CC BY
200
УДК 629.12.03
А. И. Надеев, А. П. Будников, Н. Г. Романенко
НАГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МОЩНЫХ СУДОВЫ1Х СИНХРОННЫ1Х ГЕНЕРАТОРОВ
Одним из важнейших этапов сдачи судна в эксплуатацию является проведение заводских испытаний судовой электростанции, которые включают в себя обкатку генераторных агрегатов, контрольные, приемосдаточные и швартовые испытания.
В ходе швартовых испытаний проверяется как автономная, так и параллельная работа генераторов при 25, 50, 75 и 100 % нагрузке в статических и динамических режимах. При статических испытаниях генераторных агрегатов важно обеспечить достаточную стабильность поддержания величины и коэффициента мощности нагрузки в течение нескольких часов. Для динамических испытаний необходимо обеспечить ступенчатый наброс нагрузки (50 + 50 %) на одиночно или параллельно работающие генераторные агрегаты. Работоспособность судовой электростанции проверяется в соответствии с программой испытаний, утвержденной Морским Регистром судоходства РФ.
Проблема проведения испытаний электростанции плавкрана «Исполин» возникла на ССЗ «Красные Баррикады» при переоборудовании его под плавучую буровую установку. Данная электростанция состоит из четырех дизель-генераторов мощностью по 2 000 кВА с напряжением 660 В, двух машинных преобразователей мощностью по 1 250 кВА с напряжением 400 В и одного стояночного дизель-генератора мощностью 750 кВт с напряжением 400 В.
В соответствии с программой испытания данной судовой электростанции нагрузочное устройство должно работать при трехфазном напряжении 400 и 660 В, частоте 50 Гц, обеспечивать плавное изменение активно-индуктивной нагрузки при коэффициенте мощности 0,6; 0,7; 0,8 от 235 кВА до 4 500 кВА, а также двухступенчатый наброс нагрузки для проверки динамических характеристик агрегатов. Эти требования можно выполнить, используя два комплекта активных и индуктивных нагрузочных устройств, которые позволяют плавно и ступенчато изменять нагрузку в пределах: для активного устройства от 180 до 1 600 кВт, для индуктивного устройства от 141 до 1 650 кВАр.
Рассмотрим варианты нагрузочных устройств.
Все активные нагрузочные устройства можно разделить на две группы: с безвозвратным поглощением электроэнергии и с рекуперацией электроэнергии. Рекуперацию электроэнергии можно обеспечить подключением заводских потребителей на судовую электростанцию, а также применением машинных или полупроводниковых преобразователей со звеном постоянного тока.
Исследования работающих потребителей электроэнергии, проведенные на ССЗ «Красные Баррикады», показали, что их мощность недоста-
точна для нагрузки электростанции плавкрана «Исполин» и они имеют переменный режим работы, а применение преобразователей со звеном постоянного тока требует значительных капиталовложений и времени на их покупку, доставку, монтаж и наладку.
Типовые нагрузочные устройства с безвозвратным поглощением электроэнергии хорошо обеспечивают испытания синхронных генераторов, но имеют высокую цену и малый срок службы и поэтому нецелесообразны для редких испытаний электростанции большой мощности.
Жидкостные реостаты имеют простую конструкцию, низкую стоимость. В жидкостных реостатах сопротивлением является пресная или соленая вода, находящаяся между электродами. В качестве электродов используются стальные пластины. При прохождении тока происходит нагрев воды.
Исследования изменения электропроводности волжской воды при повышении температуры и концентрации солей вследствие выпаривания воды при длительных испытаниях генераторов показали возможность создания жидкостного реостата требуемой мощности с достаточно стабильными параметрами.
По расчету активное нагрузочное устройство плавкрана «Исполин» должно состоять из двух трехфазных водяных реостатов с размерами: диаметр бака - 3 700 мм; высота бака - 2 700 мм; уровень воды в баке -2 300 мм; объем воды в баке -24,7 м3.
Время нагрева воды от 25 °С до 85 °С при максимальной мощности электростанции плавкрана составляет 0,54 часа. Так как испытания генераторов продолжаются часами, то для стабилизации температуры и солености воды необходимо обеспечить определенный проток воды через бак. Требуемый объем воды при максимальной нагрузке составляет 45,36 м3/ч.
Площадь одной пластины, исходя из размеров бака и расстояний между пластинами и стенками бака, при допустимой плотности тока у = 0,5 А/см2, составит 1,92 м2. В нижней части пластина треугольная, что позволяет точнее установить нагрузку при небольших значениях тока. Вид пластины показан на рис. 1.
Шесть пластин в трехфазном водяном реостате располагаются звездой и обеспечивают соединение нагрузки в треугольник (рис. 2). В центре звезды между однофазными пластинами зазор для циркуляции воды.
Расстояние между параллельными пластинами определяется по формуле
х Я 1,5 • ^пл. раб 0,452 1,5 14 400
о =-----------=-----------------= 4,9 см,
р 2 000 ’
где Я - сопротивление фазы, Ом (Я = 0,452 Ом);
5пп. раб - рабочая площадь пластины, см2 (5пл. раб = 14 400 см2 ); р - удельное сопротивление воды в баке (вода р. Волга имеет р = 2 000 Омсм).
1200
о
о
см
Рис.1. Вид пластины активного нагрузочного устройства
3700
Рис. 2. Расположение пластин в баке
В качестве индуктивного нагрузочного устройства можно использовать: воздушные реакторы; насыщенные трансформаторы; дроссели с регулируемым воздушным зазором и дроссели с подмагничиванием.
Воздушные реакторы обладают линейными характеристиками, обеспечивающими синусоидальную форму тока. К недостаткам можно отнести значительные размеры и ступенчатое регулирование нагрузки, что не позволяет установить требуемое значение тока. Повышение числа ступеней регулирования требует значительного количества коммутационной аппаратуры, что усложняет управление нагрузкой.
В качестве насыщенного трансформатора, как правило, используются обычные, включаемые на повышенное напряжение с целью повышения тока намагничивания. Наличие сердечника в катушке значительно уменьшает ее габариты, искажает синусоидальную форму тока, но вследствие разброса значений магнитной проницаемости сердечника возникает непредсказуемость параметров нагрузки.
Исследования формы кривой тока штатной нагрузки плавкрана и насыщенного трансформатора показали их соответствие. Экспериментальная зависимость тока от напряжения, подаваемого на трансформатор при переключении его обмоток, представлена в табл. 1.
Таблица 1
Зависимость тока от напряжения трансформатора
и, % 100 110 150 173
I, % 1,2 9,7 76,4 129,2
Из табл. 1 видно, что регулирование тока ступенчатое и может не совпадать с требуемым значением нагрузки генератора.
Дроссели с регулируемым воздушным зазором обеспечивают плавное регулирование тока нагрузки, но имеют сложную конструкцию, сильную вибрацию подвижной части магнитопровода и не симметрию трехфазной нагрузки. Такой дроссель для нагрузки большой мощности является уникальным изделием и имеет высокую стоимость.
Дроссели с подмагничиванием обеспечивают также плавное регулирование тока нагрузки и при этом могут быть изготовлены из серийных трансформаторов, поэтому стоимость индуктивного нагрузочного устройства может быть невысокой. К недостаткам относятся: необходимость иметь источники постоянного тока значительной величины, повышенный нагрев сердечника и защитного кожуха, что требует дополнительного охлаждения.
Рассмотрим создание индуктивного нагрузочного устройства с искусственным подмагничиванием на базе трех трансформаторов типа ТСЗМ-1000-74.ОМ5 с параметрами: и1 = 660 В; и2 = 400 В; 5 = 1 000 кВА; КПД - 98,5 %; Р0 = 2 550 Вт; РК = 11 100 Вт; соединение обмоток - У/У0.
Номинальный ток фазной обмотки высокого напряжения (ВН) составляет 875 А, напряжение - 380 В. Номинальный ток фазной обмотки низкого напряжения (НН) составляет 1 314 А, напряжение - 230 В.
Обмотки высокого напряжения фаз А и С каждого трансформатора являются рабочими и соединяются последовательно - конец с концом. Общее соединение рабочих обмоток трех трансформаторов - треугольник. Обмотки низкого напряжения являются обмотками управления и соединяются последовательно (рис. 3).
При таком соединении обмоток индукция в сердечнике ниже номинального значения, что обеспечивает незначительные пусковые токи при включении трансформатора. Допустимый ток нагрузки одной группы индуктивного нагрузочного устройства составит 1 514 А.
Рис. 3. Схема соединения трансформаторных обмоток одной группы индуктивного нагрузочного устройства
Для регулирования тока нагрузки необходимо изменять ток подмаг-ничивания, пропускаемый по обмотке низкого напряжения, от источника постоянного тока регулируемой величины.
Ток подмагничивания данного трансформатора определялся экспериментально. Результаты эксперимента приведены в табл. 2.
Т аблица 2
Зависимость тока нагрузки от тока подмагничивания
I А 1 подм? А 0 58 126 185 300 600 900 1 200 1 500
1раб, А 8,8 72 151 216 350 690 1026 1 344 1 544
Полученные результаты позволили определить диапазон изменений тока подмагничивания трансформатора для заданной нагрузки.
Испытания электростанции плавкрана «Исполин», проведенные на ССЗ «Красные Баррикады», подтвердили правильность расчетов и доказали, что на базе данных трансформаторов по схеме с подмагничиванием и двух трехфазных водяных реостатов можно получить требуемые значения токов нагрузки.
