1. Введение

Надежность работы судового электрооборудования и средств автоматики напрямую зависит от качества электрической энергии. Специфика судовых электроэнергетических систем (СЭЭС) заключается в их автономности, малой инерционности генерирующих мощностей и соизмеримости мощности генераторов с мощностью крупных потребителей. Одним из наиболее частых и опасных отклонений показателей качества электроэнергии в СЭЭС являются провалы напряжения [3, 4].

Особенно остро проблема стоит на судах и плавучих инженерных сооружениях. Их генераторы обладают малой инерционностью, то есть быстро «просаживаются» при резком росте нагрузки; мощность источников соизмерима с мощностью приёмников; а основу приводов составляют асинхронные двигатели. При провале напряжения токи двигателей растут, машины перегреваются и быстрее изнашиваются, срабатывают защиты, «зависают» микропроцессорные устройства. Ремонт на судне затруднён: оно может находиться далеко от берега, а оборудование имеет специальное исполнение. Поэтому провал выгоднее предупредить, чем устранять его последствия. Тема остаётся актуальной и из-за роста числа энерговооружённых судов, в том числе для освоения Арктики и Северного морского пути.

Провал напряжения — это внезапное снижение среднеквадратичного значения напряжения в сети, за которым следует его восстановление через короткий промежуток времени длительностью от 0,01 до 60 с [1].

Стандарт считает провалом снижение напряжения ниже 90 % от опорного значения (номинального или согласованного) на время до 1 мин. В трёхфазной сети начало провала фиксируют, когда напряжение упало ниже порога хотя бы в одной фазе, а окончание — когда во всех фазах оно снова поднялось выше порога. Опасность провала как электромагнитной помехи определяют две величины: глубина (остаточное напряжение U) и длительность t _п . [1]

В мощной береговой сети тот же двигатель почти незаметен, а на судне он заметно снижает напряжение: уже двигатель мощностью около 5 % от суммарной мощности параллельно работающих генераторов может опустить напряжение ниже 90 % [4].

Традиционные системы регулируют напряжение «по отклонению» (когда провал уже случился) [3]. На рисунке 1 показан типичный переходный процесс в такой системе.

Рис. 1. Типовая осциллограмма провала напряжения при прямом пуске судового электродвигателя

На осциллограмме видны три этапа: нормальный режим; резкое снижение напряжения в момент пуска; восстановление под действием автоматического регулятора возбуждения генератора. Изменение напряжения генератора после подключения асинхронного двигателя описывается упрощённым уравнением [3]:

где U _нач — напряжение в начале восстановления (минимальное напряжение провала), % или о. е.; U _уст — установившееся напряжение, к которому стремится регулятор; T′ _d — эффективная постоянная времени восстановления напряжения, определяемая обмоткой возбуждения генератора и быстродействием регулятора, с.

Иными словами, напряжение возвращается к установившемуся значению по экспоненциальному закону: чем быстрее регулятор повышает ток возбуждения (чем меньше T′ _d ), тем короче провал. Глубина провала определяется величиной U _нач , которая зависит от соотношения пусковой мощности двигателя и мощности генераторов (раздел 4).

Цель статьи — показать, как возникают провалы напряжения в СЭЭС, оценить их влияние на оборудование и рассмотреть способы уменьшения их глубины и длительности.

2. Причины возникновения и анализ последствий

Провал напряжения рассматривается как кондуктивная низкочастотная электромагнитная помеха [1].

Требования к качеству электроэнергии на берегу и на флоте существенно различаются. Общепромышленный стандарт ГОСТ 32144–2013, определяющий нормы качества в системах электроснабжения общего назначения [1], не устанавливает норм на провалы напряжения: это случайные события, и в стандарте приведены лишь справочные данные об их характеристиках (порог начала провала — 90 % опорного напряжения, длительность — от 0,01 до 60 с). Нормируется установившееся отклонение напряжения, которое не должно превышать ±10 % номинального значения.

Для автономных судовых сетей береговые подходы неприменимы напрямую из-за ограниченной мощности и малой инерционности генерации. Поэтому проектирование и эксплуатация СЭЭС опирается на Правила Российского классификационного общества (РКО) [2].

Согласно Правилам РКО [2], СЭЭС должна быть спроектирована так, чтобы при пуске самого мощного электродвигателя (или группы двигателей, пускаемых одновременно) кратковременное падение напряжения на шинах ГРЩ не превышало 20 % номинального, а его восстановление до уровня 97–103 % происходило не более чем за 1,5 с. Береговой допуск в 10 % при пуске тяжёлых механизмов для судовых генераторов практически недостижим, поэтому для судов он не применяется.

Анализ нормативной базы: ГОСТ 32144–2013 против Правил РКО

Таблица 1

Сравнение требований ГОСТ 32144–2013 и судовых Правил к качеству электроэнергии

Из таблицы 1 видно главное различие. ГОСТ не нормирует провалы напряжения, а лишь задаёт порог их фиксации (90 %) и допускает длительность до минуты. Судовые Правила допускают более глубокое снижение, но требуют вернуть напряжение за 1,5 с. Принятый в статье проектный критерий (просадка не более 30 %) даёт запас относительно предельных значений Правил.

3. Статистика провалов напряжения

Чтобы выбрать способ защиты, полезно знать, какие провалы встречаются чаще всего. На рисунке 2 показано число событий (всего 600), зарегистрированных в смешанных (кабельных и воздушных) сетях общего назначения, в зависимости от остаточного напряжения и длительности [1].

Рис. 2. Число провалов и прерываний напряжения по глубине и длительности

Анализ данных рисунка 2 показывает: 63 % событий длятся не более 0,5 с, 40 % — неглубокие провалы (остаточное напряжение 70–90 %), около 31 % — полные прерывания. Следовательно, большинство провалов быстрые и неглубокие, но редкие длительные прерывания тоже необходимо учитывать.

Главная причина провалов напряжения на судах — прямой пуск мощных асинхронных двигателей (приводы подруливающих устройств, пожарных или грунтовых насосов, компрессоров) [5, 6]. Пусковой ток таких электродвигателей в 5–7 раз превышает номинальный [8]. Второй причиной являются короткие замыкания, при которых длительность провала (до момента срабатывания защиты) обычно составляет 0,25–0,35 с [3].

Последствия провалов напряжения критичны:

— Отключение контакторов и магнитных пускателей. При снижении напряжения до 60–70 % от номинального происходит отпадание якорей электромагнитных аппаратов, что ведет к неконтролируемой остановке ответственных механизмов.

— Сбои в работе средств автоматики. Микропроцессорные системы управления и навигационные комплексы крайне чувствительны к микросекундным провалам, что может привести к потере управления судном.

— Снижение крутящего момента. Электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения (M ≈ U ² ). Провал напряжения на 20 % снижает крутящий момент работающих двигателей на 36 %, что может вызвать их опрокидывание и остановку.

— Перегрев, износ и повторные провалы. При пониженном напряжении двигатель потребляет больший ток, греется и теряет в КПД. После провала двигатели разгоняются одновременно (самозапуск), возникает новый провал, и часть двигателей отключается защитой по току. Сочетание провала с несимметрией напряжения ещё опаснее: при росте загрузки двигателей на 10 % допустимая длительность несимметричного провала в среднем уменьшается на 5,8 % [3].

4. Математическая оценка просадки напряжения при пуске двигателя

Базовая оценка относительного падения напряжения при пуске мощного потребителя в автономной системе выглядит следующим образом (упрощённо, без учёта сопротивлений сети и характера нагрузки):

где:

S _пуск — полная пусковая мощность включаемого электродвигателя, кВА;

S _г — полная мощность работающих генераторов, кВА.

Пусковая мощность двигателя зависит от его номинальных данных. Её находят по формуле:

где k _I — кратность пускового тока (при прямом пуске 5–7); P _ном — номинальная мощность двигателя, кВт; η — коэффициент полезного действия; cosφ — коэффициент мощности.

Покажем это на условном примере. Возьмём двигатель P _ном = 55 кВт при η = 0,92 и cosφ = 0,88 (его полная мощность около 67,9 кВА) и сеть из трёх генераторов по 500 кВА (S _г = 1500 кВА). Прямой пуск (k _I = 6) даёт просадку 21,4 %, пуск через УПП (k _I = 2) — 8,3 %, через преобразователь частоты (k _I = 1,5) — 6,4 %. Если при прямом пуске включить четвёртый генератор (S _г = 2000 кВА), просадка снизится до 16,9 % (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость просадки напряжения от отношения мощностей S _пуск / S _г . Точки — случаи из примера

Прямой пуск выводит напряжение за предел 20 %, а плавный или частотный пуск снижает просадку в 2–3 раза. Тот же эффект даёт включение лишнего генератора: растёт S _г , и доля пусковой мощности уменьшается.

Подобные явления наблюдаются и на практике: при прямом пуске главного грунтового насоса земснаряда заметно снижается освещённость судовых помещений, а без своевременного действия автоматических регуляторов напряжения (АРН) генераторов возможны отключения вспомогательных систем [7, 8].

5. Детерминированные провалы и предиктивное регулирование

Особый интерес для современных СЭЭС представляют так называемые детерминированные (предсказуемые) провалы напряжения. В отличие от случайных коротких замыканий, пуск мощного привода часто имеет четкий алгоритм. Например, перед запуском мощного насоса всегда идет команда на открытие задвижек или продувку вентиляции. Это дает системе управления «фору» во времени — сигнал о том, что через несколько секунд произойдет мощный наброс нагрузки. Такие провалы подробно рассмотрены в работах [3, 4].

Эффективным решением является предиктивное (заблаговременное) регулирование [3]. Получив сигнал о скором пуске, система управления кратковременно повышает напряжение генератора в пределах допустимых кратковременных отклонений Правил РКО (например, до 108 %, см. табл. 1).

Рис. 4. Условная диаграмма изменения напряжения при использовании предиктивного регулирования (иллюстрация принципа)

Как видно из рисунка 4, благодаря накопленной энергии магнитного поля и повышенному стартовому напряжению глубина провала уменьшается. Остаточное напряжение не опускается до уровня 75 %, характерного для режима без регулирования, и сохраняется на уровне 85 %, что снижает риск отпадания контакторов и сбоев ПЛК.

6. Комплексные методы защиты электрооборудования

Для борьбы с провалами напряжения и обеспечения электромагнитной совместимости применяется ряд технических решений:

1. Устройства плавного пуска и преобразователи частоты (ПЧ): Ограничивают пусковые токи с 5–7 до 1.5–2 номинальных. [8].
2. Предиктивное управление генерацией: Использование систем управления мощностью (PMS) для заблаговременного запуска резервного генератора или поднятия напряжения. [3].
3. ИБП с двойным преобразованием (Online UPS): Необходимы для защиты навигации и микропроцессорной техники от любых сетевых помех.
4. Динамические компенсаторы и активные фильтры: Быстродействующие устройства, способные впрыскивать недостающую мощность в сеть за миллисекунды, выравнивая синусоиду напряжения.

7. Заключение

Проведённый анализ позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, основной причиной провалов напряжения в автономных СЭЭС является прямой пуск мощных асинхронных двигателей. Во-вторых, требования ГОСТ 32144–2013 и Правил РКО принципиально различаются: ГОСТ не нормирует провалы, а Правила ограничивают глубину снижения и время восстановления напряжения. В-третьих, на расчётном примере прямой пуск двигателя 55 кВт даёт просадку 21,4 %, превышающую допустимые 20 %; плавный и частотный пуск снижают её до 8,3 и 6,4 %, а включение дополнительного генератора — до 16,9 %. В-четвёртых, для детерминированных провалов эффективно предиктивное повышение напряжения генератора перед пуском. Дальнейшие исследования целесообразно направить на экспериментальную проверку предиктивного регулирования на реальных СЭЭС.

Литература:

1. ГОСТ 32144–2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М.: Стандартинформ, 2014. — 16 с.
2. Правила классификации и постройки судов. Часть XI. Электрическое оборудование / Российское классификационное общество (РКО). — М., 2023.
3. Смыков Ю. Н., Горелов С. В. Процессы формирования и подавления детерминированных провалов напряжения в автономных системах электроснабжения // Омский научный вестник. — 2025. — № 4 (196). — С. 65–72.
4. Смыков Ю. Н. Формирование провалов напряжения при электроснабжении концентрированных потребителей // Транспорт. Горизонты развития: труды 5-го Международного научно-промышленного форума. — Нижний Новгород, 2025. — С. 36.
5. Атамурзаева А. А., Смыков Ю. Н., Горелов С. В. Характеристики провалов напряжения при электроснабжении судов с берега // Современное состояние и актуальные проблемы водного транспорта: сборник статей VII Всероссийской научно-практической студенческой конференции. — Казань, 2025. — С. 32–36.
6. Герцен К. Д., Смыков Ю. Н. Различия электродвигателей для судна и берега // Современное состояние и актуальные проблемы водного транспорта: сборник статей VII Всероссийской научно-практической студенческой конференции. — Казань, 2025. — С. 37–41.
7. Руди Д. Ю. Экспериментальное исследование медленных изменений напряжения плавкрана КПЛ 5–30 при электропередаче «берег-судно» // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. — 2021. — № 12. — С. 12–23.
8. Руди Д. Ю., Петров С. И., Хацевский К. В. Проблема прямого пуска высоковольтного электродвигателя // Научное знание современности. — 2021. — № 10 (58). — С. 22–24.