Проектирование электропитания на судне

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

 

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 cosj£ 0.8 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.

 

Составление схемы распределения электроэнергии

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.

 

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.

 

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.

 

Таблица 4 – Характеристики измерительных трансформаторов

Трансформатор	Наименование	I/Uном Iобм	Ном частота	Uном	I/Uном II обм	Мощность	кол-во
Тока	Многовитковый	10-400А	50	0, 5кВ	5А	40ВА	2
Напряжения	ТН	380В	50	2кВ	127В	40ВА	2

 

Таблица 5 – Характеристики измерительных приборов

	Амперметр	Вольтметр	Ваттметр	Частотомер	Синхроноскоп	Мегометр
Тип прибора	Д1500	Д1500	Д1503	Д1506	Э1505	Электрон
Система	Эл.динамич	Эл.динамич	Эл.динамич	Эл.динамич	Электромагнитн
Класс точности	1, 5	1, 5	2, 5	2, 5	0, 03	5
Пределы измерения	0-300 А	0-450 В	0-250КВт	50(10%)Нz		0-1МОм
Способ включения	к ТТ	к ТН	к ТН	к ТН	к ТН
Потребл. мощность, Вт	3, 5	4, 5	7, 5	9, 6	8, 1
Габариты, гор. мм	100	100	100	100	100	175
верт. мм	100	100	100	100	100	90
глуб. мм	170	170	170	170	170	125

 

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.

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.

 

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.

 

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».

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.

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

 

123456Следующая ⇒

Поделиться: