CC BY-NC
8
Г.Н. Цицикян, А.И. Сенченко
Филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург
ОБ ОЦЕНКЕ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ
ПРИ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ
В СХЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СУДНА С БЕРЕГА
Объект и цель исследования. Электроснабжение судна от береговой сети. Цель работы - получение расчетных выражений для тока и напряжения.
Материалы и методы. Использован метод узловых напряжений.
Основные результаты. Выполнен анализ общих соотношений для тока однофазного замыкания в схеме электроснабжения судна с берега при наложении некоторых упрощающих предположений, позволяющих свести сложные выражения к ряду относительно простых. Даны эквивалентные электрические схемы, соответствующие полученным выражениям.
Заключение. Акцентирован сложный характер растекания тока замыкания, который может приводить к появлению градиента напряжения в окружающей воде. С целью исключения опасных последствий для окружающей среды необходимо углубленное рассмотрение особенностей растекания тока однофазного замыкания в заземляющих конструкциях корпуса с окружающей водой и береговым участком.
Ключевые слова: электроснабжение с берега, однофазные замыкания, токи и напряжения. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
Для цитирования: Цицикян Г.Н., Сенченко А.И. Об оценке токов и напряжений при однофазных замыканиях в схеме электроснабжения судна с берега. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 3(381): 99-102.
УДК 621.316.93 ЭО!: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-99-102
G.N. Tsitsikyan, A.I. Senchenko
TSNII SET branch of Krylov State Research Centre, Blagodatnaya str. 6, St. Petersburg, Russia
ON ASSESSMENT OF CURRENTS AND VOLTAGES DURING SINGLE-PHASE SHORT CIRCUITS IN THE NETWORKS FEEDING THE SHIP FROM THE SHORE
Object and purpose of research. This paper studies ship powering from the shore network. The purpose of the study is to obtain analytical expressions for current and voltage.
Materials and methods. The study follows the method of nodal voltages.
Main results. The paper analyses general relationships for single-phase ground current in the network powering the ship from the shore. The study is performed with several simplifying assumptions that reduce complicated expressions to a number of relatively simple ones. The paper also provides equivalent electric diagrams corresponding to the obtained expressions.
Conclusion. The paper underscores the complicated nature of the ground current spreading that might generate the voltage gradient in the environment. To eliminate hazardous environmental effects, it is required to perform a more profound study on the specifics of the ground current spreading in the earthing structures of the hull with surrounding water and the shore part.
Keywords: power feed from the shore, single-phase short circuits, currents and voltages.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
For citations: Tsitsikyan G.N., Senchenko A.I. On assessment of currents and voltages during single-phase short circuits in the networks feeding the ship from the shore. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 3(381): 99-102 (in Russian).
УДК 621.316.93 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-99-102
В работе [1] «Токи и напряжения при однофазных замыканиях в схеме электроснабжения судна с берега» были получены необходимые соотношения без каких-либо существенных ограничений. В основу рассмотрения была положена схема в [1], которая в новых обозначениях представлена здесь на рис. 1, где ЁА, Ёв, Ёс - комплексы ЭДС фаз А, В, С, ОфА - фазное напряжение, выбранное так, как на рис. 1, Киз.б - комплексная проводимость изоляции берегового участка, принятая одинаковой для всех фаз; Киз - комплексная проводимость изоляции фаз участка сети, проложенного на судне; Кн.з - проводимость между нейтралью системы и узловой точкой, отождествляемой с «землей»; Кн.к - проводимость нулевого провода, соединяющего нейтраль с корпусом судна и Кз.к - проводимость между «землей» берегового участка и корпусом судна как узловой точки участка сети, проложенного на судне; К - проводимость фаз до места замыкания, принимаемой одинаковой для всех фаз.
На рис. 1 из.к - комплекс напряжения между землей и корпусом при возникновении тока /зам. В этих обозначениях выражение для тока металлического замыкания в фазе « А» на судовом участке сети на основании [1] может быть записано в виде
Л™ =
и.
В свою очередь, напряжение Ц,к [1] равно
У\ ^н.з + ^из.б _
-3U
фл
-3U
фл
3Y + у + у - y у
из.б н.з з.к У 2 н.з
_У\ Ун.з + Уиз.б_
ЗУиз.б + Y,к + j2(3Y + Ун.к )'
(4)
-3U,
фл
гДе Л
(Лун.з + уиз.б )(YY.k + М.к
3Y + у + у - у Y
из.б н.з з.к У2 н.з
у . ун
+ уиз + 7\ун.к
3у + ун.з + у,к
/2
3у + Ун, + У,к
,(1) (2)
Выражение (1) можно привести к виду
Будем полагать, что числители и знаменатели в (2) состоят преимущественно из резистивных элементов (относительно коротких отрезков кабелей). Тогда в зависимости от значений проводимо-стей, входящих в выражения (2), у1 и у2, будут обычными дробными числами, в которых полные проводимости приравнены активным проводимо-стям, т.е. К@ g, Кн.з @ gн.3, Кн.к @ Виж.
Исходя из ряда требований и положений действующей инструкции [2], электроснабжение судов трехфазным током от береговых сетей осуществляется посредством одного или нескольких судовых четы-рехжильных гибких шланговых кабелей, и при электроснабжении судна непосредственно от сети с глухо-заземленной нейтралью заземляющая (нулевая) жила кабеля служит для надежного соединения корпуса судна с заземляющей (нулевой) жилой береговой сети и заземляющими конструкциями электроколонки. При электроснабжении судна с использованием трехфазного трансформатора заземляющая жила судового кабеля служит для заземления корпуса судна.
Для выявления основных закономерностей целесообразно учесть превалирование величины 3 К@ 3в в знаменателе дробей у1 и у2 над суммой Кн.з + Кн.к @ @ Вн.з + Вн.к. Тогда значение у можно считать близким к 1/3, а у2 близким к 0. Соответственно,
ун.з 3у (1 + ун.к /3у)
у + у
3у I 1 + -нз—^
3у
@ у .
3 Ун.
-CZH
Рис. 1. Электрическая схема для определения тока замыкания в общем случае
Fig. 1. Generic wiring diagram to determine ground current
G.N. Tsitsikyan, A.I. Senchenko
On assessment of currents and voltages during single-phase short circuits in the networks feeding the ship from the shore
Используя данные приближения, выражения для /зам и икзз можно упростить. Действительно, выражение (3) тогда преобразовывается к виду
фА
(Y + V ) V
-————— + 3Ym + К,
Y + 3 Y + Y
н.з из.б з.к
(5)
Аналогичным образом можно поступить и с выражением для из.к, преобразуя его к виду
U
-и,
Y + Y
н.з из.б
фА
н.з з.к
■■-и.
3Y + Y +Y
из б и о ' о ъ 1
фА
1 + ^з.к (^н.з + 3^из.б)
-1
(6)
и, к --U
фА'
При изолированной нейтрали, когда ^Н.з = 0,
U
Uз
-U
3Y„
фА
3Y + Y
из.б з.к
(7)
(8)
При 3 ГИз.б << Уз.к + Ун.з Y
--U
Y + Y
н.з з.к
фА '
1 +
Y
у~ - ифА
1
Z
1 + ^
Z
^O V
При Y^ = 0 ток замыкания (5) равен:
-4ам - -ифА (3^из + ^н.к),
а при 3 Yиз << Y^
1-^заМ = ифА^н.к = ифА ён.к '
(9)
(10) (11)
w
О Yn^fe н.з) Г ЗУиз.б 1 3Y 3 ^из YH.K(g н.к)
из.к|
Y3.K(g з.к)
Выражениям (5) и (6) соответствует следующая эквивалентная схема (рис. 2):
Из рис. 2 и формулы (6) немедленно следует, что если Кк = 0, то
Рис. 2. Эквивалентная схема, соответствующая выражениям (5) и (6)
Fig. 2. Equivalent diagram corresponding to Expressions (5) and (6)
ограничить следующими предположениями. Положим, в (2) и в (3)
Y Y
Y^ = 0 Л|Унк -о = 3Y + гн.з , 721-н.к-о - 3Y,
и в дальнейшем переобозначим }^.з на Y^ Тогда выражение для тока металлического замыкания /зам (3) сводится к следующему:
I --3U
-'зам\у =0 ос7фА
(71^нк-0 ¥н + ^из.б) ^
3^из.б + ^з.к + y2\Y -0 3Y
-+ Ym
.(12)
Теперь положим, что Yзж ^ Выражение тока замыкания еще более упростится:
1зам кк -0, Гз.кифА
3УУн 3Y + К
+ 3(^из.б + ^из )
. (13)
Предположим, что роль нулевого провода выполняет медная жила кабеля длиной 100 м и сечением 150 мм2. Сопротивление такой жилы можно принять равным 0,013 Ом. Тогда ток замыкания при Цф, = 220 В будет равняться
220
ЦфА ён.к = = 16923 А,
что должно повлечь за собой его отключение аппаратом защиты.
Соотношения, положенные в основу определения 1зам и из.к, в рассматриваемом случае нетрудно
-U
фА
1
3(Гиз.б+^з)
3Y
Т
Рис. 3. Эквивалентная схема, соответствующая выражению (13)
Fig. 3. Equivalent diagram corresponding to Expression (13)
зам
б
I
зам
н
Соответствующая эквивалентная схема представлена на рис. 3.
Далее можно исключить из рассмотрения 3У, полагая 3 У >> Уи. Тогда из (13) следует
Л,
-йфА [ + 3(4.б + Уш)]. (14)
При изолированной нейтрали ( YH = 0) результат для тока замыкания может быть легко предопределен:
^зам = -3иифА Кз.б + ^из)' (15)
Полученное выражение для тока замыкания (14) не отличается от соответствующего выражения в [3], описывающее ток замыкания на береговом участке при швартовных испытаниях судовой электростанции с применением нагрузочных устройств, найденным в [3] независимым путем. Отсюда подтверждение правильности общих выражений (2)-(4). Следует, конечно, иметь в виду, что в [3] напряжение подается не с берега, а от судовой электростанции.
В заключение авторы, хоть и с большим опозданием, благодарят создателей учебного пособия [4] за ссылку на работу [1], отмеченную как весьма положительную. Вместе с тем авторы разделяют опасение в [4], выраженное в том, что появление напряжения между землей и корпусом судна, а в сущности, в окружающей воде, небезопасно как для морских обитателей, так и для людей, находящихся в воде поблизости, из-за возможного превышения градиента напряжения. Отметим, что в [5] рассмотрен возможный сценарий появления опасного градиента напряжения в воде с береговым заземлением корпуса судна при возникновении однофазного замыкания в системе с напряжением свыше 1000 В.
Библиографический список
References
1. Токи и напряжения при однофазных замыканиях в схеме электроснабжения судна с берега // Судостроительная промышленность. Судовая электротехника и связь. 1990. Вып. 14. С. 3-7. [Currents and voltages during single-phase short circuits in the system of ship powering from the shore // Sudostroitelnaya promysh-lennost. Sudovaya elektrotekhnika i svyaz (Shipbuilding Industry. Marine Electrics & Communications). 1990; 14: 3-7. (in Russian)].
2. Правила по электробезопасности при электроснабжении ремонтируемых и строящихся судов морского флота. ПОТ РО-152-31.83.03.97. [Electric safety rules for powering sea-going ships under repair and construction. ПОТ РО-152-31.83.03.97. (in Russian)].
3. Цицикян ГН., БарановЮ.Д., СеменовМЮ. Токи замыкания при швартовных испытаниях судовой электростанции // Труды Крыловского государственного научного центра. 2017. Вып. 1(379). С. 115-119. [ G. Tsitsikyan, уи. Baranov, M. Semenov. Ground currents at dockside trials of ship electric plant // Transactions of the KSRC. 2017; 1(379): 115-9. (in Russian)].
4. Граве В.И., Романовский В.В., Ушаков В.М. Элек-тропожаробезопасность высоковольтных судовых электроэнергетических систем. СПб.: Элмор, 2003. [V. Grave, V. Romanovsky, V. Ushakov. Electric fire safety of high-voltage marine power systems. St. Petersburg: Elmor, 2003. (in Russian)].
5. Sulligoi G., Bosich D., da Rin A., Tosato F. An examination of mutual influences between high-voltage shore-connected ships and port earthing systems during phase-to-ground faults // IEEE Transactions On Industry Applications. 2012. Vol. 48. № 5.P. 1731-1738.
Сведения об авторах
Цицикян Георгий Николаевич, д.т.н., профессор, начальник сектора - заместитель начальника отдела филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, ул. Благодатная, 6. Телефон: 8 (812) 748-52-39. E-mail: [email protected].
Сенченко Аркадий Игоревич, инженер-конструктор 2 категории филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128, Россия, Санкт-Петербург, ул. Благодатная, д. 6. Телефон: 8 (812) 369-03-18. E-mail: [email protected].
About the authors
Tsitsikyan, Georgy N., Doctor of Tech. Sc., Prof., Head of Sector - Deputy Head of Division, TSNII SET branch of Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodatnaya str., St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: 8 (812) 748-52-39. E-mail: [email protected].
Senchenko, Arkady I., 2nd Category Engineer/Designer, TSNII SET branch of Krylov State Research Centre. Address: 6, Blagodatnaya str., St. Petersburg, Russia, post code 196128. Tel.: 8 (812) 369-03-18. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 22.02.17 Принята в печать / Accepted: 14.03.17 © Цицикян Г.Н., Сенченко А.И., 2017
