Условия электроснабжения судов от береговых сетей

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Государственный университет морского и речного флота

имени адмирала С.О.МАКАРОВА»

Кафедра «Судовые энергетические установки, технические средства и технологии»

Курсовой проект по дисциплине «Электро- и пожаробезопасность при электроснабжении судов от береговых сетей»

На тему: «Расчет компенсатора реактивной мощности дискретного типа для электротехнического комплекса «берег-судно»

Вариант №1

Выполнил: студент Даушков В.Е.

Проверил: профессор

Приходько В.М.

Санкт-Петербург

Аннотация

Представлен электроснабжающий комплекс «берег-судно»для водного транспорта. Приведены электрическая схема системы «берег-судно» напряжением 380В, электрическая схема системы «берег-судно» напряжением 220В с береговым и судовым понижающим трансформатором.

Исследована эффективность применения компенсатора реактивной мощности дискретного типа в сетях электроснабжения судостроительно-судоремонтного предприятия, электротехнических комплексах

«берег-судно».

Дана структура КРМ ДТ. Показаны диаграммы, поясняющие работу компенсатора реактивной мощности дискретного типа. Рассмотрена принципиальная схема IGBT-модуля. Приведены тенденции и современные конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности в электроэнергетических комплексах «берег-судно».

Исследована эффективность применения компенсатора реактивной мощности дискретного типа в сетях электроснабжения судостроительно-судоремонтного предприятия, электротехнических комплексах «берег-судно».

Содержание

Введение. 5

1. ЭЛЕКТРОСНАБЖАЮЩИЙ КОМПЛЕКС «БЕРЕГ – СУДНО» ДЛЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА.. 8

1.1. Система «берег – судно». 9

1.2. Условия электроснабжения судов от береговых сетей. 9

1.3. Электрическая схема и элементы системы «берег – судно». 11

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДИСКРЕТНОГО ТИПАДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «БЕРЕГ-СУДНО». 17

3. СОВРЕМЕННЫЕ КОНДЕНСАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ «БЕРЕГ-СУДНО». 29

3.1. Компенсация реактивной мощности. 30

3.2. Комплектные конденсаторные установки регулируемые, низкого напряжения 32

3.2.1. Общие сведения. 32

3.2.2. Структура условного обозначения установки. 34

3.2.3. Основные данные. 34

3.3. Комплектные конденсаторные установки низкого напряжения. 35

3.3.1. Общие сведения. 35

3.3.2.Структура условного обозначения установки. 36

3.3.3. Основные данные. 36

3.4. Комплектные конденсаторные установки высокого напряжения. 37

3.4.1. Общие сведения. 37

3.4.2. Структура условного обозначения установки. 38

3.4.3. Основные данные. 38

3.5. Шкаф распределительный с компенсацией реактивной мощности ШК – 85 39

3.5.1. Общие сведения. 39

3.5.2. Структура условного обозначения. 40

3.6. Пункт распределительный типа ПР. 41

3.6.1. Общие сведения. 41

3.6.2. Структура условного обозначения. 42

3.7. Конденсатор косинусный низковольтный типа КЭМ.. 42

3.7.1. Общие сведения. 42

3.7.2. Структура условного обозначения. 43

3.8. Конденсаторы.. 44

3.8.1. Общие сведения. 44

3.9. Конденсаторы различного назначения. 45

3.9.1. Общие сведения. 45

Заключение. 47

Библиографический список. 49

Введение

Энергетическая программа на длительную перспективу в числе основных положений предусматривает проведение активной энергосберегающей политики. Эта политика базируется на том, что на водном транспорте рациональное расходование и снижение потерь электроэнергии имеет непосредственное отношение к эффективному использованию электрического, электронного оборудования, судовых электроэнергетических систем (СЭЭС), электростанций. Например, в аспекте системного подхода снижение расхода и потерь электроэнергии на 1 кВт·ч дает экономию условного топлива 300 – 330 г. В настоящее время и на ближайшую перспективу снижение потерь электроэнергии только на 1% позволяет экономить не менее 5 млн.т. условного топлива в год, или «вводить» в эксплуатацию 2 млн. кВт мощности электростанций без монтажа новых энергоблоков. В этом заключаются огромные резервы экономии электроэнергии, включая отрасль водного транспорта. Проведённые обследования предприятий речного транспорта показали, что на каждые 1000 кВт потребляемой мощности в максимум нагрузки энергосистемы можно обеспечить поступательное снижение на 30 кВт без дополнительных капиталовложений, на 50 кВт – с капитальными затратами не более половины от получаемой экономии, на 80 кВт и более – со значительными капиталовложениями.

В отрасли водного транспорта особое место занимают вопросы экономии электроэнергии в электротехнических установках как наиболее энергоёмких, но перспективных с точки зрения механизации, автоматизации и компьютеризации технологических процессов.

Ввиду того, что электропривод, в том числе судовой, в балансе электропотребления составляет не менее 60%, то экономичность его работы практически определяет экономичность электропотребления портов, гидросооружений, судоремонтно-судостроительных предприятий и судов различного назначения.

В плане экономии электроэнергии на объектах водного транспорта важными факторами являются улучшение режимов и повышение экономичности работы общепромышленных и судовых электроприёмников: мощных компрессоров, вентиляторов, насосов с энергоёмкими электроприводами и осветительных установок.

В рыночных экономических условиях показатели качества электрической энергии на судах, гидросооружениях, в речных и морских портах, на предприятиях судостроения и судоремонта, особенно отклонения напряжения, влияют на потери и расход электрической энергии. Поэтому на объектах водного транспорта эти показатели должны находиться в таких пределах, которым соответствуют минимальные удельные расходы электропотребления на единицу выпускаемой продукции (строящегося или ремонтируемого судна) с учетом потерь мощности и энергии в электрических сетях или с учетом приведённого коэффициента полезного действия электроустановок, в том числе судовых.

Экономичность функционирования промышленных и судовых электрических сетей переменного тока определяется не только активной, но и реактивной мощностью. Возможность размещения источников реактивной мощности (компенсирующих устройств) рядом с электроприёмниками на берегу и судах позволяет снизить потери активной мощности от реактивных нагрузок. На объектах водного транспорта широкое использование компенсирующих устройств с учетом требований энергоснабжающей организации может дать существенную экономию в оплате за электроэнергию. Однако применение компенсирующих устройств должно основываться на соблюдении определённых технико-экономических критериев, невыполнение которых может привести к исключению эффекта сбережения электроэнергии.

Следовательно, пути и способы экономии электрической энергии на предприятиях и судах речного флота весьма разнообразны. Очевидным является тот факт, что объективной мерой является не количество, а удельный расход электроэнергии на объектах водного транспорта. При этом ко всем мероприятиям по экономии электроэнергии, энергосбережению должна применяться технико-экономическая оценка с учетом изменения производительности, вероятностной природы исходных данных при определении режимных параметров и др.

Важное место в экономии электроэнергии в системе речного флота занимает рациональное использование судовых энергетических установок, СЭЭС как автономных электростанций. В рыночной экономике это особенно актуально, так как электрическая энергия в судовых энергетических установках на судах речного флота вырабатывается на дорогом дизельном топливе, а судов очень много. Поэтому снижение расхода электроэнергии в судовом электрическом, электронном оборудовании, СЭЭС, автономных электростанциях речных судов в совокупности может дать большую экономию дизельного топлива по отрасли водного транспорта в целом.

1. ЭЛЕКТРОСНАБЖАЮЩИЙ КОМПЛЕКС «БЕРЕГ – СУДНО»
ДЛЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

При питании судовых электроэнергетических систем от береговой сети (вне зависимости от режима ее нейтрали) между берегом (доком) и корпусом судна может возникнуть опасное в электро- и пожарном отношении напряжение. Максимальное (равное фазному) напряжение может возникнуть в реальных условиях между берегом (доком) и корпусом судна при однофазном замыкании в электроэнергетической системе, а также в случае аналогичных неисправностей на береговом участке даже при исправной изоляции судовой сети. Как при однофазном замыкании, не отключаемом автоматическими защитными устройствами, так и при несимметричном снижении сопротивления изоляции фаз электроэнергетической системы относительно корпуса судна появляется возможность возникновения двухфазного дугового замыкания через корпус судна. Кроме того, по нулевому проводу береговой сети проходит ток нулевой последовательности, который может создать напряжения, опасные не только для судового, но и берегового персонала, если производственные объекты получают питание от одного с судовой электроэнергетической системой источника. Соответственно повышается и пожароопасность. Поэтому необходимо предусмотреть устройство, обеспечивающее возможность электрического соединения металлического или магистрали заземления неметаллического корпусов судов с нейтралью береговой электроустановки (дока) в том случае, если она заземлена, или с береговым заземляющим устройством, если нейтраль установки изолирована [1].

При подключении нулевого провода, соединяющего судно с нейтралью береговой установки, в условиях уже поданного на судно питания необходимо во избежание возможного появления искры или дуги на судне сначала подсоединить провод к заземляющему контакту на судне, а уж затем к контакту нейтрали береговой электроустановки. Это правило особенно важно соблюдать для судов, имеющих на борту опасные для возникновения пожара вещества [2].

1.1. Система «берег – судно»

Электротехническая система, осуществляющая электроснабжение судов от береговых сетей, в руководящих документах в отрасли водного транспорта получила название системы «берег – судно».

Система «берег – судно» объединяет электротехнические элементы электрических сетей трехфазного переменного тока напряжением 380 В частотой 50 Гц портов (нефтебаз) и судов речного флота с электроустановками трехфазного переменного тока напряжением 380 и 220 В частотой 50 Гц. В состав системы «берег – судно» входят: береговые трансформаторные подстанции, береговые кабельные линии от подстанции к причальной стенке, понижающие трансформаторы для судовых приемников, питательные колонки для присоединения судов, штатные гибкие шланговые кабели судов, судовые щиты питания от внешних источников (ЩПВИ). Система «берег – судно» по эксплуатационному и ремонтному обслуживанию подразделяется на два участка: порта (нефтебазы) – от трансформаторной подстанции до питательной колонки для присоединения судов включительно; судна – от гибкого шлангового кабеля до ЩПВИ включительно.

Условия электроснабжения судов от береговых сетей

Суда могут получать электроэнергию с берега при линейных напряжениях 380 и 220 В и равенстве частоты береговой электрической сети и приемников судов, с соблюдением Правил Речного Регистра, Правил технической эксплуатации судового электрооборудования, Правил безопасности труда на судах речного флота, Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей.

Пользование электрической энергией судами от береговых сетей допускается только на основании соответствующего разрешения порта (нефтебазы). В разрешении на электроснабжение судна от береговой сети должны быть указаны: наибольшая величина нагрузки, режим потребления энергии и ее тариф.

Электроснабжение судов от береговых сетей включает возможность получения энергии всеми судовыми приемниками, работа которых предусмотрена проектом в режиме стоянки судна, но не выше чем наибольшая величина нагрузки, разрешенная портом (нефтебазой). Все изменения режима электроснабжения судна должны быть согласованы с портом нефтебазой. Использование электрической системы «берег – судно» для выполнения электросварочных работ на судне запрещается. В составе инженерно-технических работников штата главного энергетика порта (нефтебазы) должно быть лицо, осуществляющее руководство организацией и эксплуатацией системы электроснабжения судов от береговой сети. Это лицо является представителем порта (нефтебазы) по электроснабжению судов с берега. Представитель порта (нефтебазы) должен иметь квалификационную группу не ниже IV. Для эксплуатации и ремонта системы «берег – судно» закрепляется дежурный и ремонтный персонал главного энергетика. Дежурный и ремонтный персонал должен иметь квалификационную группу не ниже III. Организация учебы электриков портов (нефтебаз) и механиков судов по вопросам технической эксплуатации, пожаро-, взрыво- и электробезопасности при электроснабжении судов от береговых сетей возлагается соответственно на главных инженеров портов (нефтебаз) и капитанов судов.

Службы судового хозяйства и портов пароходств осуществляют контроль: за техническим состоянием системы «берег – судно», обеспечением поставок необходимого оборудования, совершенствованием системы как в части организации эксплуатации, так и в части оснастки системы, за своевременной оплатой счетов портов (нефтебаз) за потребленную судами электроэнергию.

Групповые электромеханики-наставники службы судового хозяйства пароходства постоянно контролируют выполнение данных руководящих документов и требование пожаро-, взрыво- и электробезопасности при электроснабжении судов с берега; проверяют знание механиками судов порядка подключения и правил электробезопасности, связанных с выполнением работ по электроснабжению судов; периодически контролируют правильность оформления разовых договоров на получение электроэнергии с берега.

Надзору энергосистемы подлежат следующие виды оборудования системы «берег – судно»: понижающие трансформаторы для судовых приемников; береговые трансформаторные подстанции; береговые кабельные линии; питательные колонки для присоединения судов.

1.3. Электрическая схема и элементы системы «берег – судно»

Система «берег – судно» создается в процессе эксплуатации электрохозяйства портов (нефтебаз) или при капитальном строительстве на основании специальной проектной документации. Подключение вновь создаваемой электроэнергетической системы " берег - судно" производится после согласования и утверждения документации технической инспекцией, испытания, приемки, проверки и установки приборов учета электрической энергии.

Электрическая схема системы «берег – судно» при трехфазном переменном токе 380 В на судне состоит из питательной колонки для присоединения судов, гибкого шлангового кабеля и ЩПВИ (рис. 1.1). При трехфазном переменном токе 220 В на судне система состоит из понижающего трансформатора 380/220 В питательной колонки для присоединения судов, гибкого шлангового кабеля и ЩПВИ (рис. 1.2).

При глухозаземленнойнейтрали источника береговой сети электроэнергия на судно подается по четырехпроводному гибкому шланговому кабелю. Электроснабжение судов от береговых электрических сетей может осуществляться только через судовой ЩПВИ.

Береговые трансформаторные подстанции и сети являются общепортовыми электротехническими элементами, которые принимают участие в работе системы электроснабжения порта и системы «берег – судно». Береговые сети системы состоят из отдельных участков стационарных кабельных сетей порта, сечение которых определяется: при совместном питании приемников перегрузочных машин и судов – по суммарной нагрузке; при отдельном питании приемников судов – по нагрузке судна; при наличии понижающего трансформатора 380/220 В – по номинальной мощности последнего.

Понижающий трансформатор 380/220 В предназначен для создания в береговых сетях напряжения 220 В и питания электроприемников судов напряжением 220 В. Расположение понижающих трансформаторов на грузовых и пассажирских причалах рекомендуется осуществлять следующим образом: на пассажирских причалах – стационарно в свободных камерах, встроенных в здание речных вокзалов или отдельно стоящих подстанций (при условии расположения последних не более чем в 50...60 м от причальной стенки); стационарно подземно на причальном фронте или в нишах причальной стенки; на грузовых причалах – стационарно в свободной камере подстанции причала (отдельно стоящей или встроенной); на причальном фронте - стационарно подземно в металлическом стакане в междупутье кранов; на причальной стенке совместно с питательной колонкой. Оптимальный вариант установки понижающего трансформатора определяется при привязке системы «берег – судно» в каждом отдельном случае с обеспечением удобного и безопасного доступа к трансформаторам.

Понижающий трансформатор 380/220 В может устанавливаться на сухогрузных и рефрижераторных судах при номинальном напряжении приемников 220 В, если в портах данного бассейна не обеспечено питание судов трехфазным переменным током напряжением 220 В.

Понижающий трансформатор напряжением 380/220 В присоединяется: при расположении на судне – к питательной колонке для присоединения судов с помощью гибкого шлангового кабеля, при расположении на береговой подстанции, на причальном фронте и причальной стенке – к распределительному щиту напряжения 0, 4 кВ соответствующей трансформаторной подстанции с помощью стационарных кабелей порта (нефтебазы).

Питательная колонка для присоединения судов к береговой сети, устанавливаемая на причальной стенке на фундаменте, приподнятом над поверхностью территории причала не менее 50 мм, может состоять из одного и двух постов. Питательная колонка должна соответствовать ГОСТ 17068-71 или типовым чертежам, разрабатываемым для речных портов (нефтебаз).

При номинальном напряжении 380 В приемников судна питательная колонка состоит из одного поста с одной системой шин. При номинальном напряжении приемников судна 220 и 380 Вв береговых сетях порта (нефтебаз) обеспечивается напряжение 380 и 220 В, для чего питательная колонка состоит из двух электрически не связанных постов, в каждом из которых имеется одна система шин напряжения 380 или 220 В. Судовые электроприемники соответствующих напряжений присоединяются к различным постам.

Штатный гибкий кабель судна, служащий для соединения судового ЩПВИ или понижающего трансформатора напряжения 380/220 В с береговой питательной колонкой для присоединения судов, должен быть шланговый, четырехжильный.

Сечение четвертой (нейтральной) жилы должно быть не менее половины сечения фазной жилы. Штатный кабель судна должен быть в исправном состоянии, не иметь механических повреждений, иметь хорошее состояние изоляции, концы его должны иметь стандартную вилку, наконечники или быстроразъемное соединение и герметическую заделку.

Не допускается применение кабелей, имеющих металлическую оболочку.

Если штатный судовой кабель трехжильный, то временно допускается его применение с отдельно проложенной четвертой (нулевой) жилой, механически закрепленной с ним.

Стальные тросы и швартовы нельзя считать заземляющими проводниками корпуса судна.

Кабель, соединяющий судовую электрическую систему с береговой сетью, должен прокладываться так, чтобы была исключена возможность его механического повреждения. Кабель должен быть гибким с медными жилами и иметь запас длины (слабины), чтобы исключалась возможность его обрыва при качке судна, изменения уровня воды или осадка судна. Кабель не должен мешать работе береговых перегрузочных механизмов, не должен заваливаться какими-либо предметами или засыпаться сыпучими грузами. В местах расположения питательных колонок для присоединения судов должны быть оборудованы каналы или другие устройства, обеспечивающие механическую защиту кабеля от наездов транспортных средств или повреждения кабеля грузом. Не допускается прокладывать кабель вблизи огнеопасных грузов и помещений.

На судне устанавливается ЩПВИ, на котором кроме трех входных фазных зажимов должен иметься болтовой зажим, надежно электрически соединенный с корпусом судна (с барашком) для присоединения нулевой (нейтральной) жилы кабеля. На ГРЩ должна быть блокировка, исключающая параллельное включение судовых генераторов и фидера питания с берега на шины щита.

Около ЩПВИ должны находиться диэлектрические перчатки и клещи для извлечения патронов трубчатых предохранителей. Перед щитом должен быть разостлан диалектический коврик. ЩПВИ должен быть закрыт на замок.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДИСКРЕТНОГО ТИПАДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «БЕРЕГ-СУДНО»

В рыночных экономических условиях автоматизированные испытания судовых электростанций судов различного назначения в отрасли водного транспорта проводят с использованием промышленной электрической сети судостроительного или судоремонтного предприятия [1]. При строительстве, достройке, испытаниях, ремонте судов речного и морского транспорта для обеспечения энерго- и ресурсосбережения создаются на основе электрической сети судостроительно – судоремонтного предприятия электротехнические комплексы «берег - судно» или «берег - док» [2]. Эти современные электротехнические комплексы «берег - судно» или «берег - док», используя промышленную электрическую сеть судостроительно – судоремонтного предприятия, реализуют системные испытания по энергосберегающей технологии [3].

Система электроснабжения современного судоремонтного предприятия представляет собой сложный комплекс устройств для передачи, преобразования, распределения электрической энергии и оперативно-диспетчерского управления ими, служащий для обеспечения производства различными (по роду тока, уровням напряжения и частоты) видами электроэнергии на всех этапах постройки и ремонта судов, кораблей, плавсредств, обеспечения вспомогательного производства и объектов инфраструктуры предприятия. Как правило, системы электроснабжения судоремонтных предприятий не имеют собственных генерирующих мощностей, чем обусловлена необходимость приобретения 100% потребляемой электроэнергии у поставщиков на оптовом или розничном рынках электроэнергии и мощности.Последнее обстоятельство делает предприятия в значительной мере зависимыми от условий, диктуемых энергоснабжающей организацией в части финансовых и технических вопросов их взаимодействия, регулируемых рядом нормативных документов, таких как Гражданский кодекс РФ, Федеральный закон РФ «Об электроэнергетике», Правила и нормы оптового рынка электроэнергии, нормативные документы РАО «ЕЭС России», договор купли-продажи электроэнергии, и другие. Действующая сегодня система взаимоотношений поставщика и потребителя электроэнергии диктует последнему необходимость наличия возможностей оперативного регулирования параметров электропотребления как по активной, так и по реактивной составляющим потребления, с одной стороны, и корректного установления плановых объемов потребления на заданные расчетные периоды времени, с другой стороны. Необходимо отметить, что неверное установление плановых объемов потребления (следствием чего является отклонение от них фактических величин потребления) влечет применение к потребителю крупных штрафных санкций.

Кроме того, управление режимами электроснабжения судоремонтного предприятия необходимо осуществлять с целью поддержания характеристик и режимов работы отдельных элементов системы электроснабжения в рамках нормативных параметров во избежание нарушения их нормального функционирования, предупреждения и локализации аварий, повышения общего качества оперативно-диспетчерского управления энергосистемой.

Вместе с тем, исследования систем электроснабжения и организации работы энергослужб судоремонтных предприятий выявили ряд серьезных проблем, а именно:

а) отсутствие обоснованных методик определения величин плановых объемов потребления электроэнергии и мощности;

б) отсутствие возможностей оперативного контроля параметров электропотребления и контроля с накоплением данных за определенный промежуток времени, что делает невозможным проверку объемов, предъявляемых энергоснабжающей организацией;

в) отсутствие возможности контроля и учета параметров электропотребления и параметров качества электроэнергии отдельных потребителей, в том числе объектов обеспечения постройки, ремонта и испытания кораблей и судов;

г) отсутствие устройств компенсации реактивной мощности, работающих в автоматическом режиме и обладающих необходимыми точностью и быстродействием;

д) как следствие, отсутствие реальных возможностей управления режимами электроснабжения на требуемом уровне.

Из сказанного выше следует, что для комплексного решения проблемы повышения качества управления режимами электроснабжения судоремонтного предприятия требуется разработка системы учета и контроля параметров электропотребления, разработка методики определения величин плановых объемов потребления мощности, разработка автоматизированных устройств для компенсации реактивной мощности, обладающих высокой точностью и быстродействием.

Проблема компенсации реактивной мощности в сетях крупных потребителей электроэнергии обретает в последнее время все большую актуальность, при этом можно выделить два основных комплекса способствующих этому причин. Во-первых, действующие тарифы на электроэнергию для промышленных потребителей предполагают систему скидок и надбавок к базовым тарифам за потребление (генерацию) реактивной мощности, что напрямую связано с режимами работы компенсаторов реактивной мощности у потребителя. Во-вторых, сложность и разветвленность систем электроснабжения крупных судостроительно-судоремонтных предприятий, разнообразие видов нагрузок и режимов их работы делают целесообразным применение децентрализованных систем компенсации реактивной мощности (как правило, на уровне трансформаторной подстанции или отдельной группы мощных потребителей). Наконец, проведенные исследования систем электроснабжения нескольких крупных судостроительных (судоремонтных) предприятий Северо-Западного региона показали, что большинство узлов нагрузки и центров питания либо вообще не оснащены устройствами компенсации реактивной мощности, либо имеющиеся компенсаторы по разным причинам могут работать только в режиме ручного регулирования мощности, что совершенно не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к системам компенсации реактивной мощности [4, 5].

Для решения выше обозначенных проблем предлагается использовать компенсатор реактивной мощности дискретного типа (КРМ ДТ) [6, 7].

Упрощенная структура КРМ ДТ показана на рис. 2.1. Силовая часть компенсатора состоит из четырех секций конденсаторных батарей (КБ 1, КБ2, КБ3, КБ4) с соотношением мощностей 1: 2: 4: 8, при этом конденсаторы каждой секции включены треугольником. Каждая из секций конденсаторов подключается к сети посредством последовательно соединенных с ними бескон­тактных коммутаторов, выполненных на основе IGBT-транзисторов (ТК1, ТК2, ТКЗ, ТК4). Такая организация силовой части КРМ позволяет, во-первых, значительно сократить количество коммутационно-защитной аппа­ратуры, во-вторых, обеспечить 15 (с нулевым уровнем — 16) ступеней регу­лирования реактивной мощности компенсатора, обеспечивая достаточно плавное изменение мощности при широком диапазоне регулирования.

шины питания нагрузки

Рис.2.1. Структура КРМ ДТ

Важнейшей особенностью предлагаемого компенсатора реактивной мощности по сравнению с применяемыми в настоящее время устройствами является то, что с целью исключения бросков тока в КБ при коммутациях, подключение конденсаторов к сети происходит не в произвольный момент времени, а в момент равенства мгновенного напряжения сети и остаточного напряжения на конденсаторах. Диаграмма, поясняющая работу КРМ ДТ и показывающая изменение величины реактивной мощности устройства, при­ведена на рис. 2.2.

Силовая часть компенсатора состоит из четырех секций КБ, мощности которых относятся друг к другу как 1: 2: 4: 8. Такое построение силовой схемы статического транзисторного коммутатора (СТК) позволяет сократить количество коммутационной аппаратуры при достаточно широком диапазоне регулирования мощности конденсаторной батареи (КБ) [6, 7].

Рис. 2.2. Диаграммы, поясняющие работу компенсатора реактивной мощности дискретного типа

Поскольку полная реактивная мощность проектируемой установки со­ставляет 550 кВАр, мощность одной ступени регулирования определяется следующим образом:

Δ Q = 550/15= 36, 67кВАр.

Мощности первой, второй, третьей и четвертой секций конденсаторной батареи соответственно равны:

Q₁ = 36, 67 кВАр;

Q₂ = 73, 34 кВАр;

Q₃ = 146, 68 кBAp;

Q₄= 293, 36 кВАр.

Суммарная емкость конденсаторов одной секции конденсаторной батареи определяется из выражения [7]:

Q= .

Отсюда получаем соответственно:

= ;

С₂ = 1764 мкФ;

С₃ = 3528 мкФ;

С₄ = 7056 мкФ.

Таким образом, емкости конденсаторов, подключенных в каждую фазу одной секции соответствующих ступеней будут равны:

С _ав1= с _вс1 = с _са1 = 294 мкФ;

С _АВ2 = С_ВС2 = С_СА2 = 588 мкФ;

С _АВ3 = С_ВС3 = С_СА3= 1176 мкФ;

С _АВ4 = С_ВС4 = С_СА4 = 2352 мкФ.

Фазные токи секций батарей конденсаторов определим как:

;

;

140, 4 A;

.

Тогда линейные токи каждой из секции будут равны:

IЛ1 = Ф1 = 60, 8 А;

IЛ2 = 121, 6 А;

IЛ3 = 243, 2 А;

IЛ4 = 486, 4 А.

На основании приведенных выше расчетов целесообразно применить косинусные конденсаторы марки КЭС1-0, 66-40-2У1. Емкость одного такого конденсатора равна С=292 мкФ. Таким образом, в каждой фазе первой секции содержится по одному конденсатору, второй секции - по два параллельно соединенных конденсатора, третьей секции - по четыре и четвертой секции - по восемь конденсаторов.

Для коммутации батарей конденсаторов предлагается применять вместо тиристоров IGВТ-транзисторы. Управление транзисторными ключами существенно отличается от управления тиристорами. Транзистор является полностью управляемым ключом, его можно открывать и закрывать в любые моменты времени, поэтому система управления должна быть точно синхронизирована с сетью и выдавать команды ключу не только на включение, но и на выключение [7].

IGВТ -транзисторы обладают достаточно малым временем переключения. Это позволяет с высокой точностью переключать транзисторы в моменты перехода тока конденсаторов через ноль, а также включать транзисторные ключи в момент времени, когда мгновенное значение напряжения питающей сети и остаточное напряжение на конденсаторе будут равны по величине. Последнее условие, как указывалось выше, позволяет избежать возникновения переходных процессов в КБ при ее подключении к сети.

Выбор силовых транзисторов производится по максимальному напряжению между коллектором и эмиттером и номинальному току через транзистор. Амплитуда напряжения между коллектором и эмиттером на закрытомIGBT-транзисторе может достигать значения:

U_Tm = 2 U_a = 2 U = 2 380 = 1075B.

Это возможно, если конденсатор был заряжен до амплитудного значения напряжения сети. Таким образом, транзистор должен выдерживать эту разность потенциалов с некоторым запасом.

В рассматриваемом компенсаторе реактивной мощности предлагается использовать силовые IGBT-транзисторные модули фирмы MITSUBISHI. Однако это не исключает возможности использования силовых модулей других производителей, имеющие такие же основные параметры, как приведенные ниже для IGBT-модулей MITSUBISHI. Каждый модуль (рис. 2.3) содержит два IGBT-транзистора (коллектор одного из транзисторов соединен с эмиттером другого) и два защитных диода, включенных между эмиттером и коллектором транзисторов, т.е. в одном модуле расположены все компонен­ты для построения транзисторного ключа.

О Э2

О Э1

Рис. 2.3. Принципиальная схема IGBT-модуля

Для коммутации четвертой, самой мощной секции используется модуль CM400DU-24F со следующими параметрами:

• максимальное напряжение коллектор-эмиттер U_кэm=1200 В,

• постоянный ток через коллектор-эмиттер 1_кэм = 400 А,

• управляющее напряжение U_3э =±20В,

• типовое падение напряжения на открытом транзисторе U_кэ0 = 1, 8 В,

• входная емкость модуля С_вх= 160 нФ,

• эквивалентный входной заряд Q_BX= 4400 нК,

• максимальное время включения t_BKJI= 650 нс,

• максимальное время выключения t_BbIKЛ= 1300 нс,

• максимальный входной ток утечки I_вх.у= 80 мкА,

• максимальный ток через закрытый транзистор 1_кэ.т= 2 мА.

Для коммутации третьей секции подходит модуль CM200DU-24H, для коммутации второй секции - модуль CM100DU-24H и для первой - модуль CM50DU-24H. Основные параметры выбранных IGBT-модулей представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Параметры применяемых IGBT-модулей

Компенсатор реактивной мощности в общем случае подключается к шинам низкого (0, 4 кВ) напряжения трансформаторной подстанции (ТП). Следует обеспечить возможность простого отключения его от шин ТП при возникновении необходимости (при ремонте, профилактическом обслуживании и др). Кроме того, необходимо обеспечить защиту от коротких замыканий в силовой части компенсатора [5, 7].

Исходя из данных требований каждая секция компенсатора должна быть подключена к шинам ТП с помощью кабелей через автоматический выключатель.

Выбор сечения жил кабеля должен производиться по рабочему току, протекающему через кабель. В данном случае через жилы кабеля протекают линейные токи конденсаторных батарей. Длина кабеля должна быть по возможности небольшой, чтобы падение напряжения на нем было минимально, так как реактивная мощность конденсатора пропорциональна квадрату на­пряжения на его обкладках.

При выборе автоматических выключателей учитывают: номинальный ток; уставку по току и по времени срабатывания; коммутационную способность; вид расцепителя (электромагнитный, тепловой, комбинированный).

Для подключения конденсаторных батарей возможно использование трехфазных автоматов переменного тока серии A3100 с электромагнитным расцепителем, время срабатывания у которых равно 4 мс.

Параметры автоматических выключателей и кабелей, используемых для подключения секций компенсатора приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Параметры кабелей и автоматических выключателей

Комплексное решение проблемы управления режимами электроснабжения судостроительно-судоремонтного предприятия за счёт разработки методики установления плановых параметров потребления активной мощности, с одной стороны, и разработки устройств компенсации реактивной мощности, с другой стороны, позволяет добиться повышения технико-экономических показателей работы энергохозяйства предприятия в отрасли водного транспорта.

На основе проведённых исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на совершенствование процесса управления электроснабжением судоремонтного предприятия. В результате выполненных исследований получены аналитические соотношения, позволяющие выбрать параметры статического полупроводникового компенсатора реактивной мощности с учётом характеристик питающей сети судостроительно-судоремонтного предприятия.

Разработана математическая модель компенсатора реактивной мощности дискретного типа, адекватно отражающая реальные электромагнитные процессы режима компенсации реактивной мощности в сетях электроснабжения судоремонтного предприятия.

Теоретические результаты подтверждаются математическим моделированием, выполненным на ПЭВМ в среде MatLab-Simulink. Достоверность теоретических положений подтверждена практическим использованием и экспериментальным исследованием опытных образцов компенсаторов реактивной мощности дискретного типа.

На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований с целью решения проблемы компенсации реактивной мощности в электрических сетях судоремонтного предприятия предлагается использовать статический полупроводниковый (транзисторный вместо тиристорного) компенсатор реактивной мощности дискретного типа.

3. СОВРЕМЕННЫЕ КОНДЕНСАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ «БЕРЕГ-СУДНО»

В настоящее время в РФ завод конденсаторного оборудования «Электроинтер» производит отечественные современные энергосберегающие конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности в электротехнических комплексах «берег-судно». Общий вид современных ресурсоэнергосберегающих конденсаторных установок, выпускаемых отечественной промышленностью, предназначенных для компенсации реактивной мощности в электротехнических комплексах «берег-судно», электроэнергетических системах, в сетях электроснабжения речных портов и гидротехнических сооружений, представлен на рис. 3.1.

Рис. 3.1.Современные конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности в электротехнических комплексах «берег-судно»