1.2. Основные показатели сээс

Проектирование конкретной СЭЭС и ее составных элементов осуществляется с учетом технико-экономических показателей, которые характеризуют: 1) надежность производства и распределения электроэнергии при всех возможных состояниях и режимах работы; 2) качество производства и распределения электрической энергии; 3) массу и габариты; 4) долговечность (что, в общем, связано с понятием надежности); 5) строительную стоимость; 6) эксплуатационные расходы; 7) уровень автоматизации; 8) уровень унификации; 9) уровень шума, помех радиоприему и др.

Перечисленные показатели СЭЭС во многом взаимосвязаны. Задание и реализация этих показателей в практике осуществляются принятием компромиссных решений на основании анализа ряда вариантов СЭЭС, проводимого в основном методом экспертных оценок. Однако во всех случаях базовыми являются показатели надежности и качества функционирования СЭЭС (качества производства и распределения электроэнергии). Следующими по значимости можно считать показатели массогабаритные, долговечности, строительной стоимости, эксплуатационных расходов и др.

Необходимо стремиться к получению высоких показателей по надежности, качеству функционирования, долговечности при допустимых показателях по массе, габаритам, строительной стоимости, эксплуатационным расходам, уровням шума и т. д. Уровень автоматизации обычно принимается в зависимости от особенностей эксплуатации и обслуживания конкретного судна.

Все вышеперечисленные показатели могут быть представлены в виде двух обобщающих критериев оценки работы СЭЭС – ее технической и экономической эффективности.

Высокая надежность СЭЭС должна обеспечиваться с учетом всех возможных воздействий (электрических, механических и климатических) как на систему в целом, так и на ее отдельные элементы. С этой целью в СЭЭС используют составные элементы, имеющие должную безотказность и восстанавливаемость, применяют резервирование элементов и соответствующие связи между ними, предусматривают надлежащее размещение элементов и связей на судне и др.

Качество производства и распределения электрической энергии CЭЭC определяется на основании анализа установившихся и переходных процессов, которые могут иметь место при изменении нагрузки, включении и отключении мощных потребителей, включении генераторов на параллельную работу, изменении режима работы силовой установки судна и т. п.

Снижения массы и габаритов добиваются путем создания рациональных схем и конструктивных форм, применения материалов, допускающих наибольшие удельные нагрузки, а также правильным выбором рода тока, частоты, напряжения и других параметров электроустановок.

Повышение долговечности достигается принятием апробированных удельных нагрузок на материалы, применением материалов, имеющих большую износоустойчивость, улучшением ремонтопригодности (т. е. выбором правильных конструктивных форм, надлежащим размещением) и т. д.

Снижение строительной стоимости является результатом увеличения серийности, применения широкой унификации и типизации, отказа от использования дефицитных и дорогих материалов.

Эксплуатационные расходы находятся в прямой зависимости от надежности, долговечности, ремонтопригодности, коэффициентов полезного действия, численности экипажа и т. п.

Уровень автоматизации обычно определяется на основании отдельных технико-экономических расчетов (при этом оценивается его влияние на надежность, качество, массу, габариты, стоимость, эксплуатационные расходы). В некоторых случаях автоматизация необходима по технологическим особенностям работы электроустановки.

Повышение уровня унификации требуется главным образом для снижения строительной стоимости, снижения эксплуатационных расходов, улучшения ремонтопригодности и др.

Род тока является таким фактором, от которого зависят, по существу, все особенности энергосистемы. Поэтому при проектировании судовых электроэнергетических систем вопросу выбора рода тока уделяется существенное внимание.

История строительства судов показывает, что в начале развития электрификации предпочтение отдавалось постоянному току, затем переменному и снова постоянному току. В последние десятилетия на большинстве судов применяются электроэнергетические системы переменного тока. В перспективе в связи с развитием новых источников электрической энергии можно ожидать расширения степени использования постоянного тока.

Правильное решение о выборе рода тока электроэнергетической системы данного судна может быть принято только на основании технико-экономического сравнения вариантов СЭЭС. В общем плане при этом можно отметить, что современные электрические машины переменного тока (частотой 50 Гц) по сравнению с машинами постоянного тока имеют меньшие габариты, массу и стоимость, более надежны и долговечны, требуют меньших эксплуатационных расходов. Однако в некоторых случаях только с применением машин постоянного тока удается создать электропривод с широким и плавным регулированием частоты вращения при близких по величине других показателях. Вместе с тем развитие полупроводниковой техники содействует расширению применения электроприводов переменного тока.

Современные контактные электромагнитные аппараты переменного тока менее надежны по сравнению с аппаратами постоянного тока. Показатели других аппаратов постоянного и переменного тока примерно равнозначны. Распределительные устройства постоянного и переменного тока по массе, габаритам и стоимости имеют несущественные отличия.

Практика показывает, что на большинстве крупных и средних современных судах транспортного и рыбопромыслового флота и судах технического флота предпочтительны СЭЭС переменного тока, а на мелких судах и судах специализированного назначения – СЭЭС постоянного тока.

На ряде судов, где массогабаритные показатели являются решающими (суда на подводных крыльях, воздушной подушке, глиссирующие и т. п.), признано целесообразным применение СЭЭС переменного тока частотой 400 Гц вместо переменного тока частотой 50 Гц. Это дает возможность увеличить частоту вращения электроприводов и механизмов примерно в 2–3 раза (в отдельных случаях и больше), в результате чего значительно уменьшаются габариты и масса агрегатов двигатель-механизма и двигатель-генератора.

Так, например, повышение синхронной частоты вращения асинхронных двигателей с 3000 до 8000 об/мин дает снижение их массы в 2,5–3,5 раза и габаритов в 2,5 раза. Мощность трансформаторов при переходе с частоты 50 Гц на частоту 400 Гц при одинаковом их объеме можно увеличить приблизительно в 2,5–3,0 раза. При частоте 400 Гц переменного тока значительно улучшаются массогабаритные показатели электромагнитных аппаратов (трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей и т. п.), существенно уменьшается время протекания электромагнитных переходных процессов, а также резко улучшаются массогабаритные показатели элементов электроавтоматики.

Передача и распределение электрической энергии на судах осуществляются в основном с использованием кабелей. На участках небольшой длины и при больших токах иногда применяются шинопроводы. Сечение, а следовательно, масса и габариты кабелей и кабельных трасс, определяются главным образом величиной тока, передаваемого по ним.

При заданном напряжении величина тока пропорциональна величине передаваемой мощности. Поэтому с ростом мощности СЭЭС увеличиваются масса и габариты кабельных трасс. Основным средством их уменьшения является повышение напряжения. Именно поэтому с увеличением мощности СЭЭС повышают их напряжение.

Например, при мощности СЭЭС в несколько киловатт применяют напряжение 24 В, при мощности СЭЭС, составляющей десятки киловатт, используют напряжение 110 или 127 В, при мощности в сотни киловатт рационально наложение 220 В, а при больших мощностях – 380 В.

Более высокие напряжения в СЭЭС транспортного и рыбопромыслового флота в настоящее время не применяются. Можно ожидать, что в ближайшей перспективе на судах, где мощности СЭЭС будут составлять десятки тысяч киловатт, напряжение СЭЭС будет повышаться. Это вызовет необходимость создания новых видов электрооборудования, так как изготовляемое в настоящее время электрооборудование рассчитывается на напряжение до 1000 В.

Выбор напряжения обычно производится на основании технико-экономических сравнений ряда вариантов СЭЭС. При этом рассматривается комплекс вопросов, связанных с принятием величин напряжения для электростанций, сети распределения электроэнергии, отдельных наиболее крупных по мощности потребителей электроэнергии сетей освещения, сетей связи, управления и др.

По различным техническим причинам многие из этих участков системы электроснабжения не могут быть выполнены на едином напряжении, поэтому в системе должны использоваться трансформаторы и преобразователи. При повышении напряжения и снижении передаваемого тока можно в отдельных случаях достичь снижения массы и габаритов аппаратов и распределительных устройств.

В конечном итоге на выбор уровня напряжения СЭЭС и системы электроснабжения оказывают влияние не только масса и габариты кабелей, но и ряд других факторов (токи короткого замыкания, коммутационная способность аппаратов, надежность и сроки службы изоляции, безопасность обслуживания и др.).