ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΥΠΟΣΤΑΘΜΩΝ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΠΛΟΙΩΝ-ΛΙΜΑΝΙΩΝ

Εισαγωγή

Μέσα στο πλαίσιο της παγκόσμιας προσπάθειας για την προστασία του περιβάλλοντος οι κατασκευαστές πλοίων σε συνεργασία με τις λιμενικές αρχές αναζητούν τρόπους περιορισμού των εκπομπών αερίων ρύπων από τα πλοία με συνέπεια την παροχή ηλεκτρικής ισχύος στα πλοία κατά την παραμονή τους στο λιμάνι από την στεριά. 

Σκοπός ενός συστήματος παροχής ηλεκτρικής ισχύος στο πλοίο από το λιμάνι είναι να εξαλειφθούν οι εκπομπές αερίων ρύπων που προέρχονται από την καύση πετρελαίου στις μηχανές ντίζελ παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος στο πλοίο όπως CO2 και στον περιορισμό SO2, NOX και άλλων ιδιαίτερων αερίων ρύπων. Επίσης διευκολύνει την μείωση του θορύβου που προέρχεται από τις μηχανές και των δονήσεων χαμηλής συχνότητας στο ευρύτερο χώρο του λιμανιού. Ακόμη υπάρχει και το σημαντικό οικονομικό όφελος από την μη κατανάλωση πετρελαίου λόγω της διακοπής λειτουργίας των μηχανών ντίζελ.

Λόγω της προσπάθειας για πλοία φιλικότερα προς το περιβάλλον, μεγάλες εταιρίες εξειδικευμένες σε θέματα βελτίωσης συστημάτων παροχής ενέργειας στα πλοία κατασκεύασαν και εφάρμοσαν τις εφαρμογές της συγκεκριμένης παροχής ισχύος ελλιμενισμένων πλοίων. 

Το σύστημα ηλεκτροδότησης ελλιμενισμένων πλοίων εφαρμόστηκε με πολύ καλά αποτελέσματα στο λιμάνι του Gothenburg το 2000 στην Σουηδία με κατασκευάστρια εταιρία την ABB, η οποία θεωρείται μια από τις πρώτες κατασκευάστριες εταιρίες που έθεσαν σε εφαρμογή τόσο θεωρητική μέσα από τις μελέτες όσο και στην πράξη. Η ίδια εταιρία έχει τοποθετήσει το παραπάνω σύστημα και στο λιμάνι Hoek-Van Holland στο Ρότερνταμ της Ολλανδίας για την γραμμή των επιβατικών πλοίων της Stena-Line. Ακόμη ένα λιμάνι που κατέχει το σύστημα ηλεκτροδότησης ελλιμενισμένων πλοίων είναι το λιμάνι του San Diego στην Καλιφόρνια των Η.Π.Α. Τα αποτελέσματα αυτών των εγκαταστάσεων είχαν μεγάλη επιτυχία και έτσι οι εφαρμογές του συγκεκριμένου συστήματος έγιναν ευρέως διαδεδομένες σε πολλά ακόμη λιμάνια. Ως αποτέλεσμα αυτής της σημαντικής εφαρμογής το σύστημα ηλεκτροδότησης ελλιμενισμένων πλοίων όχι μόνον αναπτύχθηκε αλλά και άνοιξε τον δρόμο και σε περισσότερα λιμάνια για την μελέτη και εγκατάσταση αυτού του συστήματος

Γενικά χαρακτηριστικά

Η παροχή ηλεκτρικής ισχύος από το λιμάνι προς το πλοίο επιτυγχάνεται με διατάξεις δύο υποσταθμών. 

Οι διατάξεις υποσταθμών που είναι απαραίτητες για την παροχή και ηλεκτροδότησης ηλεκτρικής ισχύος σε πλοία κατά την παραμονή τους στο λιμάνι αποτελείται από δύο υποσταθμούς υποβιβασμού της τάσης.

Ο πρώτος υποσταθμός είναι τοποθετημένος στην προβλήτα του λιμανιού και είναι υπεύθυνος για τον υποβιβασμό της ηλεκτρικής τάσης από τα 20KV στα 6.6KV, ο υποσταθμός αυτός είναι συνήθως επίγειος, διανομής και ονομάζεται υποσταθμός μέσης τάσης.

Ο υποσταθμός που βρίσκεται στην στεριά τροφοδοτείται από την τοπική παροχή ηλεκτρικής ισχύος η οποία είναι συνήθως στα 20KV και συχνότητας 50Hz. Ο υποσταθμός υποβιβάζει αυτήν την τάση στα 6.6 KV και σε συχνότητα των 60Hz, η οποία είναι και η συχνότητα λειτουργίας της ηλεκτρικής υποδομής του πλοίου. Η μετατροπή της συχνότητας γίνεται από τους μετατροπείς συχνότητας (frenquency converters) οι οποίοι βρίσκονται συνήθως στον υποσταθμό της στεριάς αλλά μπορούν να τοποθετηθούν και στον υποσταθμό του πλοίου.

Βέβαια ο χώρος της προβλήτας είναι πάντα πολύτιμος και για τον λόγο αυτό η όποια εγκατάσταση εκεί θα πρέπει να καταλαμβάνει κατά το δυνατόν μικρότερο χώρο. Έτσι στην προβλήτα χρειάζεται να βρίσκεται μόνο ένα κοντέινερ το οποίο θα περιέχει τον μετασχηματιστή απομόνωσης και διασύνδεσης με τα πλοία, το διακοπτικό υλικό, τον πίνακα, τον απαραίτητο εξοπλισμό προστασίας και ελέγχου και το σύστημα διεπαφής με τα πλοία. Έτσι ο μετατροπέας συχνότητας που θα δούμε παρακάτω μπορεί να είναι σε μια απόσταση έως και 10km, από το λιμάνι.

Ο δεύτερος υποσταθμός είναι τοποθετημένος πάνω στο πλοίο σε ειδικά διαμορφωμένο χώρο και είναι υπεύθυνος για τον υποβιβασμό της μέσης τάσης, η οποία παρέχεται από τον πρώτο υποσταθμό, σε χαμηλή τάση 440 V. Η τάση αυτή είναι και η τάση λειτουργίας όλων των ηλεκτρικών συστημάτων και αυτοματισμών του πλοίου. 

Ο υποσταθμός του πλοίου τροφοδοτείται με την τάση των 6.6 KV η οποία προέρχεται από τον πρώτο υποσταθμό και την υποβιβάζει στα 400V η οποία είναι και η τάση λειτουργίας των ηλεκτρολογικών συστημάτων του πλοίου. Η συχνότητα είναι αυτή των 60Hz.

Η σύνδεση αυτών των δύο υποσταθμών πραγματοποιείται από ένα ειδικό καλώδιο, το οποίο ονομάζεται καλώδιο μέσης τάσης.

Το καλώδιο παρέχεται στο πλοίο από το λιμάνι με την βοήθεια ειδικά διαμορφωμένων γερανών οι οποίοι χειρίζονται από ανθρώπινο δυναμικό αλλά μπορεί το συγκεκριμένο καλώδιο να υπάρχει και στην εγκατάσταση του πλοίου. Όταν το καλώδιο υπάρχει πάνω στο πλοίο τότε παρέχεται από το πλήρωμα στους εργάτες του λιμανιού μέσω ενός ειδικά διαμορφωμένου γερανού.

Περιγραφή ηλεκτροδότησης

Κατά την άφιξη ενός πλοίου στο λιμάνι και αφού έχουν ολοκληρωθεί οι απαραίτητες εργασίες πρόσδεσης του στην προβλήτα του λιμανιού τότε τίθεται σε κατάσταση μη λειτουργίας η κύρια μηχανή του πλοίου. 

Στην συνέχεια ακολουθεί η διαδικασία ηλεκτροδότησης του πλοίου από το σύστημα παροχής ηλεκτρικής ισχύος από το λιμάνι. Για την ολοκλήρωση αυτής της διαδικασίας ακολουθούν κάποιες τεχνικές διεργασίες.

Αρχικά οι μηχανικοί του λιμανιού θέτουν σε λειτουργία τον γερανό ο οποίος έχει εφαρμοσμένο επάνω του το ειδικό καλώδιο μέσης τάσης, όπως φαίνεται στις εικόνες (1), (2) και (3) που πρέπει να συνδεθεί στον υποσταθμό του πλοίου.

Εικόνα 1-Γερανός μεταφοράς καλωδίου 

 Εικόνα 2-Καλώδιο μέσης τάσης

 Εικόνα 3-Καλώδιο μέσης τάσης

Το καλώδιο είναι αυτό που συνδέει τους δύο υποσταθμούς δηλαδή είναι αυτό που μεταφέρει την ηλεκτρική ισχύ από τον υποσταθμό της στεριάς στον υποσταθμό του πλοίου. Ο γερανός σηκώνει και ουσιαστικά βοηθάει στην μεταφορά του ειδικού αυτού καλωδίου στο πλοίο (εικόνα 4).

 Εικόνα 4-Μεταφορά καλωδίου

Κατά την διάρκεια της μεταφοράς ο γερανός φέρνει κοντά στην ειδική πόρτα του πλοίου το καλώδιο ώστε να μπορέσει ο μηχανικός του πλοίου να το παραλάβει (εικόνα 5).

 Εικόνα 5-Παραλαβή καλωδίου

Ο μηχανικός αφού το παραλάβει το εφαρμόζει στους ειδικούς υποδοχείς του υποσταθμού του πλοίου (εικόνα 6). Η διαδικασία ηλεκτροδότησης δεν έχει πλήρως ολοκληρωθεί διότι θα πρέπει να γίνει ο συγχρονισμός του δικτύου του υποσταθμού με αυτό του πλοίου.

Εικόνα 6-Σύνδεση καλωδίου

Σε κάποιες περιπτώσεις το πλοίο μπορεί να είναι εξοπλισμένο με το καλώδιο μέσης τάσης και κατά την άφιξη του να δίνεται από το πλήρωμα μέσω του ειδικού γερανού που βρίσκεται στο πλοίο στους τεχνικούς του λιμανιού. Αυτοί με την σειρά τους το παραλαμβάνουν και το τοποθετούν στους ειδικούς υποδοχείς της στεριάς. Βέβαια το συγκεκριμένο σύστημα ηλεκτροδότησης θεωρείται σπανιότερο επειδή το καλώδιο και ο γερανός καταλαμβάνουν σημαντικό χώρο στο πλοίο επίσης, για λόγους εξοικονόμησης χώρου και μείωσης του κόστους κατασκευής για τους πλοιοκτήτες (εικόνα 7).

Εικόνα 7-Πλοίο εξοπλισμένο με καλώδιο

Εφόσον έχει συνδεθεί το καλώδιο μέσης τάσης στον υποσταθμό του πλοίου, ο οποίος υποβιβάζει την τάση των 6.6KV σε τάση των 440V και συχνότητας 60Hz θα πρέπει να ακολουθήσουν δύο βήματα. 

Το πρώτο βήμα είναι ο συγχρονισμός μεταξύ της παροχής του υποσταθμού και αυτής της ηλεκτρομηχανής που βρίσκεται σε λειτουργία. 

Το δεύτερο βήμα και αφού έχει ολοκληρωθεί ο συγχρονισμός θα πρέπει να γίνει κατανομή του φορτίου και στην συνέχεια παραλαβή όλου του φορτίου προς τον υποσταθμό, ώστε να μπορούμε να θέσουμε εκτός λειτουργίας την γεννήτρια του πλοίου.

Ο συγχρονισμός γίνεται αυτόματα. Για την επίτευξη συγχρονισμού δεν πρέπει να υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ των τάσεων των υπό σύνδεση αντίστοιχων φάσεων μεταξύ της παροχής του υποσταθμού και της γεννήτριας. Για να συμβεί αυτό θα πρέπει οι ενεργές πηγές των τάσεων και των δύο να είναι ίσες και οι συχνότητες να είναι ίσες. Επίσης να μην υπάρχει διαφορά φάσεις μεταξύ των τάσεων των φάσεων που πρόκειται να συνδεθούν. Και τέλος για όμοιες φάσεις να συνδεθούν μεταξύ τους όταν κλείσει ο διακόπτης παραλληλισμού (αυτό είναι εξασφαλισμένο από την εγκατάσταση). Αφού τα παραπάνω έχουν εφαρμοστεί γίνεται παραλληλισμός με το κλείσιμο του διακόπτη την στιγμή που οι κυμματομορφές των τάσεων των αντίστοιχων φάσεων είναι η μία πάνω στην άλλη, δηλαδή είναι πλήρως συγχρονισμένες. Η διαφορά φάσης μεταξύ των τάσεων των φάσεων προς παραλληλισμό παρατηρείται στο συγχρονοσκόπιο ή στις λάμπες συγχρονισμού (εικόνα 8).

Εικόνα 8-Όργανα παραλληλισμού

Μετά το κλείσιμο του διακόπτη παραλληλισμού επιδιώκουμε την μεταφορά του φορτίου εξ ολοκλήρου στο δίκτυο του υποσταθμού. Αυτό που καταφέρνουμε με αυτή την ενέργεια είναι να μηδενίσουμε τα φορτία στην ηλεκτρομηχανή ώστε να έχουμε την δυνατότητα να την αφαιρέσουμε από το δίκτυο και στην συνέχεια να την θέσουμε εκτός λειτουργίας, δηλαδή να την σβήσουμε αφού δεν μας είναι πλέον χρήσιμη.

Πηγή: Μέρος ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ  ΕΡΓΑΣΙΑΣ  ΜΕ ΘΕΜΑ-ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΥΠΟΣΤΑΘΜΩΝ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΠΛΟΙΩΝ ΚΑΙ ΛΙΜΑΝΙΩΝ-ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ ΑΚΑΔΗΜΙΑΣ  ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΚΩΤΣΙΟΠΟΥΛΟΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ