научная статья по теме ВЫБОР НАПРЯЖЕНИЯ ЕДИНОЙ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ВЫБОР НАПРЯЖЕНИЯ ЕДИНОЙ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ»

СУДОСТРОЕНИЕ 2'2012

ВЫБОР НАПРЯЖЕНИЯ ЕДИНОЙ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Б. А. Балабанов, исполнительный директор, И. М. Васин,

генеральный директор, канд. техн. наук, Л. Н. Токарев, зам. генерального директора по научной работе, докт. техн. наук, тел. (812) 3690093 (ФГУП «ЦНИИ СЭТ») удк 621.311:629.5

Объединение электроэнергетических систем питания потребителей собственных нужд судна и электродвижения в единую судовую электроэнергетическую систему (ЕЭЭС) требует значительного увеличения номинальной мощности электростанций. Например, на судне с двумя электростанциями мощностью свыше 8 МВт токи короткого замыкания (ТКЗ) только в одной электростанции достигают величины, приближающейся к 150 кА. Повышение мощности приводит, в частности, к резкому увеличению объема кабельных трасс.

Дальнейшее увеличение мощности судовых электростанций ограничено физическим пределом — максимально допустимым ТКЗ коммутационно-защитных выключателей. Преодолеть это затруднение возможно одним способом — повышением номинального напряжения генераторов.

Относительно небольшую ступень снижения ТКЗ и соответственно повышения мощности электростанции может дать увеличение напряжения до 690 В. Радикальный способ — применение напряжения 6300 В. Естественно, можно использовать различные промежуточные значения напряжений, однако на этом пути возникают технико-экономические препятствия, основное из которых — отсутствие общепромышленных образцов комплектующих изделий распределительных устройств. Очевидно, что значительно дешевле доработать до морского исполнения имеющееся общепромышленное оборудование, чем разрабатывать и осваивать серийное производство оригинальных изделий на различные номинальные напряжения.

Для оценки величины напряжений ЕЭЭС различной мощности авторами были проведены расчеты ТКЗ при различных уровнях напряжения генераторов, от 400 до 6300 В, а также при различных параметрах генераторов.

Расчеты проводились с помощью одобренной Главным управлением Российского морского регистра судоходства методики [1], основанной на использовании систем дифференциальных уравнений синхронных генераторов, асинхронных двигателей и статических активно-индуктивных элементов

электрических систем. Уравнения учитывают все без исключения физические свойства машин и автоматических регуляторов режимов их работы, принятые при математическом описании электроэнергетических систем [2—4]. Методика прошла проверку в течение нескольких лет при расчетах ТКЗ в электроэнергетических системах, в том числе: платформы «Приразломная» (при напряжениях 6,3 и 10,5 кВ), судна «Гиндукуш», судов пр. 19910, 19920, 20180, 21300, 22350 и др. Экспериментальная проверка точности расчетов по методике приведена, в частности, в отчете по НИР, выполненной по заказу Регистра.

В уравнениях учитываются сопротивления всех основных конструктивных элементов силовых схем, в том числе:

— кабельных трасс, соединяющих клеммы генераторов и эквивалентного асинхронного двигателя с шинами главного распределительного щита (ГРЩ);

— шин ГРЩ, в том числе между точками подсоединения генераторов;

— силовых коммутационных выключателей;

— трассы, предназначенной, в особых случаях, для ограничения ТКЗ.

В программе расчета предусмотрена возможность автоматического изменения количества параллельных кабелей в трассе в зависимости от номинального тока и коэффициента, учитывающего изменение теплоотдачи кабелей, уложенных внутри многослойного пучка.

Расчетные схемы типовой судовой электростанции приведены на рисунке. В части а приведена схема, в которой указаны:

параметры участков сети (сечение кабеля в трассах, соединяющих клеммы генераторов с генераторными автоматами дкд, длина этого кабеля 1кд, число параллельных кабелей в трассе пс). Эти параметры устанавливаются в разделе исходных данных программы расчета;

параметры шин ГРЩ (длина участка шины, соединяющей точки подсоединения генератора к сборным шинам пв, высота Ь и ширина Ь шины, число параллельных шин одной фазы вЬ);

6 Судостроение № 2, 2012 г.

СУДОВЫЕ ЭНЕ^ГЕТ^ЧЕС^^Е УСТАНОВКИ судостроение^^

Результаты расчета ТКЗ

U , В

грщ' "

Мощность, МВТ

Ро

P

3

xd2s, о.е.

Iks, кА

Режим 1

Режим 4

6300 15 5 5 5 5 10 0,15 34

6300 18 5 5 8 6 12 0,15 41

6300 21 5 8 8 4 10 0,15 44

6300 21 5 8 8 5 1 1 0,15 45

6300 24 8 8 8 8 16 0,15 54

Режим 5

6300 15 5 5 5 5 10 0,12 41

6300 18 5 5 8 6 12 0,12 49

6300 24 8 8 8 8 16 0,12 65

400 3 1 1 1 1 2 0,12 109

400 3,6 1,2 1,2 1,2 1,2 2,4 0,12 128

400 4,5 1,5 1,5 1,5 1,5 3 0,12 156

400 6 2 2 2 2 4 0,12 201

400 7,5 2,5 2,5 2,5 2,5 5 0,12 241

400 9 3 3 3 3 6 0,12 279

400 12 4 4 4 4 8 0,12 348

Режим 2

400 5 2 2 1 2 3 0,15 117

400 6 2 2 2 2 4 0,15 138

400 9 3 3 3 3 6 0,15 200

400 12 4 4 4 4 8 0,15 260

Режим 3

690 6 2 2 2 2 4 0,12 129

690 9 3 3 3 3 6 0,12 190

690 12 4 4 4 4 8 0,12 246

О б о з н а ч е н и я: ^грщ — напряжение на шинах, ГРЩ, ре — суммарная мощность электростанции, р1, р2, р3 — мощности генераторов, ра — мощность ЭАД, рс — мощность статической нагрузки электростанции, xd2s — сверхпереходная реактивность генератора, Iks — ударный ТКЗ.

П р и м е ч а н и е. В качестве исходных данных синхронных генераторов в программах расчета используется целый комплекс параметров. Приведенная в таблице величина xd2s (сверхпереходная реактивность статора по продольной оси) является одной из самых характерных, в наибольшей степени влияющих на ударный ТКЗ. Из групп параметров различных генераторов для расчета выбраны те, в комплексе которых сверхпереходная реактивность одинакова для мощностей и 5 и 8 МВт.

параметры шины, соединяющем генераторные секции ГРЩ с секциями распределения;

активные и индуктивные сопротивления силовых частей автоматов и сопротивления цепи короткого замыкания.

В части б показана схема замещения электростанции с обозначениями импедансов участков электрических цепей.

В части в представлена окончательная расчетная схема электростанции с приведенными сопротивлениями всех цепей.

Все расчеты параметров схемы предусмотрены в программе и выполняются автоматически. Задаются только исходные данные по генераторам и конструктивным элементам всех цепей электростанции.

Математическое описание судовой электростанции для расчета токов короткого замыкания является

развитием стандартов ОСТ5.6030— 72 и ОСТ5.6181—81, разработанных в ФГУП «ЦНИИ СЭТ». Программа защищена, в частности, свидетельством о государственной регистрации [2].

При составлении программы расчета ТКЗ дифференциальные уравнения синхронного генератора в обычной форме, принятой в известной литературе, в том числе в [3, 4], преобразованы таким образом, чтобы характер рассчитываемых переменных точно соответствовал экспериментальным данным.

Необходимо отметить, что без такого преобразования разработчики программ вынуждены использовать искусственный прием в виде включения достаточно большого активного сопротивления нагрузки генератора. В результате принципиально невозможно получить нулевую нагрузку в режиме холостого хода генератора.

Такой прием (с использованием так называемого балластного сопротивления) использован, в частности, при создании макромодуля генератора в пакете «Mathlab».

Преобразованные уравнения генератора вместе с уравнениями автоматического регулятора напряжения приведены ниже:

Fd = Qkf - Xd2s 'd; Fq = Frq + Xq2s 'q;

Q = 1/(1 - 9192);

Kf= (1 - 92)Fr + (1 - gi)Frd; Kpf = (1 - g2)pFr + (1 -g1)Frd;

Uq = - rlq + wFd - PFq/wb Ud = -r'd + wFq + PFd/wb

U = VUq2+ Ud2;

p'y = (-'y + MU - Un) + kocPFr)A; if 'y > 'ym then 'i = 'ym;

if iy < 0 then iy = 0;

ur = kuUq + kixd'd - y if ur > urm then ur = urm;

Hr = f(Fr);

'r = Hr + mdxd'd- 9i 'rd; pFr = (ur- 'г)/Г-;

'rd = Q(Frd- 92Fr + mds(1 - 9l); PFrd = -Ird/Trd;

;d'd)

рРгч = -1гч/Тгч .

Зависимость Нг = /(Гг) определяется из экспериментально снятых кривых намагничивания магнитопро-водов генераторов.

Обозначения в уравнениях: и, и у, ^ — модуль напряжения статора синхронного генератора и его составляющие по осям d и д; /, /^ — модуль тока статора и его составляющие по осям; Г^, Гу — составляющие потокосцепления статора по осям; Гг, Гг^, Ггу — потокосцепление обмотки возбуждения и его составляющие по осям; ¡г, ¡г^, ¡гч — ток возбуждения и составляющие тока демпферной обмотки по осям; ж — ча-

Р

Р

Р

Р

e

a

c

СУДОСТРОЕНИЕ 2'2012

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

ns(h.h)lib]

ns(b-b)lsb23

ns(li*b)bb3

ГРЩ

т~

А1 /

ncl ,qkgl Ikgl

nc2,qkg2 lkg2

{Ш) ppii

A3/

nc,qkg3 lkg3

ZH, zcl

/А«

IS3>

Ррй

Fjn3

Pail

б)

в)

zsbl

zsb23 za23 zsb3 iy

Расчетные схемы судовой электростанции:

СГ — синхронные генераторы; А — автоматы; ГРЩ — главный распределительный щит; СР — секция распределения; ЭАД — эквивалентный асинхронный двигатель; рап — мощность двигателя; К — точка короткого замыкания

стота вращения ротора (в относительных единицах); Wb — базисная частота (радиан в секунду); Нг — напряженность магнитного поля возбуждения; иг— напряжение на обмотке возбуждения; к, — вспомогательные переменные; ип — уставка регулятора напряжения; к^— коэффициент усиления регулятора; ки, к — коэффициенты усиления регулятора по каналам тока и напряжения трансформатора компаундирования; кос — коэффициент усиления звена гибкой обратной связи; х^, х^ — синхронные реактивности статора; т6, тц, т^, дь д2 — коэффициенты магнитной связи обмоток; /у — ток управления в регуляторе; / — величина ограничения сверху тока управления; игт — величина ограничения сверху напряжения возбуждения; О — вспомогательный коэффициент.

Численные значения коэффициентов определяются по формулам, приведенным в [3, 4].

Следует иметь в виду, что одним из самых мощных потребителей в ЕЭЭС является гребной электродвигатель с преобразователем частоты. Однако выпрямитель преобразователя не создает при коротком замыкании ток подпитки. Поэтому влияние гребной установки проявляется на ТКЗ косвенно, через

увеличение номинальной мощности генераторов электростанции.

Обобщенные результаты расчета ТКЗ в различных режимах приведены в таблице.

Выводы. 1. При напряжении 40

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком