Электропожаробезопасность высоковольтных судовых электроэнергетических систем - Граве В.И., Романовский В.В. [2003, PDF]

ПРЕДИСЛОВИЕ

Условия эксплуатации морского и речного транспорта предъявляют повышенные требования к надежности и безопасности судовых электроэнергетических систем (СЭЭС). Аварийные cm унции, возникающие в этих системах, способны привести к гибели судна и его экипажа. 13 связи с этим при проектировании, постройке и эксплуатации судов и кораблей вопросам электро- и пожаробезопасности СЭЭС уделяется большое внимание.
Специалистам хорошо известны работы в этой области Г.С. Со- лодовникрва, Е.А. Иванова, Ю.Г. Татьянчеико, А.П. Ксснофонтова, В.А. Благинина, Я.ГI Брунава и других авторов. В их работах рассмотрены и теоретические аспек ты, и, что особенно важно, прак тические вопросы, которые учитывают специфику эксплуатации СЭЭС напряжением до 1000 В (поскольку именно это напряжение преобладает на флоте).
В связи с ростом мощностей СЭЭС появилась необходимость перевода оборудования на повышенные и высокие напряжения. В нашей стране и за рубежом строя тся и эксплуатируются суда с едиными судовыми электроэнергетическими системами напряжением свыше 1000 В. Соответственно, возник ряд проблем, связанных с повышением электро- и пожаробезопасности высоковольтных СЭЭС. Подобные проблемы пока не находят упоминания в научной литературе по этой теме.
В предлагаемой книге авторы сделали попытку ответить на некоторые. наиболее важные вопросы. Основная часть информации, вошедшей в книгу, базируется на современных достижениях в области судо- и электромашиностроения, а также на результатах работы иаучно-исследовагельскнх институтов и учебных заведений.
Научная и методическая направленность книги сформировалась под влиянием трудов Г.И Китаенко, А.П. Баранова, 11.И. Ники форовского. В Г Манойлова, а также специалистов в области элект- робсзоплсиостн береговых электросетей, таких как В.И Щуцкий, 13.М Мгудаси. ИМ Сирота. 13.0. Жидков, Е.Ф. Цапенко, АН Якобе.
ВВЕДЕНИЕ
( удопые электроэнергетические системы (СЭЭС) напряжением свыше 1000 В (в дальнейшем высоковольтные СЭЭС) по структуре, распределительным устройствам, кабельной сети, принципам нос I роения защиты, измерительной аппаратуре и т.п. напоминают Нерповые высоковольтные системы С другой стороны, они имеют определенное сходство и с СЭЭС напряжением до 1000 В (в дальнейшем — низковольтные СЭЭС) Соответственно, возникает вопрос: в какой степени в высоковольтных СЭЭС могут быть использованы традиционные решения по электропожаробезопасности, принимаемые для береговых высоковольтных электроэнергетических систем и для низковольтных СЭЭС. При этом следует иметь в виду, что примерно 75% всех электропожароопасных замыканий в ( ")’ >С составляют однофазные замыкания на корпус (о.з.). Токи о.з.
одна из основных причин элсктротравм и возгораний. Следовательно. вопросы электропожаробезопасности на судах связывают с ними зоками: их величиной (зависящей оа емкости относительно корпуса), длительностью существования, наличием или отсутствием и характеристиками защиты от них. Эти понятия в дальнейшем буду т рассмотрены более подробно
11од термином “электропожаробезоиасность” здесь и далее по- дра румсваются два обобщенных понятия:
элсктробезопасность СЭЭС. г.с. защищенность человека от шектропоражения при эксплуатации и обслуживании сети;
пожаробезопасность СЭЭС, г.с. исключение опасности воз- тораиия электрооборудования и возникновения пожара на судне, имэйлиного неисправностями СЭЭС.
5
/ По сравнению с береговыми высоковольтными сетями и СЭЭС (низкого напряжения высоковольтные СЭЭС имеют определенные особенности, которые оказывают влияние на их электропожаробс- зопасность. Эти особенности необходимо принимать во внимание при решении основных вопросов, связанных с этой проблемой?1
Ознакомление с высоковольтными СЭЭС судов зарубежной постройки показало, что к их основным отличительным особенностям могут быть отнесены следующие [1,2]:
— сравнительно небольшая разветвленность и значительно меньшее количество потребителей, составляющее, как правило, не более 20 единиц (остальные потребители получают электропитание на низком напряжении);
— наличие в электростанции нескольких генераторов, предназначенных как для раздельной, так и для параллельной работы на общие шины;
— значительно меньшая емкость по отношению к корпусу, составляющая единицы микрофарад на три фазы, и се стабильность во времени для каждого потребителя и СЭЭС в целом;
— сравнительно небольшой (до 30%) удельный все кабеля в создании емкости (на военных кораблях с высоковольтными С’ЭЭС он может достигать 75%);
— практически полная симметрия емкостей фаз и отсутствие естественного смешения нейтрали (это объясняется свойствами кабельной сети, отсутствием однофазных потребителей и конденсаторов защиты от радиопомех);
практически одинаковая емкость трех фаз высоковольтной час I и СЭЭС однотипных судов;
— большее активное сопротивление изоляции (на порядок, но сравнению с СЭЭС низкого напряжения);
— более хорошие условия эксплуатации сети в нормальных, не- аварийных режимах работы судна по сравнению с береговыми сетями, в частности — значительно меньший диапазон изменения температуры окружающей среды, меньшее изменение влажности, меньшая вероятность механических повреждений кабельных трасс для СЭЭС гражданских судов;
— отсутствие выключателей в месте установки потребителей,
6
возможность точного учета величины и эксплуатационных изменений емкости сети в зависимости от режима работы СЭЭС (что объясняется небольшим числом высоковольтных потребителей й возможностью измерения их емкости вместе с емкостью кабелей до вы ключа гелей);
отсутствие гальванической связи силовых сетей и цепей управления,
mein рнческая и магнитная экранированноеть токоведущих чистой элементами конструкций распределительных устройств и судовых помещений;
малое, по сравнению с сопротивлением “заземлитель-земля", сопротивление корпуса судна, составляющее сотые доли Ома. J
Как будет показано в дальнейшем, каждая из перечисленных особенностей имеет значение при решении какой-либо конкретной проблемы члектропожаробезопасностн высоковольтных СЭЭС, Например, небольшое количество высоковольтных потребителей элек- гро'шергии, возможность точного учета величины и эксплуатационных изменений емкости сети позволяют определить емкость расчетным пу тем еще на ранних стадиях проектирования судна. Это, в частное т, дает возможность рассчитывать основные характеристики различных режимов нейтрали, выбирать оптимальный режим, находим. характеристики защиты. Как правило, для высоковольных бс- реюаыч сетей и для низковольтных СЭЭС такая возможност ь отсутствует из-за их значительно большей разветвленности. Симметрия фазных емкостей способствует применению перспективной защипа, основанной на принципе искусственного замыкания на корпус поврежденной фазы (АЗФ). Сравнительно небольшая емкость высоковольтной части СЭЭС и ее Стабильность во времени для каждою потребителя благоприятствуют компенсации емкостных токов. Oicytctbhc выключателей в месте установки потребителей и гальванической связи силовых сетей и ценен управления упрощаю i защиту от о.з. и работу автоматики. Электрическая и магнитная экра- инрованпость токоведущих частей элементами конструкций рае- иредустройств и судовых помещений увеличивает электромагнитную шектробе юпасносгь обслуживающего персонала и улучшает члек грома! нитную совместимость судового электрорадиооборудо- ввиия
7
Из приведенных примеров следует вывод: большинст во особенностей высоковольтных СЭЭС, по сравнению с низковольтными и с береговыми высоковольтными сетями, благоприятно влияет па решение многих важных вопросов судовой электропожаробезопасности.
При сравнении с низковольтными СЭЭС решающую роль, на первый взгляд, играет рабочее напряжение, которое на порядок и более превышает напряжение последних. Казалось бы, что и величина токов о.з. соответственно на порядок выше. На самом деле это не так, поскольку величина тока о.з., определяющая электропожаробезопасность, прямо пропорциональна не только величине фазного напряжения, но и емкости грех фаз сети, которая, в свою очередь, на порядок меньше, чем в низковольтной СЭЭС. Следовательно, в первом приближении токи о.з. одного порядка. Нели же учесть, что по сравнению с низковольтным электрооборудованием конструктивное исполнение высоковольтного более надежно и безопасно, его сеть менее разветвленная, активное сопротивление изоляции на порядок выше, а требования по эксплуатации и электробезопасности более жесткие, можно предположить, что электропожаробезопасность высоковольтных СЭЭС может оказаться выше, чем низковольтных. Эго предположение находит косвенное подтверждение в том факте, что за два десятка лет эксплуатации судов и атомных ледоколов [3, 4J с СЭЭС 6 кВ не было зафиксировано ни одного случая о.з. или электротравмы в высоковольтной части СЭЭС. На т аких судах высокий уровень электропожаробезопасности обеспечивается надежной конструкцией высоковольтного электрооборудования н его грамотной эксплуатацией. Существующая защита от о.з. нс рассчитана на значительное повышение уровня электробезопасности. Ее задача — предотвращение повреждения электрооборудования при о.з. и повышение уровня пожаробезопасности высоковольтной СЭЭС II |.
В число основных направлений повышения уровня электробезопасности высоковольтных СЭЭС входят:
1. Изучение научных основ физиологического воздействия электрического тока на человеческий организм, анализ и оценка действующих норм этою воздействия.
I
I
i
'
I
!
I
8
}.. ('издание критериев оценки и изучение основных факторов, онредоииющих электро- и пожаробезопасность СЭЭС при о.з.
I. Разработка методов расчета и измерения емкости, сопротивлении изоляции и гока о.з. в высоковольтных СЭЭС.
Но результатам проведенных исследований могут быть даны олодуютие рекомендации:
режимы нейтрали и принципы построения защиты от о.з. ( подует пыбнрать совместно, т.е, исходя из необходимой степени Ш’ктропожаробсзопасности; необходимо выбирать систему “ней- гр|и||.-зп|ци га от о.з ”. Это означает, что характеристики выбранной ипциты от о.з. зависят от выбранного режима нейтрали и наоборот: При выборе режима нейтрали следует ориентироваться на опредс- лепний вид защиты;
в СЭЭС напряжением 6 кВ возможно применение следующе- ю режима нейтрали: полностью изолированная от корпуса, соединении)! и ним через высокоомный резистор или дугогасящий реак- шр, Использование глухозаземленной нейтрали не рекомендуется ИЗ-ЗП болыпих токов о.з.;
для повышения уровня электро- и пожаробезопасности судовых ЭЭС 6 кВ рекомендуется применение автоматического селективного контроля сопротивления изоляции [105], защиты от о.з., цеПочиующсй на отключение, защитного шунтирования поврежден- iioll фазы, компенсации токов о.з., а также использование организационных мероприятий и конструктивных решении; состав техниче- 1‘мIх средств определяется разработчиками и каждом конкретном случае.
Как негативное явление, свойственное высоковольтным СЭЭС, можно отметить отсутствие характеристик вероятности случайных прикосновений к токоведущим частям при осуществлении всехкон- гipyKiнишах о организационных мероприятий, направленных на их предотвращение, а также отсутствие данных по вероятности возникновении пожара на судне при воспламенении различных видов hick (рооборудовамия. Наличие таких данных предоставило бы возможность определять фактический уровень электропожаробезопас- иоп и для ряда сочетаний этих мероприятий и защиты.

Содержание

Оглавление
Предисловие............................................................... . . д
Введение .................................................................................. 5
Глава 1. Условия электропожаробезопасносги . .10
1.1. Однофазные замыкания на корпус . .......................................
1.2. Протекание электрического тока через тело человека
в судовых условиях............................................. . ............... |з
1.3. Пожаробезопасность высововольтных СЭЭС .............. 21
Глава 2. Режим нейтрали и электропожаробезопасность 24
2.1. Возможные режимы нейтрали высоковольтных СЭЭС'. . .
2.2. Влияние режима нейтрали на величину токов однофазных
замыканий на корпус............................................................ 27
2.3. Переходные процессы при различных режимах нейтрали ... 39
2.4. О выборе оптимального режима.нейтрали................... 42
2.5. Режимы ней трали высоковольтных СЭЭС зарубежных
и отечес твенных судов............................................................ 44
Глава 3. Расчет и измерение электрической емкости СЭЭС
относительно корпуса судна...................................... 4С,
3.1. Методы аналитического расчета емкости высоковольтного
электрооборудования . .................................................
3.2. Расчет емкости высоковольтных СЭЭС относительно
корпуса судна.......................................................................... 56
3.3. Методы измерения емкостей отдельного судового
электрооборудования и высоковольтной СЭЭС в целом ... 5^
3.4. Результаты стендовых измерений................ ■ ... 67
3.5. Высоковольтные СЭЭС современных судов.............. 70
3.6. Измерение емкости на судах с СЭЭС напряжением 6 кВ. ... Я7
1 59
Глава 4. Расчет величин, характеризующих электропожаро безопасность............................................................
4.1. Расчет токов однофазного замыкания на корпус
4.2. Определение вероятности смертельного поражения
электрическим током.........................................................
4.3. О вероятности возникновения пожара на судне при
воспламенении электрооборудования...............................
Глава 5. Защита от однофазных замыкании на корпус . . .
5.1. Технические способы и основные пути достижения
электропожаробезопасности..............................
5.2. Автоматическое отключение участков СЭЭС с о.з. (УЗО) .
5.3. Быстродействующее автоматическое замыкание на корпус
поврежденной фазы (АЗФ)..............................................
5.4. Контроль сопротивления изоляции и выбор оптимальной
системы “нейтраль-защита” .................... .......................
Литература................................................................................
Учебное издание
ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ ГРАВЕ,
ВИКТОР ВИКТОРОВИЧ РОМАНОВСКИЙ, ВИТАЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ УШАКОВ
Электропожаробезопасность высоковольтных судовых электроэнергетических систем
Редактор 10. В. Халфина Коррекз ор А.В Александрова Рисунки и верстка Д. С Неуймин
Лицензия ЛИ № 000034 от 20.11 1998 ■
Сдано в набор 27.05.2002 г. Подписано в печать 05.01.2003 г. Уел. печ. л. 10.25. Формат 60x84/16. Тираж 500 экз. Заказ 670 Издательство “Элмор”, 199026, С.-Петербург, а/я 868.
Отпечатано с готовых