нагрев машин. Несинусоидальность формы кривой напряжения связана с наличием в СЭЭС гармонических составляющих частотой выше 50 Гц, под действием которых увеличиваются потери мощности и нагревание электрических машин, кабелей, аппаратов, двигателей и генераторов.

При повышении напряжения относительно номинального в сетях ос­вещения, отопления и других повышается ток, что влечет „перекал" ламп и нагревательных элементов и резко сокращает срок их службы. При повышении напряжения и частоты тока на зажимах электродвигателей увеличивается значение потребляемого тока и частоты вращения, что приво­дит к чрезмерному их перегреву и быстрому „старению"¹ изоляции токоведущих частей. Чрезмерное, даже кратковременное, повышение напряжения может вызвать пробой изоляционных материалов электрооборудования и режим короткого замыкания. В большинстве подобных случаев должна сработать соответствующая защита. Однако не исключено возникновение пожаров.

Требования Регистра по показателям качества электроэнергии учи­тываются при создании всех видов судового электрооборудования (машин, приборов, устройств, аппаратов), а также при проектировании СЭЭС (расчеты потерь и провалов напряжения, устойчивости систем, выбора аппаратов и др.). В некоторых случаях для обеспечения надлежащих пока­зателей приходится устанавливать отдельные источники или преобразователи электрической энергии, индуктивно-емкостные фильтры, стабилизаторы, компенсаторы и др. Дизель-генераторы и турбогенераторы изготовляют с автоматическими регуляторами частоты вращения и напряжения.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДОВ И СЭЭС

Проектирование современных судов выполняется различными специалистами на основе так называемого системного подхода. Существо этого подхода заключается в следующем. Любое сложное сооружение можно рассматривать в качестве сложной (иногда говорят большой) системы. Каждая сложная система условно, в зависимости от характера поставленной задачи, может рассматриваться состоящей из ряда подсистем, а каждая подсистема состоящей из неделимых элементов. При этом каждая подсистема разрабатывается с учетом ее связей с системой и другими подсистемами. Показатели качества системы по сравнению с пока­зателями качества подсистем считаются более значимыми. Изменять показатели качества подсистем допускается только в целях улучшения показателей качества системы. Естественно, что не все показатели качества подсистем оказывают существенное влияние на показатели качества системы. Эти показатели качества подсистем выбираются на основании их свойств, как самостоятельных систем. В таких случаях любая подсистема может рассматриваться в качестве системы, состоящей из собственных подсистем с образованием иерархической структуры. Следовательно, любая система может быть условно разделена на подсистемы, т. е. является сложной системой (в большей или меньшей степени).

Рассматривая судно как систему, можно считать, что СЭЭС является его подсистемой, которая может быть связана также с другими подсистемами судна, например, с его силовой установкой. Рассматривая СЭЭС как систему, в ней можно выделить подсистемы получения, распределения и потребления электроэнергии.

При проектировании СЭЭС необходимо проверять, какое влияние оказывают ее показатели качества на показатели качества судна (например, влияние массы СЭЭС на водоизмещение судна, габаритов на главные размерения и возможность размещения в данных помещениях, на расход топлива и масла, экономические показатели).

Особенностью проектирования больших систем является так назы­ваемая вариантная оптимизация, при которой лучшее решение находят в результате разработки и сравнения технических и экономических показателей качества нескольких вариантов систем, подсистем и их элементов. При этом неизбежны некоторые компромиссные решения, так как обеспечение показателей качества любой продукции всегда связано с некоторыми противоречиями. Например, повышение безотказности увеличивает капитальные затраты, но снижает эксплуатационные расходы, снижение уровня шума связано с увеличением массы и габаритов, уменьшение массы и габаритов может понизить надежность, повышение КПД связано с повышением стоимости, массы и габаритов.

Изменение ряда показателей качества ограничивается определенными значениями, указанными в технических заданиях, Правилах Морского и Речного Регистра РФ, Госсанинспекции РФ, а также в стандартах и других нормативно-технических документах. Например, водоизмещение судов внутреннего плавания ограничивается размерами шлюзов и каналов, уменьшение массы корпуса — его прочностью, снижение надежности — ростом непроизводительных трудозатрат на обслуживание и способностью системы выполнять основные функции. Необходимо также учитывать особенности качества конкретных судов. Например, для судов на подводных крыльях, воздушной подушке и глиссирующих од­ним из показателей, на который накладывается ограничение, является масса (корпуса и всего оборудования). Для научно-исследовательских судов особое значение имеют показатели шума, радиопомех и др.

К числу основных экономических показателей относятся капитальные вложения К, годовые эксплуатационные расходы Э и приведенные затраты 3, связанные между собой следующей зависимостью:

Эксплуатационные расходы на обслуживание складываются из трудоемкости профилактических работ, которые заключаются в затратах на проверку, регулировку, уходы, предупреждение отказов, восстановление работоспособности систем после отказов и т. п.

В некоторых случаях для характеристики экономической эффектив­ности используют показатель, равный отношению приведенных затрат к объему выполненной работы (или обратное отношение).

Постройка судов и всех входящих в них систем, устройств и изделий осуществляется на основании конструкторской документации. Разработка конструкторской документации (охватывая процесс проектирования), согласно ЕСКД, подразделяется на четыре стадии: техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочая документация.

Техническое предложение — это совокупность конструкторских документов, содержащих технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации судна на основании ана­лиза технического задания и различных вариантов возможных решений.

Эскизный проект - совокупность конструкторских документов, со­держащих принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление о судне и его составных частях. На стадии эскизного проекта .разрабатывается структурная схема СЭЭС, обосновываются род тока, значения номинального напряжения и частоты, предварительно

выбираются количество, типы и мощность генераторов электростанций, производится оценка надежности, экономической эффективности, техно­логичности и других показателей качества СЭЭС; производится размеще­ние основных элементов СЭЭС.

Технический проект — совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения, дающие полное пред­ставление об устройстве разрабатываемого судна и всех его элементов. На стадии технического проекта окончательно выбирают количество и мощность генераторов электростанций, преобразователей электроэнергии и аккумуляторов, разрабатывают структурные, функциональные, принципиальные, общие и монтажные (подключений и соединений) схемы электротехнических систем и устройств (СЭЭС, освещения, электропри­водов, сигнализации, внутренней и внешней связи и др.); производят расчеты электрических сетей и электроприводов, выбор всех аппаратов, приборов, машин и кабелей; составляют ведомости заказа покупных изделий; оценивают СЭЭС по всем показателям; разрабатывают основные положения технологии электромонтажных работ, общие виды распределительных щитов и пультов, описания и инструкции по обслуживанию электротехнических систем и устройств; планируют размещение электрооборудования в судовых помещениях с учетом их обслуживания.

Рабочая документация — совокупность конструкторских документов, на основании которых осуществляют строительство головного судна. При этом уточняют все расчеты, ведомости, описания и схемы; разрабатывают чертежи щитов и пультов, крепления электротехнических устройств и кабелей. На основании опыта постройки головного судна и результатов его швартовных и ходовых испытаний производят корректировку конструкторских документов для серийной постройки судов и их эксплуатации.

Многолетний опыт проектирования судов показывает, что объем расчетных и графических работ по электротехнической части (в том числе СЭЭС) судов непрерывно увеличивается. Это объясняется постоянным ростом количества и мощности электрифицированных механизмов, устройств и систем, устанавливаемых на судах, ростом мощности СЭЭС, увеличением длины прокладываемых кабелей и количества устанавливаемых распределительных щитов, пультов, а также средств сигнализации, связи, судовождения и т. п. Процесс проектирования сопровождается значительным объемом поисковых работ (несмотря на всемерное внедрение стандартного и унифицированного оборудования), а также изменениями принятых решений по комплектации судна оборудованием, его размещению и т. д.

Вместе с тем создание современного флота и плавсредств внутреннего и внешнего плавания закономерно связывается с сокращением време­ни и стоимости их проектирования и строительства, что должно быть достигнуто путем интенсификации проектных и строительных работ на базе повышения производительности труда.

Реализация такой задачи возможна на основе улучшения организации и качества работ, совершенствования методик проектирования, внедрения прогрессивной технологии постройки судов и выполнения электромонтажных работ, а также внедрения систем автоматизированно­го проектирования, (САПР) и автоматизированного управления производством (САУП).

Судовое электрооборудование (машины, приборы, аппараты) и судо­вые системы проектируют с учетом следующих характерных условий эксплуатации судов:

килевой и бортовой качки при волнениях водной поверхности морей (озер и рек), которая сопровождается ударами волн, тряской, вибрацией, обливанием водой, кренами и дифферентами, а также значительными изгибающими и скручивающими деформациями;

сотрясений, которые возможны в результате столкновений судов с другими плавающими устройствами или предметами, посадками на мель и т. п.;

пробоин с последующим затоплением одного или нескольких отсеков судна;

вибрации, которая создается судовыми движителями при вращении их в воде;

крена и дифферента, создаваемых неравномерностью загрузки трю­мов и цистерн, а также возможным затоплением отсеков;

обледенения внешних поверхностей, воздействия на них солнечной радиации, образования грибковой плесени и т. п.;

наличия атмосферы высокой влажности с парами нефтепродуктов.

В судовых помещениях возможны повреждения паропроводов, водо­проводов, маслопроводов, топливных трубопроводов, газопроводов, что связано с заполнением помещений соответствующей жидкостью, газом или паром. Возможны также случаи возникновения пожаров.

Согласно требованиям Регистра СССР, все устройства и системы, составляющие электрооборудование судов, рассчитываются на нормаль­ную работу при относительной влажности воздуха 75 % и температуре + 45°С, или 80% и 40° С, или 95 %и 25° С; длительном крене судна до 15" и дифференте до 5 ; бортовой качке до 22,5 и килевой качке до 10° от вертикали; вибрациях частотой 5—30 Гц (с амплитудой 1 мм при частоте 5—8 Гц и ускорением 5 м/с² при частоте 8—30 Гц); ударах с ускорением 30 м/с² и частоте от 40 до 80 в минуту.

Темы для повторения

1. Классификация современных судов.

2. Характеристика судов по районам плавания.

3. Архитектурные особенности судов.

4. Материалы корпусов и надстроек судов.

5. Типы судовых силовых установок.

6. Судовые движители и их применение.

7. Основные части корпуса судна.

8. Назначение судовых (палубных) устройств.

9. Назначение общесудовых систем.

10. Основные части судовых силовых установок.

11. Системы, обеспечивающие работу силовых установок.

12. Классификация судов по уровню автоматизации.

13. Судовая электроэнергетическая система и ее составные части.

14. Расположение основных частей СЭЭС.

15. Классификация СЭЭС.

16.Особенности СЭЭС, состоящей из одной основной и одной аварийной электростанций.

17.Особенности СЭЭС, состоящей из двух основных и двух аварийных электро­станций.

18. Особенности СЭЭС, в составе которой имеется основная электростанция с валогенератором.

19. Особенности СЭЭС, в составе которой имеется основная электростанция с паровым утилизационным турбогенератором.

20. Особенности единой СЭЭС.

21. Качество судов, систем и их основные показатели.

22. Показатели технологичности, стандартизации и унификации.

23. Патентно-правовые, эргономические и эстетические показатели.

24. Экономические показатели.

25. Определение установившихся и переходных режимов.

26. Определение качества электрической энергии.

27. Идеальные и реальные показатели качества электроэнергии.

28. Влияние показателей качества электроэнергии на работу электрооборудования.

29. Определения сложной или большой системы.

30. Значимость показателей качества при системном проектировании.

31. Судно-система и его подсистемы.

32. СЭЭС и ее подсистемы.

33. Принятие решений при вариантном проектировании.

29. Зависимость между приведенными затратами, капитальными вложениями и эксплуатационными расходами.

35. Составные части капитальных вложений и эксплуатационных расходов.

36. Стадии разработки конструкторской документации.

37. Объем документации на стадиях эскизного и технического проектирования.

38. Характерные особенности условий эксплуатации судового электрооборудования.

Глава 2 выбор рода тока, частоты и напряжения сээс

§ 2.1. Выбор рода тока

Существует два рода тока: постоянный и переменный. Постоянным является ток, напряжение которого теоретически не зависит от времени, переменным, — напряжение которого зависит от времени. Наибольшее рас­пространение в настоящее время имеет переменный (периодический) ток, значение которого в зависимости от времени изменяется по синусоиде с частотой, равной 50 Гц (50 колебаний в секунду при длительности пе­риода 1/50 =0,02 с).

Электроэнергетические системы народного хозяйства СССР (общего назначения) вырабатывают и распределяют по приемникам трехфазный переменный (периодический) ток частотой 50 Гц. На предприятиях, где требуется постоянный ток, осуществляется выпрямление переменного тока в постоянный.

Суда представляют собой автономные сооружения, которые имеют собственные электроэнергетические системы. Поэтому проектирование СЭЭС всегда начинается с решения вопроса о выборе рода тока системы.

В начале развития электрификации судов предпочтение отдавалось постоянному току, затем на ряде из них был использован трехфазный пе­ременный ток и значительный период времени велось строительство судов с использованием как постоянного, так и переменного тока. В настоящее время предпочтение отдается переменному току. Постоянный ток находит ограниченное применение. Однако в перспективе, когда промышлен­ностью будут освоены новые источники электроэнергии без механических двигателей, такие как магнитогазодинамические генераторы, топливные элементы, вероятно, постоянный ток найдет более широкое применение.

Сравнивая отдельные составные элементы СЭЭС постоянного и трех­фазного переменного тока, можно отметить следующее. Надежность, мас­са, габариты, стоимость и другие показатели дизель-генераторов и турбо­генераторов постоянного и переменного тока примерно одинаковы.

Электрораспределительные щиты переменного тока по сравнению со щитами постоянного тока имеют несколько большую массу, габариты и стоимость, так как в первом случае щиты выполняются трехполюсными, а во втором — двухполюсными.

Линии электропередачи постоянного тока выполняются одножильны­ми или двужильными кабелями. Линии электропередачи переменного то­ка выполняются, в основном, трехжильными кабелями. При этом суммар­ная масса, стоимость и объем, занимаемый линиями электропередачи на переменном токе, несколько больше, чем аналогичные показатели линий передач на постоянном токе. Надежность и другие показатели электрорас­пределительных щитов и линий электропередачи на постоянном и пере­менном токе примерно одинаковы.

Любая электроэнергетическая система предназначена для „обслужива­ния" приемников электроэнергии. Основными приемниками электроэнер­гии на судах являются электроприводы механизмов и устройств. Каждый электропривод состоит из электродвигателя и системы управления.

В качестве электродвигателей трехфазного переменного тока наи­более широко применяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, реже — асинхронные двигатели с фазным ротором и синхронные двигатели.

В качестве электродвигателей постоянного тока используют двигатели смешанного, параллельного и независимого возбуждения.

Любой двигатель постоянного тока имеет обмотку якоря, уложенную на роторе и подключенную к коллектору. Электрическая энергия сети подводится к этой обмотке через устройство, щетки которого скользят по поверхности коллектора. Такой способ передачи электроэнергии свя­зан с интенсивным износом щеток и коллектора, загрязнением двигателя угольной пылью, т. е. является ненадежным и требует постоянного вни­мания обслуживающего персонала. Поэтому двигатели постоянного тока по сравнению с асинхронными имеют очень низкую надежность. Имея более простую конструкцию, асинхронные короткозамкнутые двигатели обладают меньшими массой, габаритами и стоимостью, чем дви­гатели постоянного тока. В среднем масса двигателей постоянного тока больше массы асинхронных двигателей на 30-40 %. Габариты двигателей постоянного тока больше габаритов асинхронных двигателей на 20—30 %. Стоимость двигателей постоянного тока в 2—3 раза больше стоимости асинхронных двигателей.

Двигатели постоянного тока имеют КПД на несколько процентов ни­же, чем асинхронные, создают сильные радиопомехи (из-за искрения ще­ток) и более высокий уровень шума.

Система управления асинхронным двигателем, как правило, значи­тельно проще по сравнению с системой управления двигателем постоян­ного тока. В первом случае она состоит из магнитного пускателя или не­скольких контакторов, во втором из пускового реостата с рядом реле и контакторов. Поэтому система управления асинхронным двигателем имеет меньшую массу, габариты и стоимость и большую надежность.

Главным достоинством двигателей постоянного тока перед двигате­лями переменного тока является возможность плавного и в широких пре­делах регулирования частоты их вращения.

Как следует из формулы

Регулирование изменением числа пар полюсов возможно только для двигателей, в статоре которых укладываются несколько обмоток с раз­личным числом полюсов или обмотка, допускающая ее переключение на различное число полюсов. Такие асинхронные двигатели называются мно­госкоростными и обеспечивают регулирование частоты вращения ступе­нями с соотношением, например, 2:1; 3:1; 4:2:1.

Снижение напряжения, подводимого к асинхронному двигателю, про­тив номинального значения не рекомендуется, так как пропорционально квадрату напряжения снижается вращающий момент двигателя, увеличи­ваются потребляемый ток, температура нагревания двигателя и др. Таким образом, обычные асинхронные двигатели практически являются не регу­лируемыми по частоте вращения, а многоскоростные двигатели обеспе­чивают регулирование долями от номинальной.

Опыт проектирования современных судов показывает, что большин­ство электроприводов, устанавливаемых на судах, не требует регулирова­ния частоты вращения. К ним относятся электроприводы вентиляторов, насосов, компрессоров и других механизмов. Небольшая часть электро­приводов может быть выполнена со ступенчатым регулированием часто­ты вращения (шпили, брашпили, некоторые вентиляторы). Очень не­большая часть электроприводов требует широкого и плавного регулиро­вания частоты вращения (буксирные, траловые, глубоководные лебедки, грузоподъемные механизмы и устройства). Поэтому на большинстве со­временных судов применяют СЭЭС трехфазного переменного тока. При этом электроприводы, не требующие плавного регулирования частоты вращения, выполняются с применением асинхронных двигателей, а электроприводы, требующие плавного регулирования — с применением двигателей постоянного тока по системе управляемый выпрямитель—двигатель (УВ—Д) или генератор—двигатель (Г—Д).

На судах технического флота обычно устанавливают большое количе­ство технологических механизмов, электроприводы которых требуют широкого регулирования частоты вращения, что осуществляется посредством двигателей постоянного тока. Суммарная мощность этих электро­приводов составляет иногда больше половины мощности генераторов основной электростанции. Раньше в таких случаях применялась СЭЭС постоянного тока с регулированием частоты вращения упомянутых электроприводов по системе Г—Д. В настоящее время более рациональна СЭЭС переменного тока с использованием управляемых полупроводнико­вых выпрямителей для регулирования частоты вращения электроприводов постоянного тока. Если судно является самоходным, то рациональна единая СЭЭС переменного тока.

Необходимо отметить, что СЭЭС переменного тока по сравнению с СЭЭС постоянного тока позволяет:

преобразовывать напряжение с помощью трансформаторов;

разделять СЭЭС с помощью трансформаторов на отдельные, электри­чески не связанные друг с другом части (например, силовой и осветительной сети);

получать электроэнергию от береговой сети без преобразователей;

применять более высокое напряжение;

повысить уровень унификации судового электрооборудования с элек­трооборудованием общепромышленного назначения.

Применение СЭЭС постоянного тока оказывается рациональным на небольших современных судах, где в качестве источников электроэнергии используются аккумуляторные батареи, работающие параллельно с зарядными генераторами постоянного тока.