Учебное пособие (Часть1). В. М. Зырянов, О. П. Кузьменков, А. Б. Мосиенко Основы расчета и проектирования
 Скачать 2.59 Mb.
|
ВВЕДЕНИЕУчебное пособие "Основы расчета и проектирования судовых электроэнергетических систем" предназначено для студентов электромеханического факультета специальности 240600 "Электрооборудование и автоматика судов". Методическое пособие может быть использовано и для дипломного проектирования студентами этой специальности, а также специальности 180400 – "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов". Судовой электроэнергетической системой (СЭЭС) принято называть комплекс электротехнических устройств, объединенных процессом производства, преобразования и распределения электроэнергии и предназначенных для питания судовых потребителей электроэнергии. Потребители электроэнергии в состав СЭЭС не входят, однако, особенности построения и режимы работы СЭЭС тесно связаны с требованиями, которые ими определяются. СЭЭС включает в себя судовую электрическую станцию (СЭС), судовые распределительные сети с коммутационными аппаратами и распределительными щитами, преобразователи электроэнергии, устройства релейной защиты и системной автоматики, измерительные и контрольные приборы и ряд других элементов. Мощность СЭС достигает сотен, а иногда тысяч киловатт, и составляет 10-25% от мощности главной силовой установки, обеспечивающей ход судна. А на электроходах СЭС является единственным источником энергии, от которого питаются как судовые потребители, так и электроприводы судовых движителей. Выбор состава и структуры СЭЭС (в частности, выбор типа, мощности и числа агрегатов СЭС) – одна из основных задач при проектировании судна. И чем выше уровень энерговооруженности судна, тем сложнее и ответственней эта задача. Ее решение, как правило, связано с системным подходом к проектированию. Необходимо учитывать многие, в том числе и противоречивые, требования. В результате должна быть спроектирована СЭЭС, отвечающая всем требованиям Речного Регистра, обладающая необходимыми уровнями надежности, живучести, безопасности, эргономичности и при этом обеспечивающая высокие технико-экономические показатели судна в целом. Для крупных судов, как правило, рассчитываются несколько альтернативных вариантов, из которых выбирается вариант с наименьшими приведенными годовыми затратами. Учебное пособие способствует закреплению и систематизации студентами лекционного материала и усвоению некоторых методик, используемых при проектирования СЭЭС. Учебное пособие включает основные этапы проектирования СЭЭС: расчет нагрузок СЭС в расчетных режимах работы судна; выбор количества и мощности генераторных агрегатов, преобразователей электроэнергии и аварийных источников питания; разработка структурных схем главного распределительного щита (ГРЩ) и СЭЭС в целом; выбор сечений кабельных линий и их проверка по допустимому падению напряжения; расчет токов короткого замыкания; выбор и проверка аппаратов защиты; выбор сечения шин и их проверка по токам короткого замыкания. Кроме того, приводятся основные нормативные материалы, а также справочные данные, необходимые для выполнения курсового проекта. 1. Требования к выполнению курсового проекта Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки объемом 25-35 листов формата А4 и двух листов графического материала формата А1. 1.1. Расчетно-пояснительная записка Пояснительная записка оформляется в соответствии с ГОСТ 7-32-81 "Отчет о научно-исследовательской работе". Структура пояснительной записки должна выглядеть следующим образом: 1. титульный лист; 2. задание на проектирование; 3. введение, последующие расчеты, эскизы, схемы и пояснения к ним в соответствии с заданием; 4. заключение; 5. список использованной литературы; 6. оглавление. Во введении следует показать общие задачи проектирования. В последующих главах производят расчет, выбор и проверку оборудования, разрабатывают схемы распределения электроэнергии и т.д. Расчеты и описания сопровождаются иллюстрациями, графиками, диаграммами, схемами и т.п. Все они должны иметь сквозную нумерацию. В тех случаях, когда приводится ряд однотипных расчетов, в пояснительной записке показывают расчет только одного варианта, все остальные приводятся в виде таблицы результатов вычислений. Расчетные формулы должны сопровождаться расшифровкой с указанием всех входящих в них величин и их размерностей (в системе СИ). Во всех случаях, когда технические данные, методики расчетов, расчетные формулы и т.д., заимствованы из литературы, в тексте необходимо давать ссылки на эту литературу путем указания ее номера в списке, например [4]. В записке должны быть приведены разработанные студентом структурные схемы СЭЭС и ГРЩ с обоснованием и кратким описанием их работы. Должен быть сделан расчет и обоснованный выбор количества и мощности источников электроэнергии и преобразователей, выбор и проверка аппаратов защиты, проводов и кабелей. Результаты расчетов и типы выбранных элементов СЭЭС (с необходимой краткой технической характеристикой) сводятся в соответствующие таблицы. Каждый раздел должен сопровождаться краткими выводами. В заключении необходимо кратко (не более 1 стр.) изложить результаты проделанной работы. 1.2.Графическая часть проекта Графическая часть включает в себя следующие чертежи: 1. электрическая структурная схема СЭЭС и ГРЩ (со спецификацией на все генераторные агрегаты и потребители электроэнергии); 2. график изменения мощности (активной, реактивной и полной) в зависимости от режима работы судна; 3. исходная схема для расчета токов короткого замыкания и ее схемы замещения (для варианта с наибольшим количеством расчетных участков). Чертежи по пунктам 2 и 3 могут быть объединены на одном листе. Чертежи выполняются в соответствии с требованиями ГОСТ и ЕСКД [1]. На схеме СЭЭС каждый кабель должен быть показан отдельной линией, на которой указывается тип кабеля, его сечение и длина. 1.3. Исходные данные для проектирования Исходные данные (тип судна; тип, количество и основные параметры потребителей электроэнергии) на курсовое проектирование выдаются преподавателем отдельно каждому студенту. 2. ВЫБОР РОДА ТОКА, НОМИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ЧАСТОТЫ И НАПРЯЖЕНИЯ СУДОВОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ Основными параметрами СЭЭС, которые определяют ее технико-экономическую эффективность, являются род тока, значения напряжения и частоты тока. 2.1 Род тока Проектирование СЭЭС начинается с решения вопроса о выборе рода тока. На начальном этапе электрификации флота, так же как и в других отраслях народного хозяйства, преимущественное применение нашел постоянный ток. Причины этого заключались в том, что, во-первых, технология производства постоянного тока была в то время намного лучше разработана и освоена учеными и инженерами, во-вторых, большая часть электроприемников (в том числе электродвигатели) выпускалась промышленностью на постоянном токе, в-третьих, возможности регулирования электропривода на постоянном токе были практически недосягаемы для электропривода переменного тока. Ситуация качественно изменилась в конце 19 века, когда промышленность перешла к массовому выпуску трехфазных асинхронных двигателей, которые по простоте конструкции и надежности намного превосходили двигатели постоянного тока и при этом имели меньшую массу, габариты и стоимость. С этого момента техника переменного тока занимает все более значительное место на флоте, пока не становится к середине 20-го века доминирующей. В этот период СЭЭС строились на переменном и постоянном токе и решающим аргументом в выборе рода тока являлся состав потребителей. Следующий значительный этап в развитии силовой электротехники связан с широким внедрением во второй половине 20 века полупроводниковой техники и созданием на ее основе надежных и дешевых преобразователей: выпрямителей, инверторов, преобразователей частоты, бесконтактных коммутаторов, регуляторов напряжения и т.д. С этого времени СЭЭС стали строится преимущественно на переменном токе так как, с одной стороны, появились электроприводы переменного тока с характеристиками, близкими к характеристикам электроприводов постоянного тока, с другой, - получить при необходимости из переменного тока постоянный более не представляло серьезной технической проблемы. Переменный ток для СЭЭС, кроме общеизвестных технических преимуществ перед постоянным, дает возможность: - разделять СЭЭС с помощью трансформаторов на отдельные, электрически не связанные друг с другом части (силовую и осветительную); - получать электроэнергию непосредственно от береговой сети без ее дополнительного преобразования; - повысить уровень унификации судового электрооборудования с электрооборудованием общего (берегового) применения. На судах речного флота по Правилам Речного Регистра разрешается применять постоянный и переменный ток [2]. В практике эксплуатации в настоящее время встречаются три варианта организации судовых энергосистем: 1. СЭЭС на переменном токе; 2. СЭЭС на постоянном токе; 3. одна часть СЭЭС не переменном, другая – на постоянном токе. Так например, на малых судах, где генератор, навешенный на главный двигатель, работает параллельно с аккумуляторной батареей, являющейся основным источником электроэнергии во время стоянки, целесообразно использовать постоянный ток. Если по суммарной мощности приемников электроэнергии постоянного и переменного тока на судне примерно поровну, то выбор рода тока СЭЭС производится после технико-экономического сравнения вариантов. Следует при этом отметить, что выбор рода тока потребителей также решается на стадии проектирования судна и, в свою очередь, увязывается с выбором рода тока для СЭЭС. Т.е. процедура проектирования СЭЭС проводится в рамках системного подхода, при котором критерием является достижение наивысших технико-экономических характеристик судна в целом. В основном, в настоящее время суда электрифицируются на переменном токе. В практике проектирования, даже в тех случаях, когда для большей части потребителей требуется постоянный ток, СЭЭС почти всегда формируется на переменном, а для питания потребителей на постоянном токе предусматриваются выпрямители. Это, как правило, повышает общую надежность СЭЭС, дает значительный выигрыш по весу, габаритам и стоимости оборудования и снижает эксплуатационные расходы. 2.2 Номинальное напряжение СЭЭС При выборе номинального напряжения СЭЭС необходимо принять во внимание следующие соображения. Значения мощности, тока и напряжения для любого элемента (генератора, трансформатора, потребителей и т.д.) электроэнергетической системы связаны зависимостями: для цепей постоянного тока P=UI, где Р – мощность, Вт; U – напряжение между полюсами, В; I – ток, А. для цепей переменного однофазного тока S=UI, где S – потребляемая, генерируемая или передаваемая полная мощность, ВА; U – действующее значение напряжения на зажимах аппарата, машины, кабеля и т.п., В; I – действующее значение тока, А. для цепей переменного трехфазного тока S=  UлI,где Uл – линейное значение напряжения, В. Отсюда следует, что необходимую (заданную) величину мощности можно обеспечить при разных значениях напряжения и тока: при повышенном напряжении и малом токе или при пониженном напряжении и большом токе. Уменьшение номинального значения напряжения позволяет сократить изоляционные расстояния между фазами, снизить вероятность пробоя изоляции, повысить уровень электробезопасности. Все это имеет особое значение для эксплуатации СЭЭС при высокой плотности размещения оборудования, наличии токопроводящих полов и высокой влажности. С другой стороны, при пониженном напряжении возрастает потребляемый ток. Чтобы при этом не возрастали потери мощности Р (Р=I2R, где I – ток протекающий по проводнику, R – его активное сопротивление) и падение напряжения U (U=IR), необходимо увеличить площадь поперечного сечения проводника. При снижении напряжения в n раз площадь должна быть увеличена в n2 раз. Например, при увеличении тока с 30 до 300 А (в 10 раз), сечение медного кабеля должно быть увеличено с 2,5 до 2500 мм2 (в 100 раз). Следовательно, увеличатся масса, габариты, стоимость, трудоемкость монтажа кабеля и т.д. Необходимо подчеркнуть, что на речных судах не рекомендуется применять кабели сечением более 120 мм2 из-за высокой трудоемкости их монтажа при затяжке, укладке, разделке, оконцевании и подключении. При повышении номинального тока аппаратов (контакторов, выключателей, предохранителей, резисторов и т.д.) с 10 до 1000 А их масса, габариты и стоимость возрастают на порядок. Дальнейшее повышение тока делает эти аппараты настолько громоздкими, что их применение становится неприемлемым на судах. При больших токах также значительно увеличиваются габариты и стоимость распределительных щитов и прежде всего ГРЩ. В свою очередь увеличение номинального напряжения дает значительный выигрыш по сечению токопроводов. Соответственно уменьшаются затраты на кабельную продукцию, снижается трудоемкость монтажа. Но при высоком напряжении возрастают требования к изоляции. Чем выше напряжение, тем выше должен быть уровень изоляции, больше изоляционные расстояния между токоведущими частями, более громоздкими и дорогими должны быть оборудование и аппараты. Таким образом, выигрыш, полученный при повышении напряжения за счет уменьшения сечения токопроводов, во многом теряется из-за необходимости усиливать изоляцию. Для каждой конкретной энергосистемы с учетом ее мощности, структуры, состава потребителей всегда можно найти оптимальное значение номинального напряжения. Важным фактором при выборе номинального напряжения СЭЭС является то, что в отличие от больших энергосистем, расстояния, на которые передается электроэнергия, ограничены размерами судна. Поэтому относительно редко возникает необходимость применять напряжение выше 400 В. Тем более, что бóльшая часть потребителей имеет номинальное напряжение 220 и 380 В и выбор других значений напряжения СЭЭС требует дополнительной установки повышающих (понижающих) трансформаторов. При выборе номинального напряжения СЭЭС имеет значение и напряжение береговых систем электроснабжения, особенно при постоянном питании с берега. Описанные выше противоречивые требования нашли свое отражение в инженерной практике и зафиксированы в нормативных документах: для каждой ступени номинального напряжения определена своя область применения. Государственным стандартом для электротехнических изделий приняты следующие шкалы номинальных напряжений: на постоянном токе – 12, 24, 110, 220, 440, 1100 В; на переменном токе – 12, 24, 36, 110, 220, 380, 660, 1140, 3000, 6000, 10000 В и более. Номинальные напряжения источников электроэнергии (генераторов) принимаются на 5 % больше указанных значений с учетом потерь напряжения при передаче электроэнергии от источников к приемникам. Напряжения до 1000 В условно считаются низкими, напряжения свыше 1000 В – высокими. По Правилам Речного Регистра для стальных судов внутреннего плавания номинальные напряжения на выводах источников электрической энергии, предназначенных для питания судовой сети, не должны превышать следующих значений [2]: 400 В при переменном трехфазном токе; 230 В при переменном однофазном токе; 230 В при постоянном токе. В доках, а также на земснарядах и других судах технического флота для специальных электрических приводов большой мощности допускается применение трехфазного тока напряжением до 10000 В включительно. По требованиям Речного Регистра номинальные напряжения на выводах потребителей не должны превышать значений, указанных в таблице 2.1 [2]. Таблица 2.1 – Нормированные значения напряжения для СЭЭС
| ||||||||||||||||||||