CC BY
152
УДК 519.252
К.В. Безручко1, А.О. Давидов1, К.Н. Земляной2, В.П. Фролов2
1 Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «ХАИ», Украина
2Государственное предприятие «Конструкторское бюро «<Южное» им. М.К. Янгеля», Украина
АНАЛИЗ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТАРТОВЫХ КОМПЛЕКСОВ СОВРЕМЕННЫХ РАКЕТ - НОСИТЕЛЕЙ
При проектировании стартовых комплексов современных ракет-носителей на сегодняшний день особое внимание уделяется бесперебойному электроснабжению наиболее ответственных потребителей электроэнергии. В статье рассмотрены структуры систем электроснабжения действующих стартовых комплексов. Проведен анализ распределения электроэнергии по всем потребителям во всех режимах работы стартовых комплексов. Определяющую роль в обеспечении надежного электроснабжения стартового комплекса играют системы внешнего и внутреннего электроснабжения. Электропитание потребителей должно происходить в условиях высокой надежности питания и минимальных отклонениях параметров качества электроэнергии от номинальных значений.
Систсма электроснабжения, ракета-носитель, стартовый комплекс, бесперебойное электропитание.
Введение
Под системой электроснабжения (СЭС) стартовых комплексов (СК) ракет-носителей (РН) понимается совокупность систем генерирования, преобразования и распределения электроэнергии, предназначенных для обеспечения функционирования электроприемников технических систем и технологического оборудования [1-3].
СЭС СК подразделяются на:
— систему внешнего электроснабжения (СВЭ);
— систему внутреннего электроснабжения (СВнЭ);
— системы электроснабжения зданий (сооружений);
— системы наземного электроснабжения спецтоками (СНЭСТ).
Определяющую роль в обеспечении надежного электроснабжения СК играют системы внешнего и внутреннего электроснабжения. Системы электроснабжения зданий (сооружений) и СНЭСТ являются составными частями системы внутреннего электроснабжения.
Для приема и распределения электроэнергии между потребителями технологических и технических систем в СВнЭ СК используются следующие распределительные устройства:
— щиты распределительные главные (ЩРГ);
— щиты гарантированного питания (ЩГП);
— щиты распределительные (ЩР), получающие питание от ЩРГ и ЩГП;
— щиты питания (ЩП) и лабораторные щиты (ЛЩ), снабжаемые электроэнергией от ЩР.
Рассмотрим системы внутреннего электроснабжения различных СК.
1. Стартовый комплекс ракеты-носителя «Зе-нит-2»
Электроснабжение СК РН «Зенит-2», расположенного на космодроме «Байконур», имеет ряд специфических особенностей, связанных с режимом функционирования этого комплекса, составом потребителей электроэнергии, организационной структурой, функциональными связями и различными требованиями к СЭС в целом и ее отдельным подсистемам и элементам.
Структурная схема СЭС СК РН «Зенит-2» приведена на рисунке 1.
Внешнее электроснабжение комплекса «Зенит-2» может осуществляться от:
— объединенной энергосистемы (ОЭС) «Юг»;
— объединенной энергосистемы «Север»;
— собственной ТЭЦ космодрома «Байконур»;
— газотурбинной электростанции (ГТЭ).
© К.В. Безручко, А.О. Давидов, К.Н. Земляной, В.П. Фролов, 2008
Рис. 1. Структурная схема СЭС СК РН «Зенит-2»
ДЭС — дизельная электростанция; ЩР — щит распределительный; ТО — технологическое оборудование; ТС — технические системы; ИБП — источник бесперебойного питания; НВО КА — наземное вспомогательное оборудование космического аппарата
Особенностями работы системы внешнего электроснабжения комплекса «Зенит-2» являются:
а) раздельное питание потребителей рассматриваемого спецкомплекса из-за невозможности синхронизации ОЭС «Юг» и ОЭС «Север»;
б) реальная опасность аварийного несинхронного включения в многочисленных точках секционного замыкания колец, не оборудованных до сих пор устройствами блокировки от несинхронных включений;
в) при формальном наличии в системе внешнего электроснабжения четырех источников, фактически система внешнего электроснабжения спецкомплекса не имеет двух независимых источников, так как существующая схема не исключает взаимного влияния переходных процессов при аварийных нарушениях в питающих линиях электропередач (ЛЭП) и энергоисточниках.
Электроснабжение космодрома «Байконур» в целом и комплекса «Зенит-2» в частности осуществляется по II категории надежности электроснабжения. В периоды максимальных нагрузок аварийное отключение одного из внешних источников электроэнергии приводит к погашению части потребителей космодрома на время ремонтно-восстановительных работ. Такое положение крайне затрудняет бесперебойное электроснабжение технологического оборудования, участвующего в подготовке и проведении штатных работ на комплексе «Зенит-2».
В связи с отсутствием питания от ОЭС «Юг» и ТЭЦ космодрома (нехватка мощности) и наличием питания только от ОЭС «Север», на сегодняшний день можно сделать вывод, что электроснабжение комплекса «Зенит-2» осуществляется по III категории надежности электроснабжения.
г) протяженные воздушные одноцепные ЛЭП существенно снижают надежность СВЭ комплекса «Зенит-2»;
д) общий дефицит мощности в системе при режимах, отличных от нормальных и, тем более, аварийных, даже при объединении мощностей близлежащих энергоисточников;
е) неблагоприятные почвенно-климатические условия, характеризующиеся неустойчивостью внешнего электроснабжения рассматриваемого комплекса в периоды сильных ветров.
Последние годы характеризуются возросшей среднегодовой продолжительностью гроз, что, при отсутствии на воздушных ЛЭП грозозащитных тросов, приводит к их частым отключениям. В связи с этим, реальный поток отказов элементов СВЭ комплекса «Зенит-2» превышает среднегодовой расчетный в 9...12 раз.
Указанные особенности не позволяют в полной мере обеспечить требуемую надежность электроснабжения ответственных потребителей комплекса «Зенит-2» электроэнергией нормируемого качества и обуславливают необходимость совершенствования существующей СВЭ этих комплексов и поиска научно-технических решений по повышению надежности их электроснабжения.
2. Стартовый комплекс ракеты-носителя «Днепр»
Система электроснабжения потребителей СК РН «Днепр» состоит из:
— системы внутреннего электроснабжения (СВнЭ);
— системы автономного электроснабжения (САЭ) пусковой установки.
Рис. 2. Структурная схема СЭС СК РН «Днепр»
ДЭС — дизельная электростанция; ЩР — щит распределительный; ЩП — щит питания; ЩГП — щит гарантированного питания; ТО — технологическое оборудование; ТС — технические системы; ИБП — источник бесперебойного питания; НВО КА — наземное вспомогательное оборудование космического аппарата;
БХ ШПУ — батарея химическая шахтно-пусковой установки
СВнЭ предназначена для приема электроэнергии от энергосистемы космодрома «Байконур» или резервного источника электроэнергии, преобразования и распределения ее между потребителями СК. СВнЭ обеспечивает электроэнергией потребителей СК во всех режимах эксплуатации.
Основными потребителями электроэнергии СК являются:
— стартовые позиции (пульты управления, сооружения, системы охраны);
— командный пункт управления;
— агрегаты подвижного технологического оборудования на стартовой позиции.
Основным источником электроэнергии является энергосистема космодрома.
При отсутствии напряжения в энергосистеме или выходе ее за допустимые пределы электроснабжение осуществляется от резервного источника электроэнергии.
В качестве СВнЭ СК РН «Днепр» используется унифицированная система внутреннего электроснабжения (УСВЭС).
В состав УСВЭС входят:
а) энергоблок (центральное распределительное устройство);
б) трансформаторные подстанции;
в) унифицированные регламентные щиты, размещенные возле ПУ;
г) межплощадочная кабельная сеть;
д) внутриплощадочная кабельная сеть;
В энергоблоке размещаются следующие системы и оборудование:
— комплексное распределительное устройство;
— система компенсации зарядной емкости и токов однофазного замыкания на землю;
— комплект разделительных трансформаторов;
— комплект силовых трансформаторов;
— система распределения электроэнергии и управления электроприводами;
— резервная автоматизированная дизель-электрическая станция в составе двух дизель-генераторов;
— система телесигнализации.
Кроме того, в состав энергоблока входят системы отопления и вентиляции сооружения, средства освещения и связи.
Электроэнергия от системы космодрома через сетевую трансформаторную подстанцию подается к энергоблоку и через разделительные трансформаторы подается на комплексное распределительное устройство для дальнейшего распределения по трансформаторным подстанциям стартовых позиций.
Подача электроэнергии от энергоблока к трансформаторным подстанциям осуществляется по дублированным кабельным линиям, проложенным по радиальной схеме.
Распределение электроэнергии по потребителям стартовых позиций осуществляется от низковольтного распределительного щита трансфор-
маторной подстанции по дублированной внут-риплощадочной кабельной сети.
3. Космический ракетный комплекс «Циклон-4»
Система электроснабжения технологического оборудования космического ракетного комплекса (КРК) «Циклон-4» включает в себя три независящие друг от друга системы:
— систему электроснабжения технологического оборудования стартового комплекса (СЭС ТО СК);
— систему электроснабжения технологического оборудования технического комплекса ракеты-носителя (СЭС ТО ТК РН);
— систему электроснабжения технологического оборудования технического комплекса космического аппарата и головного блока (СЭС ТО ТК КА и ГБ);
Наличие в составе СЭС ТО КРК «Циклон-4» указанных выше систем электроснабжения, каждая из которых представляет собой отдельные не зависящие друг от друга системы электроснабжения, обусловлено следующим:
а) каждая система электроснабжения обеспечивает питанием комплекс технологического оборудования, который выполняет самостоятельные технологические задачи в составе объекта и расположен, как правило, в отдельном сооружении, находящемся на определенном расстоянии от других сооружений;
б) в соответствии со структурой системы электроснабжения космодрома питание каждой из рассматриваемых систем электроснабжения осуществляется от двух силовых трансформаторов, установленных в соответствующих сооружениях.
Каждая из указанных выше систем электроснабжения состоит из двух частей:
— силовой части, предназначенной для обеспечения технологического оборудования электроэнергией;
— системы контроля качества электроэнергии и управления (СККЭУ), предназначенной для контроля параметров питания электропотребителей технологического оборудования, контроля положения автоматических выключателей (силовой части) и управления ими.
Работа каждой из рассматриваемых систем электроснабжения предусматривается в режимах:
— нормальном (штатном);
— резервном (нештатном);
— переходном.
В нормальном режиме питание приемников электроэнергии технологического оборудования соответствующего комплекса осуществляется по двум независимым вводам.
В резервном режиме, переход для работы в котором происходит при исчезновении напряжения или при недопустимом отклонении пара-
метров питающего напряжения на одном из вводов ЩР ТО, питание всех приемников электроэнергии технологического оборудования комплекса происходит от одного ввода.
В переходном режиме система электроснабжения работает в течение времени, за которое происходит переключение вводных и шиносое-динительных автоматических выключателей в ЩР ТО.
1
ДЭС-1 — ЩР «— ДЭС-2
TO lb
r
+
ИБП 1 ИЫ12 TC
TO 1A ]
ЩГП TO —*■ I mo KA
Рис. 3. Структурная схема СЭС СК РН «Циклон»
ДЭС — дизельная электростанция; ЩР — щит распределительный; ЩГП — щит гарантированного питания; ТО — технологическое оборудование; ТС — технические системы; ИБП — источник бесперебойного питания; НВО КА — наземное вспомогательное оборудование космического аппарата
Электроснабжение стартового комплекса при штатной работе и регламентных работах разработано с таким расчетом, чтобы питание технологического оборудования РН и КА и наземного технологического оборудования осуществлялось от разных трансформаторов. В режиме дежурства электроснабжение стартового комплекса осуществляется через маломощные трансформаторы, что позволяет повысить коэффициент мощности и снизить потери мощности в СЭС.
Заключение
Обострение проблемы качественного и гарантированного электроснабжения электропотребителей КРК на современном этапе характеризуется следующими причинами:
— ростом потребления электрической энергии в условиях качественного совершенствования ракетно-космической техники;
— увеличением количества и номенклатуры приемников электрической энергии в каждом из объектов КРК, единичной и суммарной мощности объектов; расширением средств диспетчерского и технологического управления, в которых используется ЭВМ и микропроцессорная техника; необходимостью повышения экономической эффективности создаваемых элементов СЭС КРК.
Исходя из обзора и анализа схем СЭС КРК при проектировании стартовых комплексов современных ракет-носителей, специалисты должны учитывать, что электроснабжение наиболее ответственных потребителей КРК должно происходить в условиях высокой надежности питания от СЭС и минимальных отклонениях параметров качества электроэнергии от номинальных значений во всех режимах ее работы.
Литература
1. УРКТ-01.01. Правила косм1чно! д1яльност1 в Укра!ш. Розробка, виготовлення та експлуата-Цяракетно-космчно! техники. 1ТМ, НАЛУ, НКАУ, ДКБ «Швденне» - К., 2003. - 111 с.
2. Анализ создания системы электроснабжения для обеспечения гарантированного электропитания технологического оборудования наземного комплекса при подготовке и пуске РКН «Циклон-4»: Отчет об НИР / Объединение предприятий Электротехническая корпорация «ЭлКор». — Харьков, 2006. — 275 с.
Поступила в редакцию 01.06.08
Рецензент: д-р. техн. наук, проф. Габринец В.А. Днепропетровский региональный институт государственного управления НАГУ, г. Днепропетровск.
При проектуванш сучасних стартових комплексе съогодт особлива увага придыяетъся безперебшному електропостачанню найбыъш вгдповгдалъних споживачгв електроенергп для успшного здйснення запуску ракети-ноая. Устаттг розглянуто структури систем елект-розабезпечення дючих стартових комплекав. Проведено аналгз розподлу електроенергп по вах споживачах у вах режимах роботи системи електрозабезпечення. Визначалъну ролъ у забезпеченш надйного електропостачання стартового комплексу вгдграютъ системи зовм-шнъого й внутршнъого електрозабезпечення. Електроживлення споживачгв повинне вгдбува-тися в умовах високог надшностг живлення й мшмалъних вгдхиленъ параметргв якостг електроенергп вгд номталъних значенъ.
Nowadays at designing of modern rocket complexes much attention is given to uninterrupted power supplying of the most responsible power consumers. The power supply structures of the operating rocket complexes are considered in the article. It was made the analyses of power distribution of all consumers in all operational modes of rocket complexes. Systems of the external and internal power supplying play the determinative role in the providing of the safe power supplying of the rocket complex. Power supplying of the consumers is in the conditions of high reliability supplying and minimal divergence of power quality parameters from nominal values.
