Методика исследования и расчета судового конденсаторного источника реактивной мощности

Увеличение общего тоннажа морского транспортного, рыбодобы-ващего и рыбообрабатывающего флота неразрывно связано с необходимостью дальнейшего увеличения производства электрической энергии на судах. Это требует выполнения комплекса мероприятий по ее рациональному использованию и уменьшению относительно высокой се.

• бестоимости. Одним из непременных условий успешного решения поставленной задачи является эффективное использование установленной мощности судовых генерирующих агрегатов, эксплуатация которых во многом определяет режим экономии топливно-энергетических ресурсов на флоте.

Вместе с тем, проведенные исследования свидетельствуют о качественных изменениях в характере нагрузки электростанций современных судов в сторону увеличения потребления реактивной мощности (РМ). Указанная тенденция характерна для большинства типов судов, в то время как проблеме компенсации РМ в судовых электроэнергетических системах (СЭЭС) до настоящего времени еще не уделяется должного внимания. С другой стороны некоторые современные СЭЭС приближаются по уровню потребления электрической энергии к отдельным береговым предприятиям, потребление РМ которых регламентировано. В токе время, возросший уровень потребления РМ в СЭЭС приводит к тем же отрицательным последствиям, что и в береговых электроустановках, а также к чисто специфическим, обусловленным автономностью источников судовой электрической энергии. Прежце всего это касается необходимости параллельной работы дополнительного количества источников электроэнергии даже в тех случаях, когда по условиям активной нагрузки этого не требуется. При этом загрузка первичных двигателей снижается, а удельный расход топлива увеличивается. Чрезмерная загрузка реактивными токами источников электроэнергии ухудшает ряд их эксплуатационных характеристик, о чем подробно будет сказано в основном тексте.

Поэтому экономические соображения, а также требования эксплуатационного характера все чаще вынуждает обращаться к проблеме компенсации РМ, что приводит к включению в состав отдельных СЭЭС дополнительных источников реактивной мощности (ИРМ). Решением этих вопросов занимаются некоторые научно-исследовательские и проектные организации и высшие учебные заведения страны. Проблема компенсации РМ явилась предметом обсуждения Второй Всесоюзной НТК «Автоматизация и пути развития СЭЭС», состоявшейся в 1976 году в г. Севастополе, на Третьей Всесоюзной НТК «Совершенствование проектирования судовых ЭЭС и технологии электромонтажных работ» и на Четвертой Всесоюзной НТК «Проблемы создания мощных электроэнергетических систем и систем электродвижения для судов ледового плавания и технических средств освоения шельфа», состоявшихся соответственно в 1979 и 1983 гг. в г. Ленинграде /44, 45, 80/. В рекомендациях конференций в частности отмечается /14/: «Провести комплекс работ по определению областей применения компенсации реактивной мощности и видов ее, разработке расчетно-проектных рекомендаций, разработке и созданию номенклатуры необходимого оборудования» .

В системе ММФ и МРХ СССР уже эксплуатируется ряд судов с введенными в состав электроэнергетических систем дополнительными ИРМ, что продиктовано определенной потребностью в них. Примером судов с применением конденсаторных установок (КУ) в качестве ИРМ являются находящиеся в эксплуатации в Дальневосточном бассейне шгавбазы типа «Спасск», «Советская Россия», «Владивосток» и «Дальний Восток», рыбомучные базы типа «Пятидесятилетие СССР», транспортно-рефрижераторные суда типа т/х «Пролив Лаперуза», сухогрузные суда т/х «Константин Заньков» -и т/х «Пионер Славянки», нефтеналивное судно т/к «Ахтуба» (типа т/х «София») и др. Известны случаи применения в качестве дополнительных ИРМ судовых синхронных двигателей (гребной электродвигатель на БМРТ типа «Октябрьск» /15/). В /46/ сообщено о разработке и внедрении автоматического дополнительного ИРМ на базе конденсаторная батарея (КБ) — управляемый дроссель.

Однако, в большинстве случаев применения на перечисленных судах дополнительных ИРМ с использованием в качестве последних КБ подключение их к шинам ГНЦ осуществляется вручную и с помощью автоматических воздушных выключателей (ABB), контакторов и даже рубильников в блоке с предохранителями.

Не останавливаясь подробно на недостатках контактной коммутации, достаточно отметить, что такой способ не может быть оправдан во всех без исключения случаях и требует дополнительных исследований.

Отсутствие автоматического управления работой ИРМ может приводить в отдельные моменты времени к режиму перекомпенсации. Из этого вытекает необходимость постоянного вахтенного обслуживания КУ, особенно в режимах быстрого изменения нагрузки судовой электростанции (СЭС) /48/. Это обстоятельство находится в прямой цроти-воположности с общей тенденцией автоматизации флота и в частности безвахтенным обслуживанием машинного отделения на автоматизированных судах.

Необходимо отметить, что даже применение автоматического управления с использованием контактных коммутационных аппаратов, широко используемое в береговых КУ, не устраняет недостатков первой группы, 'являвдихся особенно существенными для автономных СЭЭС.

К указанным недостаткам необходимо добавить, что задача прогнозировашш реактивных нагрузок СЭС для определения требуемой мощности компенсирующего устройства, а также вопросы выбора его варианта решаются однозначно по аналогии с подобными береговыми установками.

Учитывая сказанное, постановка вопроса о необходимости введения в состав СЭЭС дополнительных ИРМ предопределяет на первом этапе осуществить решение следующих основных задач.

Независимо от предполагаемого к установке варианта ИРМ, необходимо решить вопрос более точного определения реактивных нагрузок СЭС. Существующие способы расчета ИРМ для береговых электроустановок не пригодны для судовой практики, так как цели и задачи компенсации РМ в СЭЭС и береговых не всегда совпадают. Кроме того, в практике проектирования береговых электроустановок до настоящего времени нет пока общепризнанной методики.

Учитывая многообразие существующих вариантов ИРМ, необходимо охарактеризовать каждый с целью определения приемлемых для проектируемых и модернизируемых СЭЭС.

Анализ технико-экономических показателей существующих типов ИРМ, эксплуатационных требований к ним и характера реактивных нагрузок СЭС дает основания одним из приемлемых вариантов считать в настоящее время компенсирующее устройство в виде КБ с автоматическим ступенчатым регулированием мощности. Вместе с тем, решение вопроса о способе коммутации (контактный или бесконтактный) отдельных секций КБ требует создания методик исследования, пригодных для автономных СЭЭС.

При включении в состав СЭЭС дополнительных ИРМ неизбежно возникают вопросы их взаимодействия со штатным оборудованием, причем не только в рабочих, но и в ненормальных и аварийных ситуациях. Некоторые из этих воцросов, принципиально важных при проектировании.

ИРМ, должны быть рассмотрены в первую очередь. Наиболее вероятным ненормальным режимом конденсаторного ИРМ с бесконтактной коммутацией следует считать выход из строя полупроводниковых приборов отдельных фаз коммутаторов, или исчезновение их управляющих сигналов. Возникакщие вслед за этим несимметричные режимы ступеней ИРМ приводят к несимметрии напряжений СЭС, допустимая величина которой для электрооборудования нормирована.

В соответствии с этим научная задача, решаемая в диссертационной работе, может быть сформулирована следующим образом: разработка методик определения статических реактивных нагрузок СЭС и взаимодействия конденсаторного ИРМ со штатным судовым электрооборудованием.

На защиту выносятся:

— методика и алгоритм расчета реактивной нагрузки СЭС;

— математическая модель для исследования переходных процессов при коммутации ступеней конденсаторного ИРМ в автономной СЭЭС;

— методика и номограмма оцределения несимметрии напряжений СЭС цри неисправностях бесконтактного конденсаторного ИРМ.

I. РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ.