Janusz Mindykowski - Dlaczego problem jakości energii elektrycznej w systemach okrętowych zasługuje na szczególną uwagę.pdf - Kompatybilność elektromagnetyczna - Sassemi

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

−

[]

n ⋅

100

(1)

−

[]

n ⋅

100

(2)

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;

−

[]

śr

⋅

100

(5)

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].

−

⋅

[]

⋅

100

(3)

[]

THD

⋅

100

(6)

−

⋅

[]

⋅

100

(4)

gdzie: U n - wartość skuteczna n -tej harmonicznej napięcia,

U 1 - wartość skuteczna podstawowej harmonicznej

napięcia.

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).

∆

[]

⋅

100

(7)

⋅

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

odniesieniu

polskich

oraz

międzynarodowych Przepisów Towarzystw Klasyfikacyjnych

IACS

PRS

LLOYD

DNV

NKK

ABS

THD

[%]

***

10*

***

u w [%]

δ U [%] − 10, + 6 − 10, + 6

− 10, + 6

− 10, + 6 − 10, + 6 − 10, + 6 − 10, + 6

δ f [%]

± 5

δ U d [%]

t=1,5s

± 20

+ 20, − 15 + 20, − 15 + 20, − 15

± 20

δ U d [%]

t=5s

± 10

δ P i [%]

15/25

δ Q i [%]

---

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

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

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

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

najczęściej

obserwowanych

zaburzeń

rozważanych systemach należą wspomniane wcześniej:

- zmiany wartości napięcia i jego częstotliwości,

- asymetria napięcia,

Janusz Mindykowski - Dlaczego problem jakości energii elektrycznej w systemach okrętowych zasługuje na szczególną uwagę.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: