Переход к широкому применению полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях корпуса судна, палубных надстроек и внутренних переборок обусловлен их высокими удельными прочностными характеристиками и коррозионной стойкостью. Композитные корпуса легче металлических на 30–40 %, что позволяет увеличить полезную нагрузку, снизить осадку и уменьшить расход топлива. Однако замена металла на диэлектрик в несущих конструкциях корпуса коренным образом меняет принципы обеспечения электробезопасности. [1]

Для правильного проектирования системы заземления необходимо понимать физические процессы, происходящие при протекании тока через композитную конструкцию. В отличие от металлического корпуса, где ток аварийного замыкания растекается по большой поверхности и быстро уходит в воду через подводную часть корпуса, в композитном корпусе траектория тока определяется сеткой металлической арматуры (закладных деталей) и соединительных болтов.

Рис. 1. Создание корпуса корабля из композитов

Для оценки эффективности предложенной системы выполнен расчет сопротивления заземляющего устройства применительно к судну длиной 30 м с двумя магистральными медными шинами сечением 25 мм² каждая, уложенными параллельно. [2]

Сопротивление одной медной шины длиной 20 м (от носового до кормового отсека) составляет:

R_шины = ρ · L / S = 0,0175 · 20 / 25 = 0,014 Ом

Две шины соединены параллельно, поэтому эквивалентное сопротивление:

R_экв = 0,014 / 2 = 0,007 Ом

Переходное сопротивление в 10 точках соединения с заземляемыми приборами (каждое не более 0,01 Ом) создает дополнительное сопротивление, которое с учетом параллельного включения точек составляет приблизительно:

R_перех = 0,01 / 10 = 0,001 Ом

Сопротивление двух медных заземляющих пластин площадью по 1 м² каждая в морской воде с удельным сопротивлением 0,3 Ом·м (для солености 35 промилле) рассчитывается по формуле R_воды = ρ / (4·r), где r — эквивалентный радиус пластины. Для пластины площадью 1 м² эквивалентный радиус составляет ≈ 0,56 м, тогда:

R_воды = 0,3 / (4 · 0,56) = 0,134 Ом

Две пластины параллельно дают 0,067 Ом.

С учетом увлажнения композита и возможного увеличения переходных сопротивлений в процессе эксплуатации (коэффициент запаса 2) общее сопротивление не превысит 0,15 Ом. Это значительно ниже предельно допустимого значения по Правилам Российского морского регистра судоходства (не более 4 Ом для электроустановок до 1000 В).

Сравнительные испытания макета судового отсека с предложенной системой заземления показали, что применение распределенной сети с 8 заземляющими точками снижает уровень электромагнитных помех (ЭМП) в диапазоне 10–100 МГц на 12–15 дБ по сравнению с одиночной точкой заземления. Это имеет существенное значение для судов с большим количеством радиоэлектронного оборудования (связь, навигация, системы автоматического управления). [3]

Выводы

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Традиционные методы заземления, основанные на использовании металлического корпуса как естественного заземлителя, неприменимы для судов из композиционных материалов из-за высокого удельного сопротивления стеклопластика и анизотропной проводимости углепластика.

2. Наиболее эффективным для судов из ПКМ является распределенная система заземления с тремя уровнями: корпусным (для отвода токов КЗ), функциональным (для защиты цепей управления) и защитным (для подключения корпусов приборов). Обязательным элементом являются заземляющие пластины в подводной части корпуса для обеспечения электрического контакта с морской водой.

Литература:

1. Бартош, А. И. Электрика. Просто о сложном: практическое руководство / А. И. Бартош. — Москва: Эксмо, 2023. — 256 с.
2. Бутырин, П. А. Электротехника: учебник для среднего профессионального образования / П. А. Бутырин, О. В. Толчеев, Ф. Н. Шакирзянов; под общ. ред. П. А. Бутырина. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва: Академия, 2021. — 320 с.
3. Все об электрике. Современная иллюстрированная энциклопедия / [авт.-сост. В. В. Красников]. — Москва: АСТ, 2022. — 192 с.