許建軍，伏 潤(rùn)，黃笑維

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基于平均等效電動(dòng)機(jī)法的船舶電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算研究

許建軍，伏 潤(rùn)，黃笑維

（上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108）

很多大型船舶電力系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)數(shù)量多并且有多臺(tái)大功率電動(dòng)機(jī)，在求取短路總電流時(shí)，采用常規(guī)方法計(jì)算短路電流的正誤差較大。為此，本文引入一種平均等效電動(dòng)機(jī)法，將運(yùn)行中的所有電動(dòng)機(jī)等效成若干臺(tái)功率、電壓等各項(xiàng)參數(shù)相同的等效電動(dòng)機(jī)，再計(jì)算短路電流。以5000噸運(yùn)輸船電力系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與仿真分析，驗(yàn)證了該方法計(jì)算的有效性且計(jì)算結(jié)果精確更高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

船舶電力系統(tǒng) 短路電流 平均等效電動(dòng)機(jī)法

0 引言

短路是船舶電力系統(tǒng)中最常見(jiàn)、危害性最大的電氣故障。短路故障不僅會(huì)影響船舶的正常生產(chǎn)作業(yè)，而且嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成安全事故，破壞船舶的生命力。為降低短路對(duì)大型船舶電力系統(tǒng)的影響，在進(jìn)行大型船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配電裝置的選型和開(kāi)關(guān)裝置的整定及校驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)電力系統(tǒng)中各點(diǎn)的短路電流進(jìn)行計(jì)算和核實(shí)。

參考文獻(xiàn)[1]對(duì)比國(guó)內(nèi)船舶電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算IEC法、GB-3321法、GJB-173法等，這幾種方法在總電流計(jì)算時(shí)有所不同。IEC與GJB-173計(jì)算總電流為發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)饋送短路電流代數(shù)和；GB-3321法為匯流排處為各分量代數(shù)和,在饋電線處為1臺(tái)等效發(fā)電機(jī)短路計(jì)算。由分析可知，這幾種方法在計(jì)算大型船舶的電力系統(tǒng)總電流時(shí)，誤差較大，為了提高短路電流計(jì)算的精度，本文對(duì)于大型船舶短路電流計(jì)算時(shí)將電動(dòng)機(jī)采用均方根法等效為若干臺(tái)各項(xiàng)參數(shù)相同的電動(dòng)機(jī)，即平均等效電動(dòng)機(jī)法。并且通過(guò)實(shí)船驗(yàn)證該方法在一定程度上提高了短路電流計(jì)算精度，為降低短路故障的破壞性提供了更好的數(shù)據(jù)參考，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 短路電流計(jì)算

船舶電力系統(tǒng)中的主要負(fù)載為電動(dòng)機(jī)，由于對(duì)每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的短路電流進(jìn)行計(jì)算比較麻煩，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，目前的短路電流計(jì)算方法一般在總電流計(jì)算時(shí)，將運(yùn)行中的所有電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)用一臺(tái)等效發(fā)電機(jī)代替或簡(jiǎn)單的相加，再近似求得其短路電流。而大型船舶電力系統(tǒng)并聯(lián)接入的電動(dòng)機(jī)數(shù)量比較多且有多臺(tái)大功率電動(dòng)機(jī)，如果將所有運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)等效成一臺(tái)電動(dòng)機(jī)或簡(jiǎn)單的相加來(lái)計(jì)算短路電流，計(jì)算結(jié)果存在較大正誤差。

1.1平均等效電動(dòng)機(jī)法

針對(duì)大型船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，引入平均等效電動(dòng)機(jī)法，將系統(tǒng)中所有運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)等效成N臺(tái)功率、電壓等各項(xiàng)參數(shù)相同的等效電動(dòng)機(jī)。首先計(jì)算單臺(tái)平均等效電動(dòng)機(jī)饋送短路電流，然后乘以等效臺(tái)數(shù)N，求得電動(dòng)機(jī)饋送短路電流。平均等效電動(dòng)機(jī)輸出功率的計(jì)算公式如下：

式中，P—電動(dòng)機(jī)額定輸出功率，N—額定輸出P的電動(dòng)機(jī)數(shù)量，—并聯(lián)電動(dòng)機(jī)的總臺(tái)數(shù)，P—平均等效電動(dòng)機(jī)輸出功率

根據(jù)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的額定功率和臺(tái)數(shù)，可以求得等效臺(tái)數(shù)為：

求得N之后，進(jìn)一步計(jì)算出平均等效電動(dòng)機(jī)的其他參數(shù)，計(jì)算如下：

得到平均等效電動(dòng)機(jī)的各個(gè)參數(shù)之后，根據(jù)相應(yīng)饋送短路電流計(jì)算公式，求得單臺(tái)平均等效電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流，在與等效臺(tái)數(shù)N相乘，便得到整個(gè)電力系統(tǒng)所有運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流。

1.2算例分析

以15000噸運(yùn)輸船為例，主發(fā)電機(jī)選用四臺(tái)型號(hào)相同的主發(fā)電機(jī)（P=2250 kW，U=6.6kV),一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)（P=1500 kW，U=6.6 kV）。五臺(tái)發(fā)電機(jī)與等效電動(dòng)機(jī)為并聯(lián)，當(dāng)主匯流排附近的饋電線處短路時(shí)，大功率電動(dòng)機(jī)提供了較大的短路電流，所以其饋電線的阻抗是不能忽略的。主匯流排短路時(shí)的等效電路圖如圖1所示：

圖1 主匯流排短路等效圖

由圖1所示，電力系統(tǒng)中最嚴(yán)重的短路發(fā)生在五臺(tái)發(fā)電機(jī)組與一臺(tái)等效電動(dòng)機(jī)并聯(lián)饋送短路電流時(shí)，短路點(diǎn)臨近主匯流排?？紤]饋電線的阻抗的影響，對(duì)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行校正，通過(guò)計(jì)算，給出50 ms內(nèi)相應(yīng)的短路電流計(jì)算結(jié)果值，如表1所示。

表1短路電流計(jì)算結(jié)果表

從表格也可以看出各電流值隨時(shí)間在衰減，而且I與i的和為。

1.3短路電流計(jì)算結(jié)果仿真分析

將平均等效電動(dòng)機(jī)法嵌入EDSA軟件Paladin Research Lab模塊，仿真分析該短路電流變化情況，驗(yàn)證該算法在求取總短路電流時(shí)的有效性。

應(yīng)用該模塊的短路計(jì)算程序?qū)?5000噸運(yùn)輸船電力系統(tǒng)臨近匯流排處短路電流的瞬時(shí)交流分量、交流分量幅值、直流分量幅值等進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果見(jiàn)圖2~圖7。

圖2 短路電流交流分量值

圖3 短路電流瞬時(shí)交流分量

圖4 短路電流交流分量幅值

圖5 短路電流直流分量幅值

圖6 短路瞬時(shí)總電流

圖7 短路電流上包絡(luò)值

從圖上可以看出，整個(gè)仿真曲線比較準(zhǔn)確地反映出發(fā)電機(jī)出線端口臨近主匯流排處短路時(shí)各短路電流分量的變化：短路初期，短路電流很大，但是隨著時(shí)間的推移，電流都逐漸降低，最后短路電流瞬時(shí)交流分量、短路電流交流分量幅值、短路電流直流分量幅值、短路電流上包絡(luò)值都衰減為零，而短路瞬時(shí)總電流衰減到與短路電流交流分量重合，并達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程。以此驗(yàn)證說(shuō)明，該計(jì)算方法在求取總短路電流時(shí)的有效性。

1.4計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

針對(duì)本文實(shí)例，進(jìn)一步采用GB-3321法、GJB-173法分別計(jì)算15000噸實(shí)船電力系統(tǒng)臨近匯流排處的短路電流，并選取1/2周波時(shí)短路瞬時(shí)總電流、短路電流交流分量i和短路電流直流分量幅值I與本文算法進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表2所示。

表2 幾種結(jié)果對(duì)比表

從計(jì)算結(jié)果看出，通過(guò)本文算法得到的短路電流值比GB-3321法和GJB-173法更小。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)算法通常將發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)代數(shù)相加等效為一臺(tái)電動(dòng)機(jī)或簡(jiǎn)單代數(shù)和相加，并且忽略電動(dòng)機(jī)至匯流排之間的線路阻抗，顯然引起了電流數(shù)值的偏大。而平均等效電動(dòng)機(jī)法將饋電線的阻抗作為等效電動(dòng)機(jī)的外阻抗來(lái)計(jì)算，阻值比前種情況的阻值要大，所以相比較本文算法計(jì)算出來(lái)的短路電流值就會(huì)偏小一些。

依據(jù)該算法得到的短路電流值選型的主開(kāi)關(guān)、斷路器等配電設(shè)備已經(jīng)在15000噸運(yùn)輸船上進(jìn)行了短路分?jǐn)嘣囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明主開(kāi)關(guān)等設(shè)備的分?jǐn)嗄芰φ?，?shí)際驗(yàn)證了本文算法的有效性和精確性。

2 結(jié)語(yǔ)

本文引入的算法對(duì)于大型船舶短路電流計(jì)算具有廣泛的適用性。該算法有效減小了短路電流計(jì)算結(jié)果的正誤差。根據(jù)該算法選擇配電設(shè)備，不僅能夠滿足船舶電力系統(tǒng)的短路保護(hù)功能，同時(shí)也節(jié)約了一定的設(shè)備成本。

參考文獻(xiàn)：

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Calculation of Short Circuit Current for Marine Power System Based On Average Equivalent Motor Method

Xu Jianjun, Fu Run, Huang Xiaowei

(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108, China)

TM744.2

A

1003-4862（2016）08-0052-04

2016-04-12

許建軍（1980-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。