Проектирование электропитания на судне

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

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 Рдв была бы равной мощности механизма Рмех. В этом случае выбирают двигатель несколько большей мощности с коэффициентом использования. Значение кисп 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 Кз (заносится в графу «коэффициент Загрузки»), равный

Кз = Кзм Кисп(4)

Кз = 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 Ко (графа «коэффициент одновременности), равный отношению числа работающих потребителей к общему числу установленных:

Ко = mраб/m (5)

Ко = 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»):

Qпот = Рпот tgj(7)

Qпот = 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 (еРпот и еQпот), 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 (еРпот). 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 Кор 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 Кор соответствует режиму стоянки.

Принимаем следующие значения Кор:

- для аварийного режима Кор = 0,95;

- для ходового режима Кор = 0,85;

- для маневренного режима Кор = 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:

Редл = Кор еРпот, кВт(8)

Qедл = Кор еQпот, кВар(9)

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

еР = Редл + Рекр,(10)

еQ = Qедл + Qекр (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:

cosjсрв = 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 (Кор) 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=nмах+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 (cosjmin = 0,85) с учетом 15% потерь в судовой сети Pакт=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 Iн 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 Iнр выключателя должен быть равен или больше Iрасч;

(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 Iрасч равна номинальному току генератора. Для секционных автоматических выключателей величина Iрасч рассчитывается по значению мощности, передаваемой через этот выключатель в наиболее тяжелом эксплуатационном режиме. Приближенно эта величина определяется как Iрасч = 1,15 Iн (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 Iн - номинальный ток фидера.

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

(20)

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

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

Kпуск - кратность пускового тока электродвигателя по ТУ

Kа- 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;

Iдв.ном - номинальный ток двигателя;

Iном.расц.- номинальный ток расцепителя выключателя.

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

(21)

где Iвкл1- пусковой ток наиболее мощного потребителя;

Iвкл1 = Kпуск Iном.дв.(22)

Kзагр.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 Рп = 3,5 ВА, то можно выбрать стандартный трансформатор тока ТС0,5 класса точности 1 с номинальной мощностью Рнтт = 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

Sтрном 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:

Uном = 230В,

Iном = 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 Iном) = 7.

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

Uном = 230В,

Iном = 5А,

Потребляемая мощность: по току 5 ВА

по напряжению 10 ВА.

Исходя из мощности генераторов, определим уставки:

Страницы: 1, 2