Wybrane zagadnienia jakości energii elektrycznej na statkach morskich

Mariusz SZWEDA Akademia Morska w Gdyni, Katedra Elektroenergetyki Okrętowej Wybrane zagadnienia jakości energii elektrycznej na statkach morskich Streszczenie. Artykuł przedstawia problem jakości energii elektrycznej w okrętowych systemach elektroenergetycznych. W pierwszej części scharakteryzowano sieć okrętową i porównano ją z siecią lądową. Następnie, pokazano wybrane wyniki badań na jednostkach pływających, które zostały porównane z aktualnymi międzynarodowymi normami dotyczącymi jakości energii na statkach. Abstract. This paper deals with problem of electric power quality evaluation in ships networks. In the first instance, the ship system was characterized and compared with land grid. Next, the selected results of experimental research was shown and compared with current requirements of the International Standards concerning power quality on ships. (Selected problems of electric power quality on ships). Słowa kluczowe: sieć okrętowa, jakość energii elektrycznej, analiza harmonicznych, technika okrętowa (morsk Keywords: ship s network, electric power quality, harmonic analysis, marine technology 1. Wstęp W ciągu ostatnich lat obserwowany jest gwałtowny wzrost liczby i mocy odbiorników elektrycznych instalowanych na statkach, platformach wiertniczych i innych obiektach pływających. Dominującą grupą tych odbiorników są przekształtniki częstotliwościowe do napędu silników pędników głównych, pędników pomocniczych, sterów strumieniowych oraz różnego rodzaju pomp i sprężarek. Tego typu urządzenia energoelektroniczne służą do regulacji prędkości obrotowej, ale jednocześnie są głównym źródłem składowych harmonicznych i interharmonicznych prądu w sieci okrętowej. Powstałe składowe harmoniczne prądu silnie oddziaływają na miękką sieć elektroenergetyczną statku powodując znaczne deformacje przebiegów napięcia niespotykane w systemach energetyki zawodowej. W praktyce można spotkać przypadki sieci okrętowych z całkowitym zniekształceniem przebiegu napięcia U thd przekraczającymi 3%. Należy wspomnieć, że wartość U thd dopuszczalna przez normy okrętowe i towarzystwa klasyfikacyjne wynosi 5%. Przykładowe wartości dopuszczalnych parametrów jakości energii elektrycznej w sieciach okrętowych pokazano w Tab. 1. O charakterystyce sieci okrętowej decyduje trzy czynniki. Przede wszystkim duża reaktancja X d prądnic okrętowych powoduje, że jej wpływ jest 3-4 razy bardziej znaczący niż w przypadku zasilania z transformatorów energetycznych jak to zazwyczaj odbywa się w systemach lądowych. Drugim czynnikiem wpływającym na miękkość sieci jest moc źródła porównywalna z mocą pojedynczego odbiornika. Na to wszystko nakłada się duże skoncentrowanie urządzeń elektroenergetycznych na relatywnie małej przestrzeni statku. Te trzy czynniki powodują duże zmiany napięcia i częstotliwości w stanach dynamicznych oraz duże wartości harmonicznych napięcia. Zwłaszcza duże zmiany częstotliwości obserwowane w sieciach okrętowych są niespotykane w innych typach systemów elektroenergetycznych. Przykłady zmiany napięcia i częstotliwości będą przedstawione w dalszej części artykułu. W ostatnich latach odnotowano liczne awarie na statkach z powodu zaniżonej jakości energii elektrycznej, które mogą wpływać na bezpieczeństwo statku, a niektóre z nich mogły być katastrofalne w skutkach [1]. W tej sytuacji towarzystwa klasyfikacyjne nadzorujące budowy statków były zmuszone do uzupełnienia swoich przepisów o zagadnienia jakości energii elektrycznej na nowobudowanych i modernizowanych jednostkach pływających. 2. Normalizacja dotycząca jakości energii elektrycznej w okrętowych systemach elektroenergetycznych Wartości graniczne poszczególnych parametrów jakości energii elektrycznej w okrętowych systemach elektroenergetycznych są opisane w dwóch najważniejszych normach [2-3]. Wskaźniki i ich dopuszczalne wartości określone w tychże normach zostały pokazane w Tabeli 1 i porównane z normą lądową [4]. Tabela 1. Wartości graniczne podstawowych wskaźników jakości energii elektrycznej w okrętowych i lądowych systemach elektroenergetycznych Parametr IEEE 45 PN-IEC 692 EN 516 Tolerancja napięcia (ciągł ±5% +6% 1% ±1% Składowe przejściowe ±16% ±2% ±4% napięcia Czas powrotu składowych przejściowych 2s 1,5s 1s napięcia Współczynnik asymetrii 2% 1) 3% 2% napięcia THD 5% 5% 8% Pojedyncza 1% parzyste 3% 3% harmoniczna 6% nieparzyste Tolerancja częstotliwości ±3% ±5% ±2% Składowe przejściowe ±4% ±1% ±15% częstotliwości Czas powrotu składowych przejściowych częstotliwości 2s 5s brak danych Zaburzenia impulsowe ±2,5kV dla U n =38 6V 1,kV dla U n =12 24V 5,5U n 2) --- 1,2μs/5μs Rozpływ mocy ±15% ±15% --- czynnej Rozpływ mocy biernej brak danych ±1% --- 1) tolerancja asymetrii napięcia line to line, 2) czas narastania/opadania zaburzenia. Na podstawie prezentowanej tabeli można stwierdzić, że dla określenia jakości energii elektrycznej w sieciach PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 33-297, R. 85 NR 9/29 355

okrętowych wyznacza się podobny zbiór parametrów opisujących właściwości napięcia zasilającego i ciągłość zasilania jak w sieci lądowej. Jednak w okrętowych systemach elektroenergetycznych podejście do problemu jakości jest nieco odmienne. W energetyce lądowej, gdzie sieć jest bardzo rozproszona (bardzo długie linie przesyłowe między źródłem a odbiornikiem), jakość energii elektrycznej analizowana jest głownie pod kątem obniżenia kosztów przesyłu energii. Natomiast na obiektach pływających rozpatruje się przede wszystkim bezpieczeństwo pracy systemów, a drugoplanowa jest ich ekonomiczna eksploatacja. To nie znaczy, że całkowicie jest ignorowany aspekt ekonomiczny na statkach. Jeśli da się pogodzić bezpieczeństwo z ekonomiczną eksploatacją, to takie rozwiązania są chętnie stosowane. Dlatego wprowadzono wskaźniki jakości energii elektrycznej niespotykane w energetyce lądowej, które istotnie wpływają na ciągłość zasilania, a tym samym na bezpieczeństwo statku. Są nimi współczynniki rozdziału mocy czynnej i biernej między równolegle pracujące zespoły prądotwórcze. Należy wspomnieć, że każda awaria systemu elektroenergetycznego powoduje odstawienie napędu głównego statku. Statek pozbawiony napędu jest obiektem niesterowalnym i tego typu awaria niesie ryzyko katastrofy, a tym samym zagrożenie dla życia załogi i środowiska morskiego. Dlatego tak ważne jest zapewnienie ciągłości zasilania w okrętowych systemach elektroenergetycznych. W porównaniu do sieci lądowej, zaostrzono dopuszczalne odchyłki napięcia w sieci okrętowej zarówno w stanach statycznych, jak i przejściowych. Miedzy innymi normy okrętowe [2-3] dokładnie opisują dopuszczalny czas odbudowy napięcia w stanach przejściowych (np. w czasie rozruchu silników elektrycznych), czego nie uwzględniono w normie [4]. 3. Normy dotyczące metod pomiaru parametrów jakości energii elektrycznej w okrętowych systemach elektroenergetycznych Międzynarodowe normy okrętowe i przepisy towarzystw klasyfikacyjnych nie definiują w sposób jednoznaczny metod pomiaru i przetwarzania wielkości elektrycznych w systemach okrętowych. Dlatego najczęściej analizę zarejestrowanych próbek wykonuje się z uwzględnieniem wskazówek zawartych w normie międzynarodowej IEC 61-4-3:23 Electromagnetic Compatibility (EMC) Testing and Measurment Techniques Power Quality Mesurment Methods. Należy tu wspomnieć, że opisana w tej normie metoda pomiaru częstotliwości oraz metoda pomiaru zawartości harmonicznych i interharmonicznych nie powinna być stosowana do analizy sygnałów w sieciach okrętowych [5]. W przypadku częstotliwości, pomiary zgodnie z normą [6] powinno się wykonywać dla okna pomiarowego 1 sekundowego, podczas gdy normy okrętowe [2-3] dopuszczają przejściowe odchylenie częstotliwości nie dłuższe niż 5 s. Stąd też, wskazane jest stosowanie krótszych okien pomiarowych, aby poprawnie ocenić czas trwania odchylenia częstotliwości w sieci okrętowej. W przypadku pomiaru zawartości harmonicznych i interharmonicznych norma [6] zaleca stosowanie algorytmu szybkiej transformaty Fouriera (FFT) z zastosowaniem prostokątnego okna pomiarowego o czasie trwania 1/12 okresów sygnału badanego i konieczność synchronizacji częstotliwości próbkowania z częstotliwością sygnału badanego. W przypadku utraty synchronizacji dopuszcza się stosowania okna Hanninga. Przy tak dużych zmianach częstotliwości, jakie występują w sieci okrętowej praktycznie jest niemożliwa synchronizacja częstotliwości próbkowania z częstotliwością sygnału wejściowego. Dlatego lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie próbkowania asynchronicznego (tzn. ze stałą częstotliwością próbkowani i zastosowanie bardziej złożonej klasycznej dyskretnej transformaty Fouriera DFT, która jest uważana za narzędzie referencyjne, transformaty świergotowej CZT [5] lub FFT z programowym repróbkowaniem. 4. Przykłady zaniżonej jakości energii elektrycznej na jednostkach pływających A. Odchylenia napięcia i częstotliwości Prezentowane na rys. 1 zmiany napięcia i częstotliwości zarejestrowane są w czasie wyładunku statku przy pracującym tylko jednym zespole prądotwórczym. W tym czasie zespół prądotwórczy był obciążony w 59% mocą znamionową, czyli minimalną mocą zalecaną z punku widzenia ekonomicznego. Pomimo tak dużej nadwyżki mocy dysponowanej przez elektrownie (ok. 4%), widoczne są cztery głębokie zapady napięcia i częstotliwości spowodowane rozruchem średniego odbiornika, jakim był wentylator o mocy 3 kw (stosunkowo niewielkiej mocy, w porównaniu do mocy znamionowej prądnicy, która wynosiła 162kVA). Na podstawie przebiegów można stwierdzić, że napęd prądnicy jest bardzo miękki (tzn. podatny na obciążeni, co objawia się bardzo dużymi zmianami częstotliwości w sieci statku. Natomiast napięcie jest szybko odbudowywane przez regulator napięcia, który utrzymuje je na stałym poziomie. W rzeczywistości czas odbudowy napięcia przy procesach łączeniowych silników elektrycznych jest bardzo szybki i zazwyczaj nie przekracza 1 sekundy. Skrajne zmiany wartości chwilowych napięcia i częstotliwości (wartości min i max) są pokazane na przebiegach. Urms [V] f [Hz] 232 23 228 226 224 222 22 218 216 61 6.5 6 59.5 59 58.5 58 57.5 57 56.5 U max =23.3V U avg =226.75V U min =217.42V 3 6 9 12 15 18 f max =6.47Hz f avg =59.59Hz f min =56.56Hz 56 3 6 9 12 15 18 Rys.1. Przykład zmiany napięcia U ( i częstotliwości f ( w sieci 23V/6Hz w czasie wyładunku statku przy pracującym tylko jednym zespole prądotwórczym 356 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 33-297, R. 85 NR 9/29

Aby usztywnić elektroenergetyczną sieć okrętową miękką, często praktykowana przez załogę tego statku i na wielu innych statkach jest metoda załączania dodatkowego zespołu prądotwórczego do pracy równoległej. Zwiększając nadwyżkę mocy dysponowanej przez elektrownię w stosunku do mocy załączanych odbiorników, uzyskujemy sztywniejszą sieć, czyli mniej podatną na odchylenia napięcia i częstotliwości od wartości znamionowej, zwłaszcza w stanach dynamicznych. Taki zabieg jest okupiony dużymi kosztami eksploatacyjnymi, przede wszystkim wzrostem jednostkowego zużycia paliwa, niejednokrotnie nawet dwukrotnym (zgodnie z rys. 2) oraz skróceniem okresów między kolejnymi przeglądami silników napędowych. jednostkowe zużycie paliwa [g/kwh] 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 obciążenie [%] Rys. 2. Przykładowa zależność jednostkowego zużycia paliwa spalinowego silnika napędowego w zależności od stopnia obciążenia zespołu prądotwórczego [7] Należy przy tym podkreślić, że obciążenia zespołów prądotwórczych w różnych stanach pracy statku powinny być równe co najmniej 6 7% mocy znamionowej każdej prądnicy, ponieważ przy takim obciążeniu, jednostkowe zużycie paliwa jest najmniejsze i nieznacznie zmienne (co pokazuje rys. 2). B. Zapady napięcia Na rys. 3 pokazano zmiany wartości skutecznej napięcia Urms(1/2) i częstotliwości f(1/2) w czasie rozruchu steru strumieniowego na promie. Wartości skuteczne napięcia i częstotliwości były obliczane dla jednego okresu z odświeżaniem co półokresu [8]. W trakcie tego rozruchu stwierdzono krótkotrwałe obniżenie napięcia poniżej wartości dopuszczalnej (δu - 2%), a czas zapadu wyniósł ok.,5 sek. Natomiast, krótkotrwałe odchylenia częstotliwości w czasie tego procesu łączeniowego były znacznie mniejsze niż zmiany napięcia i mieściły się w normie. Stwierdzono tylko znaczące długotrwałe odchylenie częstotliwości (δf 3,6%), które jest dopuszczalne przez przepisy, ale może powodować skrócenie żywotności wszystkich silników zasilanych z tej sieci. Czas życia silników na tym statku oszacowano na 2% w stosunku do czasu życia przy nominalnym zasilaniu [9]. Innym dowodem, że w sieci okrętowej są większe zmiany częstotliwości a mniejsze napięcia niż w sieci lądowej mogą być histogramy względnych zmian napięcia prezentowane na rys. 4. Histogram sieci lądowej wyznaczono na podstawie godzinnej rejestracji napięcia i częstotliwości w sieci po stronie niskiego napięcia zasilającej fabrykę produkującej elementy plastikowe (obudowy) do telewizorów. W przypadku sieci okrętowej do wyznaczenia histogramu wykorzystano dane zarejestrowane na statku badawczym o zbliżonym czasie trwania rejestracji. Urms(1/2)[V] f(1/2) [Hz] 75 7 65 6 55 5 63 62.5 62 61.5 61 6.5 6 δurms(1/2) max = +7,98% δurms(1/2) min = -23,76% 2 4 6 8 1 12 δf(1/2) max = +4,17% δf(1/2) min = +1,59% 2 4 6 8 1 12 Rys. 3. Zmiana napięcia ( i częstotliwości ( w czasie procesu łączeniowego w sieci okrętowej o napięciu znamionowym U n =6,6kV/6Hz p(v) [-] p(f) [-] 3 2.5 2 1.5 1.5 sieć lądowa - przmysłowa sieć okrętowa 214 216 218 22 222 224 226 228 23 232 234 236 U [V] 25 2 15 1 5 sieć lądowa - przemysłowa sieć okrętowa 49.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 f [Hz] Rys. 4. Przykładowe histogramy względnych zmian napięcia ( i częstotliwości ( zarejestrowany w sieci lądowej i okrętowej PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 33-297, R. 85 NR 9/29 357

Porównując rozkłady dwóch sieci w stanie ustalonym widać, że wartość napięcia w sieci okrętowej jest sztywniejsza, ponieważ jest utrzymywane na stałym poziomie przez regulatory napięcia, oraz widać znacznie większe zmiany częstotliwości spowodowane miękkością tej sieci. C. Harmoniczne napięcia Na różnych badanych statkach obserwowano różne poziomy całkowitego zniekształcenia przebiegu napięcia U thd, który zależał od liczby zainstalowanych odbiorników nieliniowych (zwłaszcza przekształtników energoelektronicznych) i konfiguracji elektrowni okrętowej. Poziom THD napięcia na tych statkach był różny i wynosił od ok. 1% do kilkunastu procent. Przedstawiony na rys. 5 przebieg był zarejestrowany na statku typu chemikaliowiec w trakcie pracy prądnicy wałowej zasilającej sieć elektroenergetyczną statku za pośrednictwem falownika prądowego. Poziom zniekształceń napięcia na tym statku zależał głownie od konfiguracji elektrowni i zmieniał się w granicach od 1,1% przy pracujących tylko wolnostojących zespołach prądotwórczych (DG) do powyżej 15% (przy samodzielnej pracy prądnicy wałowej SG). Jak widać z powyższego opisu, głównym źródłem deformacji napięcia na tym statku była prądnica wałowa. Załączane zespoły wolnostojące do pracy równoległej z prądnicą wałową powodowały, że polepszał się kształt napięcia w sieci. Im więcej pracowało równolegle zespołów prądotwórczych DG z prądnicą wałową SG, tym mniejszy był poziom zawartości harmonicznych w napięciu. I tak odpowiednio, przy połączeniu równoległym jednego DG z SG poziom THD napięcia malał do 7,2%, a przy połączeniu dwóch DG z SG spadał do poziomu 5,2%. u(t) [V] zawartość [%] 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8-1 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1.5 5 1 15 2 25 3 t [ms] U rms = 444.23V U 1 = 44.31V f = 59.85Hz THD 5 = 1.18%* THD = 13.38%** 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 numer harmonicznej [-] Rys. 5. Przebieg napięcia w systemie elektroenergetycznym chemikaliowca o napięciu U n =44V/6Hz ( i jego widmo ( w paśmie do 1-nej harmonicznej (ok. 6kHz), gdzie: * - wyznaczone wg klasycznej definicji do 5-tej harmonicznej, ** - zawiera pełne widmo częstotliwościowe zarejestrowanego sygnału napięciowego bez składowej podstawowej. Prezentowane na rysunku 5a załamania komutacyjne (notching) mają ustalony i okresowy charakter, dlatego zostały opisane za pomocą widma amplitudowego i współczynnika THD. Dla prezentowanego przypadku THD obliczny w paśmie do 5-tej harmonicznej wyniósł 1,18%, czyli mamy tutaj dwukrotne przekroczenie wartości dopuszczalnej przez międzynarodowe normy okrętowe (THD 5%). Dodatkowo widać przekroczenia poszczególnych harmonicznych takich jak: piąta, siódma, jedenasta i trzynasta. Ich wartości przekraczają dopuszczalne 3% dla pojedynczej harmonicznej. D. Zaburzenia w paśmie częstotliwości powyżej 5-tej harmonicznej Coraz częściej można spotkać w okrętowych systemach elektroenergetycznych zaburzenia w paśmie częstotliwości powyżej 5-tej harmonicznej spowodowane pracą przekształtników częstotliwości. Na Rys. 6 prezentowany jest przebieg napięcia zarejestrowany w sieci 23V 5Hz statku z napędem elektrycznym. Praca dwóch napędów głównych elektrycznych wyposażonych w przekształtniki AFE (Active Front End) AC PWM powodowało pojawianie się dominujących składowych w paśmie częstotliwości ok. 3,4kHz [1]. Na rysunku 7 przedstawiającym widmo częstotliwościowe w paśmie do 1kHz widoczne są składowe, które znacznie przekroczyły poziom dopuszczalny 3%. Tego typu napęd - według opisu producenta - miał być idealnym rozwiązaniem na statki z napędem elektrycznym, ze względu na niski poziom zniekształceń w paśmie częstotliwości do 5-tej harmonicznej. Porównując ten napęd z klasycznym układem PWM widać faktycznie, że w paśmie do 5-tej harmonicznej znacznie ograniczono zniekształcenia do poziomu THD 5 = 1,68%, ale cała energia zniekształceń została przesunięta powyżej tego pasma, a dokładnie do częstotliwości równej częstotliwości przełączania elementów IGBT przekształtnika, która wg producenta wynosi 3,6 khz. W ten sposób producent tego przekształtnika próbował obejść przepisy, które do oceny jakości energii elektrycznej przyjmują pasmo do 5-tej harmonicznej. Zawartość harmonicznych wyznaczona dla pasma od 5-tej harmonicznej do 1kHz wyniosła dla tego przypadku 8,14%. Zaburzenia opisane powyżej widoczne są na rysunku 6 w postaci oscylacji nałożonych na składową podstawową. u(t) [V] 4 3 2 1-1 -2-3 -4 5 1 15 2 25 3 35 4 Rys. 6. Przykładowy przebieg czasowy napięcia 23 V zarejestrowany w sieci okrętowej [1]. Należy tu dodać, że przebieg napięcia został zarejestrowany w rozdzielnicy na mostku sterowniczym statku, z której zasilane są bardzo ważne odbiorniki, odpowiedzialne za bezpieczeństwo załogi i za bezpieczną żeglugę statku. 358 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 33-297, R. 85 NR 9/29

zawartość [%] 5 4 3 2 1 3358Hz 3257Hz 346Hz 3663Hz 3764Hz Pasmo częstotliwości THD [%] 5kHz 8.38 5-tej harmonicznej 1.68 5-tej harmonicznej 1kHz 8.14 2 4 6 8 1 f [Hz] Rys. 7. Zawartość składowych w paśmie częstotliwości do 1 khz (bez składowej podstawowej) dla przebiegu pokazanego na rys. 6 E. Zaburzenia impulsowe (transient) Odbiorniki instalowane na statkach są bardzo narażone na zaburzenia impulsowe powstałe w wyniku bardzo dużej liczby procesów łączeniowych, jakie odbywają się w systemie elektroenergetycznym. Głównymi źródłami tych zaburzeń są procesy komutacyjne w układach energoelektronicznych (pokazane m.in. na rys. 5), częste załączania i wyłączania dużych odbiorników, szybkie wyłączania dużych prądów zwarciowych, doziemienia jednej fazy w sieciach z izolowanym punktem zerowym (przerywanie pojemnościowego prądu doziemieni i inne tego typu procesy łączeniowe. u(t) [V] 8 6 4 2-2 -4-6 -8-1 -12-14 11V -1218V 5 1 15 2 25 3 t [ms] Rys. 8. Przykład zaburzenia impulsowego zarejestrowany w sieci okrętowej Na rys. 8 pokazane jest zaburzenie impulsowe o amplitudzie 1319V p-p i czasie trwania ok. 12μs. Powstające zaburzenia impulsowe mogą być szczególnie niebezpieczne na statku, gdzie odległości między urządzeniem wytwarzającym tego typu zaburzenia impulsowe, a innymi odbiornikami zasilanymi ze wspólnej sieci jest bardzo mała. W tym przypadku nie ma mowy o jakimkolwiek tłumieniu tych zaburzeń przez impedancje układu sieci, dlatego sąsiadujące odbiorniki są narażone na pełną energię tych zaburzeń. F. Rozdział mocy między równolegle pracujące zespoły prądotwórcze Jak już wcześniej wspomniano, wyznaczenia rozpływu mocy pomiędzy równolegle zasilające zespoły prądotwórcze jest jednym z elementów procesu oceny jakości energii elektrycznej w okrętowych systemach elektroenergetycznych. Te zaburzenie może być potencjalną przyczyną utraty ciągłości zasilania. Nieproporcjonalny rozpływ obciążeń powoduje pozorne przeciążenie elektrowni okrętowej przy istniejącym jeszcze zapasie mocy. Zachodzi to w ten sposób, że jedna z pracujących prądnic jest przeciążana przy niedociążeniu pozostałych prądnic, powodując automatyczne zadziałanie układu zabezpieczeniowego i odstawienie przeciążonej prądnicy. Jeśli zapas mocy pozostałych pracujących prądnic jest niewystarczający do przejęcia obciążenia odstawionej prądnicy, dochodzi do przeciążenia całej elektrowni, a w konsekwencji do zaniku zasilania w całej sieci elektroenertycznej (z ang. Black-out). Przykładowe wyniki pomiarów wskaźników rozpływu obciążeń prezentowane na rys. 9b i 9d, wykonano na statku typu chemikaliowiec przy pracujących dwóch wolnostojących zespołach prądotwórczych (DG1 i DG2) i jednej prądnicy wałowej SG (podłączonej do wału silnika głównego napędzającego statek). W tym przypadku widać celowe przekroczenie dopuszczalnych wartości współczynników rozdziału obciążenia czynnego i biernego dla poprawienia ekonomicznej efektywności eksploatacji elektrowni, przy zachowaniu wysokiego marginesu bezpieczeństwa statku. Tego typu zabieg stosuje się tylko w czasie jazdy morskiej, kiedy może zostać wykorzystana prądnica wałowa, źródło tańszej energii elektrycznej. W tym przypadku dąży się do jak największego obciążenia tego źródła mocą czynną, a w mniejszym stopniu obciążane są pozostałe zespoły prądotwórcze pracujące równolegle na szyny główne, aby obniżyć koszty eksploatacyjne statku. Przeciążalność prądnic wałowych mocą czynną jest znacznie większa niż standartowych zespołów prądotwórczych i pracują one bez problemu przy obciążeniu bliskim znamionowemu. Ich charakterystyki są znacznie sztywniejsze ze względu na dużo większą nadwyżkę mocy napędu prądnicy i ryzyko zadławienia momentem napędu tej prądnicy jest znacznie mniejsze. Należy tu wyjaśnić, że prądnice wałowe pracują z reguły w długich przelotach morskich, kiedy prędkość obrotowa silnika głównego napędu statku jest ustalona. Jeśli dojdzie do odstawienia takiej prądnicy i utraty ciągłości zasilania, to ryzyko katastrofy jest minimalne, ponieważ statek jest na otwartym morzu [11]. P [%] δp [%] 85 8 75 7 65 6 55 5 16 15 14 13 12 11 1 9 8 5 1 15 2 25 3 SG DG1 DG2 δp min =9.% δp avg =11.92% δp max =15.77% 5 1 15 2 25 3 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 33-297, R. 85 NR 9/29 359

c) Q [kvar] d) δq [%] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 24 22 2 18 16 14 12 DG2 DG1 5 1 15 2 25 3 5 1 15 2 25 3 SG δq min =15.33% δq avg =17.75% δq max =21.56% Rys. 9 Przykład rozdziału mocy czynnej (a- i biernej (c-d) przy pracy równoległej dwóch prądnic wolnostojących (DG1 i DG2) i prądnicy wałowej (SG), a-c procentowe obciążenie mocą czynną i bierną poszczególnych prądnic, b-d rozdział mocy czynnej i biernej pracujących równolegle prądnic. Na rys. 9a i 9c widać, że prądnica wałowa jest bardziej obciążana mocą czynną, a mniej bierną, natomiast pozostałe zespoły wolnostojące w większym stopniu są obciążane mocą bierną, a mniej czynną, zgodnie z zasadą opisaną powyżej. Dla powyższego przypadku sprawdzono, że wszystkie pracujące równolegle prądnice, zarówno prądnica wałowa jak i prądnice wolnostojące są proporcjonalnie obciążane prądowo, a ich średni rozkład obciążenia prądowego δi nie przekroczył 3% (przepisy dopuszczają δi 15%), czyli nie ma mowy o pozornym przeciążeniu cieplnym prądnic i ryzyka odstawienia jakichkolwiek z pracujących równolegle zespołów prądotwórczych. Prezentowany przypadek pokazuje nam przykład jak łatwo można pogodzić bezpieczeństwo z ekonomiczną eksploatacją statku. 5. Podsumowanie Miękki charakter sieci okrętowej powoduje bardzo duże zaniżenie jakości energii elektrycznej, jakie rzadko można spotkać w sieci lądowej. Dlatego nowobudowane statki wymagają tak szczegółowej i dogłębnej analizy pod względem jakości energii elektrycznej, szczególnie tam, gdzie instalowane są odbiorniki bardzo dużej mocach i urządzenia energoelektroniczne. Tylko w ten sposób można zapewnić ciągłość zasilania, a co z tym się wiąże bezpieczeństwo na statkach. Już nie wystarcza obserwacja kształtu napięcia na oscyloskopie, czy na innych przyrządach pomiarowych w stanach statycznych systemu, lecz należy wykonywać rejestracji w długich okresach czasów, a następnie należy wykonać szczegółowe analizy zwłaszcza w stanach przejściowych, aby dobrze ocenić jakość energii elektrycznej na statku. Do tego wymagany jest specjalistyczny sprzęt i wiedza w zakresie jakości energii w sieciach okrętowych. Należy podkreślić, że ogólnodostępne analizatory jakości energii elektrycznej mogą się nie sprawdzić w sieci okrętowej [5]. LITERATURA [1] Jonasson I., Söder L., Power quality on ships. Analyse of voltage dips in an isolated system, a case study, 3 rd International Symposium All Electric Ship AES 2, Paris, France, 2, 349-354. [2] IEEE Std. 45-22, IEEE Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard [3] PN-IEC 692-11:22, Instalacje elektryczne na statkach. Definicje i wymagania ogólne. [4] PN-EN 516:22, Parametry napięcia zasilają-cego w publicznych sieciach rozdzielczych. [5] Tarasiuk T., Comparative study of various methods of DFT calculation in the wake of IEC Standard 61-4-7, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (zaakceptowany do publikacji) [6] PN-IEC 61-4-3, Kompatybilność elektro-magnetyczna (EMC). Część 4-3: Metody badań i pomiarów Metody pomiaru jakości energii. [7] Wyszkowski S., Elektrotechnika okrętowa, tom 1, Wydawnictwo Morskie Gdańsk, (1991) [8] Mindykowski J., Szweda M., Tarasiuk T., Voltage and frequency deviations in exemplary ship s network research for ship owner, Electrical Power Quality and Utilization, Magazine Vol. I, No. 2 (25), 55-61 [9] Gnaciński P., Mindykowski J., Tarasiuk T., A new concept of the power quality temperature factor and its experimental verification, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 57, No. 8 (28), 1651-166 [1] Szweda M., Tarasiuk T., An assessment of distortions of supply voltage waveform in All-Electric Ship Power Network Case Study, 9 th International Conference Electrical Power Quality and Utilization, Barcelona, Spain, October 9-11, 27, CD-ROM [11] Szweda M., Rozdział mocy jako parametr jakości energii elektrycznej w sieciach okrętowych, IV Krajowe Sympozjum Kompatybilność Elektromagnetyczna w Elektrotechnice i Elektronice, EMC 5, Łódź, Zeszyt Elektryka Nr 13(25) 121-128 Autor: mgr inż. Mariusz Szweda, Akademia Morska w Gdyni, Katedra Elektroenergetyki Okrętowej, ul. Morska 83, 81-225 Gdynia, E-mail: szweda@atol.wsm.gdynia.pl 36 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 33-297, R. 85 NR 9/29