Ответы на билеты СЭЭС 2013

91

k1 = 0,85); коэффициент k2 - изменение числа жил в кабеле (для 2-жильных кабелей k2 = 0,85, для 3- и 4-жильных k2 = 0,7); коэффициент k3 - изменение режима работы (при кратковременном режиме k3 = 1,06 1,46, при повторно-кратковременном k3 = 1,24 1,51); коэффициент k4 - отличие температуры окружающей среды от нормированной 45 С (для температур 35-85 °С k4 = 1,29 0,45).

Площадь поперечного сечения жил кабеля выбирают из условия

I расч k1k2k3k4 Iдоп ,

где Iрасч – расчетный ток кабеля, А;

– допустимый ток нагрузки для кабеля с выбранной площадью поперечного сечения жил при нормированных условиях эксплуатации.

Если приведенное выше условие не соблюдается, то по табл. 2 выбирают ближайшее большее значение площади поперечного сечения кабеля и соответствующее ему новое значение Iдоп, затем повторяют расчет.

Вопрос 47

Суднові кабелі і проводи. Методи прокладки кабелю. Перевірка кабелю на втрату напруги.

Судовые кабели и провода, методы прокладки кабелей

На судах для передачи электроэнергии от источников к потребителям используют специальные морские кабели и провода, рассчитанные на эксплуатацию в морских условиях. Морские кабели и провода должны обеспечивать тепло- и вибростойкость, негорючесть, а также надежную защиту от действия воды и масел.

Судовой провод состоит из одного или нескольких гибких изолированных электрических проводников с облегченной изоляцией, заключенных в общую защитную оболочку, допускающую прокладку в сухих и отапливаемых помещениях.

Судовым кабелем называют один или несколько изолированных гибких электрических проводников, заключенных в общую защитную оболочку, допускающую прокладку по металлическим конструкциям в сырых помещениях и на открытых палубах.

На судах допускаются к применению негорючие и не распространяющие горение кабели и провода с медными жилами, изготовленные в соответствии с установленными требованиями. Жилы судовых кабелей и проводов для увеличения гибкости выполняют из пучка тонких проволок, причем число и площадь сечения проволок в одной жиле зависят от назначения кабеля. Жилы кабелей, предназначенных для питания ответственных потребителей обязательно должны быть многопроволочными. По количеству токопроводящих жил судовые кабели подразделяются на одно-, двух-, трёх-, четырёхжильные и т.д..

В качестве изоляционных материалов в кабелях и проводах могут быть применены: полихлорвинил обычный; полихлорвинил теплостойкий; этилен-пропиленовая резина; полиэтилен сетчатой структуры; кремний - органическая резина. Длительное время на судах применялись кабели с резиновой изоляцией в оболочке из негорючей маслостойкой резины, изготовляемой на основе натурального или синтетического каучука (кабели марок КНР, КНРП, ...) с длительно допустимым нагревом токопроводящих жил до 65°С. Применение электроизоляционных материалов с бутилрезиновой основой обеспечивает значительное улучшение массогабаритных показателей электрических сетей и повышение длительно допустимого нагрева токопроводящих жил кабелей с до 85 °С (вместо 65 °С), что позволяет увеличить нормы нагрузок почти в 1,3 раза.

Весьма перспективно использование судовых кабелей с кремнийорганической изоляцией. Эти кабели огнестойки, не выделяют токсичных газов, компактны, долговечны и обладают большей надежностью, особенно при высоких температурах. Применение кабелей с кремнийорганической изоляцией вместо кабелей КНР позволяют уменьшить площадь поперечного сечения трассы примерно на 50 60 % и сократить массу на 20 %. К их недостаткам следует отнести необходимость герметизации концов, а также отсутствие гибкости, которой обладают кабели с резиновой изоляцией.

Защитное покрытие кабеля служит для защиты жил проводов и кабелей от внешних механических воздействий и влияния окружающей среды. В качестве защитных покрытий применяются: оплетка из

92

полихлорвинилового пластика, наложенная на изоляцию; оплетка из хлопчатобумажной пряжи, пропитанная специальным составом из смолистых веществ; оплетка из стальной оцинкованной либо медной проволоки, укрепленная на оболочке кабеля; металлическая броня.

Прокладка кабельных трасс по судну усложняется тем, что большое их количество сосредоточено в машинных отделениях и служебных помещениях, насыщенных судовыми системами, устройствами и механизмами со стеснёнными условиями и большим количеством поворотов, проходов через переборки и палубы. Морские классификационные общества предъявляют определённые требования к маршрутам и способам прокладки кабельных трасс по судну. Кабели должны быть проложены по возможности по прямым и доступным трассам. Трассы должны проходить через места, в которых кабели не будут подвергаться продолжительному воздействию масла, топлива, воды и чрезмерного внешнего подогрева. Кабельные трассы не должны проходить:

-на расстоянии менее 100 мм от источников тепла;

-на расстоянии менее 50 мм от двойного дна, цистерн топлива или масла;

-на расстоянии менее 20 мм от наружной обшивки, а также от противопожарных, водонепроницаемых и газонепроницаемых переборок и палуб.

Не рекомендуется прокладывать кабели под настилом машинных помещений. Если же такая

прокладка неизбежна, то кабели следует прокладывать в металлических трубах или в закрытых каналах. Если подключение потребителей электроэнергии предусмотрено по двум отдельным

фидерам (например, электропривод рулевого устройства), то кабели нужно прокладывать разными трассами, максимально отдаленными одна от другой.

Прокладку кабелей на судах обычно ведут непосредственно по переборкам и другим частям корпуса судна с креплением стальными скобами, на металл-. перфорированных панелях, на скобмостах, с помощью кабельных подвесок (кассет).

Прокладка кабелей через палубы выполняется либо в металлических трубах (стояках), либо в общих металлических стаканах или в коробках с дополнительной защитой кабелей кожухами.

Проход отдельных кабелей через палубы и переборки выполняют с применением водонепроницаемых уплотнительных сальников либо кабельных коробок, залитых уплотняющей негорючей изоляционной массой. Проходы кабелей через палубу выполняются с помощью проходных кабельных кассет или при помощи труб с сальниками.

Проходы кабелей через водонепроницаемые, газонепроницаемые и противопожарные переборки и палубы должны быть уплотнены.

Проверка кабелей на потерю напряжения.

Напряжение на выводах приемника электроэнергии всегда меньше напряжения на шинах ГРЩ вследствие потерь напряжения в линии между ГРЩ и приемником. В линиях электропередачи постоянного тока потеря напряжения численно равна арифметической разности напряжений в начале и конце линии, причем понятия «потеря напряжения» и «падение напряжения» равнозначны. В линиях передачи переменного тока потеря напряжения численно равна арифметической разности модулей (т. е. полных значений) напряжений в начале и конце линии, а падение напряжения определяется геометрической разностью напряжений в начале и конце линии.

Потеря напряжения (%) в линии электропередачи постоянного тока

U 2 102 Il s Uном или U 2 102 Р1 l s Uном2 ,

где 2 - коэффициент, учитывающий наличие двух проводов линии; I - ток приемника, А; l - длина линии, м; = 48,1 м/(0м мм2) - удельная проводимость меди при 65 С; s - площадь сечения жилы кабеля, мм2; Uном - номинальное напряжение приемника, В; Р1 - потребляемая из сети мощность приемника, кВт.

В сетях переменного тока потеря напряжения имеет активную и реактивную (индуктивную) составляющие, причем последней можно пренебречь, так как при частоте тока 50 Гц она значительно меньше активной. С учетом этого потеря напряжения (%) в 1 -фазной линии электропередачи переменного тока

93

U 2 102 I l cos s Uном или U 2 102 Р1 l s Uном2 ,

Потеря напряжения (%) в каждом проводе 3-фазной линии электропередачи

U 3 102 I l cos s Uном или U 102 Р1 l s Uном2 ,

где Uном — номинальное линейное напряжение приемника, В.

В случае если линия электропередачи обеспечивает электроэнергией несколько приемников, потеря напряжения определяется отдельно для каждого участка, в пределах которого площадь сечения и ток не изменяются. Тогда для наиболее удаленного приемника потеря напряжения в линии определится суммой потерь на отдельных участках.

Потеря напряжения на участке ГРЩ (РЩ) - приемник при номинальной нагрузке не должна превышать: 7 % для силовых, нагревательных и отопительных приемников с длительным режимом работы; 10 % для силовых, нагревательных и отопительных приемников с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы; 10 и 5 % для сетей освещения и сигнализации при напряжении соответственно не более 55 и свыше 55 В. Потеря напряжения на участке ГРЩ (АРЩ) -генератор не должна превышать 1 % номинального, а на кабеле, питающем 3-фазный АД, - 25 % номинального в момент прямого пуска.

Вопрос 48

Принципи побудови автоматичних синхронізаторів.

Любой из способов синхронизации может быть выполнен автоматически, полуавтоматически или вручную. Существующие автоматические синхронизаторы обеспечивают практически безударное включение генераторов на шины методом точной синхронизации.

В СЭЭС напряжение генераторов поддерживается постоянным при помощи АРН. Поэтому на долю аппаратуры, осуществляющей синхронизацию, остаются процессы подгонки частоты и определение момента выдачи сигнала на включение генераторного автомата.

Этот сигнал необходимо подавать с некоторым опережением по времени относительно момента совпадения фаз, т.к. автомат имеет собственное время срабатывания.

Принцип действия автоматических синхронизаторов.

По принципу действия различают АС с постоянным временем опережения и постоянным углом опережения. В каждом из них для определения момента выдачи импульса на включение генераторного АВ используется напряжение биения Uб= Uс – Uг.

Для получения этого и других напряжений, применяемых в синхронизаторах, используют схему с гипотетическими трансформаторами.

АС с постоянным временем опережения

На схеме (рисунок 48.1) трансформаторы TV1 и TV2 включены на напряжения работающего и подключаемого генераторов. Вторичные обмотки подключены одноименными выводами а1 и а2 к первичной обмотке трансформатора TV3. Поэтому на ней образуется напряжение биения Uб с амплитудой, равной двойной амплитуде фазного напряжения. Частота скольжения зависит от частоты сети и генератора.

Выпрямленное напряжение биения Uб выпр получается при помощи диодов VD1 и VD2 в цепи вторичной обмотки w3.

Напряжение огибающей Us получено применением фильтрующего конденсатора С1 в цепи вторичной обмотки w4.

Производная напряжения огибающей Us = dUs/dt представляет собой напряжение, полученное при помощи дифференцирующей цепочки R2-C2 в цепи вторичной обмотки w5.

Суммарное напряжение (Us + U s) на резисторе R3 в цепи вторичной обмотки w6 получено совмещением схем цепей обмоток w4 и w5

94

Рисунок 48.1- Схема гипотетического трансформатора

Применение напряжения (Us + U s) позволило создать автоматические синхронизаторы с постоянным временем опережения. В таких синхронизаторах импульс на включение генераторного АВ выдается в точках L, M или N с одним и тем же временем опережения ton, равным собственному времени срабатывания АВ. Поэтому включение генератора происходит в узлах В", D" или F и будет безударным при любых допустимых значениях частоты скольжения.

АС с постоянным углом опережения

Рисунок 48.2 – График напряжения огибающей автоматического синхронизатора с постоянным углом включения

Автоматические синхронизаторы с постоянным углом включения выдают сигнал на включение генераторного автомата при уменьшении угла сдвига фаз одноименных векторов фазных напряжений до значения φ ≤ 10º. В этих синхронизаторах напряжение огибающей Us сравнивается с некоторым постоянным напряжением Us.вкл и при выполнении условия Us.вкл ≥ Us выдает сигнал на включение генераторного автомата.

В этих синхронизаторах сигнал на включение генераторного автомата выдаются в точках А, С, Е и время опережения выдачи сигнала зависит от частоты скольжения. Только при одной частоте fs2 время опережения равно собственному времени включения генераторного автомата. При частоте fs1 сигнал на включение автомата будет выдан в точке А, а сам автомат включится с некоторым запаздыванием в т. В’. При частоте fs3 автомат включится с некоторым опережением.

Вопрос 49

Устрій синхронізації УСГ-35. Робота резервного каналу синхронізації.

Устройство синхронизации УСГ-35 входит в состав системы «Ижора» и предназначен для включения генераторов на параллельную работу методом точной синхронизации с автоматической подгонкой частоты подключаемого генератора к частоте работающего.

95

Устройство подключается к сети и синхронизируемому генератору через измерительные трансформаторы напряжения.

В состав устройства УСГ-35 входят:

–трансформаторно-выпрямительный блок ТВБ;

–основной канал синхронизации ОКС;

–резервный канал синхронизации РКС;

–блоки подгонки частоты БПЧ1 и БПЧ2;

–блок развода генераторов БРГ;

–схема совпадения СС.

Рисунок 49.1 – Функциональная схема устройства УСГ-35

Блок ТВБ предназначен для формирования управляющих импульсов и питания коллекторных цепей и цепей смещения транзисторов. Из блока ТВБ управляющие сигналы поступают на входы основного и резервного каналов синхронизации и блоков подгонки частоты БПЧ1 и БПЧ2.

Назначение каналов и блоков

ОКС – для выдачи сигнала на включение генераторного автомата с заданным временем опережения;

РКС – для ограничения зоны синхронизации при выходе из строя элементов канала ОКС; БПЧ1 и БПЧ2 – для уменьшения или увеличения частоты подключаемого генератора при ее

подгонке к частоте работающего; БРГ – для вывода подключаемого генератора из режима «зависания».

Резервный канал синхронизации предназначен для контроля выполнения всех условий синхронизации и состоит из трех основных узлов:

–контроля разности напряжений;

–контроля разности частот;

–контроля угла рассогласования напряжений.

Узел контроля разности напряжений построен на триггере Тr 1 Шмитта. Если разность напряжений не превышает установленного значения, узел разрешает синхронизацию.

.

96

Рисунок 49.2 – Принципиальная схема резервного канала синхронизации

Узел контроля разности частот построен на триггере Тr 2 Шмитта, на вход которого поступает напряжение (Us2+Us2’). Этот узел обеспечивает постоянство времени опережения при любой допустимой разности частот. При частоте fs<fs доп узел выдает разрешение на синхронизацию.

97

Узел контроля угла рассогласования напряжений контролирует этот угол косвенно по напряжению Us1 огибающей. Если угол рассогласования φ ≤ 10º, то узел разрешает синхронизацию.

Симметричный триггер TrC1 служит для проверки выполнения всех условий синхронизации. На его вход подаются выходные напряжения триггеров Tr1 и Tr2 и напряжение Us1 узла контроля угла рассогласования. Если все три условия выполняются одновременно, с выхода триггера TrC1 через выходной усилитель ВУ поступает сигнал на включение реле KV1, контакты которого включены в цепь включающего электромагнита генераторного автомата

Вопрос 50

Валогенераторні установки.

Валогенераторные установки (ВГУ) в настоящее время находят широкое применение в составе СЭЭУ на большинстве судов современной постройки. Они обеспечивают отбор механической энергии от главного двигателя и преобразование этой энергии в электрическую.

В состав ВГУ входят: валогенератор (ВГ) с элементами привода, устройство стабилизации частоты вращения или частоты тока, система автоматического управления и регулирования, системы контроля, защиты и сигнализации, фильтрокомпенсирующие устройства. ВГ приводится в движение от главного двигателя (ГД).

Использование ВГУ в составе СЭЭУ позволяет снизить себестоимость вырабатываемой электроэнергии в среднем на 15…20% за счет снижения эксплуатационных затрат, снизить уровень шума и вибрации в машинном отделении.

3

1

Рис.50.1. ВГУ с различными способами отбора мощности от ГД.

1 – главный двигатель; 2 – гребной винт; 3 – валогенератор; 4 – редуктор

Так как ВГ приводится в движение от главного двигателя, то для получения электроэнергии используется тяжелое дизельное топливо, стоимость которого ниже стоимости топлива, на котором работают дизель-генераторы. Кроме этого удельный расход топлива малооборотных дизелей, применяемых в качестве ГД, меньше удельного расхода среднеоборотных дизелей, применяемых в качестве приводных двигателей в ДГ.

98

Современные ВГУ могут работать параллельно со вспомогательными дизельгенераторами (ДГ), а также в двигательном режиме на гребной винт. Мощность современных ВГУ лежит в пределах от 100 кВт на речных и небольших морских судах до 3000 кВт и более на крупных рефрижераторных контейнеровозах.

ВГ может непосредственно располагаться на гребном валу или приводиться в движение от вспомогательного вала ГД, в некоторых типах ВГУ в приводе ВГ используется повышающий редуктор. На рис 50.1 представлены ВГУ с различными способами передачи вращающего момента от ГД.

По способу стабилизации частоты в судовой сети ВГУ можно разделить на два типа:

установки, где поддерживается постоянство частоты вращения валогенератора (nВГ =

const);

установки, где ВГ работает с переменной частотой вращения (nВГ = var), а частота электроэнергии в судовой сети стабилизируется с помощью преобразователей электроэнергии.

Впервом случае поддержание постоянства частоты вращения ВГ осуществляется за счет постоянства частоты вращения ГД (на судах с ВРШ) или с помощью дополнительных стабилизирующих устройств, к которым относятся планетарные передачи, электромагнитные муфты скольжения, гидравлические системы стабилизации.

Во втором случае частота вращения ВГ изменяется в широком диапазоне, а стабилизация электрических параметров вырабатываемой электроэнергии осуществляется при помощи преобразователей электроэнергии.

ВГУ на судах с винтом регулируемого шага

Валогенераторные установки с ВРШ нашли широкое применение как на транспортных судах, так и на судах рыбопромыслового флота.

На судах с ВГУ и ВРШ применяются два способа управления ГД: по валогенераторной или комбинированной характеристике.

При работе по валогенераторной характеристике скорость судна регулируется путем изменения шагового отношения винта с помощью механизма изменения шага, частота вращения при этом остается постоянной.

При регулировании ГД по комбинированной характеристике ВГ выводится из работы, а скорость судна изменяется одновременным регулированием шагового отношения и частоты вращения винта.

Комбинированный способ управления более экономичен, однако в этом случае необходимо отключать ВГ, так как частота вырабатываемой электроэнергии будет выходить за допустимые пределы. В связи с этим в ходовом режиме чаще всего ГД работает по валогенераторной характеристике с постоянной частотой вращения и обеспечивает не только ход судна, но и работу ВГ.

Опыт эксплуатации ВГУ на судах с ВРШ показал, что в ходовых режимах работы судна частота в судовой сети , как правило, не выходит за пределы ±2 Гц от номинального значения. Однако при ходе на сильном волнении, особенно в балласте, при оголении лопастей винта частота вырабатываемой ВГ электроэнергии может значительно изменяться, что приведет к отключению ВГ и обесточиванию судна.

Как правило, предусмотрена только кратковременная параллельная работа ВГ и ДГ на момент перевода нагрузки с одного генератора на другой. Это связано с тем, что даже незначительное изменение частоты вращения ГД может привести к перегрузке или переходу в двигательный режим ДГ и его отключение.

Синхронизация ВГ и ДГ, как автоматическая, так и ручная, производится путем воздействия на регулятор частоты вращения только со стороны ДГ.

ВГУ с планетарными передачами

99

Для поддержания постоянства частоты вращения ВГ в некоторых типах ВГУ применяются стабилизирующие планетарные передачи, установленные между выходным валом ГД и валогенератором.

Принцип действия передач с постоянной выходной частотой вращения основан на использовании планетарной зубчатой передачи, эпицикл которой может вращаться от дополнительного привода с помощью гидромотора или электродвигателя, увеличивая или уменьшая частоту вращения планетарного колеса, соединенного с валогенератором. При изменении частоты вращения входного вала планетарного механизма сохраняется постоянство частоты вращения ВГ.

Если выходной вал планетарной передачи соединить с валогенератором, а к двум входным валам подсоединить ГД и вспомогательный двигатель, то такая планетарная передача будет выполнять операцию суммирования двух частот вращения

nВГ nГД nВД ,

где nВГ – частота вращения ВГ; nГД – частота вращения ГД;

nВД – частота вращения вспомогательного двигателя (ВД).

Для поддержания постоянства частоты вращения ВГ (nВГ = const) частота вращения вспомогательного двигателя должна автоматически изменяться обратно пропорционально частоте вращения ГД.

При использовании в качестве вспомогательного электродвигателя постоянного тока, частота вращения его регулируется путем изменения подводимого к двигателю напряжения при помощи управляемого выпрямителя. ВГУ такого типа представлена на рисунке 3.

7

6

5 =

3

2

4

1

Рис. 50.3. ВГУ с планетарной передачей:

1 – главный двигатель; 2 – ВФШ; 3 – валогенератор; 4 – редуктор с планетарной передачей; 5 – вспомогательный электродвигатель постоянного тока;

6 – управляемый выпрямитель; 7 – ГРЩ В установках с гидроприводом частота вращения гидромотора изменяется обратно

пропорционально частоте вращения ГД, при этом гидронасос приводится в движение непосредственно от главного двигателя.

По динамическим характеристикам планетарные передачи с гидроприводом превосходят передачи со вспомогательным электродвигателем.

Общими достоинствами ВГУ с планетарными передачами являются сравнительно широкий диапазон регулирования частоты вращения ГД и относительно низкая стоимость установок. Среди недостатков следует отметить сравнительно низкий КПД, зависящий от частоты вращения ГД и нагрузки ВГ, а также высокие эксплуатационные расходы.

ВГУ с синхронным валогенератором и полупроводниковым преобразователем

100

В некоторых типах ВГУ частота вращения синхронного ВГ изменяется пропорционально частоте вращения ГД, в результате чего меняется и частота вырабатываемой ВГ электроэнергии. Для стабилизации и поддержания постоянства частоты в судовой сети при работе синхронного ВГ с переменной частотой вращения широко используются полупроводниковые преобразователи (ПП).

Наибольшее распространение нашли ВГУ с полупроводниковым преобразователем со звеном постоянного тока, который состоит из включенных последовательно выпрямителя, преобразующего напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, и инвертора, производящего обратное преобразование. Таким образом, выходная частота преобразователя не зависит от частоты на его входе. Функциональная схема ВГУ данного типа представлена на рис. 50.4.

2

1

4

3

=

=

7

Рис. 50.4. ВГУ с синхронным валогенератором и полупроводниковым преобразователем: 1 – ГД; 2 – ВФШ; 3 – синхронный ВГ; 4 редуктор; 5 выпрямитель;

6 – ведомый инвертор; 7 – синхронный компенсатор; 8 – ГРЩ В состав ВГУ входит синхронный ВГ и ПП, который выполнен на базе выпрямителя и

ведомого сетью инвертора, а также синхронный компенсатор (СК). ВГ вырабатывает активную мощность, которая через ПП поступает с судовую сеть. ПП преобразует переменный ток одной частоты в переменный ток стабилизированной частоты. Особенностью ПП, выполненных на базе ведомых инверторов, является то, что они могут работать только на сеть, в которой уже есть источник переменного тока. Это необходимо для коммутации (запирания) тиристоров ведомого инвертора.

Таким образом, для нормальной работы ВГУ данного типа необходимо ввести в параллель с ВГ дизель-генератор или синхронный компенсатор (СК).

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный электродвигатель, работающий без нагрузки в перевозбужденном, как синхронный генератор, режиме. Потребляя из сети незначительную активную мощность для своего вращения, СК формирует напряжение в сети, вырабатывая реактивную мощность. Таким образом, если ДГ вырабатывает одновременно активную и реактивную мощность, необходимую для работы судовых потребителей, то в ВГУ с ПП активную мощность в сеть генерируер ВГ, а реактивную – СК.

Величина активной мощности СК составляет около 1 ...2 % от его номинальной мощности. Для пуска СК применяют те же способы, что и для пуска синхронных двигателей. В

судовых условиях нашли применение два способа пуска СК: пуск с помощью вспомогательного асинхронного электродвигателя и частотный пуск. В качестве вспомогательного пускового двигателя применяется асинхронный двигатель (АД) небольшой мощности, выполненный на то же число полюсов, что и СК.

При пуске вспомогательный АД потребляет до 15 % от мощности ВГ. После пуска на клеммах СК появляется ЭДС, способная коммутировать тиристоры ведомого инвертора. АД после запуска СК отключается от сети.

При частотном пуске СК частота подводимого напряжения плавно меняется от нуля до номинального значения. Пуск СК, работающего в режиме вентильного двигателя, осуществляется с помощью ПП.

СК может быть подключен к судовой сети также и при работе ДГ с целью повышения коэффициента мощности и разгрузки синхронных генераторов по реактивному току. Подключение СК к сети производится методом самосинхронизации, т.е. не возбужденный СК подключается к сети, после