Проектирование электропитания на судне

Содержание

1. Определение мощности СЭС табличным методом

2. Выбор источников питания и трансформаторов

3. Составление схемы распределения электроэнергии

3.1 Схема коммутации ГРЩ

3.2 Схема распределения электроэнергии

4. Рекомендации по выбору аппаратуры защиты, приборов и средств сигнализации

5. Выбор измерительной аппаратуры

6. Выбор реле обратной мощности

7. Выбору силовых кабелей и шин распределительных устройств

8. Проектирование схемы распределения электроэнергии

8.1 Схема коммутации ГРЩ

8.2 Схема распределения электроэнергии

8.3 Выбор силовых кабелей и шин распределительных устройств

8.4 Заполнение таблицы приложения Excel, рабочий лист«РЩ»

9. Выбор аппаратуры защиты

9.1 Выбор уставок выключателей на ток срабатывания в зоне К.З.

10. Проверка электрооборудования по режиму короткого замыкания

10.1 Расчет токов к.з

10.2 Проверка автоматических выключателей по предельным токам к.з

10.3 Проверка шин на электродинамическую устойчивость

11. Расчет провалов напряжения

Список литературы

1. Определение мощности СЭС табличным методом

Для определения мощности и числа генераторов судовой электростанции необходимо рассчитать суммарные мощности, потребляемые потребителями электростанции в следующих режимах работы:

- ходовом;

- стоянке без грузовых операций, производимых судовыми средствами;

- стоянка с выполнением грузовых операций;

- маневренном;

- аварийном.

Режимы необходимы для выбора количества и мощности генераторов судовой электростанции только с точки зрения безопасности мореплавания.

Исходными данными для табличного метода является перечень потребителей энергии судовой электростанции, подразделяемых на следующие основные группы:

* палубные механизмы;

* механизмы машинно-котельного отделения;

* механизмы систем и устройств;

* радиооборудование и навигационные приборы;

* судовое освещение;

* бытовые механизмы;

* механизмы холодильной установки;

* прочие потребители.

При выборе электродвигателя [6] его тип заносится в графу «Тип ЭД». Для привода того или иного механизма не всегда удается подобрать такой двигатель, номинальная мощность на валу которого Р_дв была бы равной мощности механизма Р_мех . В этом случае выбирают двигатель несколько большей мощности с коэффициентом использования. Значение к_исп заносят в графу «коэффициент Использования».

(1)

Например, для рулевого устройства требуется мощность 50 кВт, но т.к. не удаётся подобрать двигатель, номинальная мощность которого была бы равна мощности механизма, то берём двигатель с несколько завышенной мощностью. АО 2-82-4М с мощностью 55 кВт. Коэффициент загрузки выбирают с учетом рекомендаций табл. 2.3 (Методические указания к выполнению курсового проекта). Его максимальное значение не должно превышать отношения:

Если для того или иного механизма в таблице не приведены значения Коэффициента загрузки то считаем по формуле, указанной выше. Например:

Для механизмов, работающих на открытой палубе, следует выбирать электродвигатели водозащищенного исполнения (типа МЗРК, МАФ, МАП). Для механизмов, работающих внутри судовых помещений, применяются электродвигатели брызгозащищенного исполнения (типа 4А, АМ, АО2-М) или водозащищенные по линии вала (типа АОМ, АМО). Тип электродвигателя, значения номинальной мощности на его валу, номинальный cosj и КПД заносятся соответственно в одноименные графы.

Для привода машинного преобразователя следует выбирать асинхронный двигатель с учетом КПД преобразователя. Для приводов насосов вентиляторов следует применять высокоскоростные двигатели.

В графу «Активная мощность» заносится суммарная установленная активная мощность потребителей, определяемая по выражению:

(2)

(для рулевого устройства)

По известной активной мощности и номинальному коэффициенту мощности определяют значение суммарной установленной реактивной мощности и заносят в графу «Реактивная мощность»:

Q = P₍₁₃₎ *tgj = P₍₁₃₎ tg(arccosj₍₈₎ )(3)

Q = 35,68*tg(arccos(0.92)) = 15,20 кВт (для рулевого устройства)

Далее выполняются расчеты по определению потребляемых мощностей отдельных потребителей, представленных в таблице1, в различных режимах судна. Установленные на судне потребители электроэнергии во многих случаях не полностью используются по мощности, поэтому при расчете действительной потребляемой мощности необходимо учитывать коэффициент загрузки механизма. Фактическую загрузку электродвигателя характеризует коэффициент загрузки К_з (заносится в графу «коэффициент Загрузки»), равный

К_з = К_зм К_исп (4)

К_з = 0,6 0,92 = 0,55 (для рулевого устройства)

При недогрузке двигателя коэффициент мощности(cosj) и КПД (h) его снижаются. Поэтому для определения фактически потребляемой мощности необходимо пользоваться значениями, которые заносятся в соответствующие графы таблицы. Имея в виду, что не все одноименные потребители работают одновременно, вводят коэффициент одновременности К_о (графа «коэффициент одновременности), равный отношению числа работающих потребителей к общему числу установленных:

К_о = m_раб /m (5)

К_о = 1/2 = 0,5 (для рулевого устройства)

Таким образом, активная потребляемая мощность (графа «Активная мощность») одноименных потребителей равна:

(6)

(для рулевого устройства)

Реактивная потребляемая мощность (графа «Реактивная мощность»):

Q_пот = Р_пот tgj(7)

Q_пот = 10,37 tg(arcos(0.89)) = 6.15 кВт (для рулевого устройства)

После заполнения таблицы для всех групп потребителей подсчитываем потребляемые мощности в каждом из режимов (еР_пот и еQ_пот ), причем суммарные потребляемые мощности кратковременно работающих потребителей подсчитывают отдельно.

В связи с различным характером нагрузки разных групп потребителей было бы неправильно считать, что нагрузка на генераторы равна суммарной потребляемой (еР_пот ). Фактическая нагрузка на генераторы меньше и будет тем меньше, чем вероятнее неодновременная работа различных групп потребителей и несовпадение максимумов нагрузок у приемников в каждой из групп.

В таблице нагрузок эти факторы учитываются энергетическим коэффициентом одновременности К_ор для каждого из режимов работы судна. Для постоянно работающих потребителей он находится в пределах 0,75 - 0,95. Верхний предел характерен для ходового и аварийного режимов, когда удельное значение приемников с постоянным графиком нагрузки очень велико, меньше же значения К_ор соответствует режиму стоянки.

Принимаем следующие значения К_ор :

- для аварийного режима К_ор = 0,95;

- для ходового режима К_ор = 0,85;

- для маневренного режима К_ор = 0,8.

Для кратковременно работающих потребителей энергетический коэффициент одновременности принимается в пределах 0,3-0,6. Для аварийного и ходового режимов берется максимальное значение коэффициента. Таким образом, суммарные потребляемые мощности для длительно работающих потребителей по режимам работы судна определяются как:

Р_{е дл} = К_ор еР_пот , кВт(8)

Q_{е дл} = К_ор еQ_пот , кВар(9)

Аналогично рассчитывается суммарная мощность для кратковременно работающих потребителей. Суммарная потребляемая мощность всех работающих аппаратов равна:

еР = Р_{е дл} + Р_{е кр} ,(10)

еQ = Q_{е дл} + Q_{е кр} (11)

С учетом 5% потерь в судовой сети получим:

Р = 1,05 еР, (12)

Q = 1,05 еQ (13)

Полную мощность находят по формуле:

(14)

Средневзвешенный коэффициент мощности для каждого режима работы находится из выражения:

cosj_срв = Р/S (15)

2. Выбор источников питания и трансформаторов

На основании полученных расчетных величин суммарной потребляемой мощности во всех заданных режимах работы судна с учетом коэффициента одновременности (К_ор ) и потерь в сети производится выбор единичной и суммарной мощности генераторных агрегатов электростанции [6]. При выборе числа и мощности генераторных агрегатов необходимо учитывать следующие рекомендации Регистра:

- Генераторы должны быть однотипными;

- Коэффициент Загрузки генераторов для самого загруженного режима не должен превышать значения 0,85;

- Увеличение количества генераторов за счет улучшенного их использования по мощности не желательно. Оптимальное количество три. Общее количество генераторных агрегатов установленных на судне должно быть равно n=n_мах +1 (один резервный). Если средневзвешенный коэффициент мощности cosjЈ0.8 выбор генераторов производить исходя из полной мощности.

Исходя из вышеперечисленных требований выбираю генераторные агрегаты по активной установленной мощности (cosj_min = 0,85) с учетом 15% потерь в судовой сети P_акт =372,85кВт (для ходового режима) удовлетворяющие им: три однотипных генератора обеспечивают коэффициент загрузки не больше 0,85;

Для обеспечения электроэнергией приемников, рассчитанных на напряжение 220В, необходимо определить полную мощность, потребляемую ими, и выбрать трансформаторы с учетом коэффициент одновременной работы каждого из потребителей и конкретно режима работы. Расчеты и технические характеристики выбранных трансформаторов приведены в таблице3 - Суммарная мощность трансформаторов. Для любого режима работы судна трансформатор ТСЗ63 обеспечивает коэффициент загрузки от 0,5 до 0,8 что соответствует требованиям Регистра.

3. Составление схемы распределения электроэнергии

3.1 Схема коммутации ГРЩ

Однолинейная схема коммутации ГРЩ должна обеспечивать:

- параллельную и раздельную работу генераторов на свои секции сборных шин;

- питание через трансформаторы секции потребителей при выключении любого из генераторов;

- питание с берега;

- связь ГРЩ с аварийным распределительным щитом.

Схема включает в себя следующие элементы:

- сборные шины ГРЩ, разделенные на секции генераторы;

- генераторные кабели со своими автоматическими воздушными выключателями (АВВ);

- секционные АВВ либо разъединители;

- перемычки с переключателями;

- трансформаторы 380/220;

- фидер берегового питания;

- фидер, связывающий ГРЩ с аварийным распределительным щитом;

- аварийный распределительный щит с секциями 380 и 220 В и потребителями, получающими питание от него согласно Правилам Регистра;

- контакторы, отключающие секции малоответственных потребителей.

3.2 Схема распределения электроэнергии

Следующим этапом проекта является разбивка потребителей, указанных в таблице нагрузок, по фидерам. Данные сводятся в таблицу «РЩ». При этом необходимо руководствоваться Правилами Регистра. В этом же разделе содержатся указания по разбивке фидеров ответственных потребителей по секциям сборных шин, ГРЩ. Разбивку производим с учетом равномерности нагрузки каждой секции. Питание неответственных потребителей от отдельной секции сборных шин. Компоновка потребителей по распределительным щитам (РЩ) должна производиться с учетом их назначения, а также расположения потребителей на судне. Однолинейная схема распределения электроэнергии включает в себя схемы коммутации ГРЩ с отходящими от него фидерами (без аварийного распределительного щита), дополненные изображением фидеров питания РЩ со своими АВВ.

4. Рекомендации по выбору аппаратуры защиты, приборов и средств сигнализации

Аппараты СЭС выбираем по условиям длительной работы в номинальном эксплуатационном режиме и проверяем по токам короткого замыкания. Ненормальный режим работы характеризуется отклонением входных параметров от нормируемых (ток, частота, напряжение). Короткое замыкание характеризуется устойчивым механическим замыканием и возникновением тока КЗ равным 250-290% от I_н и посадкой напряжения. К любой защите предъявляются следующие требования:

- селективность,

- быстродействие,

- надежность,

- чувствительность.

Выбор аппаратуры заключается в сравнении напряжения и наибольшего длительного рабочего тока той цепи, где предполагается установить данный аппарат, с номинальным рабочим напряжением и номинальным током. Выбор автоматических выключателей производят исходя из величины номинального напряжения и номинального тока защищаемой цепи;

(16)

При этом номинальный ток максимального расцепителя I_нр выключателя должен быть равен или больше I_расч ;

(17)

где К₁ - коэффициент учитывающий уменьшение допустимой нагрузки кабеля в связи с ухудшением теплоотдачи. Для курсового проекта принимаем К₁ =0,8 [4] как для двухрядной кабельной трассы. Расчетные значения токов заносим в таблицу5.

Для генераторных автоматов величина I_расч равна номинальному току генератора. Для секционных автоматических выключателей величина I_расч рассчитывается по значению мощности, передаваемой через этот выключатель в наиболее тяжелом эксплуатационном режиме. Приближенно эта величина определяется как I_расч = 1,15 I_н (18)

В качестве генераторных и секционных автоматов выбираем автоматы новой серии ВА71, в качестве сетевых АВВ на ГРЩ А37, в качестве сетевых защищающих электрические установки АК50-3.

Уставки генераторных автоматов принимаем, согласно [7], равными:

,(19)

где I_н - номинальный ток фидера.

Уставку на ток срабатывания сетевых АВВ фидеров электродвигателей выбираем из условия отстройки от ложных срабатываний при пусках электродвигателей:

(20)

где K_над - коэффициент надежности, равный -1,05;

K_доп - коэффициент, учитывающий плюсовой допуск на величину пускового тока электродвигателя, равный-1,15;

K_пуск - кратность пускового тока электродвигателя по ТУ

K_а - коэффициент, учитывающий величину апериодической составляющей пускового тока, равный -1,3;

d - минусовый допуск на ток срабатывания выключателя в зоне КЗ для автоматов типа АК-50, d = 0.1, для автоматов типа А-3700 d = 0.15;

I_дв.ном - номинальный ток двигателя;

I_{ном.расц.} - номинальный ток расцепителя выключателя.

Уставку на ток срабатывания выключателей, защищающих силовой распределительный щит, выбираем следующим образом:

(21)

где I_вкл1 - пусковой ток наиболее мощного потребителя;

I_вкл1 = K_пуск I_ном.дв. (22)

K_загр.i – коэффициенты загрузки отдельных потребителей для наиболее загруженного режима, взятые из таблицы нагрузок.

Типы, типоисполнения и значения номинальных токов максимальных расцепителей выбранных АВВ, уставки на время срабатывания вносим в соответствующие графы таблицы5.

Выбранная аппаратура проверяется на термическую и электродинамическую устойчивость.

Термическая устойчивость – способность аппарата, не перегреваясь противостоять току КЗ проходящему через аппарат. Для проведения расчета необходимо сопоставить количество тепла выделившегося при прохождении тока КЗ с допустимым для данного аппарата. Проверка выполняется только для аппаратов с селективной защитой.

5. Выбор измерительной аппаратуры

Выбор трансформаторов тока производим по номинальному напряжению и номинальному току цепи, по конструктивному исполнению с учетом рода установки, по классу точности с учетом фактической вторичной нагрузки трансформатора.

Класс точности трансформатора определяется его назначением. Мощность нагрузки трансформатора тока при номинальном вторичном токе определяется суммарной мощностью включенных во вторичную цепь трансформатора тока обмоток приборов. Суммарная мощность нагрузки не должно превышать величины максимальной, трансформатора тока, при этом учитывается сопротивление соединительных проводов.

Учитывая то, что к трансформатору тока подключается амперметр Д1500 с потребляемой мощностью Р_п = 3,5 ВА, то можно выбрать стандартный трансформатор тока ТС0,5 класса точности 1 с номинальной мощностью Р_нтт = 40 ВА.

При выборе трансформаторов напряжения исходят из величины вторичного напряжения, назначения, места установки и схемы соединения приборов.

Класс точности трансформатора определяется назначением приборов, подключенных к вторичной обмотке.

После выбора трансформатора напряжения по справочнику [6], по рекомендации Регистра, проверим класс точности трансформатора напряжения путем сравнения значений максимальной мощности трансформатора с суммарной мощностью измерительных приборов.

Трансформатор соответствует принятому классу точности, если

S_трном і S₂ (23)

где (24)

S₂ – суммарная мощность нагрузки трансформатора.

К трансформатору напряжения подключаются следующие приборы:

* вольтметр,

* ваттметр,

* частотомер,

* синхроноскоп.

Выбор электроизмерительных приборов СЭС, их расположение на ГРЩ регламентировано Правилами Регистра. При выборе контрольно-измерительных приборов ГРЩ необходимо указать:

- тип прибора и класс точности;

- пределы измерения;

- способ включения;

- тип трансформатора тока, напряжения, добавочного устройства;

- габариты.

Класс точности выбираем не более 2,5.

Для измерения сопротивления изоляции применяем приборы "Электрон". При выборе приборов для генераторов и сетей с постоянной нагрузкой обеспечиваем запас по шкале 25 %, а для сетей с переменной нагрузкой или напряжением – 50 %.

Всем катушкам напряжений приборов обеспечиваем защиту предохранителями или автоматами.

Исходя из мощностей выбранной измерительной аппаратуры, выбираем трансформаторы тока и напряжения и их характеристики заносим в таблицу 4.

Таблица 4 – Характеристики измерительных трансформаторов

6. Выбор реле обратной мощности

По требованию Регистра необходимо обеспечить генераторам направленную защиту и защиту от перегрузок. Направленная защита – защита, которая в установках переменного тока реагирует на величину тока (мощности) в защищаемом участке системы по отношению к напряжению на шинах. Защита реагирует на изменение фазного угла между током и напряжением. В качестве фазочувствительного органа используют индукционное реле мощности.

В проектируемой судовой электростанции применяем направленную защиту генераторов, исполненную на реле мощности ИМ-149. Цепи тока и напряжения реле получают питание от трансформаторов тока и напряжения, питающих измерительные приборы. Технические характеристики реле ИМ-149:

U_ном = 230В,

I_ном = 5А,

Потребляемая мощность: по току 25 ВА.

по напряжению 10ВА.

Исходя из мощности генераторов, определим уставки:

* по мощности и обратной мощности срабатывания = 12,8%

* по времени срабатывания при токе срабатывания (cosj = 1 и 1,2 I_ном )= 7.

Для обеспечения защиты генераторов от перегрузок устанавливаем реле перегрузки ИМ-145, питающееся от измерительных трансформаторов. Технические характеристики реле ИМ-145:

U_ном = 230В,

I_ном = 5А,

Потребляемая мощность: по току 5 ВА

по напряжению 10 ВА.

Исходя из мощности генераторов, определим уставки:

* по мощности и обратной мощности срабатывания = 115%

* по времени срабатывания при токе срабатывания (cosj=1 и 1,2 I_ном )= 2.

Проверим измерительные трансформаторы на перегрузку.

Трансформатор тока: измерительные приборы потребляют 3,5 ВА от ТТ1, реле обратной мощности ИМ149 потребляет 25 ВА от ТТ2, отсюда перегрузки трансформаторов тока нет.

Трансформатор напряжения измерительные приборы потребляют 29,7 ВА от ТН1, реле обратной мощности ИМ149 потребляет 10 ВА от ТН2, отсюда перегрузки трансформаторов напряжения нет.

Все характеристики выбранных измерительных приборов заносим в таблицу 5:

Таблица 5 – Характеристики измерительных приборов

7. Выбору силовых кабелей и шин распределительных устройств

Передача электроэнергии от генераторов до главного распределительного щита и от главного распределительного щита до потребителей осуществляется кабелями. При выборе типа кабеля требуется учитывать условия, в которых будет работать кабель. Из условий монтажа на судах и с учетом механической прочности существующими правилами и нормами определяются максимальные и минимальные сечения кабеля, допустимые к прокладке.

Исходя из рекомендаций, выбираем максимальное сечение трехжильных кабелей не выше 3x240 мм² . Минимально допустимое сечение жил кабелей и проводов соответственно равно 1 мм² . Сечение жил кабеля определяем с помощью таблиц норм нагрузки на электрические кабели и провода [2,приложение 10] и [6, таблица 5.4] по величине расчетного тока кабеля I_расч .

Исходя из составленной однолинейной схемы распределения электроэнергии, определяем необходимое количество автоматических выключателей для каждого щита, которое не должно превышать 12. По справочнику [6, таблица5.2.3] определяем тип распределительного щита.

По примеру для рулевой машины выбираем кабель КНРП, как для ответственного потребителя. По I_расч = 31,70 А, выбираем кабель 3^х фазный сечением 4мм² (3х4) и генераторный автомат А3714СР с комбинированным расцепителем на номинальным током максимального расцепителя 32А.

8. Проектирование схемы распределения электроэнергии

8.1 Схема коммутации ГРЩ

Однолинейная схема коммутации ГРЩ обеспечивает:

- параллельную и раздельную работу генераторов на свои секции сборных шин;

- питание через трансформаторы секции потребителей 220 В;

- питание секции второстепенных потребителей при выключении любого из генераторов;

- питание с берега;

- связь ГРЩ с аварийным распределительным щитом;

Схема включает в себя следующие элементы:

- сборные шины ГРЩ, разделенные на секции (генераторные, потребителей);

- генераторные кабели со своими автоматическими воздушными выключателями (АВВ);

- секционные АВВ либо разъединители;

- перемычки с переключателями;

- трансформаторы 380/220;

- фидер берегового питания;

- фидер, связывающий ГРЩ с аварийным распределительным щитом;

- аварийный распределительный щит с секциями 380В и 220В и потребителями, получающими питание от него согласно правилам Регистра РФ;

- контакторы, отключающие секции малоответственных потребителей.

8.2 Схема распределения электроэнергии

Следующим этапом проекта является разбивка потребителей, указанных в таблице нагрузок, по фидерам. Данные сводятся в таблицу «РЩ». При этом руководствуемся Правилами Регистра РФ, в котором содержатся указания по разбивке фидеров ответственных потребителей по секциям сборных шин, ГРЩ. Разбивку производим с учетом равномерности нагрузки каждой секции. Компоновка потребителей по распределительным щитам (РЩ) производится с учетом их назначения (например, щит вентиляции трюмов и т.д.), а также расположения потребителей на судне (например, щит, обеспечивающий питание сепараторов и насосов МКО, щит освещения МКО и т.д.). Все фидеры на схеме пронумерованы согласно нумерации в таблице «РЩ».

8.3 Выбор силовых кабелей и шин распределительных устройств

Передача электроэнергии от генераторов до главного распределительного щита и от главного распределительного щита до потребителей осуществляется кабелями.

При выборе типа кабеля учитываем условия, в которых будет работать кабель. Из условия монтажа на судах и с учетом механической прочности существующими правилами и нормами определяются максимальные и минимальные сечения кабеля, допустимые к прокладке.

Расчет кабельной сети включает в себя следующие этапы:

- определение рабочих токов в кабелях;

- выбор сечения кабелей с учетом условий прокладки;

- определение потери напряжения в кабельной сети.

Сечение жил кабеля определяется с помощью таблиц норм нагрузки на электрические кабели и провода (приложение10 [2]) по величине расчетного тока кабеля по формуле:

(25)

где I_раб – действительный ток, протекающий по кабелю;

К₁ – коэффициент, учитывающий уменьшение допустимой нагрузки кабеля в связи с ухудшением теплоотдачи:

К₁ = 0,8 – для двухрядных пучков;

К₂ – коэффициент, учитывающий число часов работы кабеля, определяемый по формуле:

(26)

где t₃ – суммарное время работы кабеля под нагрузкой.

(для генератора)

Выбор кабеля по напряжению сводится к сопоставлению номинального напряжения, под которым находится кабель, U_к с номинальным напряжением кабеля U_к.н . При этом должно выполняться условие:

(27)

Потери напряжения в трехфазной сети переменного тока без учета индуктивного сопротивления кабеля можно определить по формуле:

(28)

где – I _н cosj - номинальная активная составляющая тока приемника

l – длина кабеля в метрах;

g – удельная проводимость меди;

S – сечение жилы кабеля в мм² ;

U – линейное напряжение сети, В.

(для генератора)

Правилами регламентируются потери напряжения от ГРЩ до каждого потребителя. В настоящее время действуют следующие нормы потерь напряжения на кабелях:

- от генератора до ГРЩ – не более 1%;

- от ГРЩ до потребителей;

- освещения – не более 5% при U_н > 30 В и не более 10% при U_н £ 30 В;

- силовых потребителей – не более 7% при длительном режиме работы и не более 10% при кратковременном и повторно-кратковременном режиме работы;

- щита радиостанции и кабеля для зарядки аккумуляторных батарей – не более 5%.

Длину генераторного кабеля принимают равной 10 метрам.

Выбор шин распределительного устройства производят исходя из наибольшего длительного тока нагрузки на шины, определяемого по формуле:

(29)

где К_н.з. = 1,15 – коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки шин по длине;

n – число установленных генераторов.

Величина расчетного тока определяется с учетом температуры окружающей среды (внутри ГРЩ). При водозащищенном исполнении щита температура воздуха внутри щита составляет 52- 56⁰ С. Расчетный ток находится по формуле:

(30)

где Q_среды – температура окружающей среды;

90⁰ – максимально допустимая длительная температура нагрева шин.

По расчетному току выбираем сечение шин по таблицам допустимых норм нагрузки на медные шины [2].

Расчетные значения токов кабелей, их марки и сечения заносим в таблицу «РЩ».

8.4 Заполнение таблицы «РЩ»

В таблице «РЩ» выполняем следующее:

- Указываем название рассчитываемого щита (РЩ);

- В столбец «Наименование потребителя/фидера» вводим наименование потребителей, получающих питание от данного щита (Рулевая машина);

- В столбце «Номер фидера» указываем номера фидеров питания потребителей в соответствии с нумерацией на однолинейной схеме коммутации ГРЩ (17);

- В столбце «Номер автомата» указываем номера автоматов фидеров питания потребителей в соответствии с нумерацией на однолинейной схеме коммутации ГРЩ (QF11);

- В столбце «Номинальная мощность» указываем соответствующие номинальные мощности потребителей (13кВт);

- В столбце «Напряжение сети/генератора» указываем напряжение питающей сети (380В);

- В столбец «Номинальный КПД» вводим соответствующие значения для потребителей (87,5);

- В столбец «Номинальный коэффициент мощности» вводим соответствующие значения для потребителей (0,89);

- Для потребителей, в соответствующих столбцах, указываем коэффициент загрузки самого напряженного режима работы (0,92) и номинальный ток (22,19 А);

- В столбец «Коэффициент уменьшения допустимой нагрузки кабеля» вводим соответствующие значения коэффициента для потребителей (0,8);

- В столбец «Коэффициент, учитывающий число часов работы кабеля» вводим соответствующее значение (1,0);

- В столбце «Режим работы кабеля» указано условное обозначение режима работы кабеля, П – продолжительный, К – кратковременный, ПВ – повторно-кратковременный;

- Указываем тип и сечение кабеля в соответствующем столбце (КНРП 3´4);

- Для потребителей указываем значение коэффициента апериодической составляющей пускового тока в соответствующем столбце (1,3);

- В столбец «Минусовой допуск на ток срабатывания в зоне КЗ» вводим соответствующие значения для потребителей (для рулевой машины: 0,1);

- Во все оставшиеся незаполненными ячейки заполняем символом «-».

- Потери напряжения на кабеле рассчитываются автоматически.

9. Выбор аппаратуры защиты

Электрические сети во всех ответвлениях имеют защиту от К.З. и перегрузки. Защита от перегрузки не требуется для фидеров питания приемников, имеющих защиту от перегрузки, для фидеров питания некоторых ответственных приемников (рулевое устройство, электроприводы палубных механизмов и др.), а также для фидеров питания распредустройств и перемычек, если питаемые по этим фидерам приемники имеют индивидуальные устройства защиты от перегрузки.

Защита от К.З. осуществляется максимальными расцепителями тока, встроенными в автоматические выключатели, или предохранителями.

Автоматические выключатели или аппараты СЭС выбираются по условиям длительной работы в номинальном эксплуатационном режиме и проверяются по токам короткого замыкания.

Выбор аппаратуры заключается в сравнении напряжения и наибольшего длительного рабочего тока той цепи, где предполагается установить данный аппарат, с номинальным рабочим напряжением и током.

Если аппарат предназначается для работы при температуре, превосходящей расчетную, то величина длительного рабочего тока аппарата должна быть уменьшена до значения, рекомендуемого приближенной формулой

(31)

Выбор автоматических выключателей производят исходя из величины номинального напряжения и номинального тока защищаемой цепи I_раб. При этом номинальный ток максимального расцепителя I_н.р. выключателя должен удовлетворять неравенству:

I_Н.Р. ³ I_Раб (32)

Для генераторных автоматов величина I_раб . равна номинальному току генератора I_н.г.

Для секционных автоматических выключателей величина I_раб. рассчитывается по значению мощности, передаваемой через этот выключатель в наиболее тяжелом эксплуатационном режиме.

Приближенно эта величина определяется по формуле:

I_раб = 1,15 I_ном (33)

Типы, типоисполнения и значения номинальных токов максимальных расцепителей выбранных АВВ вносим в соответствующие графы таблицы рабочего листа «РЩ».

9.1 Выбор уставок выключателей на ток срабатывания в зоне К.З.

Уставку на ток срабатывания в зоне К.З. выключателей питания электродвигателей выбираем из условия отстройки от ложных срабатываний при пуске электродвигателей по формуле:

(34)

где К _ср.н. – уставка на ток срабатывания в зоне К.З. выключателя по ТУ;

К _над. = 1,05 – коэффициент надежности;

К _доп. = 1,15 – коэффициент, учитывающий плюсовой допуск на величину пускового тока электродвигателя;

К _пуск. – кратность пускового тока электродвигателя по ТУ;

К_а – коэффициент, учитывающий величину апериодической составляющей пускового тока (К _а =1,3 для систем переменного тока);

d_i – минусовой допуск на ток срабатывания выключателя в зоне К.З. Для автоматов типа АК – 50 d_i = 0,1. Для автоматов типа А – 3000 d_i = 0,15;

I _н.дв. – номинальный ток двигателя;

I _н.р. – номинальный ток расцепителя выключателя.

(для рулевой машины)

Принимаем стандартную для А3700 уставку (К_СР ) = 9

Уставку на ток срабатывания в зоне К.З. генераторных и секционных выключателей, а также выключателей перемычек следует выбирать из условия отстройки указанных выключателей от ложных срабатываний при пусках электродвигателей, синхронизации, переключении нагрузки с одного источника на другой.

Для отстройки секционных и генераторных АВВ, уставку на срабатывание следует принимать в пределах .

Если требуется защитить фидер от тока перегрузки, выбираем выключатель с комбинированным расцепителем.

10 Проверка электрооборудования по режиму короткого замыкания

10.1 Расчет токов К.З.

Расчет токов К.З в судовой электроэнергетической системе выполняется для проверки сборных шин, автоматических выключателей и кабелей некоторых особо ответственных потребителей на устойчивость к действию токов к.з.

Расчет выполняется для наиболее вероятных в судовых САЭЭС и наиболее тяжелых для электрических аппаратов режимов к.з. – глухого трехфазного. Расчет ведется в следующей последовательности:

1.Составление исходной однолинейной схемы фрагмента электроэнергетической системы;

2.Выбор расчетных точек к.з. на этой схеме;

3.Составление расчетной схемы для определения токов к.з.

4.Преобразование расчетной схемы к простейшему виду относительно каждой принятой для расчета точки к.з.

5.Нахождение результирующего (эквивалентного) сопротивления для определения тока к.з.

6.Определение действующего значения периодической составляющей тока к.з. в различные моменты времени по расчетным кривым.

Расчет токов к.з. начинается с составления фрагмента исходной однолинейной схемы электроэнергетической системы, содержащей номинальные параметры всех входящих в нее элементов, а так же предполагаемые для расчета точки К.З. Фрагмент включает в себя все работающие генераторы (исключая резервный), сборные шины и отходящие фидеры.

Составляем схему замещения, содержащую сопротивления всех элементов, входящих в расчетную схему. При этом сопротивления выражаем в относительных единицах по отношению к принятым в расчете базисным условиям.

Базисный ток: (35)

где S_Б – мощность всех работающих генераторов кроме резервного.

Величины активных и индуктивных сопротивлений приводятся к базисным величинам:

;

.

Производим преобразование схемы замещения с определением полных (r_р и х_р ) и результирующего сопротивления.

(36)

С помощью расчетных кривых, приведенных на рис.10.3[2] для ранее рассчитанного эквивалентного сопротивления определяется действующее значение тока К.З. для моментов времени t=0 и t=0.01.

Затем находится ударный коэффициент К_УД по кривой рис.10.4 [2], и затем ударный ток К.З., посылаемый генераторами, и после определения остаточного напряжения на шинах ГРЩ определяется значения тока подпитки двигателей.

(37)

где Е_ДВ = 0,9 – ЭДС эквивалентного электродвигателя в момент К.З.

Z = 0,266 – Сопротивление двигателя и кабеля, соединяющего двигатель с ГРЩ.

DU = I₀ Z_КАБ – изменение напряжения от ГРЩ до эквивалентного АД.

Z_КАБ – полное сопротивление кабеля, отходящего от ГРЩ.

ударный ток К.З., посылаемый генераторами с учетом тока подпитки двигателей:

(38)

Действующее значение тока К.З. определяется:

(39)

Результаты расчетов эквивалентных сопротивлений сводятся в таблицу «Токи КЗ».

10.2 Проверка автоматических выключателей по предельным токам к.з

По предельным токам к.з. автоматические выключатели проверяются на коммутационную способность и термическую стойкость.

Селективные автоматы проверяются по условиям:

- на динамическую стойкость i_{уд.расч.} < i_уд.доп. ;

- на разрывную способность I_расч. < I_доп ,

где i _{уд. расч.} – расчетный ударный ток к.з. для точки, выбранной с целью проверки селективного автомата;

i_уд.доп. – допустимое значение ударного тока к.з. автомата

I_расч. – расчетное действующее значение тока в момент размыкания дугогасительных контактов автомата;

I_доп .– допустимое действующее значение тока автомата в момент размыкания дугогасительных контактов

– на термическую стойкость по условию I² _Ґ t_ф < (I² t)_доп. ,

где I_Ґ – установившийся ток к.з.;

t _ф – фиктивное время к.з.;

I² _Ґ t_ф – расчетное значение величины, характеризующей термическое действие тока К.З. за время, равное уставке на срабатывание при к.з. для селективного автомата.

(I² t)_доп. – термическая устойчивость по техническим условиям.

Сетевые (установочные) автоматические выключатели и предохранители проверяются только на динамическую стойкость по ударному току к.з.

10.3 Проверка шин на электродинамическую устойчивость

В распределительных щитах САЭЭС применяются медные шины, поскольку алюминиевые имеют низкую механическую прочность и высокую пожароопасность из-за чрезмерного нагрева контактных соединений.

Проверка шин на электродинамическую устойчивость сводится к определению их прочности, способной противостоять механическим усилиям, возникающим при токах К.З. для выполнения этого условия необходимо, чтобы механические напряжения в шине не превышали допустимых значений.

Максимальное расчетное напряжение в шине определяется: s_расч = М/W,

где W – момент сопротивления шин относительно оси, перпендикулярной к действию силы;

М – максимальный изгибающий момент.

(40)

где К = 1,76 – для трехфазного К.З. переменного тока;

К_Ф = 0,85 – коэффициент, учитывающий форму сечения шин, определяется по рис.8.3[2].

l – длина пролета;

a – расстояние между осями;

b, h – размеры шин.

Расчетное напряжение шин не должно превышать допустимое:

s_расч £s_доп .

Допустимое напряжение для медных шин равно 14000 Н/см² .

Для выбранных в проекте шин s_расч = 3904 Н/см² £s_доп = 14000 Н/см² .

Условия электродинамической устойчивости выполняются.

11. Расчет провалов напряжения

К генераторам переменного тока предъявляются требования по обеспечению поддержания напряжения при сбросе и набросе нагрузки и, особенно, при пуске мощных короткозамкнутых асинхронных двигателей.

Максимальные провалы напряжения ожидаются при прямом пуске самого мощного АД, когда в работе находится один генератор. Для определения величины провала напряжения применяется метод расчетных кривых токов К.З.

Данным методом рассчитывается провал напряжения для каждого последующего момента времени с момента пуска АД. Точность расчета соблюдается в пределах с момента пуска t = 0 до t = 0,5 с. Для последующих моментов времени пуска существенно изменится величина скольжения АД и соответственно его полное сопротивление.

Записываются следующие данные генератора и двигателя:

- полная мощность генератора S_г ,

- номинальное напряжение генератора U_г

- мощность двигателя на валу P_дв ,

- пусковой коэффициент К_пуск ,

- коэффициент мощности двигателя при пуске cosj_пуск ,

- коэффициент мощности двигателя номинальный cosj_ном ,

- длина кабеля от шин ГРЩ до двигателя и его сечение L_каб и S_каб .

Порядок расчета:

1. Определяется полная номинальная мощность двигателя:

S_дв =P_дв /cosj_ном ,

2. Находится полное сопротивление двигателя в относительных единицах к моменту запуска:

Z^* _дв =1/К_пуск ,

Пусковой коэффициент выбирается по каталожным данным двигателя (пределах 5¸7).

3. Находится активное и индуктивное сопротивление АД в относительных единицах:

r₁ ^* _дв =Z^* _дв *cosj_пуск ,

х₁ ^* _дв =Z^* _дв *sinj_пуск .

Далее эти сопротивления выражаются в относительных единицах системы

r^* _дв =r₁ ^* _дв *S_г /S_дв ,

х^* дв=х₁ ^* _дв *S_г /S_дв.

4. Полное расчетное сопротивление включает в себя сопротивления от генератора до шин ГРЩ (r^* , x^* ), сопротивления участка от шин ГРЩ до АД (r^* _y , x^* _y ), сопротивления самого АД в момент пуска (r^* _дв , х*дв):

Z^* _{пол.расч.} =[(r^* +r^* _у +r^* _дв )² +(х*+х*_у +х*дв)² ]^1/2

5. С помощью расчетных кривых токов к.з. для генератора находится действующее значение периодической составляющей тока I^* _пер для рассчитанного значения Z^* _{пол.расч} в разные моменты времени от t = 0 до t = 0,5 с.

6. Определяется полное сопротивление участка от шин ГРЩ до АД, включая сопротивление АД:

Z^* _дв.рас =[(r^* _у +r^* _дв )² +(х*_у +х*дв)² ]^1/2

7. Напряжение на шинах в относительных единицах определяется как произведение U^* _ш = I^* _пер *Z^* _дв.рас для выбранных ранее моментов времени.

Вычисленные значения сводятся в таблицу «Токи К.З.»

На основе рассчитанных значений U^* _ш строится кривая переходного процесса провала напряжения U^* _ш = f(t) и определяется его максимальное значение.

Список литературы

1. Никифоровский Н.Н., Норневский Б.И. Судовые электрические станции. Москва: Транспорт,1974.-432с.

2. Яковлев Г.С. Судовые электроэнергетические системы. Ленинград: Судостроение,1987.-372с.

3. Лейкин Л.С., , Михайлов В.С. Автоматизированные электроэнергетические системы. Москва: Агропромиздат,1987.-327с.

4. Правила классификации и постройки морских судов Ленинград: 1985.-928с.(Морской Регистр).

5. Константинов В.Н. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. Ленинград: Судостроение,1988.-312с.

6. Справочник судового электрика, под редакцией Китаенко Г.И.

7. Ленинград: Судостроение,1975.-том1.

8. МУ к курсовому проектированию по курсу «СЭС» для специальности 1809. Под редакцией Ремезовского В.М. Мурманск: 1989.-59с.