1

STUDY REPORT ON ENHANCING ELECTRICAL SAFETY 

FOR 230 V DOMESTIC SUPPLY ONBOARD EXISTING AND NEW 

CONSTRUCTION SHIPS

IHQ MOD (N)/DEENEW DELHI

Document Reference :       EED-50-07Date :      Aug 06

2

   INDEX

CHAPTER TITLE PAGE NO1 Abstract 1

2 Study of Electrical Shock and Naval Standards 23 Study on Domestic Supply System Arrangement 

onboard Existing Platforms7

4 Field Study – Indigenous Ships 9

5 Domestic Supply System on New Construction Ships

13

6 Conclusion and Recommendations 15

3

             APPENDICES

APPENDIX TITLE PAGE NOA Study ­ Electric shock & protection circuit    Design 17

B Relevant Extract of Def Stan 61­5 Part 4/1 

27

C Relevant extract of NES 539  31

D Existing design and distribution arrangement of 230V 50 Hz 1 phase power supply – INS Investigator

34

E Proposal for retro­fitment of 4 wire power supply distribution system for 230 V 1 phase onboard INS Investigator

37

F Existing design and distribution arrangement of 230V 50 Hz 1 phase power supply –  INS Godavari 

42

G Proposal for retro­fitment of 4 wire power supply distribution system for 230 V  1 phase onboard INS Godavari

44

H Recommended 4 wire domestic distribution system as modification. 

48

J Proposed On­Line Insulation Monitoring System onboard INS Godavari and Investigator

49

4

5

CHAPTER 1

ABSTRACT

1.1 Background.  A study has been undertaken by  the Directorate of  Electrical Engineering with regard to the distribution circuits of the 220 volts domestic supplies on board Naval Ships. 

1.2 Factors Influencing Shock Level.   Contrary to the popular belief, the level of voltage is not directly proportional to the level of injury or danger of death.  For a given  operating voltage, it is the amplitude and period of current flow through the body which decide   the   level   of   electric   shock.   This   current   can   be   limited   to   safe   levels   by increasing the resistance of the body and by designing the safety circuits so as to be capable   of   detecting   earth   leakage   conditions   and   tripping   supplies   in   shortest possible time. 

1.3 Existing Standards for Domestic Supply.   NES 539 (Guide to the Design of Supply System for Portable Electrical Equipment)  and Def Stan 61­5 Part  4 (Electrical Power Supply Systems below 650 volts Part 4: Power supply in HM  ships)  specify  a 3 Ph 3 wire power distribution system with a  floating neutral   for  consumers of primary supply and domestic  lighting so as to provide earth leakage fault resistant operation. These standards also envisage a converted supply of 230 V 3  Phase  4  wire  distribution  system  from a  step down transformer  with  neutral  grounded  for   the  domestic  system  to   reduce   the  catastrophic  effect  of  electric shock at 230 volts. 

1.4 During the initial indigenous ship Construction certain ships of IN, the domestic supplies onboard were drawn from a 3 phase, 3 wire system with floating neutral. The supplies were tapped between phase  to phase (115V) with a “double pole double throw” switch for switching on/off the supplies. Such an arrangement meant that the phase   to  earth  voltage  was  57.5  volts  which   incase  of  a  phase   to  earth   fault   is  considered to be safe with reduced shock  level  voltage and thereby ensuring that incase of shock, the consequence is not lethal. Similar arrangements were in place on board Russian origin ships. The only difference being that the phase to phase voltage in  this case was 127 volts. The domestic equipment  in those times were specially designed   for   onboard   use   and   operated   on   127/115   volts.   With   the   induction  of commercial domestic equipment for onboard use, a 230 volts domestic distribution arrangement   was   adopted   in   indeginous   ship   construction   project.   This   changed scheme, however, had a flaw in that, instead of 4 wire system, as specified in NES, the design adopted 3 wire system and therefore did not meet  the safety standards.

1.5 Field Study.   In this phase, survey of power distribution for domestic supply was undertaken onboard certain  IN  ships.   It  was established that 230 V domestic supply system was drawn from a 3 phase 3 wire system which could be modified to a 

6

4 wire system conforming to the safety aspects of NES 539. The modification involves conversion to a 4 wire system by running local cables and installation of appropriate transformers   and   “Double   pole   Double   throw”   switches.   The   efficacy   of   off   line insulation measuring device fitted on switchboards of exiting ships was also studied and found unsatisfactory as they do not continuously monitor the insulation and also have no provision of visual fault indication. Therefore, their replacement with on line  insulation monitoring devices is also considered essential.

1.6 Conclusion. The   230   volts   power   supply   distribution   circuits   for systems/equipment onboard warships  must  conform to NES 539 and provide fault resistant  supplies   to  mission critical  equipment   .  At   the same time,  It  should also provide a safe domestic supply circuit. The first requirement is met by implementing a 3 phase 3 wire system with the floating neutral where as implementation of a 3 phase 4 wire system with earthed neutral and fitted with earth leakage protection breakers for the domestic supplies  fulfils the second requirement. The specifications for such circuits is specified in NES 539. Further, the installation of on line insulation monitoring devices would facilitate continous monitoring of insulation. 

7

Way Ahead

1.7 Recommendations. There is a need to enhance the inherent safety features in the  domestic  230  V  circuit.  This   can  be  done  progressively   in   stages  and   to  be completed by the next refit of the ships. Following is recommended:­ 

(a) Ships in Commission. The ships in commission need to implement the following:­ 

(i) Change of “Single pole” commercial switches to “Double pole Double throw” switches throughout the domestic supply circuits. 

(ii) Modification of galley, pantry and wet compartment supplies to a 4 wire system as indicated at Para 1.5 above.

(iii) Incorporation   of   on   line   earth   fault   detection   system   at switchboards.

(b) New Construction Ships. The domestic supply circuits in new induction ships to be modified so as to conform to NES 539 with simultaneous installation of online earth fault detection system at switchboards.

8

CHAPTER 2

STUDY OF ELECTRICAL SHOCK AND NAVAL STANDARDS

Electric Shock

2.1 An  electric   shock  can  occur   upon   contact  of  a  human with  any  source  of voltage high enough to cause sufficient current flow through the muscles or nerves. The   minimum   detectable   current   in   human   body   is   thought   to   be   about 1 milliampere(mA). The current may cause tissue damage or heart fibrillation if it is sufficiently high. When an electric shock is fatal, it is called electrocution. The study of Electric   shock   carried  out   from  various   standards  and  public   domain   literature   is placed at Appendix A.

2.2 An electric shock is usually painful and can be lethal. Contrary to the popular belief, the level of voltage is not a direct guide to the level of injury or danger of death.  A small shock from static electricity may contain thousands of volts but has very little  current behind it due to high internal resistance. The effect of the electric shock is  generally determined by current and the duration of its flow through the body.  Even a low voltage causing a current of extended duration can be fatal.

2.3 Factors Affecting Lethality.  In addition to magnitude and duration of current flowing   through   the  human body,  other   factors  contributing   to   the  same are discussed in succeeding paragraphs.

(a) Frequency. The   comparison   between   the   dangers   of   Alternating Current (AC) and  Direct Current (DC)  has always been a subject of debate. The DC tends to cause continuous muscular contractions that make the victim hold on to a live conductor, thereby increasing the risk of deep tissue burns. On the   other   hand,   AC   tends   to   interfere   more   with   the   heart's   electrical pacemaker,   leading   to   an   increased   risk   of   fibrillation.   Also,   AC   at   higher frequencies causes RF burns and tissue damage. Generally, higher frequency AC current tends to run along the skin rather than penetrating and touching vital  organs such as the heart. While there will  be severe burn damages at higher voltages, they are normally not fatal.

(b) Voltage.  It   is  believed  that  human  lethality  is most  common with AC current between  100­250 volts. This is so because voltages lower than these usually   fail   to   overcome   body   resistance   where   as   at   higher   voltages   the victim's muscular contractions are often severe enough to cause them to recoil  and get detatched from the exposed electrical circuit. However, deaths have occurred from supplies as low as 32 volts also.

(c) Body Resistance. The resistance of a human body varies from part to part.   The   resistance   between major extremities    of an average   human body 

9

from hand to hand, or hand to foot is about 1500 ohms. This drops down to 300 ohms when the body  is moist  and may even become zero when there  are breaks in the skin. For a given voltage, lower the body resistance higher is the current flow and so is the consequent lethality.

(d) Current Flow Path.   The  two most  dangerous  paths   that   current  can take through the body are from hand to hand and from left hand to either foot.  The latter is the most dangerous as in this case the current flows through the heart and vital organs. 

(e) Current Magnitude and Duration.  A low­voltage (110 to 230 V), 60­Hz AC current traveling through the chest for a fraction of a second may induce ventricular fibrillation at currents as low as 60mA. With DC, this value increases to 300 to 500 mA. Fibrillations are usually lethal because the heart muscle cells move independently. Above 200mA, muscle contractions are so strong that the heart muscles cannot move leading to cardiac arrest.

2.4 The discussions in the preceding paragraphs amplify the fact that the fatality due electrocution is a function of current flow and its duration through the body. For a given voltage,   the amplitude  of  current   through  the body can be   limited by  increasing the resistance of the body by use of insulating shoes and adherence  to safe electrical practices. In addition, the safety circuits on board must be capable of detecting earth leakage conditions and tripping supplies in shortest possible time. The table at Para 6 of Appendix A gives the guiding parameters for implementation of protection circuits. 

Design Standards on Distribution Systems 

2.5  The   power   supply   arrangement   onboard   a   Naval   ship   are   governed   by Def  Stan 61­5  Part  4  (Electrical  Power  Supply  Systems below 650 volts  Part  4:  Power supply in HM ships)  (Appendix B).  NES 539  (Guide to the design of supply  system for portable electrical equipment) (Appendix C) and While these standards lay down norms for  quality  of  power supply,   they also specify   that   the ship’s  primary supply will be   3­phase, 3 wire unearthed (neutral floating) configuration. Use of single phase supply is restricted for lighting, domestic appliances and test equipment. The documents specify the following for the power distribution system:­ 

(i)    Main Supply. The ships main power supply will be 440V/415V/380V 60/50Hz,  3 phase unearthed and all the converted power supplies AC/DC (eg 115V, 1ph, 24 V DC)will be derived from the main supply.

(ii)      Floating Neutral. The main power supply will be unearthed so that important   services   are   not   automatically   disconnected   by   their   protection circuits under an earth leakage condition.

10

(iii) Converted/Domestic Supply. To reduce the shock risk to   personnel, the converted supply 115 Volts  shall be derived using 440 V /115 V 3 phase transformers   having   three   isolated   single   phase   secondary   windings,   each winding   will be   centre tapped and solidly earthed at its mid point. Thus, the line voltage is restricted to a maximum of 57.5 V above earth. Any earth fault will cause the fuses in the circuit to rupture.

2.6 Recommended  230 Volts Domestic Distribution System.    NES 539 recom­mends a 3 phase, 4 wire, 230 volts, systems with neutral earthed.  This system is to  be derived from the primary 3 phase 3 wire system with floating neutral  employing a star star transformer. In addition, to providing increased safety for domestic consumer such an arrangement  isolates  the mission critical  415/380 volts,  3 phase   primary distribution circuits from the domestic 230 volts circuits. The schematic diagram for derived 230 volts, 3 phase, 4 wire system is shown in Fig 1.

SECONDARY OF TRANSFORMER

BODY OF TRANSFORMER

Fig 1 – 230 Volts 3 Phase 4 Wire System

2.7 The   above   distribution   system   incorporates   additional   safety   to   personnel operating   commercial   electric   appliances   on   domestic   230   volts   circuits.   The transformer feeding the domestic loads in this case  has an earthed neutral implying that the potential on the neutral is zero. The single phase supplies in this system are taken between phase and neutral instead of phases to phase as in case of 3 wire system. In addition, the earth wire running to all the supply sockets provides for grounding of supplies in case of an accidental short of the phase with the body of the appliance.  Further, use of Earth Leakge Circuit Breaker (ELCB)  provides further protection against faults supply circuits.

11

CHAPTER    3  

STUDY ON DOMESTIC SUPPLY ARRANGEMENT ONBOARD EXISTING PLATFORMS

3.1 Domestic  Supply  Systems­Indigenous  Ship  Construction.  The  domestic supplies onboard the earlier indigenous construction ships was 3 phase, 3 wire 115 volts. The domestic supplies were tapped between phase to phase with a “double pole double throw” switch for switching on/off the supplies. Such an arrangement meant that the phase to earth voltage was 57.5 volts which in case of a phase to earth fault is considered non life threatening. Similar arrangements were in place on board Russian origin ships using 127 volts.  The domestic equipment at that time were specially designed for on board use and operated on 115 volts (127 V for Russian origin ships). 

3.2 Non­Adherence   to  Ship  Building  Standards   in  Subsequent   Indigenous Ships.   The   above   practise   changed   with   the   induction   of   commercial   domestic equipment for onboard use. As these equipment operated on 230 volts, there was a need   to   provide   a   230   volts   domestic   distribution   circuit.   The   arrangement   was implemented in two different manners on board indigenous ships. 

(a) Upto Project ­16. The indigenous ships till Project 16 have a 115 volts, 60   hz,   1   phase   power   supply   for   lighting   and   portable   equipment.   The commercial/domestic equipment have been provided with 230 volts, 60 hz, 1 phase supply using power transformers with floating neutral. This arrangement does not conform to the  to NES Specifications as brought out in Para 2.6 above. Use of single pole single throw switches added to the reduced safety as despite the supplies being switched off, one phase was always available at the equipment/socket. The equipment earthing, in this case, also did not provide the required safety level.

(b) Project   ­25   Onwards.   By   this   time,   with   the   induction   of   COTs equipment   for specific military applications,  Indian Navy did away with the use of 115V, 1 phase supply. The use of 230V phase to phase  was extended to all onboard applications including portable and domestic lighting. However, these   supplies   too   were   derived   from   a   three   wire   unearthed   system   and thereby not conforming to the  NES 539 Specifications.  Use of “Single pole Single throw” switches further contributed to the reduced safety. 

3.3 Domestic and Lighting    Supply in Russian Origin Ships   . The power supply and distribution system onboard the Russian origin ships is as follows:­ 

(a) SNF Class of Ships. The main supply onboard the certain  IN ships is 380   V   3   Ph   50   Hz   with   neutral   floating.   This   supply   is   stepped   down   to 127 V,  3 Ph through  ∆  ||  Ү transformers and is made available to the galley 

12

equipment  though distribution breakers. The domestic  lighting  is also 127 V 1 Ph. Portable 127 V to 230 V transformers were provided for operation of commercial equipment. As the supplies are tapped between phase to phase, “Double pole Double throw” switches are used. Post series of modifications, a dedicated   230   volts   supply   circuit   through   380   to   230   volts   step   down transformers has been provided. 

(b) Ship of class A. The main supply onboard SNM class of ships 380 V 3Ph 50 Hz with neutral floating. This is stepped down to 230 V, 3 Ph  through stepped down  ∆||∆  transformers   for   the galley equipment.  This  system also employs a floating neutral concept.  

(c) Ship of class B. The  class B ships employ 230 volts for galley as well as domestic lighting. The ship wide 230 volt supplies are derived through two 380/230 volts transformers. The 230 volts circuits on board these ships are 3 wire with floating neutral. Double pole double throw switches are used through out the ship on all circuits.  

13

CHAPTER    4  

FIELD STUDY – INDIGENOUS SHIPS

Ship­A.

(a) Ship­A has 415 V 50 Hz 3 phase neutral floating as ship’s main power supply. The ship’s main supply is stepped down from 415V to 230V by nine transformers  to meet  the power supply requirement of domestic appliances, lighting and other  selected equipment   loads.  Three out  of    nine step down transformers feed power supply to the domestic appliances viz Atta Kneading Machine, Potato Peeling Machine, Toaster, Refrigerators, Dispensers, Electric Kettle   and  Microwave  oven  and   to   other   selected  equipment.  The  existing design and distribution arrangement of 230V 50 Hz 1 phase power supply to various consumers is placed at Appendix D. 

(b)  During the measurements of voltages at the power transformers output and at the supply socket for appliances, following have been observed:­

(i) The   ship   is   not   provided   with   amenity   transformers   in cabins/mess decks to cater for commercial appliances operating at 230 V   1   phase   like   fan,   electric   shavers,   music   system   etc.   and  all requirement   of   230V   power  supply   are   met   from   the  415V/230V power transformers only. 

(ii) 230V   1   phase   is   used   for   ship’s   lighting   supplies   domestic appliances (galley/pantry and mess decks) and equipment maintenance rooms viz.   Electrical workshop, Aft Switchboard, Engineer’s workshop, Helicopter   workshop,   Diving   Gear   compartment,   Steering   Gear compartment, SRE compartment, Bulk  instrument store, etc.

(iii) The   transformers   have   floating   neutral   and  output   voltage between any two phases is 230V and between ground and any one phase   is  120V.  Each  transformer  has  an earthed  screen   to  provide isolation between primary and secondary.

(iv) Majority  of  switch sockets onboard ship have double pole switch and power supply to device is completely isolated when switch is put to off.

(v) The  earth   terminal  of   sockets  has  been   locally  grounded  with ship’s body. This modification has been recently implemented by Ship Staff.

14

(c) Proposed   retro­fitment   scheme   for   4   wire   power   supply   distribution system for 230 V 1 phase onboard INS Investigator is placed at Appendix E.

Ship­      B   

(d) Ship­B has 440V 60 Hz 3 phase neutral floating as ship’s main power supply. The ship is fitted with five  440V/230V transformers  which meet the power supply requirement of domestic and other select equipment loads. The lighting supply onboard ship is 115V 60Hz 1 phase. The design of transformers and distribution of 230V 60 Hz 1 phase power supply to various consumers is placed at Appendix F.

(e)    During the measurements of voltages at the power transformer outputs and at the supply sockets for appliances, following have been observed:­

(i) All   the   above   transformers   with   exception   of   the   amenity transformers have floating neutral.   The amenity transformer however has its secondary neutral grounded. 

(ii) The existing 230V 60 Hz 1 phase power supplies are drawn from a 3 wire system with neutral floating.  Further, the earth point in all the domestic  sockets   is   floating.    These sockets  also  use  single  pole switch. 

(iii) Both the phase/neutral points in all the sockets are live even with   the switch being  in   ‘OFF’  condition.    Being  single  pole,   the switch isolates only one phase and not both.  

(iv)   Absence   of   an   earth   raises   the  risk   of   electric   shock  to personnel.  

(v) There are small 115V/230V amenity transformers in each cabin for catering to amenity loads like electric shavers, etc.

(vi)     During the study, measurement of voltages was carried out on the   transformers   and   domestic   sockets   in  Sailors’   Galley,   Officers’ Galley, Wardroom and the observations are as follows: ­

(aa) The output voltages (R­Gnd, Y­Gnd, B­Gnd, R­Y, Y­B   and   B­R)   on   the   transformers   (the   phase­to­phase   and phase­to­ground   (hull)   voltage   was   measured   and   are   as follows:­

• R­Y = 230V• Y­B = 230V• B­R = 230V

15

• R­Gnd = 115V• Y­Gnd = 115V• G­Gnd = 115V

   (ab)   The voltages at the sockets:

Switch ‘ON’ Switch ‘OFF’P1­P2 P­GND N­GND P1­P2 P1­GND P2­GND

230 115 115 0 0 115

(ac)    The sockets fed by amenity transformers are safe as the supplies   are   taken   between   phase   to   earth   neutral   which   is suitably grounded.

(vii)      Other   than   the  above   transformers,   there  are   two  200  VA 115V/230V   transformers   for   two   kitchen   equipment   in   the  Officer’s pantry. The supply from these to are similar to the above transformers. 

(f) Proposed   retro­fitment   scheme   for   4   wire   power   supply   distribution system for 230 V 1 phase onboard INS Godavari is placed at Appendix G.

4.2 Proposed Modification in 230 V Domestic Supplies.  Keeping  in view the existing arrangement onboard and the requirement of NES 539, a modified domestic distribution  system has  been  worked out.  The  schematic  diagram of   the  same  is placed at Appendix H. 

4.3 Summary of the Proposed Domestic Distribution System.  In the proposed distribution   system,   the   three  wire  415/380   volts   to   a  230  V   3  Phase,   four   wire supplies  employing a  Ү||Ү   transformer.  The  four  wire  output  of   the   transformer   is proposed to be brought to a junction box/power panel which is co­located with the transformer.  The  power  panel  comprise  of   four  bus  bars,  one each   for   the   three phases and one each for the earth. The fourth busbar is earthed to the ship’s hull. Three   in  number  Earth  Leakage  Circuit  Breakers   (ELCBs)  are  employed   in  each phase  and neutral.  These breakers  will   trip   in  case of  detection  of  earth   leakage current   thereby   providing   for   automatic   interruption   of   supplies   in   case   of electrocution/earth fault. The single phase circuit to the individual consumers will now comprise of three wires connected to phase, neutral and earth as shown. Unlike the three wire system, where the neutral is live, the neutral in this case is at earth potential 

Ph 1

NFloating

Ph 2 (Neutral)

16

as it is grounded to the ship’s hull through the power panel thereby providing added safety. The consumer socket will be a double pole MCB complete with 3 pin socket.  

4.4 Incorporation   of   double   Pole   MCB.   The   230/115   V   power   supplies   to systems such as  lighting and equipment,  derived from two phases of 3 ph 3 wire (neutral   floating)  system require  the use of  double pole MCB complete with 3 pin socket to ensure that both phases at consumer end are ‘dead’ when switch is ‘OFF’.

4.5 Insulation   Monitoring   from   Switchboards.   With   exception   of   the   Talwar Class of ships, the Main Switchboards of IN Ships are fitted with an off line Insulation  Monitoring System. This system facilitates manual checking of insulation of various supply circuits by the switchboard watch keeper. Being manual in nature, the system has   some   operational   limitations.   One   of   the   major   shortcomings   being   that   the existence of low insulation is known only when the watch keeper carries out a periodic insulation check. Absence of an audio visual alarm for insulation falling below a preset value is the other limitation. Implementation of an online insulation monitoring system is essential for indication of low insulation at the instance of occurrence.  Proposal for retro­fitment of insulation monitoring device onboard Ship A and  Ship B is placed at Appendix J.

17

CHAPTER    5  

DOMESTIC SUPPLY SYSTEMS ON NEW CONSTRUCTION SHIPS

5.1 Meetings   have   been   held   with   the   representatives   from   the   Production Directorates to discuss the requirements of NES 539 for for the domestic supplies onboard new construction ships. 

5.2 Interaction with DND. During the interaction with DND, it was brought out that the domestic supplies on all the DND ships is 3 wire. It was decided that an immediate corrective action for implementation of a 4 wire system will be initiated onboard all new construction ships. In addition, discussions were held for promulgation of SOTRs for additional components of the 4 wire system. The same are in advance stage of preparation   and   will   be   promulgated   shortly.   Following   components   have   been covered:­

(a) 3 wire to 4 wire 415/380 V transformer

(b) Power Supply Distribution Box

(c) Earth Leakage Circuit Breaker (ELCB)

(d) 3 Pin Supply Socket

(e) Miniature Circuit Breaker (MCB)

5.3  Deviation from NES 539 on New Construction Ships. The scheme for the power distribution to the domestic equipment onboard all the new construction ships is a 3 wire system with neutral floating. This does not meet the norms of NES 539 which specifies a 4 wire system. The status and installation of 4 wire system for the domestic supply  onboard   the  DND and DSP ships  as corrective action  is  discussed  in   the succeeding paragraphs.

5.4 DND Ships. 

(a) P­17.    The existing power supply of 230 V 1 Phase  to  the domestic supplies is derived from a 415/230 V transformer. The supply available at the consumer   socket   is   from   two  phases   from   the   transformer.  The  consumer sockets are non­patternised switch sockets with a single pole banana switch. Therefore when the switch is in ‘OFF’ condition, one phase is always available at  the consumer end and  therefore posing risk.   At present  the design and procurement   of   cables   and   MCB   panels   for   all   the   three   ships   has   been completed. The step down transformers are yet to be procured. Cabling has progressed substantially in the first ship. 

18

(b) First   Ship   of   P­17.   Keeping   the   above   in   view,   the   arrangement proposed for converting the existing 3 wire system to 4 wire systems will be a slight variation of that proposed for existing ships at Appendix H. The following is recommended:­ 

(i) Procurement  and   installation  of  4  wire   transformers  with   three single phase centre tapped/earthed secondary. These will be installed one each in the three fire zones

(ii) Installation of ELCB in the MCBs panels. 

(iii) Replacement of the non­patternised switch sockets having single pole banana switches with MCB sockets consisting of double pole MCB complete with 3 pin socket. 

(iv) Two pins of the sockets to be connnected using existing scheme for phase and neutral. The third pin (earth) of the socket will be directly bonded to ships ground to provide earth resistance as per NES.

(v) The variation from the proposed scheme at Appendix H will  be that   the   transformer   secondary   neutral   (which   is   grounded),   will   be grounded   locally   instead  of  a  separate  cable   running   from grounded neutral of 415/230 V transformer to the consumer socket switch. This solution is also considered acceptable in terms of safety. 

(c) 2  nd     and 3   rd    Ship  of  P­17   .  The  modifications  exactly   in   line  with   the scheme as proposed in Appendix H is recommende for implementation.

(d) Future   Ships   –   P­28,   P­15   A   &   ADS.   The   4   wire   system   will   be implemented onboard these ships as per the scheme envisaged for existing platforms. Patternised switch sockets will be used.

5.5 DSP Ships.  The supply distribution scheme onboard LST(L) class is 230 V  3 phase 3 wire system for the domestic equipment and 230V 1Ph for lighting system. While the 1st ship is due for commissioning in Aug 06, DG trials are in progress in the 2nd ship. 60 % cabling has been completed onboard the 3rd   ship. It is proposed that the LST(L)  class would be  in  accordance as per   the scheme at  Appendix  H and retrofitted at later stage. The modification will entail require replacement of the step down transformers which are of  ∆||∆ configuration,   installation of ELCB in the MCB panel and cable runs.The scheme onboard new FACs would also be in accordance as per the scheme at Appendix H.

19

CHAPTER 6

CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS

6.1 Conclusion. The 230 volts power supply distribution circuits onboard warships must conform to two fundamental requirements. The first is to provide earth leakage and earth   fault   resistant  supplies  to mission critical  systems and the second  is  to provide  safe domestic supply circuit. The first requirement is met by implementing a 3 phase 3 wire system where as implementation of a 3  phase 4 wire system with earthed neutral  and fitment of earth  leakage protection breakers  fulfils   the second requirement. The specifications for such circuits are specified in NES 539. 

6.2 The  study  has  also  highlighted   that   the  existing  230  volts  domestic  supply circuits onboard  indigenous ships do not  conform to  NES 539.  Change  over   from “Double pole Double throw” switch to “Single pole Single throw” commercial switche s from   Project   16   onwards   has   further   compromised   onboard   electrical   safety. Implementation  of   a   230  volt   floating  neutral   circuit   is  an  acceptable  solution   for domestic   lighting   systems,   but   the  galley   and   other   domestic   supplies  meant   for commercial  equipment  need  to  have added protection   in   the   form of  double  pole double   throw   switches/implementation   of   3   phase   four   wire   systems   with   neutral  earthed.   This is more so because these supplies feed domestic compartments that are   damp   and   are   manned   by   personnel   not   trained   for   handling   the   operating voltages. 

6.3 The study also focued on corrective implementation schemes   as retrofitment for existing ships and as abinitio scheme for ships under construction to the extent feasible. 

6.4 Recommendations.   In   the   light   of   above   findings,   the   study   recommends following courses of action:­ 

Existing Ships

(a) Retention of three wire neutral floating system for 230 V lighting and   equipment   employing   230   V   three   phase   supplies.  However,   the lighting   circuits   employing   “Single   pole”   switches   need   to   be   converted   to double pole MCB complete with 3 pin socket. . 

(b) 230 volt, 1 phase supplies to galleys, pantries and wet compartments should be modified to a 4 wire system in accordance to the proposed power 

20

distribution circuit at  Appendix H. Earth leakage circuit breaker protection be also provided in the circuit for added safety. This activity can be undertaken during refits and needs to be undertaken even onboard Russian origin ships.

(c)   The   230/115   V   power   supplies   to   systems   such   as   lighting   and equipment, derived from two phases of 3 ph 3 wire (neutral floating) system should use  double pole MCB complete with 3 pin socket  to ensure that both phases at consumer end are ‘dead’ when switch is ‘OFF’.

(d) Incorporation of an on­line insulation monitoring system with audio visual alarm in Main and Distribution Switchboards.

New Construction Ships

(e) 230 volt 1 Phase 3 wire supplies to domestic equipment onboard IAC, P­28, P­15 A, LST(L), new FACs and 2nd  and 3rd ship of P­17 is to be modified to a 4 wire system as per proposed modification at Appendix H in compliance with NES Standards.

(f) Though the domestic supply cabling network on the first ship of P­17 is in  advanced stage of   implementation,   it   is   recommended  that   the  domestic supply   circuit   be   re­drawn   so   as   to   conform   to   Appendix   H   to   the  extent feasible.  A close alternative to the same would be as envisaged at Para 5.4 (b) above.

(g)   Incorporation  of  an  On­line   insulation  monitoring  system,  with  audio visual alarm, in the Switchboards.

 

21

 Appendix A               (Refers to Para 2.1) 

STUDY ­ ELECTRIC SHOCK    AND PROTECTION CIRCUIT DESIGN   

1. Introduction. An electric shock can occur upon contact of a human or animal body with any source of voltage high enough to cause sufficient current flow through the muscles or nerves. The minimum detectable current in humans is thought to be about 1 milliampere. The current may cause tissue damage or heart fibrillation it  is sufficiently   high.   When   (and   only   when)   an   electric   shock   is   fatal,   it   is   called electrocution.

2. An electric shock is usually painful and can be lethal.  Despite the common misconception, the level of voltage is not a direct guide to the level of injury or  danger of death. A small shock from static electricity may contain thousands of volts but has very little current behind it due to high internal resistance. Physiological effects and damage are generally determined by current and its duration. Even a low voltage causing a current of extended duration can be fatal. Ohms’s Law directly correlates voltage and current for a given resistance; thus, for a particular path through the body under a particular set of conditions, a higher voltage will produce a higher current flow.

3. Basics of Electric Shock.  The following are the factors that determine the severity of the effect electric shock has on a body:­ 

(a)  The amount of body resistance to the current flow.  

(b) The path the current takes through body. 

(c) The length of time the current flows through the body.

4. The body resistance varies greatly  in different parts of the body. A value of 1,500 ohms is commonly considered as the resistance between major extremities of an average human body – hand to and or hand to foot.   Body resistance varies from person to person and may often be less than 1500 ohms.   When the skin is moist, body resistance could be as low as 300 ohms. Also, breaks in skin at the point of  contact could reduce skin resistance to nearly zero. Skin resistance is only important when handling voltages of less than 230 V. If one is shocked by more than 230 Volts,  the voltage arc will burn through the skin and leave deep third degree burns. 

5. Suppose a person accidentally grabs a wire carrying 120 Volts AC Ohm’s law I=E/R can be used  to   figure  how much current  would  flow  through  the body.  For example:­

E=120V ac (the voltage grabbed) R = 1,500 ohms (average body resistance)Then I  = 120/1,500 amp i.e. I  = 0.080 amp or I = 80 milliamperes 

22

(According to the IEEE Std. 80, the maximum safe shock duration can be determined by the formula Seconds = 0.116/(E/R), where R (resistance of person) is assumed to be 1000 ohms).

6.          Table 1  below depicts the effects of varying amounts of shock current on a normal person.   

CURRENT (1 SECOND CONTACT)

PHYSIOLOGICAL EFFECT VOLTAGE REQUIRED TO PRODUCE CURRENT WITH RESISTANCE

100,000 OHMS

1,500 OHMS

1 mA Threshold of feeling, tingling sensation. 100 V 1 V

5 mA Accepted as maximum harmless current 500 V 5 V

10­20 mA Beginning   of   sustained   muscular contraction ("Can't let go" current)

1 KV 10 V

100­300 mA

Ventricular   fibrillation,   fatal   if   continued. Respiratory function continues. 

10 KV 100 V

6 A Sustained   ventricular   contraction   followed by   normal   heart   rhythm.   (Defibrillation). Temp.   respiratory   paralysis   and   possibly burns

50 KV 6 KV

23

Table 1 ­ Effects of varying amounts of shock current

Electrical Shock Effects

7. Psychological. The perception of electric shock can be different depending on the voltage, duration, current, path taken, frequency, etc. Current entering the hand has a threshold of perception of about 5 to 10 milliamperes (mA) for DC and about 1 to  10 mA  for  AC at  60  Hz.  Shock perception declines with   increasing  frequency, ultimately disappearing at frequencies above 15­20 kHz.       

8. Burns. Tissue heating due to resistance can cause extensive and deep burns. High­voltage (> 500 to 1000 V) shocks tend to cause internal burns due to the large energy (which is proportional to the sqaure of the voltage) available from the source. Damage due to current in this case is through tissue heating.

9. Ventricular   Fibrillation.  A   low­voltage   (110   to   230   V),   60­Hz   AC   current traveling through the chest for a fraction of a second may induce ventricular fibrillation at currents as low as 60mA. With DC, 300 to 500 mA is required. If the current has a  direct pathway to the heart (e.g., via a cardiac catheter or other electrodes), a much lower current of less than 1 mA, (AC or DC) can cause fibrillation. Fibrillations are usually lethal because all the heart muscle cells move independently. Above 200mA, muscle contractions are so strong that the heart muscles cannot move at all.

10. Neurological  Effects.  Current  can cause  interference  with  nervous control, especially over the heart  and lungs. When the current path is through the head,  it appears that, with sufficient current, loss of consciousness always occurs swiftly. 

Issues Affecting Lethality

11. Other issues affecting lethality are as follows:­ 

(a) Voltage.  The comparison between  the  dangers  of  alternating current and direct  current  has been a subject  of  debate ever since  the War of   the  Currents in the 1880s. DC tends to cause continuous muscular contractions that make the victim hold on to a live conductor, thereby increasing the risk of deep tissue burns. On the other hand, mains­frequency AC tends to interfere more  with   the  heart's  electrical  pacemaker,   leading  to  an   increased  risk  of fibrillation. AC at higher frequencies holds a different mixture of hazards, such as RF burns and the possibility of tissue damage with no immediate sensation 

24

of pain. Generally,  higher  frequency AC current   tends to run along the skin rather than penetrating and touching vital organs such as the heart. While there will be severe burn damage at higher voltages, it is normally not fatal.

(b) It  is believed that human lethality is most common with AC current at 100­250 volts, as lower voltages can fail   to overcome body resistance while with higher voltages the victim's muscular contractions are often severe enough to cause  them to recoil   (although  there will  be considerable burn  damage). However,   death  has  occurred   from   supplies  as   low   as   32   volts.  Electrical discharge from lightning tends to travel over the surface of the body causing burns and may cause respiratory problem.

(c) Point of Entry

(i) Macroshock. Current flowing across intact skin and through the body, current travelling from arm to arm, or between an arm and a foot,  is   likely   to   traverse  the heart,  and so  is  much more  dangerous  than current travelling between a leg and the ground.

(ii) Microshock. Direct current path to the heart issue.

(d) Current Flow Path.  The  two most  dangerous paths   that  current  can take through the body are from hand to hand and from left hand to either foot.  The second path is the MOST DANGEROUS since the current will flow through the heart and other vital organs. 

(e) Current   Flow   Duration. Fibrillations   is   the   shocking   of   heart   into   a useless flutter.  The longer one  is shocked,  the more  is  the chance that  the heart will begin to fibrillate. Most people who die from electric shock die from fibrillation. Fibrillation in a normal adult is unlikely if the current in milliamperes is less than 116/t, where “t” is the shock duration in seconds. The longer one is shocked, the less is the current is needed to cause heart fibrillation.

12. Human Electrical Resistance. Research has provided an approximate set of figures  for electrical  resistance of  human contact  points under different  conditions. These are as follows: ­ 

(a) Wire touched by finger: 40,000   to 1,000,000   dry, 4,000   to 15,000Ω Ω Ω   wet. Ω

(b) Wire held by hand: 15,000   to 50,000   dry, 3,000   to 5,000   wet. Ω Ω Ω Ω

(c) Metal pliers held by hand: 5,000   to 10,000   dry, 1,000   to 3,000 Ω Ω Ω Ω wet. 

(d) Contact with palm of hand: 3,000   to 8,000   dry, 1,000   to 2,000 Ω Ω Ω Ω wet. 

25

(e) 1.5 inch metal pipe grasped by one hand: 1,000   to 3,000   dry, 500 Ω Ω Ω to 1,500   wet. Ω

(f) 1.5 inch metal pipe grasped by two hands: 500   to 1,500 k  dry, 250 Ω Ω Ω to 750   wet. Ω

(g) Hand immersed in conductive liquid: 200   to 500  . Ω Ω

(h) Foot immersed in conductive liquid: 100   to 300  . Ω Ω

26

Protection against Electric Shock ­ Fundamentals

13. To protect against electric shock from dangerous voltages on metal parts of electrical equipment from a ground­fault, it must be quickly removed by opening the circuit’s over­current protection device. The time it takes for an over­current protection device to open and clear a ground­fault, to remove dangerous voltage, is inversely proportional   to   the magnitude of   the  fault  current.  This means  that   the higher   the ground­fault current, the less time it will take for the over­current device to open and clear the fault. An inverse time circuit breaker or fuse most likely will prevent serious electric shock if the ground­fault current is at least six times the rating of the over­current protection device. For a 20A circuit, the ground­fault current should be at least 120A. As is apparent, the impedance of the fault current path plays a critical and vital role in removing dangerous voltages from metal parts by facilitating the opening of the branch­circuit over­current protection device to prevent electric shock or electrocution.

Safe Circuit Design 

14. A power system with no secure connection to earth ground is unpredictable from a safety perspective: there's no way to guarantee how much or how little voltage will exist between any point in the circuit and earth ground. By grounding one side of the power system's voltage source, at least one point in the circuit can be assured to be electrically common with the earth and therefore present no shock hazard. In a simple two­wire electrical power system, the conductor connected to ground is called the neutral, and the other conductor is called the hot: 

15. As  far as the voltage source and  load are concerned, grounding makes no difference at all. It exists purely for the sake of personnel safety, by guaranteeing that  at least one point in the circuit will be safe to touch (zero voltage to ground). The "Hot"  side of the circuit, named for its potential for shock hazard, will be dangerous to touch unless voltage is secured by proper disconnection from the source (ideally, using a systematic   lock­out/tag­out  procedure).  This   imbalance of hazard between the  two conductors in a simple power circuit is important to understand. The following series of illustrations   are   based   on   common   household   wiring   systems   (using   DC   voltage sources   rather   than  AC  for   simplicity).   If  we   take  a   look  at  a   simple,  household electrical appliance such as a toaster with a conductive metal case, we can see that there should be no shock hazard when it is operating properly. The wires conducting 

27

power to the toaster's heating element are insulated from touching the metal case (and each other) by rubber or plastic. 

16. However, if one of the wires inside the toaster were to accidentally come in contact with the metal case, the case will be made electrically common to the wire, and touching the case will be just as hazardous as touching the wire bare. Whether or  not this presents a shock hazard depends on which wire accidentally touches: 

17. If the "hot" wire contacts the case, it places the user of the toaster in danger.  On the other hand, if the neutral wire contacts the case, there is no danger of shock: 

28

18. To help ensure that the former failure is less likely than the latter, engineers try to design appliances in such a way as to minimize hot conductor contact with the case. Ideally, of course, you don't want either wire accidentally coming in contact with the conductive case of the appliance, but there are usually ways to design the layout of  the parts  to make accidental contact  less  likely  for one wire than for  the other.  However,   this preventative measure  is effective only  if  power plug polarity can be guaranteed. If the plug can be reversed, then the conductor more likely to contact the case might very well be the "hot" one: 

19. Appliances designed this way usually come with "polarized" plugs, one prong of the plug being slightly narrower than the other. Power receptacles are also designed like this, one slot being narrower than the other. Consequently, the plug cannot be inserted "backwards," and conductor identity inside the appliance can be guaranteed. Remember that this has no effect whatsoever on the basic function of the appliance: it's strictly for the sake of user safety. Some engineers address the safety issue simply  by  making  the outside case of   the appliance nonconductive.  Such appliances are called  double­insulated,   since   the   insulating   case   serves   as   a   second   layer   of insulation above and beyond that of the conductors themselves. If a wire inside the appliance accidentally comes in contact with the case, there is no danger presented to the user of the appliance. 

20. Other engineers tackle the problem of safety by maintaining a conductive case, but using a third conductor to firmly connect that case to ground:­

21. The third prong on the power cord provides a direct electrical connection from the appliance case  to earth  ground,  making  the  two points  electrically 

29

common with each other. If they're electrically common, then there cannot be any voltage dropped between them. At least, that's how it is supposed to work. If the hot conductor accidentally touches the metal appliance case, it will create a direct short­circuit back to the voltage source through the ground wire, tripping any overcurrent  protection devices. The user of the appliance will remain safe. 

22. This is why it's so important never to cut the third prong off a power plug when trying to fit it into a two­prong receptacle. If this is done, there will be no grounding of  the appliance case to keep the user(s) safe. The appliance will still function properly,  but if there is an internal fault bringing the hot wire in contact with the case, the results can   be   deadly.   If   a   two­prong   receptacle  must  be   used,   a   two­   to   three­prong receptacle adapter can be installed with a grounding wire attached to the receptacle's  grounded cover screw. This will maintain the safety of the grounded appliance while  plugged in to this type of receptacle. Electrically safe engineering doesn't necessarily end at the load, however. A final safeguard against electrical shock can be arranged on the power supply side of the circuit rather than the appliance itself. This safeguard is   called  ground­fault   detection,   and   it   works   as   shown   in   the   succeeding paragraphs. 

23. In   a   properly   functioning   appliance   (shown   above),   the   current   measured through the hot conductor should be exactly equal to the current through the neutral  conductor, because there's only one path for electrons to flow in the circuit. With no fault inside the appliance, there is no connection between circuit conductors and the person   touching   the   case,   and   therefore   no   shock.   If,   however,   the   hot­wire accidentally contacts the metal case, there will be current through the person touching the  case.  The presence  of  a  shock  current  will  be  manifested as  a  difference  of current between the two power conductors at the receptacle: 

30

24. This difference in current between the "hot" and "neutral" conductors will only exist if there is current through the ground connection, meaning that there is a fault in the system. Therefore, such a current difference can be used as a way to  detect  a fault condition. If a device is set up to measure this difference of current between the two power conductors, a detection of current imbalance can be used to trigger the opening of a disconnect switch, thus cutting power off and preventing serious shock: 

25. Such devices are called Ground Fault Current Interruptors, or GFCIs for short, and they are compact enough to be built into a power receptacle. These receptacles are easily identified by their distinctive "Test" and "Reset" buttons. The big advantage with using this approach to ensure safety is that it works regardless of the appliance's design. Of course, using a double­insulated or grounded appliance in addition to a GFCI receptacle would be better yet, but it's comforting to know that something can be done to improve safety above and beyond the design and condition of

31

        Appendix ‘B’              (Refers to Para 2.5)

RELEVANT EXTRACT OF DEF STAN 61­5 PART 4/1 (ELECTRICAL POWER SYSTEMS BELOW 650 VOLTS PART 4: POWER SUPPLIES

 IN HM SHIPS

THE   FOLLOWING   DEPARTMENT   ARE   RESPONSIBLE   FOR   PROVIDING UPDATING INFORMATION IN RESPECT OF THIS STANDARD TO THE DMSC­COMMITTEE ON ELECTRICAL POWER SYSTEMS AND SUPPLIES

HM SURFACE WARSHIPS MOD(PE) DGSHIPS/ 222HM SUBMARINES MOD(PE) DPT/4SHORE SUPPLIES MOD(N) CED

4.1 Scope

This defence standard details all the characteristics of power supplies used in HM  warships,   submarines  and   shore  base   supplies  but   does  not   include  aircraft servicing   &   supply   characteristics.   Terms   and   Definitions   not   listed   below   are contained in Annex ‘B’ (Amendment 1)

4.2 Special Definition Relating to Power Supplies in HM Warship

4.2.1 Normal Supply. The power supply source from winch an equipment normally obtains power.

4.2.2 Alternative   supply.   A   permanent   power   supply   source   from   which   an equipment can obtain power when the normal supply is not available. The alternative supply is derived from a different distribution point from that which provides the normal supply, and the supply cable follows a route different from the normal supply cable route to minimize the risk of  losing both normal and alternative supplies through a single damage incident.

Note: Changeover from normal to alternative supply may be made by an   automatic   switch   with   a   changeover   time   in   range   0.3­5.0 seconds, or a hand changeover switch.

4.2.3 Emergency Supply. A power supply obtained by rigging a temporary system of   emergency   cables   connected   to   fixed   and   portable   plugs   and   sockets;   or permanently  connected  power  supply   system  for  providing  power   to  certain   radio equipment following failure of the ship’s main power supply.

32

4.2.4    Ship’s  Main Power Supply.    The 440 V,  60 Hz,  3 phase power supply system or in D.C. ships, the 220 V power supply system.

4.2.5   Unearth Electrical Systems. In ships this refers to a system which is not intentionally connected, either directly or through capacitors, to the metal structure of the ship or (in ships having non­conducting hulls) the earth system, except for radio interference   suppression,   surge   suppression,   personnel   safety   or   occasional   test purpose.

4.2.6   Limited­break Supply. A   power   supply   system   .incorporating   automatic means for detecting failure of a normal supply and for transferring the equipment load to alternative supply within a specified time delay, according to the requirements of the equipment

4.2.7  No­break Supply.   As   for   a   Limited­break   supply   but   for   which   the changeover time is zero.

4.2.8  Maintained supply.  A no­break supply in which one of the supplies is derived from a battery and is available only for a specified period.

4.3  Related Specifications (See Annex B, Clause 2) Amendment 1

4.4  Utilisation Equipment Requirements

4.4.1    Introduction.  A large proportion of the electrical load of a warship can be taken from the ships main power supply which does not require very close regulation. The switching of these loads will induce large transients and ‘spikes’ which would be determined to equipments of a sensitive nature, if connected to this main supply. This fact is appreciated, and characteristics of a precise power supply for such applications shall   be   negotiated   between   the   relevant   MOD   Department   and   the   equipment designer.  Wherever  possible,  however,  power shall  be   taken  from  the ships  main power supplies and the requirements for precise power supplies strictly limited.

The characteristics of the main supply of electrical power available in ships are given in Table A of this Standard.

4.4.2 Order of Preference of Supply Voltage in HM Ships with 60 Hz main Power Supply System.

4.4.2.1 All loads of 5 kVA and above shall he designed for connection to a 440 volts, 60 Hz, 3 Phase, 3 wire system.

4.4.2.2 Where practicable,  all  machinery and equipment  rated at  less  than 5 kVA shall also be designed for connection to a   440 volts, 60 Hz, 3 Phase system. Where this is either undesirable (eg. for personnel safety) or not practicable, the 

33

following shall be the order of preference:­

(a) 440 volts, single phase(b) 115 volts, 3 phase(c) 115 volts, single phase

4.4.3 Order of Preference for Frequency.   Normally   utilisation   equipment   shall be  designed  to  operate   from a  60 Hz  supply.  Where   there  are  overriding  design features demanding a higher frequency, the preferred frequency is 400 Hz.

4.4.4 Phase Rotation. Phase rotation for all  3 phase AC systems will be in the following sequence:­

Colour system Red Yellow BlueLetter system A B CNumber system L1 L2 L3

4.4.5 Earthing.  All ship supply systems covered by this Standard are unearthed and consumer equipment must not introduce direct or indirect connections between supply lines and earth except for radio interference suppression, surge suppression,  personnel   safety,   or   occasional   test   purposes.   Where   earth   return   circuits   are essential, for example, in gun firing circuits, isolating transformers must be used.

Note: Designer   should   note   that   the   potential   of   individual   phase voltages to earth will vary and are not necessarily balanced.

4.4.6 Load unbalance. If a load is composed of a combination of single phase and 3 phase loads, the resulting load unbalance under normal conditions shall not exceed 5%. If this is found impossible to achieve, the arrangements shall be agreed with the relevant MOD Department.

4.4.7 Voltage Spikes. The amplitude and waveform of  voltage spikes will  vary greatly, dependent on circuit parameters. On 440 Volt system, line to line and line to earth spikes are unlikely to exceed 200 volts in amplitude. For 115 volt systems the corresponding figure is 600 volts.

4.4.7.1 For test purposes, spikes may be simulated by an impulse voltage as defined in BS 923: 1972, clauses 1.2.4 and 4.1.1. This voltage has a front time of 1.2 milliseconds and a time to half value of 50 microseconds. Amplitudes of 2500 volts and 750 volts are recommended test values for 440 volt and 115 volt equipments/

4.4.8 Voltage and Frequency Transients.

Notes:

1. ‘Frequent’ transients may occur about 10 times per hour.

2. ‘Infrequent’ transients may occur about 10 times per 24 hours.

34

3. ‘Rare’ transients will occur less frequently than 10 times per 24 hours but more frequently than once per 2 years, one per week may be taken as typical.

4. ‘Extremely rare over voltage faults’ are unlikely to occur more frequently than once per 2 years.

4.4.9 Waveform Distortion. Care must be taken in design of utilisation equipment to ensure that as far as possible the equipment causes no significant distortion of the voltage waveform of the supply system. Details of equipment that is liable to cause significant waveform distortion shall  be passed to relevant MOD Department at an early stage of the design.

Note:  To limit radio interference it is desirable that equipment should not reflect on to the mains supply cables interference voltages greater than   those   specified   in   BS   1597   –   ‘Radio   interference suppression on marine installations’.

4.4.10  Pulsed Loads. When it  is not possible for equipment designers to avoid pulsed loads, details must be referred to relevant MOD Department.

4.4.11  Non Standard Supplies. Details of utilisation equipment which cannot accept supplies in accordance with Standard or which cannot be designed economically to accept such supplies shall  be discussed with the relevant MOD Department at an early stage of the design.

35

Appendix ‘C’  (Refers to Para 2.5)

RELEVANT EXTRACT OF NES 539 (GUIDE TO SHIP DESIGN OF SUPPLY SYSTEM FOR PORTABLE ELECTRICAL EQUIPMENT

6. 2  40 Volts Supplies   

0601.  Supply   facilities   at   this   voltage   are   only   made   available   for   domestic, commercial appliances owned by ships staff eg radios. The most economical method of supplying a large number of sockets is to use a 3 phase transformer and to balance  the projected load across the windings. Commercial 13 amp plugs and sockets may be used provided the star point of the transformer secondary is earthed. The normal  commercial   requirement   for   single   pole   switching   in   the   live   conductor   is   then sufficient for commercial equipment to be used safely onboard ships.

0602.  Shaving facilities on amenity panels will continue to be derived from the 115 volt system using 115/240V transformers.

System Requirements for New Design Ships (Fig 1)

0603.  Voltage at the socket outlet is to be 240v ± 6%. Volt drop in fixed cabling is not to exceed 6 at full load.

0604.  Supplies   for   private   equipment   sockets   are   to   be   obtained   from   3   phase 440V/423 V transformers with star connected secondary windings.

0605.  The star point is to be bonded to earth (Ship’s hull)

0606.  Two sizes of transformer are available – 5 KVA and 2.5 KVA. (It is anticipated that a 5 KVA transformer (or two 2.5 KVA) positioned fore and aft will be sufficient to supply the accommodation areas in a frigate/destroyer.)

0607. The 3 phases and neutral  of   the transformer are  to be  taken  into a  locally  mounded power panel  which will  contain ELCBs and  fused  line out  puts  for each phase. The transformer neutral   is  to be solidly bonded to ship’s hull  (earth) at the power  panel.  The  bonding  conductor   is  not  be  smaller   than  2.5  sq  mm and   the resistance between neutral conductor and hull is to be less than 0.05 ohms.

0608. In the case of the 2.5 KVA transformers each out put from the power panel will feed a group of sockets. The number of sockets on each group is not normally to exceed two (TV) and six (private equipment).

36

0609. In the case of  the 2.5   KVA transformer  for six group of sockets are  to be provided either by paralleling two power panels or by supplying two group of sockets from each out put phase. The number of sockets on each group is not normally to exceed 2 (TV) and 6 (private equipment).           

Fig 1.  Proposed 240 V System

0610. Splitter boxes are to be used to effect further division of supplies.

0611. Sockets are to be connected between 240 V line and neutral and the method of distribution is two loop from socket to socket using three core         2.5 mm stranded cable –NSN 6145­99­521­8288 (Cl Grp 0561). The circuit earth core is to be solidly connected to the neutral/hull bond at the power panel. 

0612 Socket outlets to be standard domestic 13 Amp square pin single pole switched type to BS 1363 (see NES 538) mounted individually or integral with the “dry” amenity panel ensuring non­interchangeability with any other system operating at a different voltage. Each socket outlet is to be provided with a label to indicate the maximum power available and the largest fuse permissible in the plug, normally 3 ampere.

0613. Where required an aerial socket is to be provided adjacent the power sockets.0614.   Flush   and   surface   mounted   sockets   are   listed   in   NES   538.   The   surface mounted sockets are used  in unlined accommodation compartments and  the flush mounted sockets used in lined compartments only.

Equipment Selection

0619. Associated 240V ac supply equipment is as follows:­

a. Transformer

440V 60Hz 3Phase/423V 3 phase and neutral star connected    2.5 KVA or 5KVA.(Star point to be solidly bonded to ships hull) (Currently under development)

b. Power Panel

Current Operated ELCB (One for Group of Sockets

Group of Sockets (2+6)

TRANSFORMERPOWER PANEL 

TRANSFORMERPOWER PANEL 

37

To accept 240V 60 Hz 3 Phase 4 wire, 5KVA supply and provide 3 No 240V SP & N 7 amp outgoing ways via ELCBs WYLEX type WES 40/4. 30 mA trip.(Currently under development – D171b/480/20/1 DG ships 2062 refers)

c. Switch Socket (see NES 538)13A square pin, SP switched, to BS 1363

Domestic:(1) NSN 5999­99­933­1468 (Surface mounted)(2) NSN 5999­99­638­7473 (Flush mounted)

Metalclad:

(1) NSN 5999­99­100­7160 (Surface mounted)(2) NSN 5999­99­631­9970 (Flush mounted)

d. Amenity Panels (See NES 107) 

The amenity panel without wash basin (ie ‘dry’ unit) is shown on SDN 003504139.

38

Appendix ‘D’                  [Refers to Para 4.1(a)]

EXISTING DESIGN AND DISTRIBUTION ARRANGEMENT OF      230V 50 HZ    1 PHASE SUPPLY – SHIP A

1. The existing design and distribution arrangement of 230V 50 Hz 1 phase power supply to various consumers is depicted below.

(a)   From Breaker E2­03

T­1415V / 230V

3Ph / 3Ph

E2­03 E2­03­1

Laundry, Crew’s wash & WC, etc

Engine  Room  equipment., Lighting,    Stores,  Spare feeders, etc

E2­03­11

Sailors mess, etc

Main broadcast loudspeaker in small arm magazine room, Loudspeaker in bulk hydrographic store, etc

E2­03­13

Dining  Room,  Sick  Bay, Medical  Store,  Oil  skin  store, Navigator Cabin, CO’s Cabin, etc

E2­03­14

Sailors’ mess, Wardroom, Dry provision  store,  Atta  &  rice store,  Tinned  provision  store, spare, etc

E2­03­15

39

(b) From Breaker G1­15­1

T­5415V / 230V

3Ph / 3Ph

G1­15­1 G1­15­11

Crew’s  galley,  Scullery, Canteen,  Officer’s  Bath  & WC,  Combined  technical officer’s cabin, etc.

Sound  Reproduction  Eqpt room,      Battery  charging rooms, etc.

G1­15­111

Officer’s galley, Wardroom, Pantry, Officer’s bath and WC, etc, 

Ship  motor  boat  battery charging  room,  Lighting, etc.

G1­15­112

G1­15­113

Officer’s galley, Wardroom, Officer’s WC & Bath, Fan room, Officer’s cabin, etc.

Helicopter workshop, Shipwright workshop, Motorboat workshop, Battery charging room, etc.

G1­15­115

Officer’s cabin, Wardroom, Wine Store, Junior Officer’s cabin, etc.

Electrical workshop, Switchboard (AFT), Engineer’s workshop, Helicopter workshop, Diving Gear compartment, Steering Gear compartment, SRE compartment,   Bulk instrument store, etc.

40

(c) From Breaker E2­04

T­2415V / 230V

3Ph / 3Ph

E2­04 E2­04­1 E2­04­11

Sailor’s Mess, Refrigerating rooms, Cold rooms, Spare feeders, etc.

E2­04­14

Crew’ Dining Hall, PO’s and CPO’s Mess, PO’s Pantry, Servery,  etc.

Sailor’s Mess, etc.E2­04­15

41

               Appendix ‘E’                    [Refers to Para 4.1(c)]

PROPOSAL FOR RETRO­FITMENT OF 4 WIRE POWER SUPPLY DISTRIBUTION SYSTEM FO   R 230V 1 PHASE –SHIP A   

1. The retro fitment of 4 wire system onboard Ship A is feasible by replacing the existing   //Δ transformers with  //  transformer with secondary star point (neutralΥ Υ Υ) bonded to earth and replacement of the associated cabling and distribution boxes.  Details of the scheme are enumerated in the succeeding paragraphs.

2. The lighting supply onboard the ship is 230V as laid down in the NES and DEF Stan. Hence it is not required to be changed.  The 230V 1 phase for amenity services,  to engine room, to weapon compartments, etc. (i.e. all  places other than domestic portable loads) cannot be changed as tripping of these systems in the event of first  earth   fault   is   to   be   avoided.  Therefore,   only   the   230V   supplies   to   domestic portable loads is recommended to be changed, as the tripping of such loads on the first earth fault is not very critical.   

3. The implementation of the 3 phase 4 wire system for  the 230 V supplies to domestic portable loads, as recommended above, will entail the following: ­ 

(a) Retention of  the existing transformers feeding both portable and non­portable (or essential) loads for the essential  loads. 

(b) Installation of a new transformers with new DB to cater for the domestic portable loads.  

(c) Provision of input power supply for the new transformers from the spare fuse in the existing 440V 3 phase DBs i.e. E2­03, E2­03­1, E2­04, E2­04­1, G1­15­1A and G1­15­11A.  

(d) Replacement of all the domestic socket­switches with double pole MCBs so that the neutral is also isolated when the switch is in OFF position.

(e) Installation of 3Ph­1Ph DBs (i.e.  E2­03­11A, E2­03­13A, G1­15­111A, G1­15­112A, G1­15­113A and G1­15­115A). These DBs along with associated transformers will feed 230V 1 phase power supply as per 4 wire system to all domestic appliances/switch sockets onboard ship.  Each DB will be fitted with 

42

MCB feeders in place of fuses for each consumer separately. One in number ELCB will also be fitted in each DB for earth leakage trip. 

(f) Laying of supply cables (3 nos. for each consumer) for the 4 wire 230V 1 phase power supply from the DB to the consumer supply point, and laying of cables between each transformer and the respective DB. 

(g) The proposed design of the DBs is as appended below: 

(i) Distribution Box with ELCB for 4­Wire System.

43

(h) The proposed design of  the layout scheme for transformer will  be as appended below: 

(i) Existing Power Supply Arrangement to be Retained for Non Domestic Equipment.

(aa) Equipment Fed from Breaker E2­03

(ab) Equipment Fed from Breaker E2­04

T­1415V / 415V

3Ph / 3Ph

E2­03

E2­03­1Engine Room eqpt. Lighting, Stores, Spare feeders, etc.

E2­03­11

Main broadcast loudspeaker in small arm magazine room, Loudspeaker in bulk hydrographic store, etc.

E2­03­13

Non­portable equipment.

E2­03­12

T­2415V / 415V

3Ph / 3Ph

E2­04

E2­04­1 E2­04­12

E2­04­13

Non­ Portable Equipment.

E2­04­15

Non­ Portable Equipment.

Non­ Portable Equipment.

44

(ac)     Equipment Fed from    Breaker G1­15­1   

T­5415V / 415V

3Ph / 3Ph

G1­15­1

G1­15­11

Sound  Reproduction Eqpt  room,  Battery charging rooms, etc.

G1­15­111

Ship  motorboat battery  charging room, Lighting, etc.

G1­15­112

G1­15­113

Helicopter workshop, Shipwright workshop, Motorboat workshop, Battery charging room, etc.

G1­15­115

Electrical workshop, Switchboard (AFT), Engineer’s workshop, Helicopter workshop, Diving Gear compartment, Steering Gear compartment, SRE compartment, Bulk instrument store, etc.

Non­portable equipment.

G1­15­114

45

(ii) 4 Wire        230V 1 Phase Power Supply Distribution Arrangement for    Domestic Appliances.

(aa) Equipment fed from    Breaker E2­03   

(ab) Equipment fed from Beaker G1­15­1                          

                     Appendix ‘F’ [Refers to Para 4.1(d)]

T­1A415V / 415V

3Ph / 3Ph

E2­03 E2­03­1ALaundry, Crew’s wash & WC, etc.E2­03­

11A

Sailors mess, etc.E2­03­13A

Dining Room, Sick Bay, Medical Store, Oil skin store, Navigator Cabin, CO’s Cabin, etc.

E2­03­14

Sailor’s mess, Wardroom, Dry provision store, Atta & rice store, Tinned provision store, spare, etc.

E2­03­15

T-5A415V / 415V3Ph / 3Ph

G1­15­1

G1­15­11A

Crew’s galley, Scullery, Canteen, Officer’s Bath & WC, Combined technical officer’s cabin, etc.

G1­15­111A

Officer’s galley, Wardroom, Pantry, Officer’s bath and WC, etc, 

G1­15­112A

G1­15­113A

Officer’s galley, Wardroom, Officer’s WC & Bath, Fan room, Officer’s cabin, etc.

G1­15­115A

Officer’s cabin, Wardroom, Wine Store, Junior Officer’s cabin, etc.

46

 

EXISTING DESIGN AND DISTRIBUTION ARRANGEMENT OF  230V 50 HZ 1 PHASE SUPPLY – SHIP B

(a) From Fuse Panel J2­14­1

  (b) From Fuse Panel J2­14­12

TR­1440V / 230V3Ph / 1Ph

Fuse Panel J2­14­12

Ice Cream Machine

TR­2440V / 230V3Ph / 3Ph

Fuse Panel J2­

14­1

Fuse Panel J2­

14­14

For  refrigerators and  water  coolers in  wardroom, galley and pantry

Fuse Panel J2­

14­141

For  Oily  Water Separator Equipment  &  spare supplies  for  engine room auxiliaries.

For Refrigerators & Cooling Machines in Pantry, Dining Hall, Canteen, etc

For  equipment  in Weapon Compartments

Fuse Panel J2­

14­143

Fuse Panel J2­

14­142

47

(c) From Fuse Panel K1­11­11

TR­3440V / 230V

3Ph / 3Ph

Fuse Panel K1­

11­11

Fuse Panel K1­

11­111

To various non­portable equipment.

48

     Appendix ‘G’                   [Refers to Para 4.1(f)]

PROPOSAL FOR RETRO­FITMENT OF 4 WIRE POWER SUPPLY DISTRIBUTION SYSTEM FOR 230V 1 PHASE ONBOARD    SHIP B   

1. The retro fitment of 4­wire system is feasible onboard Ship B.   It can be undertaken   by   replacing   the   existing  ∆/Ү   transformers   with   /   transformer   withΥ Υ  secondary star point (neutral) bonded to earth, and the replacement of associated cabling   and   distribution   boxes.   Details   of   the   scheme   are   enumerated   in   the succeeding paragraphs.

2. The lighting supply onboard the ship is 115V as laid down in the NES and DEF Stan. Hence it is not required to be changed. The 230V 1 phase for amenity services, to engine room, to weapon compartments, etc. (i.e. all  places other than domestic portable loads) cannot be changed as tripping of these systems in the event of first  earth   fault   is   to   be   avoided.  Therefore,   only   the   230V   supplies   to   domestic portable loads is recommended to be changed, as the tripping of such loads on the first earth fault is not very critical.   

3. The implementation of the 3 phase 4 wire system for  the 230 V supplies to domestic portable loads, as recommended above, will entail the following: ­ 

(a) Retention  of   the  existing   transformer   feeding  both  portable  and non­portable (or essential) loads for the essential loads

(b) Installation of a new transformer with a new Distribution Box (DB)  to cater   for   the  domestic  portable   loads.   It  will   also  supply  power   to   the   two domestic   equipment   in   the   Wardroom   pantry   (which   will   eliminate   the requirement of two existing transformers). 

(c) Provision of input power supply to the new transformer from the spare fuse in the existing 440V 3 phase power panel.

(d) Replacement   of   the   entire   domestic   socket­switches   with   bipolar switches or double pole MCBs so that the neutral  is also isolated when the switch is in OFF position. 

(e) Installation of one in number additional DB. (i.e. J2­14­14A) for power supply  to  the domestic appliances/switch sockets).  The DB shall  have MCB feeders in place of fuses for each consumer separately. One in number ELCB will also be fitted in the DB for earth leakage trip.  Proposed design of the DB along with indicative layout scheme for transformer are appended below: 

49

(f) Laying of supply cables (3 nos. for each consumer) for the 4 wire 230V 1 phase power supply from the DB to the consumer supply point, and laying of cables between transformer and the DB.

(g) The proposed design of the DBs is as appended below: 

Distribution Box with ELCB for 4­Wire System.

(h) The proposed design of the layout scheme for transformer will be as appended below: 

(i) Modified Power Supply Arrangement for Ice Cream Machine

TR-1-A440V / 423V

3Ph / 1Ph

Fuse Panel J2­14­12

Ice Cream Machine

50

(ii) Existing  Power   Supply   Arrangement   to   be  Retained   for   Non  Portable equipment.

(iii) Existing Power Supply Arrangement to be Retained.

TR­3440V / 423V

3Ph / 3Ph

Fuse Panel K1­11­11

Fuse Panel K1­11

To various non­portable equipment.

TR­2440V / 423V

3Ph / 3Ph

Fuse Panel J2­14­1

Fuse Panel J2­14­14

For Oil Water Separator Eqpt & Spare supplies for Engine Room Auxiliaries

For equipment in Weapon Compartments

Fuse Panel J2­14­143

To Ladder and Davit Control Panels

Fuse Panel J2­14­144

Fuse Panel J2­14­142

51

(iv) 4­wire Power Supply Distribution Arrangement for Domestic Appliances.

For refrigerators and water coolers in wardroom, galley and pantry

For Refrigerators & Cooling Machines in Pantry, Dining Hall, Canteen, etc

TR-2-A

440V / 423V

3Ph / 3Ph

Fuse Panel J2­

14­1A

MCB DB J2­14­14A

52

           Appendix ‘H’ 

                  [Refers to Para 4.2]

53

          Appendix ‘J’                         [Refers to Para 4.5]

PROPOSED ON­LINE INSULATION MONITORING SYSTEM ONBOARD SHIP A AND SHIP B

1. Introduction. The Main Switchboard of  IN  Ships are fitted with an Insulation Measuring Devic. The system has following operational limitations:­

(a) The   system   is   not   on­line   and   provides   insulation   indication   of   the selected section.

(b) The system has no provision for audio­visual alarm and judgement is at the discretion of the switchboard watch keeper. 

(c) Fault   annunciation   is   not   possible   and   feeders   have   to   be  disconnected one by one to locate the fault. 

(d) The   system   is   not   user   friendly   as   setting   of   minimum   threshold insulation values is not feasible. 

(e) Protection against harmonics and other stray DC signal present in the system is not provided.

(f) The system is of vintage design and not supportable. 

2. The above design deficiency could be overcome by incorporation of state of the art  On­line   insulation  monitoring  system on  each  bus  of   the  Main  Power  Supply Distribution Switchboard and on Power Transformers (secondary) feeding to lighting & equipment supply. The ship’s galleys are to be provided with audio and visual alarm for low insulation indications reported by any of the On­line insulation monitor fitted on ship’s main bus.  

3. Proposed Scheme for Ship B. The   main   bus   of   each   section   of   the switchboard is to be fitted with On­line Insulation Monitoring system IMD (IRDH­575).

4. The arrangement for the insulation Monitors is as follows: ­ 

54

FWD SWBD

E/R TA Section ­ IMD­1(IRDH­575)B/R TA Section ­ IMD­2 (IRDH­575)

AFT SWBD

J1 DA Section ­ IMD­3(IRDH­575)J2 DA Section ­  IMD­4(IRDH­575)

5. The insulation monitoring facility can be provided at any of the Switchboard i.e. Forward SWBD or Aft Switchboard. The switchboard with the monitoring facility will be additionally fitted with three meters for indication of insulation recorded by IMDs in other   three sections as well.   In  addition,  audiovisual  alarms would be provided  in switchboards and galleys.

6. The ship will  also be provided with  two EDS 3060  type Portable  insulation monitors for on­line earth fault detection.

7. Existing system­ Ship A.  The existing Insulation Monitoring System onboard INS Investigator uses an Earth fault meter and three lamps to indicate the health of the insulation. The system has following operational limitations:­

(a) The   existing   system   does   not   provide   continuous   On­line   insulation Monitoring.   It   is  only a  test  device  that  gets connected by pressing a push button. 

(b) Insulation of the manually selected section can only be monitored at a time.

(c) The system sensitivity is low because of the use of analogue meter and lamps.

(d) The system has no provision for audio­visual alarm and judgement is  at the discretion of the switchboard watch keeper. 

(e) Fault   annunciation   is   not   possible   and   feeders   have   to   be  disconnected one by one to locate the fault. 

(f) The   system   is   not   user   friendly   as   setting   of   minimum   threshold insulation values is not feasible. 

(g) Protection against harmonics and other stray DC signal present in  the system is not provided.

55

(h) The system is of vintage design and not supportable. 

8. Proposed   Scheme   for   Ship   B.  The   main   bus   of   each   section   of   the switchboard is to be fitted with On­line Insulation Monitoring system IMD (IRDH­575). 

9. The arrangement for the insulation Monitors is as follows:­ 

FWD SWBD

E1 DA Section ­ IMD­1(IRDH­575)E2 DA Section ­ IMD­2 (IRDH­575)

AFT SWBD

G1 DA Section ­ IMD­3(IRDH­575)G2 DA Section ­  IMD­4(IRDH­575)G3 DA Section ­ IMD­5 (IRDH­575)

10. The insulation monitoring facility can be provided at any of the Switchboard i.e. Forward SWBD or Aft Switchboard. The switchboard with the monitoring facility will be additionally fitted with four meters for indication of insulation recorded by IMDs in other four   sections   as   well.   In   addition,   audio   visual   alarms   would   be   provided   in switchboards and galleys.

11. The ship shall also be provided with two EDS 3060 type Portable insulation monitors for on­line earth fault detection.

12. ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker) be incorporated in the Distribution Board of 4 wire power supply system along with separate MCB for each domestic equipment since incorporation of On­line Insulating Monitoring Device is not feasible with 4 wire system.