8.2.1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

8.2.1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Электроэнергетические системы (ЭЭС) современных гражданских судов и военных кораблей являются сложными комплексными системами, в которых нашли применение новейшие достижения практически во всех областях науки и техники [8.14–8.22].

Важнейшими задачами в развитии ЭЭС являются: структурное построение ЭЭС в целом; расположение и количество электростанций и источников электроэнергии; структурные связи в ЭЭС; единичная мощность генераторов и нагрузки; параметры тока и напряжения.

Период 1869–1917 гг. Практическое внедрение электричества на кораблях началось с установки мощных направленных источников света с дуговыми лампами (прожекторов) в 1869 г. на пароходе «Ильмень», а затем на броненосном фрегате «Петропавловск».

В качестве источников питания были применены поршневые машины с генераторами постоянного тока напряжением 30–50 В, мощностью от 1 до 3 кВт, которые обеспечивали долговременное и надежное электроснабжение прожекторов.

Более широкое применение электричества на кораблях произошло в результате внедрения ламп накаливания, которые становятся основными источниками света. В опытном порядке электрическое освещение с лампами накаливания в 1882 г. монтируется на находящихся в строю кораблях: винтовом корвете «Скобелев» и броненосном фрегате «Адмирал Лазарев». В том же году построенный за рубежом крейсер «Ярославль» («Память Меркурия») оборудуется более значительной сетью электрического освещения со 114 лампами накаливания.

Большое значение для развития ЭЭС имела разработка (впервые) проекта электрооборудования в процессе проектирования броненосного крейсера «Адмирал Нахимов», вступившего в строй в 1887 г. Проект был выполнен под руководством талантливого русского электротехника Е.П. Тверитинова. Проектом предусматривалось полное электрическое освещение всех корабельных помещений. Источниками электроснабжения служили четыре генератора постоянного тока мощностью по 9,1 кВт со смешанным возбуждением напряжением 65 В и две аккумуляторные батареи для аварийного питания. Схемой распределения были предусмотрены три кольцевые магистрали — центральная и две по бортам.

В 1890 г. вступил в строй броненосный крейсер «Память Азова», первый корабль отечественной постройки, на котором применили систему распределения электроэнергии по типу системы, примененной на броненосном крейсере «Адмирал Корнилов», построенного во Франции по заказу Морского ведомства. Проект выполнялся французской фирмой «Соттер и Лимонье», в нем предусматривалось питание от главных распределительных щитов (ГРЩ) с помощью многопозиционных переключателей пяти кольцевых магистралей освещения: боевой, постоянной, ходовой, вечерней и наружной. На этом корабле впервые установлены автоматические выключатели обратного тока для предотвращения перехода генератора в двигательный режим при зарядке аккумуляторов.

В 1887–1892 гг. проводятся интенсивные работы по созданию, изготовлению и испытанию электроприводов вентиляторов, поворота башен орудий, подачи снарядов, рулевого устройства на русских крейсерах и броненосцах.

Значительный рост потребления электроэнергии в связи с внедрением электроприводов механизмов и устройств обусловил необходимость установления основных принципов распределения электроэнергии:

расположение генераторов постоянного тока в носовой и кормовой частях корабля;

отделение сети питания электродвигателей от сети палубного освещения;

обеспечение питания важных электромеханизмов от магистралей двух бортов;

применение электрического привода для рулевого устройства;

выделение автономных магистралей для механизмов артиллерийских установок;

разделение кольцевых магистралей в боевом режиме на четверти;

обеспечение параллельной работы генераторов при расположении их в одном помещении;

создание общего резерва мощности (с целью повышения живучести), составляющего 20–50% от мощности боевого режима.

Так, на кораблях, построенных перед русско-японской войной (1904–1905 гг.), наиболее типичной являлась ЭЭС броненосцев типа «Бородино», на которых были установлены четыре генератора мощностью по 157,5 кВт и два генератора по 67,5 кВт постоянного тока со смешанным возбуждением напряжением 105 В, с приводом от паровых машин. Генераторы мощностью по 157,5 кВт расположены в электростанциях попарно в носовой и кормовой частях корабля и в каждой электростанции могут работать параллельно. Общая силовая кольцевая магистраль, образованная соединением электростанций двумя бортовыми перемычками, в боевом режиме разделяется на четверти с помощью магистральных выключателей. Генераторы мощностью по 67,5 кВт, размещенные в средней части корабля вместе с осветительной кольцевой магистралью образуют вспомогательную установку, используемую в повседневных условиях. Силовая и осветительная системы взаимозаменяемые. Резерв мощности 50%.

В войне с Японией выявились недостаточная живучесть кораблей в целом и их оборудования и систем, что заставило внести в проекты кораблей ряд изменений, направленных на обеспечение большей их живучести. Повышение живучести ЭЭС предусматривалось в основном за счет изменения структурных связей” и размещения электрооборудования.

Характерным примером является линкор «Император Павел I». Количество, мощность (765 кВт), тип и привод генераторов приняты, как на броненосцах типа «Бородино», построенных до войны с Японией, но для существенного повышения живучести размещение оборудования и схема распределения изменены: ГРЩ носовой и кормовой электростанций вынесены из помещений генераторов; кольцевая силовая магистраль соединяет между собой только ГРЩ, генераторные щиты не охватываются ею; главные силовые распределительные щиты разукрупнены на ряд отсечных бортовых щитов, охватываемых кольцевой магистралью; в местах ответвлений от осветительной магистрали установлены распределительные коробки; один из вспомогательных генераторов мощностью 67,5 кВт перенесен с жилой палубы на нижнюю и приобрел функции резервного; в боевом режиме осветительная магистраль наравне с силовой получает питание от основных генераторов; магистральные кабели в свинцовой оболочке проложены в специальных коридорах на нижней броневой палубе.

Внедрение электротехники на кораблях, рост количества и мощности потребителей электрической энергии, накопление опыта, выработка практикой принципов построения схем распределения электроэнергии и расположения электрооборудования обусловили появление на кораблях организованных ЭЭС, влияющих на их боевые качества.

Для создания ЭЭС последующих кораблей в 1908 г. были разработаны и изданы специальные «Правила по электротехнике для кораблей флота».

Корабли того периода, создаваемые по новым проектам с учетом изданных Правил, характеризуются дальнейшим насыщением электрооборудованием, электрифицированными механизмами и ростом мощности источников электроэнергии. Увеличение мощности ЭЭС, длины и разветвленности сетей привело к необходимости повышения напряжения до 225 В.

Для привода основных генераторов вместо паровых поршневых машин используются паровые турбины, что позволило существенно улучшить технико-экономические показатели генераторных агрегатов. Также впервые в мире на кораблях отечественного флота начинают использовать дизельные двигатели в качестве приводных двигателей генераторов, а на менее крупных — керосиновые двигатели. В качестве приводных двигателей механизмов стали применять трехфазные асинхронные электродвигатели, отличающиеся надежностью и простотой обслуживания.

Первыми из серии новых кораблей начали строить линкоры типа «Севастополь». В проекте, разработанном Бюро Балтийского завода, предусматривалось применение постоянного тока напряжением 225 В. Положительные результаты испытаний на минном заградителе «Амур» электродвигателей переменного тока послужили основанием для пересмотра проекта ЭЭС линкора «Севастополь» и принятия решения о частичном применении переменного тока для привода вентиляторов и бытовых потребителей. Источники электроэнергии таких кораблей — четыре турбогенератора (ТГ) постоянного тока мощностью по 320 кВт; два дизель-генератора (ДГ) мощностью по 320 кВт; три ДГ мощностью по 120 кВт.

Турбогенераторы становятся основными источниками электроэнергии, ДГ мощностью по 320 кВт — резервными, ДГ мощностью по 120 кВт предназначаются для собственных нужд. Таким образом, общая установленная мощность генераторов составляет 2280 кВт при потреблении в боевом режиме 1494 кВт.

При проектировании ЭЭС линкора «Севастополь» был предусмотрен ряд новых дополнительных мер по улучшению живучести системы, в частности: увеличено количество рассредоточенных энергетических центров за счет образования четырех дополнительных бортовых электростанций; повышен коэффициент резервирования генераторной мощности до 100%; для резервных генераторов предусмотрено использование дизелей, работа которых не зависит от состояния основной энергетической (паровой) системы; введены поперечные перемычки между противоположными бортами ГРЩ; предусмотрена двойная система шин на ГРЩ; для силовых потребителей применена фидерная система питания; частично использован переменный ток.

Принципы, составляющие основу построения ЭЭС на линкорах типа «Севастополь», находят дальнейшее развитие при разработке линейных крейсеров типа «Измаил». К 1913 г. общая мощность установленных на линкоре генераторов составила 2560 кВт. Резерв мощности 100%.

Поиски путей повышения живучести ЭЭС нашли свое отражение в полном переходе к фидерной системе распределения электроэнергии в силовой сети и надежном укрытии в цитадели всех энергетических центров корабля.

Почти за полвека к 1917 г. корабельные ЭЭС прошли основной путь развития и из систем с ограниченным использованием электроэнергии для нужд освещения развились в мощные высокоорганизованные ЭЭС, обеспечивающие питание разнообразных потребителей электроэнергии и обладающие большой живучестью и надежностью, обеспечивая боеспособность кораблей.

Период 1918–1945 гг. Из первой мировой и гражданской войн Россия вышла, израсходовав все боевые и материальные ресурсы, потеряв большую часть кораблей и вспомогательных судов, лишившись части военно-морских баз. Флот практически прекратил свое существование, а его остатки требовали капитального ремонта и больших восстановительных работ. Различные иностранные компании, выполнявшие электротехнические проектные и монтажные работы на судах, после революции прекратили свою работу в России.

Организованный в 1922 г. Электротехнический военно-морской отдел, позднее преобразованный в Электромортрест возглавил все проектные и монтажные работы, связанные с ремонтом и модернизацией электрооборудования и систем кораблей и судов. В последующие годы создаются специальные электромонтажные предприятия, занимающиеся электромонтажными работами на кораблях в качестве контрагентов у судостроительных заводов. На крупнейших судостроительных заводах Петрограда (Балтийском и Адмиралтейском) были организованы конструкторские бюро с электротехническими отделами.

С 1922 года на заводе «Электросила» начались работы по ремонту электрооборудования кораблей и изготовлению отдельных видов электрооборудования и аппаратуры по старым чертежам.

В 1925 г. были организованы Центральное конструкторское бюро (ЦКБ) судостроения №1 и Конструкторское бюро морского судостроения с электротехническими отделами. Они вели проекты модернизации старых кораблей и выполняли первые проекты электрооборудования новых надводных кораблей (НК), подводных лодок (ПЛ) и судов. В Ленинградском электротехническом институте им. В.И. Ульянова (Ленина) в 1930 г. создается кафедра по электрооборудованию судов. В 1936 г. организовано ЦКБ-52 для разработки электрооборудования кораблей.

В 30-е годы проектирование кораблей сопровождалось передачей соответствующих работ из заводских КБ в ЦКБ, специализированные по классам кораблей.

Планомерное развитие отечественного кораблестроения началось с 1926 г., и до конца Великой Отечественной войны все усилия были направлены на создание и поддержание военного потенциала страны, строительство кораблей и судов. Постройка судов гражданского назначения в этот период (за исключением первой пятилетки) практически не велась, так же как и в дореволюционный период.

Впервые в СССР были созданы «Правила электрооборудования кораблей ВМФ» (1925 г.) и «Правила Регистра СССР по электрооборудованию гражданских судов» (1927 г.).

Развитие ЭЭС в этот период сопровождается ростом мощности генераторов, применением нового создаваемого электрооборудования в морском исполнении, автоматизацией части судовых электроприводов, дальнейшим совершенствованием структур ЭЭС и повышением их живучести и надежности.

Разработка проектов кораблей всех типов и их постройка в предвоенный период производились с ЭЭС постоянного тока напряжением источников 115 и 230 В. Например, на легком крейсере «Киров», построенном в 1935 г., было установлено четыре ТГ и два ДГ мощностью 165 кВт каждый, напряжением постоянного тока 230 В; на крейсерской подводной лодке типа «К» XIV серии (1939–1944 гг.) установлены гребные электродвигатели (ГЭД) постоянного тока на напряжение 220 В мощностью по 1200 л.с.

Рост мощности ЭЭС привел к более сложному их построению и вступил в противоречие с требованиями эксплуатации. Магистральная и магистрально-фидерная системы распределения перестали удовлетворять требованиям селективности при отключении поврежденных участков сети и уступили место более прогрессивной фидерно-групповой системе.

Простота и надежность электрического оборудования переменного тока в сочетании с меньшей стоимостью позволяли значительно улучшить технические и эксплуатационные качества ЭЭС и легче унифицировать судовое оборудование переменного тока с общепромышленным. Поэтому в 30-х годах начали проводиться работы по проектированию судов с ЭЭС переменного тока. В 1935–1938 гг. ЦКБ-17 разрабатывает проект эсминца с ЭЭС, оборудованного трехфазными генераторами.

Так, на эсминце «Страшный» устанавливаются два ТГ трехфазного тока мощностью по 120 кВ?А и два ДГ мощностью по 60 кВ?А напряжением 230 В, частотой 50 Гц, частотой вращения 1500 об/мин, работающие раздельно. ГРЩ имели две системы шин, на которые подавалось напряжение от своего или другого генератора. ТГ и их ГРЩ располагались побортно в машинных отделениях, а ДГ — в выгородках на верхней палубе. Была предусмотрена максимальная и нулевая защита автоматическими выключателями, а также селективная защита. Система распределения электроэнергии была принята магистрально-фидерная. По фидерам питались мощные и ответственные потребители, подключение которых к магистрали могло вызвать недопустимое падение напряжения в сети. Для питания потребителей постоянным током был предусмотрен преобразователь мощностью 12 кВт с выходным напряжением 115 В постоянного тока.

Швартовные и ходовые испытания электрооборудования корабля по расширенной программе прошли успешно и подтвердили надежность и простоту обслуживания ЭЭС. Начавшаяся Великая Отечественная война не позволила закончить государственные испытания. На корабле был поднят военно-морской флаг, и он вышел на боевые операции.

В 1944 г. вновь были развернуты работы по созданию серии судового электрооборудования на переменном токе, а также механизмов и устройств с электроприводом переменного тока.

По результатам боевой эксплуатации эсминца «Страшный» в июне 1944 г. было принято решение проектировать электроэнергетические системы кораблей легких сил ВМФ (эсминцы, сторожевики и тральщики) на переменном токе напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

Так было положено начало внедрению на отечественных военных кораблях переменного тока, без применения которого невозможно было создать в будущем ЭЭС большой мощности и их комплексную автоматизацию.

Период с 1946 г. по настоящее время. После окончания Великой Отечественной войны предстояло восстановление промышленности страны, в том числе судостроительной. В ноябре 1945 г. был утвержден план военного судостроения на 1946–1955 гг., предусматривавший достройку части кораблей, заложенных до войны, по откорректированным с учетом военного опыта проектам, а также продолжение строительства малых кораблей и катеров улучшенной модификации. В дальнейшем планировалась постройка кораблей по новым проектам: сначала с использованием освоенного промышленностью оборудования, а затем уже принципиально нового.

В обеспечение реализации этой программы в 1946–1949 гг. создается несколько новых ЦКБ и НИИ, значительное развитие получает экспериментальная база ЦНИИ-45, воссоздается ЦНИИ военного кораблестроения в системе ВМФ. В первые послевоенные годы модернизация и новое проектирование ЭЭС кораблей и подводных лодок выполнялись на освоенном электрооборудовании постоянного тока.

Примером такого подхода могут служить:

ЭЭС постоянного тока проекта эскадренного миноносца (ЦКБ-53), состоящая из двух ТГ мощностью по 150 кВт, двух аварийных ДГ мощностью по 75 кВт и одного стояночного ДГ 25 кВт напряжением постоянного тока 230 В;

дизель-электрические ПЛ послевоенной постройки, имеющие на валах двухъякорные ГЭД постоянного тока напряжением 175–320 В и электродвигатель экономического хода.

В 1948 г. ЦКБ-53 был разработан технический проект первого послевоенного эскадренного миноносца с ЭЭС переменного тока, ставшего после строительства экспериментальным кораблем «Неустрашимый». Рабочие чертежи разрабатывались в 1949–1950 гг.

К 1950 г. электротехнической промышленностью было освоено основное электрооборудование переменного тока: генераторы серии МС, электродвигатели серии МАФ, MP, MAP, новые серии ГРЩ, измерительные приборы и установочные автоматы в ударостойком исполнении.

В качестве источников электроэнергии на корабле были установлены два турбогенератора мощностью по 400 кВт, два дизель-генератора мощностью по 200 кВт и один стояночный турбогенератор мощностью 100 кВт. Все генераторы напряжением 230 В частотой 50 Гц. Турбогенераторы, дизель-генераторы и ГРЩ были размещены в двух электростанциях. Каждый ГРЩ имел отдельные шины ТГ и ДГ, соединяемые между шинным автоматом. К шинам ДГ подключены потребители, работа которых не должна прекращаться в боевом режиме или при остановке ТГ. Второе резервное питание эти потребители получали от шин ГРЩ турбогенератора удаленной электростанции. Испытания на эсминце «Страшный» (1940 г.) выявили, что прямой пуск асинхронного электродвигателя обеспечивается (при сохранении при этом качества электроэнергии в нормированных пределах) при его мощности около 20% от мощности наименьшего генератора, работающего в режиме. Поэтому электродвигатели были применены с короткозамкнутым ротором. Вся система распределения электроэнергии трехпроводная незаземленная фидерно-групповая с защитой от токов короткого замыкания. В отличие от кораблей предыдущих проектов впервые в отечественном кораблестроении взамен кабелей СРМ были применены кабели марок КНРП, КНРЭ и их разновидности.

С учетом важности внедрения переменного тока и определения принципов построения ЭЭС были проведены испытания исследовательского характера по расширенной программе во время швартовных и ходовых испытаний. На испытаниях были определены:

устойчивость параллельной работы генераторов;

способ синхронизации и окончательный выбор его;

селективность защиты путем проведения натурных коротких замыканий в различных точках системы;

устойчивость работы и сохранение параметров в норме при пусках мощных асинхронных электродвигателей;

работоспособность рулевого устройства и якорного шпиля в наиболее тяжелых режимах.

Большой вклад в разработку ЭЭС и проведение расширенных испытаний внесли сотрудники ЦКБ-53 В.А. Торопов — главный конструктор по электрооборудованию; М.И. Величко — начальник электротехнического отдела; работник Электромортреста П.И. Щербинин — непосредственный исполнитель настройки ЭЭС и проведения всех видов испытаний.

В связи с ростом токов короткого замыкания при увеличении мощности ЭЭС в 1957–1958 гг. ЦКБ-53 была разработана ЭЭС на переменном токе напряжением 380 В. В дальнейшем, как правило, ЭЭС надводных кораблей и гражданских судов создавались на напряжение 380 В. На подводных лодках ЭЭС на переменном токе начали внедрять с 1967 г.

В 50-х годах одновременно с разработкой комплексов вооружения начались интенсивные проектные и комплексные исследовательские работы по поиску оптимальных типов ПЛ и НК с ракетным оружием и другими техническими средствами.

В связи с дальнейшим повышением роли ЭЭС в обеспечении надежности электроснабжения атомных энергетических установок (АЭУ), оружия, радиоэлектронных систем вооружения (РЭВ) и других технических средств в апреле 1965 г. на базе исследовательских и технологических подразделений ЦКБ-55 был организован Научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии (НИИСЭТ), впоследствии переименованный в Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии (ЦНИИСЭТ). В рассматриваемый период директорами института были А.А. Азовцев, В.А. Косенков, П.И. Щербинин.

ЦНИИСЭТ были выполнены важнейшие работы, позволившие ему внедрить комплекс методик, стандартов и нормативно-технической документации, обеспечивающий проектирование судостроительными конструкторскими бюро ЭЭС (методы расчета переходных процессов, динамической устойчивости, искажения кривой и несимметрии напряжения, токов короткого замыкания, структурной надежности, электрических нагрузок, защиты и др.), разработку электромонтажных чертежей по установке электрооборудования, приборов и монтажу кабелей на кораблях и судах, а также производство работ по подготовке и подключению кабелей в электрооборудовании и приборах различных отраслей промышленности. Специалисты ЦНИИСЭТ принимали участие в периоды строительства и испытаний кораблей и судов всех типов в настройке электрооборудования, проведении натурных коротких замыканий в ЭЭС, проверке селективности защиты, обеспечении электромонтажных и других работ.

С середины 60-х годов по 1991 г. достигнут значительный прогресс в создании атомных и дизель-электрических подводных лодок и надводных кораблей с различными видами ракетного, торпедного, зенитного и артиллерийского вооружения. Период с середины 60-х годов до начала 80-х явился «золотым веком» отечественного судостроения.

Следующее десятилетие, ставшее «лебединой песней» нашего судостроения — это период, когда начали вступать в строй наиболее совершенные ПЛ и НК третьего поколения, качественно превосходящие своих предшественников.

В 1955–1991 гг. коллективы проектных организаций совместно с многочисленными научно-исследовательскими институтами, заводами, строителями, поставщиками комплектующего оборудования, службами и личным составом ВМФ внесли большой вклад в развитие ЭЭС и электрооборудования. В этот период основные проектных организаций были направлены на разработку нескольких десятков экспериментальных и серийных кораблей с ракетным и другими видами оружия, причем многие из них остались нереализованными.

Значительный научный и практический вклад в создание и развитие ЭЭС и корабельного электрооборудования при проведении проектирования, строительства и испытаний больших серий подводных лодок и надводных кораблей внесли главные конструкторы по электрооборудованию:

Г.Я. Альтшулер, B.C. Соколов — дизель-электрические и атомные подводные лодки (ЦКБ морской техники «Рубин» — ЦКБ-18);

В.П. Горячев, С.П. Катков — атомные подводные лодки (СПМБМ «Малахит» — СКБ-143 и ЦКБ-16);

П.И. Щербинин — большие противолодочные корабли, надводные крейсеры, тяжелые атомные ракетные крейсеры (Северное ПКБ — ЦКБ-50);

Н.А. Кузнецов, А.И. Андреев — противоминные корабли, спасательные суда (Западное ПКБ — ЦКБ-50);

В.М. Морозов — быстроходные ракетные и артиллерийские катера, десантные катера на воздушной подушке и глубокопогружных управляемых подводных крыльях (ЦМКБ «Алмаз» — ЦКБ-5);

Б.Н. Бровкин — заместитель главного конструктора проекта, начальник электротехнического отдела (Невское ПКБ — ЦКБ-17).

Создание первой отечественной атомной подводной лодки (АПЛ) стало крупным научно-техническим достижением в области военного кораблестроения (1958 г.). Атомная энергетическая установка придала совершенно новые тактико-технические свойства подводным лодкам. ЭЭС первой АПЛ была постоянного тока напряжением 175–320 В, состояла из двух генераторов с приводом от главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА) (основные источники электроэнергии), двух ГЭД, двух резервных ДГ и двух групп аккумуляторных батарей (АБ).

Гребные электродвигатели могут использоваться в качестве генераторов при работе на гребной винт. В ЭЭС обеспечено непрерывное питание электропотребителей при переводе нагрузки с генераторов на АБ при помощи запорного вентильного устройства. Указанный принцип непрерывного питания был применен на всех последующих АПЛ.

АПЛ, вступившие в строй в 1967 г., имеют ЭЭС переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В с ТГ типа ТМВ с водяным охлаждением статора и ротора генераторов, ГЭД и резервными ДГ. Зарядка АБ, а также питание от них потребителей сети частотой 50 Гц обеспечивается при помощи обратимых преобразователей переменно-постоянного тока. Сеть распределения фидерно-групповая. На лодках третьего поколения в большей степени применены автоматизированное управление ЭЭС и статические преобразователи.

Параллельно с созданием атомного флота судостроительная промышленность вела и ведет по настоящее время работу по созданию дизель-электрических ПЛ.

Следует выделить подводную лодку, вступившую в строй в 1971 г. В создании ее был впервые реализован ряд новых технических решений, в том числе комплексная автоматизация управления работой всех технических средств и корабля в целом из единого командного пункта и внедрение ЭЭС с использованием переменного тока повышенной частотой 400 Гц.

На надводных кораблях ЭЭС имеют автономные генераторы переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В. Причем на них предусмотрено не менее двух электростанций, располагаемых в удалении друг от друга для обеспечения живучести ЭЭС.

В каждой электростанции расположено по два или три генератора с обеспечением их параллельной работы. Электростанции НК в эксплуатационных режимах могут соединяться при помощи перемычек по типу «лесенка» или «кольцо» без обеспечения их длительной параллельной работы. Не менее одного из приводных двигателей генераторов электростанций надводных кораблей автономные и не зависят от работы паропроизводящей установки. Сочетания генераторных агрегатов в электростанциях этих кораблей: турбогенератор — газотурбогенератор, турбогенератор — два дизель-генератора, турбогенератор — дизель-генератор, газотурбогенератор — газотурбогенератор, дизель-генератор — дизель-генератор. Мощности генераторов 500, 750, 1000, 1250, 1500 и 3000 кВт. Схема распределения электроэнергии фидерно-групповая. От проекта к проекту происходило повышение степени автоматизации и качества электрооборудования. Последние проекты имеют автоматизированные ЭЭС.

Все катера с динамическими принципами поддержания (ДПП) имеют ЭЭС переменного тока частотой 400 Гц, напряжением 220 В. Для кораблей с ДПП промышленностью были созданы электрооборудование и механизмы небольшой мощности частотой 400 Гц, такие как дизель-генераторы ДГР-30, турбогенераторы ГТГ-100, электродвигатели, электронасосы, преобразователи и другое электрооборудование.

В связи с созданием кораблей с ДПП, оборудованных ЭЭС с частотой 400 Гц, и строительством подводных лодок с ЭЭС частотой 400 Гц у головных институтов (1 ЦНИИ МО РФ и ЦНИИСЭТ) сложилось убеждение о повсеместном переходе на частоту 400 Гц с обеспечением электроснабжения радиоэлектронного вооружения (РЭВ) от групповых преобразователей 50/400 Гц (централизованное питание) или от общесудовых ЭЭС на частоту тока 400 Гц.

Для обеспечения создания подобных систем в задания на новые разработки РЭВ вписывались требования по их питанию током частотой 400 Гц, что в конечном счете приводило к увеличению количества преобразователей в ЭЭС НК и ПЛ. Было начато проведение работ по созданию серийных образцов электрооборудования на частоту 400 Гц.

Попытка внедрить на больших кораблях групповое питание РЭВ показала несовместимость работы систем РЭВ и привела к переводу в период постройки питания РЭВ от индивидуальных преобразователей.

В связи с принципиальными разногласиями по применению частоты 400 Гц на НК и ПЛ Северное ПКБ и ЦКБ МТ «Рубин» в 70-х годах выполнили детальные проектные проработки ЭЭС на напряжение 380 В и частоту 400 Гц, которые показали практическое отсутствие выигрыша в массогабаритных показателях в целом.

По результатам рассмотрения всего комплекса вопросов было принято совместное решение о прекращении работ по созданию серийных образцов электрооборудования на частоту 400 Гц и разработке вторичных источников электропитания в системах РЭВ, обеспечивающих их работу от общесудовой ЭЭС. В стандарт были включены положения о применении на кораблях всех классов ЭЭС на переменном токе напряжением 380 В частотой 50 Гц и рекомендовано применение частоты тока 400 Гц в ЭЭС кораблей с динамическими принципами поддержания.

Первый отечественный боевой надводный корабль с АЭУ, разрабатывался с середины 60-х годов, сначала как атомный сторожевой корабль, и облик тяжелого атомного ракетного крейсера он приобрел лишь в ходе длившегося в течение 10 лет проектирования, сопровождавшегося широкими военно-экономическими исследованиями по оптимизации его тактико-технических характеристик. ЭЭС корабля состоит из четырех электростанций, которые в эксплуатационных режимах могут соединяться при помощи перемычек в «кольцо» без длительной их параллельной работы.

Для обеспечения параллельной работы генераторных агрегатов большой мощности в одной электростанции, превышающих допустимую мощность по условиям обеспечения коммутационной способности и динамической стойкости автоматических выключателей, предусмотрено ограничение тока короткого замыкания путем повышения сверхпереходного индуктивного сопротивления генератора (с приводом от паровой турбины) по продольной оси и установки между параллельно работающими генераторами токоограничивающего устройства.

С целью сокращения габаритов ГРЩ электростанций и числа магистральных кабелей на корабле для канализации энергии большой мощности впервые в практике судостроения были применены бортовые подстанции с размещением в них основной части распределительных секций ГРЩ.

Такое решение позволило получить дополнительный эффект: выделить электростанции и подстанции в отдельные технологические электромонтажные участки (энергокольцо), в которых электромонтажные работы могут выполняться с опережением по отношению к другим помещениям и обеспечить более раннюю подачу электроэнергии в отсеки корабля, что не может выполняться на кораблях с традиционными принципами распределения электроэнергии.

Тяжелые атомные ракетные крейсеры воплощают все новейшие достижения отечественной техники и не имеют аналогов в иностранных флотах. Автоматизированная ЭЭС этих кораблей является на сегодняшний день непревзойденной в Российском ВМФ как по принципам ее построения, так и по мощности каждой электростанции. Крейсеры вступили в строй:

«Киров» (ныне «Адмирал Ушаков») в 1980 г.;

«Фрунзе» («Адмирал Лазарев») в 1984 г.;

«Калинин» («Адмирал Нахимов») в 1988 г.;

«Юрий Андропов» («Петр Великий») в 1998 г.;

Развитие зарубежных корабельных ЭЭС [8.19, 8.20, 8.23]. В зарубежных странах с развитым судостроением ЭЭС переменного тока начали внедряться в 30-е годы, а в послевоенный период происходил активный перевод ЭЭС на переменный ток. В соответствии со стандартами НАТО на военных кораблях стран — членов НАТО применяются ЭЭС напряжением 440 В частотой 60 Гц. На судах гражданского флота европейских стран, как правило, применяются ЭЭС напряжением 400 В частотой 50 Гц.

В послевоенный период развитие зарубежных корабельных ЭЭС (как и отечественных) сопровождалось увеличением их мощности, которое определялось в основном ростом водоизмещения кораблей, применением атомных энергетических установок, новых видов вооружения.

Так, например, на кораблях, построенных в 60–80-е годы в США, Великобритании, Франции, Италии, ФРГ, Нидерландах, энерговооруженность (отношение установленной мощности генераторов ЭЭС к водоизмещению корабля) находится в пределах 0,58–1,42 кВт/т.

Важное значение имеют структуры ЭЭС, которые в определенной степени зависят от мощности генераторных агрегатов (ГА) и ЭЭС в целом. Максимальная единичная мощность генераторов напряжением 440 В была принята равной 2500 кВт (по условиям коммутационной способности и динамической стойкости автоматических выключателей (АВ)). При такой единичной мощности длительная параллельная работа не применяется и в каждой электростанции располагается, как правило, один ГА (в частности, на атомных кораблях).

Так, на авианосце «Enterprise» установлено 16 ТГ мощностью по 2500 кВт, расположенных в 16 бортовых помещениях в районах электрических нагрузок. Все 16 щитов электростанций могут быть соединены перемычками в «кольцо». Четыре резервных дизель-генератора мощностью по 1000 кВт расположены в четырех электростанциях, близких к диаметрали. Всего на корабле 20 самостоятельных электростанций. Такая система расположения по живучести несколько выше принятой в соответствии с обычными требованиями, но увеличение количества электростанций сверх определенного предела повышает живучесть так незначительное, что совсем не оправдывает затрат и потерь, обусловливаемых большим количеством электростанций.

Особенностью ЭЭС иностранных надводных кораблей является наличие резервных электростанций, состоящих из ДГ и ГРЩ, соединенных с основными электростанциями перемычками.

Важнейшие потребители (например, некоторые системы вооружения, рулевое устройство) имеют тройное питание, другие ответственные потребители имеют двойное питание (например, пожарные насосы), менее ответственные — одинарное.

На большинстве надводных кораблей стран НАТО применены ЭЭС, состоящие из двух электростанций. ГРЩ разделены на три секции. Перемычки между секциями могут отделить аварийную секцию. Связь электростанций осуществляется с помощью двух перемычек с двумя АВ в каждой, расположенных в своих ГРЩ. В каждой электростанции ГА включаются на параллельную работу, если обеспечена допустимость их работы по коммутационной способности АВ.

Применены также и другие структуры ЭЭС. Так, в американской практике используются ЭЭС с тремя и пятью генераторными агрегатами. Пятый генератор одновременно выполняет функцию аварийного генератора. При нечетном числе ГА обеспечена возможность подключения резервного ГА к любому заранее выбранному генератору.

На фрегатах английских и германских ВМС исходя из необходимой надежной и простой схемы электроснабжения принят режим параллельной работы ГА.

Для повышения суммарной мощности генераторных агрегатов повышается отключающая способность АВ, а также значение сверхпереходного индуктивного сопротивления генераторов без существенного ухудшения таких параметров, как провалы напряжения и время его восстановления. Этому способствовало усовершенствование быстродействующих регуляторов напряжения. Комплексное решение вопросов ограничения токов короткого замыкания сделало допустимым включение на параллельную работу трех ГА мощностью по 2500 кВт.

На боевых кораблях высокое напряжение широкого применения не нашло (за исключением авианосцев с большой мощностью ЭЭС, таких например, как атомные авианосцы ВМС США типа «Nimitz».

Одной из причин такого положения является то, что на надводных кораблях отсутствуют электродвигатели мощностью более 150 кВт, в то же время целесообразным является применение высоковольтных электродвигателей мощностью более 300 кВт.

В гражданском судостроении, особенно в 80-е годы при освоении ресурсов Мирового океана, при строительстве судов специального назначения, ледоколов и др. высоковольтные ЭЭС нашли широкое применение.

На боевых кораблях наряду с основными параметрами ЭЭС (напряжение 440 В переменного тока частота 60 Гц) применяли электромашины и статические преобразователи в основном частотой 60/400 Гц.

Так, начиная с 50-х годов корабли флота США, СССР и других стран стали оснащаться вооружением нового типа, электронными системами радиолокации, управления, навигации, связи и т.п. На кораблях внедрялись системы РЭВ с питанием частотой 400 Гц от электромашинных преобразователей, которое использовалось в авиации и наземной технике вооруженных сил.

На конец 70-х годов установленная мощность преобразователей частотой 60/400 Гц для питания систем РЭВ на кораблях ВМС США превышала 1000 кВт, а доля потребителей с частотой 400 Гц в общей нагрузке основных ЭЭС с частотой 60 Гц достигла 14%. Рост мощности систем с частотой 400 Гц привел к тому, что эффект уменьшения массогабаритных характеристик электронного оборудования на 400 Гц оказался несущественным по сравнению с массой, которую привнесли установленные на борту преобразователи частоты.

Как правило, большинство систем проектировали из условия питания их от централизованной системы частотой 400 Гц, что приводило к еще большему росту потребления электроэнергии частотой 400 Гц. Как показала практика, часть оборудования РЭВ затрудняет нормальное функционирование других потребителей, создавая при этом искажения и значительные провалы напряжения в питающей сети. Это влечет за собой установку индивидуальных преобразователей, что особенно характерно для кораблей с ракетным вооружением. В конце 70-х годов на кораблях ВМС США общее количество преобразователей единичной мощностью от 1,25 до 300 кВт достигло 1200 единиц.

Несовместимость друг с другом оборудования РЭВ при централизованном питании потребовала детального анализа условий функционирования, режимов работы входных трактов цепей электропитания электронного оборудования.

Например, радиолокационная станция типа AN/SPG-55B, система целеуказания типа TAS и другие несовместимы с другими потребителями и требуют установки индивидуальных преобразователей. Индивидуальное питание оборудования РЭВ привело к тому, что на отдельных кораблях число преобразователей частоты достигло 33 единиц.

Анализ стоимости показал целесообразность проектирования систем РЭВ непосредственно от основной сети частотой 60 Гц. Разработанная в 1981 г. управлением морских систем ВМС США (NAVSEA) инструкция, в частности, предусматривает, что на надводных кораблях и подводных лодках, использующих ЭЭС с частотой 60 Гц, все оборудование спецсистем должно получать питание только от незаземленной трехфазной сети напряжением 440 В и частотой тока 60 Гц.

Положения этой инструкции исходят из того, что, во-первых, затраты на приобретение и монтаж преобразовательных устройств систем частотой от 400 Гц постоянно растут, соответственно увеличиваются эксплуатационные расходы и все больше места приходится резервировать под установку дополнительного оборудования. Во-вторых, существующая технология позволяет создавать электронное оборудование, для которого безразлична частота переменного тока. Это оборудование допускает питание от сети переменного тока частотой 60 или 400 Гц или постоянного тока.

Предполагается, что на всех перспективных кораблях ВМС США (после 2000 г.) электрические сети частотой 400 Гц будут полностью исключены и питание корабельных систем будет осуществляться от ЭЭС частотой 60 Гц.

Этот принцип также принят департаментом кораблестроения Великобритании и руководством ВМС НАТО. В инструкции STANAD 1008 по проектированию электрооборудования для кораблей стран НАТО указано, что оборудование не должно проектироваться для питания от сети нестандартных параметров, если сеть с напряжением 440 В и частотой 60 Гц является удовлетворительной по качеству питания. 

Данный текст является ознакомительным фрагментом.