Janusz Mindykowski - Dlaczego problem jakości energii elektrycznej w systemach okrętowych zasługuje na szczególną uwagę.pdf
(
323 KB
)
Pobierz
Janusz Mindykowski
Akademia Morska w Gdyni, Katedra Elektroenergetyki Okrętowej
Dlaczego problem jakości energii elektrycznej w systemach
okrętowych zasługuje na szczególną uwagę?
Streszczenie.
W pracy przedstawiono krótką charakterystykę okrętowego systemu elektroenergetycznego. Podkreślono istotność związków między
jakością energii elektrycznej wytwarzanej i użytkowanej w rozważanym systemie, a ryzykiem katastrofy morskiej. Zwrócono uwagę na zagrożenie
życia ludzkiego i środowiska naturalnego, a także wymierne straty ekonomiczne, będące pochodną zaniżonej jakości energii elektrycznej.
Przedstawiono zagadnienie estymacji jakości energii elektrycznej jako klucz do jej poprawy.
Abstract
. A short characteristic of the ship electrical power system has been presented. The strong relationships between a quality of electrical
power produced and utilized in the system under consideration and a risk of sea disaster have been underlined. A special attention on hazard of
human life and natural environment as well as concrete economical losses resulting from electrical power quality deterioration has been paid. A
problem of electrical power quality assessment as the key point for its improvement has been presented. (Why does the electrical power quality
problem in ship’s systems deserve special attention?).
Słowa kluczowe
: jakość energii elektrycznej, elektroenergetyczne systemy okrętowe, ryzyko katastrofy morskiej, przepisy towarzystw
klasyfikacyjnych.
Keywords:
electrical power quality, ship power systems, risk of sea disaster, classification society rules
Wstęp
Okrętowe systemy elektroenergetyczne należą do grupy
tzw. autonomicznych systemów elektroenergetycznych,
między innymi określanej mianem „isolated power systems”
[1]. Oprócz systemów okrętowych, w jej skład wchodzą
systemy: statków powietrznych, platform wiertniczych,
małych wysp, zakładów przemysłowych o sezonowym
charakterze pracy, czy też awaryjne systemy banków,
szpitali, centrów handlowych i wysokich budynków [1], [2].
Cechy charakterystyczne tego rodzaju systemów to:
ograniczona, niewielka liczba źródeł energii, niespotykany
w innych przypadkach stosunek mocy pojedynczego
odbiornika do źródła energii elektrycznej [3], [4] oraz
relatywnie duża wartość impedancji zwarcia prądnic
instalowanych w tych systemach [1], [5]. W efekcie
zaburzenia elektromagnetyczne, (a zwłaszcza wywołane
nimi zmiany częstotliwości oraz zniekształcenia prądów i
napięć) w autonomicznych systemach
elektroenergetycznych znacznie przekraczają swoim
poziomem zaburzenia w dużych, połączonych systemach
elektroenergetyki lądowej, obserwowane w czasie ich
normalnej eksploatacji. Należy podkreślić wzrost
zainteresowania tego rodzaju systemami na świecie,
udokumentowany rosnącą liczbą publikacji na ich temat [1],
[2], [4], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]. Również w
informacji elektronicznej przesłanej w tym roku do członków
Power Engineering Society IEEE systemy takie, (określane
mianem „finite inertia power systems”), są wymieniane jako
jedna z głównych dziedzin zainteresowania środowiska
inżynierów związanych z elektroenergetyką.
Co jednak sprawia, że okrętowy system
elektroenergetyczny powinien być traktowany ze
szczególną uwagą? Odpowiedź jest prosta: jest on
zainstalowany na obiekcie ruchomym - statku, i posiada
decydujący wpływ na jego funkcjonowanie. Natomiast
statek, zwłaszcza przewożący ładunki niebezpieczne, w
przypadku awarii stanowi potencjalne (zmienne w czasie i
przestrzeni) zagrożenie dla ludzi i środowiska naturalnego.
W związku z tym konsekwencje błędnej obsługi,
niepoprawnego funkcjonowania lub awarii rozważanych
systemów mogą znacznie wykraczać poza strefę samego
statku. Zaś skutki katastrof okrętowych, zwłaszcza
tankowców, są aż nazbyt dobrze znane z doniesień
mediów.
Waga rozważanego problemu wzrasta, jeżeli dodamy, iż
istotna część, tj. 340
×
10
6
dwt (deadweight tonnage)
całkowitego tonażu handlowej floty światowej,
szacowanego na 800
×
10
6
dwt [16], stanowi tonaż
tankowców, a więc statków podwyższonego ryzyka, ze
względu na konsekwencje wynikające z potencjalnego
zagrożenia środowiska naturalnego w przypadku awarii lub
katastrofy.
Charakterystyka
okrętowego
systemu
elektroenergetycznego
Na okrętowy system elektroenergetyczny składają się
zarówno urządzenia służące do wytwarzania energii
elektrycznej, urządzenia do przesyłu i rozdziału
wytwarzanej energii, jak i jej odbiorniki. Podstawowe
elementy
składowe
okrętowego
systemu
elektroenergetycznego (rys.1) stanowią [3], [4]:
- źródła energii – w podstawowej konfiguracji stosowane
są zwykle trzy zespoły prądotwórcze diesel-generator
oraz agregat awaryjny, a czasami instalowane są również
prądnice wałowe, czy też turboprądnice;
- rozdzielnica główna i awaryjna wraz z układami
zabezpieczeń, wyłącznikami oraz szynami głównymi i
układami pomiarowymi;
- sieć kablowa;
- odbiorniki energii elektrycznej.
Przykładowy schemat trójfazowej sieci okrętowej z
prądnicą wałową (PW), napędzaną silnikiem głównym (SG),
prądnicą napędzaną turbiną (TG), zasilaną parą
wytwarzaną w kotle ogrzewanym spalinami wylotowymi SG
i prądnicami (G
i
...G
j
) oraz prądnicą awaryjną G
A
napędzanymi
pomocniczymi
silnikami
spalinowymi
przedstawiono na rysunku 1.
Rys.1. Przykładowy schemat elektroenergetycznej trójfazowej sieci
okrętowej, zasilanej z różnych źródeł energii
środowisku okrętowym poddane zostają działaniu
ekstremalnych warunków zewnętrznych, takich jak: wysoka
i niska temperatura powietrza, mgła solna, zalewanie wodą,
wysoka wilgotność powietrza, wibracje, wstrząsy i
kołysania. Wszystkie te czynniki, ograniczając trwałość
ważnych elementów systemu, mogą mieć pośredni wpływ
na jakość energii elektrycznej. Czynnikiem, wpływającym
bezpośrednio na zmiany wartości skutecznej napięcia i jego
częstotliwości w rozważanych sieciach jest stan morza,
zwłaszcza w czasie pracy prądnicy wałowej. W przypadku
dużej fali dochodzi do zmian prędkości obrotowej silnika
głównego na skutek zmian jego obciążenia. W efekcie
pogarsza się jakość wytwarzania energii elektrycznej przez
sprzęgniętą z silnikiem głównym prądnicę wałową. Zjawisko
to jest szczególnie widoczne w przypadku bezpośredniego
przyłączenia prądnicy wałowej do szyn głównych. Na
rysunku 3 przedstawiono odchylenia względne wartości
skutecznej i częstotliwości napięcia zasilającego od ich
wartości średniej w trakcie rejsu statku typu ro-ro [3]. Stan
morza w czasie pomiaru wynosił 4
÷
5
°
B, a kurs statku był
przeciwnie skierowany do kierunku wiatru i fali.
Generatory okrętowe są „miękkimi” źródłami napięcia
przemiennego, w których impedancja (zdeterminowana
głównie reaktancją w osi podłużnej maszyny) może być
rzędu nawet 15...20%, w porównaniu ze „sztywnymi”
źródłami (4...6%) powszechnie stosowanymi w energetyce
lądowej [9]. Stąd też, w sieciach okrętowych mamy
relatywnie małe moce zwarciowe, a więc również
ograniczone prądy zwarciowe. Niewątpliwie specyfiką sieci
okrętowych jest występowanie w nich odbiorników - głównie
silników asynchronicznych o mocach porównywalnych z
mocami źródeł energii. W przypadku, gdy silnik znajduje się
w niewielkiej odległości od miejsca zwarcia, napięcie na
jego zaciskach praktycznie spada do zera. Silnik zachowuje
się wówczas jak prądnica, zasilając miejsce zwarcia z
zasobu energii kinetycznej mas wirujących i energii
powstałej z zanikającego pola elektromagnetycznego
silnika [5]. Udział silników asynchronicznych w prądzie
zwarciowym trwa kilka okresów i może sięgać 50% prądu
zwarciowego od prądnic, który w sieciach okrętowych ma
stosunkowo dużą wartość udarową, co istotnie wpływa na
wytrzymałość dynamiczną aparatów takich jak: wyłączniki,
odłączniki, bezpieczniki.
Elektroenergetyczna sieć okrętowa jest siecią
„elastyczną”. Charakteryzuje się ona dużymi zmianami
napięcia i częstotliwości, wynikającymi z porównywalnych
mocy elektrowni okrętowej i załączanych dużych, często
„niespokojnych” odbiorników energii np. sterów
strumieniowych, pomp, sprężarek. Przykładowo, moce
elektrycznych silników napędowych sterów strumieniowych
często przekraczają 1MW, a moc wolnostojącego zespołu
prądotwórczego może być poniżej tej wartości [17], [18]. Na
rysunku 2 przedstawiono przebieg zmian wartości
skutecznej i częstotliwości napięcia zasilającego w czasie
rozruchu wentylatorów ładowni na statku typu ro-ro [19].
Rys.3. Odchylenia wartości skutecznej i częstotliwości napięcia od
ich średniej wartości dla statku typu ro-ro w czasie jazdy w morzu w
trudnych warunkach żeglugowych
Dodatkowo, ważnym wyróżnikiem
elektroenergetycznych sieci okrętowych na współczesnych
statkach jest występowanie odkształconych przebiegów
napięcia i prądu (rys.4), powodowanych powszechnym
stosowaniem przekształtników półprzewodnikowych m.in. w
układach napędowych oraz w układach umożliwiających
współpracę prądnic wałowych z siecią okrętową [3], [4],
[20], [21], [22].
Rys.2. Przebieg zmian wartości skutecznej i częstotliwości napięcia
zasilającego na szynach rozdzielnicy głównej statku typu ro-ro w
czasie rozruchu wentylatorów ładowni
Przebiegi pokazane na rysunku 2 wyznaczono z
wykorzystaniem cyfrowego układu pomiarowego, gdzie
częstotliwość określano poprzez analizę przejść przez zero
„(
−
/
+
)” z wykorzystaniem zmian znaku dwóch sąsiednich
próbek napięcia [3], [10].
Reasumując, w przypadku zmian konfiguracji
okrętowego systemu elektroenergetycznego wynikających z
załączania i wyłączania prądnic oraz „niespokojnych”
(często nieliniowych) odbiorników, mimo poprawnej pracy
zarówno układów regulacji napięcia generatorów, jak i
układów regulacji prędkości obrotowej silników napędowych
prądnic, zmiany (kołysania) parametrów sieci okrętowej są
wyraźnie odczuwalne.
Oddzielną grupę czynników powodujących zmiany
napięcia i częstotliwości w okrętowych sieciach
elektroenergetycznych stanowią czynniki środowiskowe.
Urządzenia elektryczne i elektroniczne pracujące w
Rys.4. Przykładowe przebiegi napięcia u(t) na szynach głównych i
prądu i(t) generatora wraz z odpowiadającymi im widmami
amplitudowymi
dla
elektrowni
okrętowej
obciążonej
przekształtnikiem sześciopulsowym [20]
Im źródło napięcia jest bardziej „miękkie” (ma większą
impedancję),
tym
wyższe
zniekształcenia
napięcia
występują dla odkształconego prądu [9]. Konsekwencją
powyższego jest konieczność ograniczenia poziomu
poszczególnych składowych harmonicznych prądu a tym
samym sumarycznego zniekształcenia harmonicznymi
napięcia. Do najczęściej wykorzystywanych technik w tym
zakresie należy stosowanie dławików wygładzających,
wieloimpulsowych układów napędowych, transformatorów z
przesunięciem fazowym oraz filtrów pasywnych i aktywnych
[9], [15], [20], [23].
Innym elementem, charakterystycznym dla okrętowej
sieci elektroenergetycznej jest praca równoległa co najmniej
dwóch zespołów prądotwórczych w okresach
przewidywanego zwiększonego zapotrzebowania na
energię, takich jak manewry i prace przeładunkowe
urządzeniami statku. Powoduje to konieczność regulacji
rozdziału mocy czynnej i biernej pomiędzy współpracujące
prądnice. Nieproporcjonalny rozdział mocy może
spowodować pozorne przeciążenie elektrowni okrętowej, a
w konsekwencji odłączenie odbiorów mniej ważnych lub
nawet zanik zasilania w elektroenergetycznej sieci
okrętowej tzw. "blackout" [3], [4], [23], [25], o skutkach
trudnych do przewidzenia, szczególnie w trudnych
warunkach pogodowych. Występowanie wyżej
przedstawionych zjawisk i uwarunkowań ma istotny wpływ
na jakość energii elektrycznej w rozważanych sieciach
okrętowych.
odchyleniach napięcia od wartości znamionowej
+
6% i
−
10%. Pierwsze z wymienionych wymagań muszą być
bardziej rygorystyczne, z uwagi na wcześniej opisane
uwarunkowania, wynikające ze specyfiki
elektroenergetycznych systemów okrętowych, powodujące
pogorszenie jakości wytwarzanej energii poprzez wpływ
nieliniowego i „niespokojnego” obciążenia sieci.
Przykładowo, o ile moment pojawienia się zaburzeń
związanych z włączeniem pomp heelingowych, sterów
strumieniowych czy też dźwigów pokładowych może zostać
w miarę dokładnie określony, o tyle momenty załączeń i
wyłączeń urządzeń pracujących w cyklach automatycznych
np. chłodziarek, sprężarek czy pomp zainstalowanych w
odpowiednich obiegach technologicznych są trudne do
określenia, gdyż wynikają one ze zmiennych warunków
pracy kontrolowanych obiektów. W tym kontekście,
impedancje elementów składowych sieci okrętowych
ulegają zmianom w szerokim zakresie, głównie na skutek
załączania i wyłączania prądnic i odbiorników, tj.
planowanych bądź wymuszanych przełączeń dużych mocy
w rozważanej sieci.
Dodatkowe odchylenia napięcia w okrętowej sieci
elektroenergetycznej są spowodowane spadkami napięcia
na kablach zasilających, które według wymagań PRS [27]
nie powinny przekraczać (w procentach napięcia
znamionowego) odpowiedniej wartości. Przykładowo, dla
kabli zasilających silniki prądu przemiennego z
bezpośrednim rozruchem wynosi ona do 25% w chwili
rozruchu.
Warto również wspomnieć o wymaganiach w zakresie
kompatybilności elektromagnetycznej dotyczących
urządzeń elektrycznych i elektronicznych instalowanych w
elektroenergetycznych sieciach okrętowych, które zgodnie z
odpowiednimi normami [28], musza być odporne na
zaburzenia impulsowe nanosekundowe, zaburzenia
impulsowe dużej energii oraz zaburzenia przewodzone
wysokiej i niskiej częstotliwości. Nadto, rozważane
urządzenia nie mogą być źródłem emisji zaburzeń
promieniowanych i przewodzonych o parametrach
przekraczających wartości dopuszczalne przywołane we
wspomnianych przepisach.
Jakość wytwarzania energii elektrycznej w
elektroenergetycznej sieci okrętowej dotyczy przede
wszystkim zapewnienia niezawodności (ciągłości) zasilania
szyn głównych elektrowni okrętowej napięciem o
odpowiednich parametrach. Zależy ona głównie od rodzaju
jednostek napędowych prądnic oraz charakterystyk
urządzeń do regulacji napięcia prądnic okrętowych i
regulacji prędkości obrotowej silników napędowych, a także
od właściwości przekształtników energoelektronicznych
wykorzystanych w układach zasilających rozważane
systemy.
Odchylenie napięcia i częstotliwości od ich wartości
znamionowych, oddzielnie dla stanów statycznych i
dynamicznych, najprościej można opisać w jednostkach
względnych [8], [29], [30]:
Jakość energii elektrycznej w systemach okrętowych w
świetle przepisów towarzystw klasyfikacyjnych
Jakość energii elektrycznej w okrętowym systemie
elektroenergetycznym można zdefiniować za pomocą
zbioru parametrów opisujących proces wytwarzania,
rozdziału i użytkowania energii elektrycznej we wszystkich
stanach eksploatacyjnych statku (manewry, podróż morska,
postój w porcie) [4], [19]. Zbiór ten obejmuje parametry
napięć i prądów (wartość skuteczna, częstotliwość,
asymetria, kształt przebiegu czasowego) we wszystkich
punktach analizowanego systemu oraz parametry opisujące
ryzyko utraty ciągłości zasilania (rozdział obciążeń
czynnych i biernych między równolegle pracującymi
zespołami prądotwórczymi). Tak zdefiniowana jakość
energii elektrycznej jest pojęciem obejmującym zarówno
szeroki horyzont czasowy, równy czasowi eksploatacji
statku, jak i stosunkowo rozległy przestrzennie obszar, od
pokładu, przez pomieszczenia załogowe i pasażerskie, aż
do siłowni i ładowni.
Jakość energii elektrycznej w elektroenergetycznej sieci
okrętowej jest uwarunkowana zarówno jakością
wytwarzania energii przez zespoły prądotwórcze, jak
również jakością jej użytkowania przez odbiorniki energii
elektrycznej. Choć obydwa te zagadnienia ściśle łączą się
ze sobą, to rozróżnienie dotyczące jakości wytwarzania i
użytkowania energii elektrycznej na statkach ma również
wymiar legislacyjny. Przykładowo, Przepisy Klasyfikacji i
Budowy Statków, wg. PRS [27] oddzielnie określają
dokładność dynamicznej i statycznej regulacji napięcia i
częstotliwości dla zespołów prądotwórczych wraz ze
współpracującymi z nimi układami regulacji prędkości
obrotowej i napięcia (wytwarzanie energii elektrycznej) i
oddzielnie definiują dopuszczalne wartości odchyleń
napięcia i częstotliwości od wartości znamionowych w
elektroenergetycznej sieci okrętowej ze względu na
poprawną pracę odbiorników (użytkowanie energii
elektrycznej) [27], [28]. Zgodnie z przepisami PRS regulator
napięcia prądnicy powinien zapewniać utrzymywanie
napięcia w stanie ustalonym z dokładnością
±
2,5% (przy
znamionowym współczynniku mocy). Natomiast odbiorniki
energii elektrycznej instalowane w rozważanych systemach
powinny
U
−
U
[]
n
⋅
δ
U
=
100
%
(1)
U
n
f
−
f
[]
n
⋅
δ
f
=
100
%
(2)
f
n
gdzie:
U,f
- aktualnie występujące wartości napięcia i
częstotliwości w rozważanym punkcie systemu,
U
n
,
f
n
-
wartości znamionowe napięcia i częstotliwości.
pracować
prawidłowo
przy
długotrwałych
Zgodnie z wymaganiami PRS [27] i PN-IEC 60092-
101:2001 [31] prądnice okrętowe prądu przemiennego
powinny wytwarzać praktycznie sinusoidalne napięcie
trójfazowe symetryczne, tzn. różnica między wartością
chwilową krzywej generowanego napięcia, a odpowiednią
wartością pierwszej harmonicznej, nie powinna przekraczać
5% wartości szczytowej pierwszej harmonicznej [27], a
asymetria napięcia międzyfazowego (ciągła) wartości 3%
[30]. Jednak w czasie eksploatacji mogą pojawić się
niesymetrie napięć fazowych prądnic okrętowych związane
z niesymetrycznym obciążeniem lub natury konstrukcyjnej.
Zjawisko takie zostało wielokrotnie odnotowane w czasie
eksploatacji statków, np. spowodowane przesunięciem osi
symetrii wirnika względem osi symetrii stojana na skutek
wyżłobienia wału wirnika w miejscu jego ułożyskowania lub
zwarciami międzyzwojowymi [3], [4].
Wcześniej wspomniana konieczność regulacji rozdziału
mocy czynnej i biernej między współpracujące równolegle
zespoły prądotwórcze jest również określona wymaganiami
przepisów PRS [26], w oparciu o odpowiednio zdefiniowane
wskaźniki rozdziału mocy czynnej i-tej prądnicy
δ
P
i
i jej
mocy biernej
δ
Q
i
, pracującej równolegle;
U
−
U
[]
śr
C
=
⋅
100
%
(5)
va
U
śr
Dużą zaletą tego wskaźnika, w odróżnieniu od
wskaźnika asymetrii opisywanego z wykorzystaniem
składowych symetrycznych kolejności zgodnej, przemiennej
i zerowej [4], [29], [30], jest łatwość jego wyznaczania oraz
bezpośrednie odniesienie do dopuszczalnego obciążenia
silnika indukcyjnego. Zgodnie z ustaleniami
Międzynarodowej komisji Elektrotechniki (IEC Raport
892/1987), obciążenie silnika indukcyjnego należy
ograniczyć w stopniu zależnym od C
va
, do 0,9 mocy
znamionowej przy wskaźniku równym 3% i do 0,75 mocy
znamionowej przy wskaźniku równym 5%.
Zniekształcenia napięcia w sieciach okrętowych w
przeszłości spowodowane były głównie procesami
łączeniowymi w aparaturze rozdzielczej i w odbiornikach
oraz przepięciami przy przepalaniu się bezpieczników.
Dzisiaj często wywoływane są one przez powszechnie
stosowane przekształtniki półprzewodnikowe.
Zniekształcenia te, dla sieci okrętowych, można określić za
pomocą wskaźnika zniekształcenia napięcia THD oraz
wskaźnika maksymalnego odchylenia chwilowej wartości
napięcia od pierwszej harmonicznej u
w
[27], [32].
k
=
P
−
α
⋅
P
i
i
i
[]
i
1
δ
P
=
⋅
100
%
(3)
i
P
50
n
=
2
n
U
[]
n
2
THD
=
⋅
100
%
(6)
k
=
U
Q
−
α
⋅
Q
1
i
i
i
[]
i
1
δ
Q
=
⋅
100
%
(4)
i
gdzie:
U
n
- wartość skuteczna
n
-tej harmonicznej napięcia,
U
1
- wartość skuteczna podstawowej harmonicznej
napięcia.
Q
n
gdzie:
P
i
,
Q
i
- obciążenie czynne (bierne)
i
-tej prądnicy,
P
n
,
Q
n
- znamionowe obciążenia czynne lub bierne prądnicy o
największej mocy pracującej równolegle albo znamionowe
obciążenie czynne lub bierne rozpatrywanej prądnicy, jeżeli
jej znamionowe obciążenie czynne jest mniejsze niż 0,6, a
bierne mniejsze niż 0,4 znamionowego obciążenia
czynnego lub biernego prądnicy o największej mocy,
pracującej równolegle,
k
- liczba pracujących równolegle
prądnic,
α
i
- współczynnik proporcjonalności zależny od
liczby i mocy współpracujących zespołów prądotwórczych
(
α
i
= 0,5 dla
k
= 2 i równych mocy współpracujących
zespołów).
∆
U
[]
m
u
=
⋅
100
%
(7)
w
2
⋅
U
1
gdzie:
∆
U
m
- wartość maksymalna odchylenia,
U
1
- wartość
skuteczna pierwszej harmonicznej napięcia.
Zgodnie z przepisami PRS wskaźnik zniekształceń
napięcia THD nie powinien być większy od 10%, natomiast
wskaźnik maksymalnego odchylenia u
w
chwilowej wartości
napięcia od pierwszej harmonicznej nie powinien
przekraczać 30%.
Wybrane wymagania towarzystw klasyfikacyjnych
dotyczące omawianej problematyki przedstawiono w tabeli
1 [27], [32], [33].
Natomiast pod pojęciem jakości użytkowania energii
elektrycznej należy rozumieć właściwość odbiorników
energii elektrycznej, polegającą na niezakłócaniu pracy
innych odbiorników, zasilanych z tej samej sieci
elektroenergetycznej, zarówno w stanach ustalonych jak i
przejściowych. Jakość użytkowania energii elektrycznej
wiąże się przede wszystkim z symetrią obciążenia oraz jego
nieliniowością. Istotny jest także fakt, czy załączane
obciążenie należy do grupy tzw. odbiorników
niespokojnych. Reasumując, zakłócające działanie
odbiorników energii elektrycznej na jej jakość w sieci
okrętowej objawia się przede wszystkim w postaci stanów
przejściowych, wprowadzania wyższych harmonicznych
prądu do sieci oraz asymetrii obciążenia.
Do oceny asymetrii napięcia zasilającego można
wykorzystać wskaźnik procentowej asymetrii napięciowej
C
va
określony jako stosunek największej odchyłki napięcia
U od średniej wartości napięcia U
śr
do średniej wartości
napięcia [30]:
Tabela 1. Zestawienie wskaźników jakości energii elektrycznej w
systemie
okrętowym
w
odniesieniu
do
polskich
oraz
międzynarodowych Przepisów Towarzystw Klasyfikacyjnych
IACS
PRS
LLOYD
DNV
NKK
ABS
RS
THD
[%]
5
10
***
10*
8
***
**
10
u
w
[%]
-
30
-
-
-
-
30
δ
U [%]
−
10,
+
6
−
10,
+
6
−
10,
+
6
−
10,
+
6
−
10,
+
6
−
10,
+
6
−
10,
+
6
δ
f [%]
±
5
±
5
±
5
±
5
±
5
±
5
±
5
δ
U
d
[%]
t=1,5s
±
20
+
20,
−
15
+
20,
−
15
+
20,
−
15
±
20
±
20
±
20
δ
U
d
[%]
t=5s
±
10
±
10
±
10
±
10
±
10
±
10
±
10
δ
P
i
[%]
-
15/25
15/25
15/25
15/25
15/25
15/25
δ
Q
i
[%]
---
10/25
5
10/25
10/25
10/25
10/25
* - dla systemu z przekształtnikami elektronicznymi
** - w przygotowaniu
*** - brak aktualnych danych
W tabeli przyjęto następujące oznaczenia: IACS -
International Association of Classification Societies, PRS -
Polski Rejestr Statków, Lloyd - Lloyd’s Register of Shipping,
DNV - Det Norske Veritas, NKK - Nippon Kaiji Kyokai, ABS
- American Bureau of Shipping, RS - Register of Shipping
(Rosyjskie Towarzystwo Klasyfikacyjne) THD -
współczynnik zniekształceń napięcia, harmonicznymi u
w
-
współczynnik odchylenia wartości chwilowej napięcia od
pierwszej harmonicznej,
δ
U (
δ
U
d
) - współczynnik
statycznego (dynamicznego) odchylenia napięcia,
δ
f (
δ
f
d
) -
współczynnik statycznego (dynamicznego) odchylenia
częstotliwości,
δ
P
i
(
δ
Q
i
)
- współczynnik statycznego
rozpływu obciążenia czynnego (biernego), t - czas
krótkotrwałego odchylenia napięcia i częstotliwości od
wartości znamionowej.
Porównując wymagania dotyczące jakości energii
elektrycznej określane przez towarzystwa klasyfikacyjne dla
statków morskich z analogicznymi wymaganiami
zdefiniowanymi w normie europejskiej EN 50160 dla sieci
lądowych, można sformułować następujące wnioski:
- przepisy towarzystw klasyfikacyjnych określają
dopuszczalne zakresy wahań napięcia i jego
częstotliwości, współczynnik zniekształceń napięcia
harmonicznymi, współczynnik odchylenia wartości
chwilowej napięcia od pierwszej harmonicznej oraz
współczynnik statycznego rozdziału obciążeń czynnych i
biernych;
- natomiast, w rozróżnianych przepisach brak jest
współczynników zawartości poszczególnych
harmonicznych i interharmonicznych, współczynnika
średniego zniekształcenia napięcia harmonicznymi,
współczynników średnich
- zniekształcenia krzywej przebiegów czasowych sygnałów
powodowane harmonicznymi oraz zjawiskami typu
„transient” i „notching”,
- nieproporcjonalny rozdział mocy czynnych i biernych
między pracujące równolegle zespoły prądotwórcze.
Zakłócenia pracy istotnych elementów systemu
elektroenergetycznego (silnik główny, prądnice, odbiorniki o
żywotnym znaczeniu dla funkcjonowania statku) mogą
wywołać awarię o poważnych konsekwencjach
ekonomicznych, ale mogą również, przy splocie
niesprzyjających okoliczności (np. utrata manewrowości
statku w sytuacji kolizyjnej) doprowadzić do katastrofy
morskiej zagrażającej życiu ludzkiemu i środowisku
naturalnemu. Dlatego, też biorąc pod uwagę ogromne
znaczenie systemu elektroenergetycznego dla
funkcjonowania pozostałych systemów statku (np. systemu
nawigacyjnego czy napędowego) należy dokonać
gruntownej analizy potencjalnych przyczyn zaburzeń, aby
móc im skutecznie przeciwdziałać. Do najważniejszych
przyczyn zaburzeń występujących w okrętowych systemach
elektroenergetycznych zaliczyć można:
- niestaranność w projektowaniu i wykonywaniu systemu,
- błędy w jego eksploatacji („human error” jest wg statystyk
International Maritime Organisation (IMO) dominującą
przyczyną wypadków na morzu),
- awarie ważnych elementów systemu (np. filtrów
harmonicznych
współpracujących
z
prądnicami
wałowymi),
- procesy łączeniowe i powodowane nimi przepięcia w
aparaturze rozdzielczej i odbiornikach,
- wpływ stosowanych urządzeń elektroenergetycznych.
Szczególnie ostatnia z wymienionych przyczyn zasługuje
na baczniejszą uwagę, gdyż w połączeniu z „miękkością”
sieci, wspomniane przekształtniki energoelektroniczne, o
szybko rosnących mocach [9] powodują niedopuszczalne
zniekształcenia napięcia. Rejestrowane w sieciach
okrętowych rzeczywiste wartości THD często przekraczają
15%, a nawet 20% [6], [7], [9], [18], [20], znacznie
przekraczając
odchyleń
napięcia
i
częstotliwości oraz współczynnika asymetrii napięciowej.
Warto podkreślić brak ostatniego z wymienionych
współczynników (jak dotąd żadne z towarzystw
klasyfikacyjnych nie wprowadziło stosownych zapisów w
tym zakresie), mimo definicji podanych w normie PN-IEC
60092-101:2001 [31]. Istotnym mankamentem przepisów
towarzystw klasyfikacyjnych jest również brak wymagań i
opisu procedur odnośnie systematycznej kontroli jakości
energii elektrycznej w systemach okrętowych.
wartości
dopuszczalne
określone
w
przepisach towarzystw klasyfikacyjnych (tab. 2).
Konsekwencje zaniżonej jakości energii elektrycznej w
sieciach okrętowych (rys.6) można sprowadzić do dwóch
głównych rodzajów oddziaływań: strat ekonomicznych oraz
zagrożenia dla życia i środowiska naturalnego, wywołane
pogorszeniem bezpieczeństwa eksploatacji statku.
Drugi z wymienionych aspektów ma znaczenie
podstawowe, czego wyrazem jest ujęcie wielu zagadnień
związanych z bezpieczną eksploatacją systemów
technicznych statku (w tym elektroenergetycznego) w
odnośnych konwencjach przyjętych pod auspicjami
International Maritime Organization, takich jak SOLAS [35],
MARPOL [36] czy STCW ‘78/95 [37]. Wymienione
konwencje dotyczą bezpieczeństwa życia na morzu,
zapobieganiu zanieczyszczenia morza przez statki i
wymagań w zakresie szkolenia marynarzy, wydawania
świadectw i pełnienia wacht.
Każdy z wcześniej wymienionych rodzajów zaburzeń
ma wpływ na bezpieczeństwo eksploatacji statku, przy
czym nie bez znaczenia jest potwierdzany doświadczalnie
[38], [39] efekt negatywnej synergii zaburzeń.
Biorąc pod uwagę skalę zagadnienia, w pierwszym
rzędzie należy wspomnieć o wpływie pogorszenia
parametrów napięcia zasilającego na funkcjonowanie
silników elektrycznych instalowanych w systemach
okrętowych W ogólnym przypadku silniki zasilane są
napięciem odkształconym, niesymetrycznym, o znacznie
zmieniającej się częstotliwości i wartości skutecznej
napięcia, co powoduje sumowanie się różnego rodzaju strat
energetycznych. Znaczne odchylenia wartości napięcia i
Konsekwencje zaniżenia jakości energii elektrycznej w
rozważanych systemach
W okrętowych sieciach elektroenergetycznych mamy do
czynienia z częstym istotnym obniżeniem jakości energii
elektrycznej z uwagi na występujące w nich szerokie
spektrum zaburzeń elektromagnetycznych. Zaburzenia te
powodują wymierne straty ekonomiczne w urządzeniach
elektrycznych zasilanych z rozważanych sieci, ale przede
wszystkim niosą ryzyko zakłócenia pracy ważnych
elementów składowych tychże sieci (rys.5).
Rys.5. Konsekwencje zaniżonej jakości energii elektrycznej w
okrętowych systemach elektroenergetycznych
Do
najczęściej
obserwowanych
zaburzeń
w
rozważanych systemach należą wspomniane wcześniej:
- zmiany wartości napięcia i jego częstotliwości,
- asymetria napięcia,
Plik z chomika:
Sassemi
Inne pliki z tego folderu:
Adam Kempski - Elektromagnetyczne zaburzenia przewodzone w układach napędowych.pdf
(7683 KB)
Szymon Schmidt, Adam Kempski - Analiza pracy falowników napięcia z twardą i miękką komutacją w kontekście kompatybilności elektromagnetycznej.pdf
(1540 KB)
Janusz Mindykowski - Dlaczego problem jakości energii elektrycznej w systemach okrętowych zasługuje na szczególną uwagę.pdf
(323 KB)
Inne foldery tego chomika:
Automatyka i Robotyka
Elektroenergetyka
Elektronika
Elektrotechnika i elektronika samochodowa
Energoelektronika
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin