книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

контактных материалов, мкВ/град.

Для создания относительно мощного ТЭГ необходимо соеди­ нить в одном устройстве большое количество термоэлементов (тер­ мопар).

Очень серьезный недостаток термоэлементов заключается в крайне низком к. п. д. (менее 1%). Объясняется это прежде все­ го тем, что тепло быстро передается от нагретых спаев к холод­ ным.

Советский ученый А. Ф. Иоффе еще в 1929 г. предложил ис­ пользовать в термоэлементах полупроводниковые материалы, которые обладают меньшей электропроводностью и позволяют получить более высокую э. д. с. К- п. д. термоэлемента уже тогда удалось повысить до 2—4%. Однако почти в течение 20 лет ис­ пользование термоэлементов как источника электроэнергии счи­ талось бесперспективным.

В последние два десятилетия интерес к ТЭГ резко повысился. Основная и чуть ли не единственная проблема, препятствующая промышленному использованию ТЭГ, — это низкий к. п. д., кото­ рый зависит от термоэлектрических свойств применяемых мате­ риалов. Проведено исследование большого количества самых раз­ личных материалов. В настоящее время изготовляются не только экспериментальные, но и промышленные образцы ТЭГ, и хотя к. п. д. их пока не превышает 10%, есть все основания надеяться, что его удастся поднять до 15—20%.

Использование термоэлектрических генераторов на судах пред­ ставляет большой интерес, так как можно утилизировать тепло главной силовой установки, используя для охлаждения холодных спаев морскую воду. Не менее интересна и возможность исполь­ зования на судне термоэлектрического генератора в режиме хо­ лодильника. Дело в том, что термоэлемент обратим. Если через него пропускать электрический ток от постороннего источника, изменив его направление по сравнению с генераторным режимом, то один из спаев будет охлаждаться, а другой — нагреваться. Та­ кие холодильники созданы.

Принцип действия т е р м о э м и с с и о н н о г о г е н е р а т о р а (ТЭМГ) основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Это яв­

щее пространство электроны.

Схематически конструкция ТЭМГ выглядит довольно просто (см. рис. 91, б). Две пластины из металлов или специальных спла­ вов, одна из которых является катодом 1, а другая — анодом 3, разделены изоляционными прокладками 2. К катоду подводится тепло, и с его разогретой поверхности вырываются электроны и движутся в направлении анода. В результате этого анод приоб­ ретает отрицательный заряд, а катод —положительный. Если

160

к электродам подключить потребитель RB, то в его цепи пойдет ток, При работе ТЭМГ происходит разогрев анода как следствие столкновения с ним электронов, так и за счет передачи тепла от

катода. Поэтому анод должен непрерывно охлаждаться. Существуют вакуумные, ионные и плазменные ТЭМГ в зависи­

мости от наполнения межэлектронного пространства. В ионных ТЭГМ в межэлектродном пространстве находится ионизированный газ при давлении в несколько десятых долей миллиметров ртут­ ного столба. Расстояние между электродами около 1 мм. В плаз­ менных ТЭМГ давление ионизированного вещества составляет около 1 мм. рт. ст., а расстояние между электродами значительно больше, чем у ионного.

Наиболее перспективными для использования на судах счи­ таются плазменные ТЭМГ, особенно в сочетании с атомным реак­ тором. Здесь раскрываются новые возможности термоэмиссион­ ных генераторов.

При разработке ТЭМГ, так же как и при разработке ТЭГ, ос­ новной проблемой является повышение к. п. д., что может быть достигнуто за счет подбора материалов электродов (особенно ка­ тода), ионизированного вещества и конструкции ТЭМГ.

v

6 -7 2 1 4

Глава VII

Судовые электрические сети

§ 36. Типы судовых электрических сетей

Электросеть служит для передачи энергии от источников к потребителям или обеспечивает электрическую связь между раз­ личными элементами какой-либо системы.

Сети можно классифицировать по назначению, по конструкции, по роду тока и по количеству изолированных проводов, используе­ мых для передачи электроэнергии к каждому потребителю.

По назначению сети делятся на силовые, освещения и слабого тока.

Силовые силы передают энергию к электроприводам, к сва­ рочным преобразователям, к нагревательным приборам.

Сети освещения подразделяются на сети наружного, внутрен­ него, переносного аварийного освещения и сигнально-отличитель­ ных огней.

162

ет под полнее напряжение сети. Во-вторых, в однопроводнои се­ ти нет возможности контролировать качество изоляции сети. Когда сопротивление изоляции становится равным нулю, проис­ ходит короткое замыкание с корпусом судна, и место поврежде­ ния обнаруживается. Во всех остальных случаях определить утеч­ ку тока через ослабленную изоляцию не удается. Замерить сопро­ тивление изоляции можно, только обесточив сеть и отключив

абсолютно все потребители.

По Правилам Регистра СССР однопроводная сеть постоянного и однофазного переменного тока допускается только напряжением до 30 В на всех судах, кроме нефтеналивных. Сеть сигнально-от­ личительных огней в любом случае должна быть двухпроводной.

Сети трехфазного переменного тока могут быть трех- и четы­ рехпроводными с изолированной (рис. 95, в, д) и с заземленной

нейтралью (рис. 95, г, е).

Правилами Регистра СССР допускаются только трех-четы- рехпроводные сети с изолированной нейтралью. Считается, что такие сети обладают более высокой электробезопасностью. В дей­ ствительности вопрос много сложнее, чем кажется на первый взгляд. Разветвленная кабельная сеть имеет значительную емко­ стную связь с корпусом судна. Это обстоятельство не позволяет считать такую сеть изолированной даже в том случае, ко1да не­ посредственное электрическое соединение ее с корпусом судна от­ сутствует. Жилы кабельной сети и корпус судна, разделенные изо­ ляцией кабеля, представляют собой конденсатор. Емкость такого конденсатора тем больше, чем больше протяженность и разветв­ ленность сети. В этом случае опасность поражения человека электрическим током при соприкосновении с оголенной фазой очень велика даже при очень хорошем качестве изоляции всей

сети по отношению к корпусу судна.

Четырехпроводная трехфазная сеть, как ^звестно, имеет два.

различных напряжения, отличающиеся в УЗ раз. В береговых установках к линейному напряжению подключаются электропри­ воды, а к фазному — освещение. На судах сеть освещения всегда получает питание через трансформаторы и поэтому применяются только трехпроводные сети. Надобность в нулевом проводе отсут­

ствует.

Системы распределения электроэнергии. Под системой распре­ деления электроэнергии следует понимать совокупность всех линий, по которым передается электроэнергия к потребителям, связь

этих линий с ГРЩ и между собой.

Существуют три системы распределения электроэнергии: ма­

гистральная, радиальная и смешанная.

При м а г и с т р а л ь н о й с и с т е м е (рис. 96, а) все потреби­ тели получают питание по одному или нескольким магистральным кабелям через РЩ или магистральные коробки МК.

При с м е ш а н н о й с и с т е м е часть потребителей получает питание по радиальному принципу, а другая часть — по магистральному.

Магистральная система позволяет уменьшить расход кабеля, габариты и вес сети, а также габариты ГРЩ. Надежность же снабжения потребителей электроэнергией при такой системе зна­ чительно ниже, чем при радиальной. Повреждение магистрально­ го кабеля лишает питания большую группу, если не все потреби­ тели.

Перечень потребителей, приведенный в Правилах Регистра

СССР, которые должны получать питание непосредственно от ГРЩ, говорит о том, что магистральная система в чистом виде не допускается. Вместе с тем элементы магистрального принципа встречаются, например, в сетях освещения, когда отдельные све­ тильники, розетки подключаются через крестовые коробки к одной

Судовые кабели должны быть негорючими. Изоляция их должна иметь допустимую температуру нагрева, по крайней мере на 10°С выше температуры окружающей среды, но не ниже 65°С.

Если на сеть воздействует масло или другие нефтепродукты, то кабели прокладывают в трубах или же выбирают кабели с оболочкой, стойкой к воздействию этих веществ.

На судах допускается применение отечественных кабелей сле­ дующих марок: КНР; КНРП; КНРУ; КНРЭ; НРШМ; СРМ;

164

КНРТ; КНРТП; КНРТЭУ; КНРТУ; КНРТЭ; КНРЭТ; КНРЭТЭ; КНРЭТП. Буквы, образующие марку кабеля, имеют единое, строго

изоляция; Э — экран из медных проволок; С — свинцовая оболоч­ ка; Т — телефонный; Ш — шланговый (гибкий).

Если буква «Э» стоит в конце марки, это значит, что экрани­ руется весь кабель и экранирующая оплетка из медных проволок охватывает все жилы. Если же буква «Э» стоит внутри марки, это значит, что экранируется одна из нескольких жил.

Телефонный кабель имеет от 2 до 48 жил.

Кабель марки СРМ в настоящее время почти не применяется. Кабели в оплетке из стальных оцинкованных проволок прокла­ дываются там, где они могут подвергаться механическим воздей­

ствиям.

Все перечисленные марки кабелей выпускаются только с мед­ ными жилами. Применение на судах кабелей с алюминиевыми

жилами не допускается.

Для цепей питания, управления и сигнализации гребных элек­

0,75 мм2.

При вводе кабеля в электрические машины, аппараты, распре­ делительные устройства и в другое оборудование для всех жил выполняется контактное оконцевание. Тип оконцевания зависит от конструкции клемм подключаемого оборудования. Допускается оконцевание жил в виде штыря, кольца или наконечника. Любое оконцевание лудится. Наконечники обязательно должны спрессо­ вываться. Кольцо можно применять только для жил сечением не

более 2,5 мм2.

При протекании по кабелю переменного тока вокруг проводни­ ков кабеля возникает переменное магнитное поле, индуктирующее

вметаллических переборках э. д. с. Под действием этой э. д. с.

впереборках появятся вихревые токи, которые, во-первых, вызы­ вают нежелательный нагрев металлических переборок, по которым

проложен кабель, и, во-вторых, — дополнительные потери энергии

в сети.

Если же трехфазный переменный ток протекает по трехжиль­ ному кабелю, то поток, замыкающийся вокруг этого кабеля, равен геометрической сумме потоков отдельных фаз. При симметричной нагрузке на все три фазы результирующий поток вокруг трех­

фазного кабеля будет равен нулю.

По этой причине на судах сеть трехфазного переменного тока выполняется трехжильными кабелями. Токи отдельных фаз не должны отличаться более чем на 15%. Одножильные кабели при­ меняются в случае крайней необходимости.

165

§ 38. Расчет электрических сетей

При протекании тока по проводникам кабеля выделяется тепло в соответствии с законом Джоуля-Ленца. Часть тепла отда­ ется в окружающую среду, а другая часть идет на нагрев кабеля. Этот процесс описывается дифференциальным уравнением тепло­ вого баланса:

где ДР — часть передаваемой по кабелю мощности, которая превра­ щается в тепло на каждом метре кабеля, Вт/м;

С— теплоемкость кабеля, Дж/град-м;

А— теплоотдача кабеля, Дж/град-с-м;

х— превышение температуры кабеля над температурой окру­

жающей среды (перегрев), °С.

Нетрудно видеть, что левая часть уравнения (54) выражает все тепло, выделяемое в каждом метре кабеля, первое слагаемое правой части — тепло, затрачиваемое на нагрев кабеля, второе слагаемое — тепло, которое отдается в окружающую среду.

Решение уравнения (54) показывает, что нагрев кабеля т = f ( t) происходит по экспоненциальному закону. Через некоторое

Приступая к расчету сети, необходимо знать величину тока, который будет протекать, длину кабеля, температуру окружаю­ щей среды, условия прокладки кабеля и допустимую потерю на­ пряжения на сопротивлении кабеля.

В результате расчета необходимо выбрать кабель соответст­ вующей марки с таким сечением жил, чтобы при прохождении по нему заданной величины тока установившаяся температура ка­ беля Фу не превышала допустимую его температуру, т. е. должно выполняться условие

^ у О д о п .

Кроме того, потеря напряжения в кабеле не должна превышать допустимого значения:

■ Ш ^ Ш Л0П.

Обычно судовая сеть предварительно рассчитывается из усло­ вий нагрева, а затем проверяется на потерю напряжения.

Возвращаясь к уравнению (55), нетрудно заметить, что оно связывает установившийся перегрев кабеля ту с током, протекаю­ щим по нему, так как

где т — число жи/i кабеля;

166

надо знать теплоотдачу кабеля. В каталогах теплоотдача кабеля А не приводится, но при существующем положении дел надобность в ней отсутствует.

Для каждой марки отечественных кабелей заранее произве­ ден расчет и составлены таблицы, в которых указываются дли­ тельно допустимый, повторно-кратковременный и кратковремен­ ный токи в зависимости от сечения жил кабеля и температуры

окружающей среды.

Для судовых кабелей такие таблицы приведены в Правилах

Регистра СССР.

Таким образом, расчет сети на нагрев сводится к выбору се­ чения кабеля из таблиц по заданной величине тока при определен­ ной температуре окружающей среды с учетом режима работы потребителей энергии.

Судовые сети имеют относительно небольшую протяженность, а значит и потеря напряжения в них невелика. Несмотря на это, после выбора кабеля по условиям нагрева его всегда проверяют на потерю напряжения. Правилами Регистра СССР допускается потеря напряжения при номинальной нагрузке в силовой сети не более 7%, а в сети освещения — не более 5% от номинального напряжения. При прдмом пуске короткозамкнутых асинхронных

ния.

Потеря напряжения на кабеле сети постоянного тока с нагруз­

где /?д = р —---- эквивалентное сопротивление жил кабеля;

Р = 0,0175 — удельное сопротивление меди.

167

a)Rj,

Рис. 97. Схемы потери напряжения на кабеле сети постоянного тока:

ас нагрузкой; б — с несколькими нагрузками

Откуда

Д £ / =

ИЛИ

(59)

Потеря напряжения на кабеле одного сечения сети постоянного тока с несколькими распределенными по длине линии нагрузками (рис. 94, б) определяется по формуле

пряжения» и «падение напряжения». В первом случае имеется в виду алгебраическая разность напряжений в начале и конце ли­

однофазного переменного тока с нагрузкой в конце линии. Линия длиной I обладает активным сопротивлением /?л и индуктивным х л. За основу выбирается вектор Z/2 — напряжение в конце линии. Ток на­ грузки / отстает от напряжения U2 на угол ср, зависящий от харак­ тера нагрузки. Падение напряжения 2//?л на активном сопротивлении линии совпадает по фазе с током /, а падение напряжения (21ХЛ)

168

на индуктивном сопротивлении опережает ток на 90°. Вектор 2/Z., и будет являться геометрической разностью напряжений U i и С12, т. е. падением напряжения в линии. Отрезок ас с небольшой пог­

решностью (0,5%) можно считать потерей напряжения в линии, т. е.

AU — ас = ab + bc.

Нетрудно, видеть, что

ab = 21Rncos <р; be = 2/Хл sin <р.

И тогда

Ш = -/ ( ^ c o s ? + Xflsincp)%.

Здесь следует заметить, что индуктивное сопротивление линии возрастает с увеличением расстояния между проводами. Для ка­ бельных линий с сечением жилы менее 16 мм2 индуктивное сопро­ тивление при частоте 50 Гц значительно меньше активного, и при расчете кабеля на потерю напряжения им можно пренебречь; тогда

В этом случае потеря напряжения находится, как для сети по­ стоянного тока, но учитывается только активная составляющая

(/cosqj) тока нагрузки.

Потеря напряжения в трехфазной сети переменного тока при пренебрежении индуктивным сопротивлением кабеля определяет­

Как уже отмечалось выше, протяженность судовых кабельных линий невелика, и поэтому кабель, выбранный по условиям нагре­ ва, как правило, подходит и по потере напряжения.

Если все же потеря напряжения окажется больше допустимой, тогда, подставив ДПДОп% в формулы (59), (61), (62), следует их

т д

е

Jcos <Гц

*я

Рис98. Схема неразветвленной сети однофазного переменного тока и векторная Диаграмма этой сети

169