崔守娟，欒榮華，蔡婷婷

（1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鎮(zhèn)江212016；2.江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212000）

實(shí)船電站短路電流的計(jì)算研究

崔守娟1，欒榮華2，蔡婷婷1

（1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鎮(zhèn)江212016；2.江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212000）

船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須充分估計(jì)到系統(tǒng)可能發(fā)生的短路故障，以便采取有效措施防止它們的有害影響，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。根據(jù)柴油機(jī)驅(qū)動的起拋錨拖帶供應(yīng)船特點(diǎn)，提出了一種簡單有效的短路計(jì)算點(diǎn)的選擇方法，然后通過改進(jìn)算法計(jì)算短路電流，為校驗(yàn)所選用的開關(guān)電器的短路通斷能力、匯流排等器件的電動力穩(wěn)定性，以及為電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)的設(shè)計(jì)和整定提供了依據(jù)。

船舶電力系統(tǒng)；短路計(jì)算點(diǎn)；短路電流；保護(hù)

在船舶電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，短船舶路故障難以避免，絕緣的自然老化、機(jī)械損傷和誤操作等都可能造成短路的發(fā)生。如果短路發(fā)生在主配電板的母線或干線上時(shí)，將會出現(xiàn)比正常電流大許多倍的短路電流，所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱效應(yīng)會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)及其它電氣設(shè)備的損壞，同時(shí)也會造成電網(wǎng)電壓的大幅度降低，船電設(shè)備受到影響，甚至危及人命安全[1-3]。隨著船舶向大型化、高速化和自動化發(fā)展，用電設(shè)備對供電質(zhì)量的要求越來越高，短路電流的準(zhǔn)確計(jì)算對于船舶電力系統(tǒng)合理選用、校核用電器件，配置保護(hù)裝置，以及提高其安全性和生命力等方面至關(guān)重要[4-5]。

1　短路計(jì)算點(diǎn)的選擇

船舶電力系統(tǒng)的短路電流，是在船舶電力系統(tǒng)的某一點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)和電動機(jī)向短路點(diǎn)饋送短路電流。短路電流大小是由系統(tǒng)所有發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的參數(shù)及電路的阻抗決定的，而且和短路點(diǎn)的位置有很大的關(guān)系[6-7]。

本船是一艘柴油機(jī)驅(qū)動的起拋錨拖帶供應(yīng)船，航行于無限航區(qū)，進(jìn)行海上船、駁的拖運(yùn)工作，設(shè)三臺柴油發(fā)電機(jī)組，每臺機(jī)組功率約為440 kW，一臺主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)，功率1 200 kW.應(yīng)急發(fā)電機(jī)一臺，功率約為99 kW.電制：400 V，50 Hz.圖1為該拖船電站一次電力系統(tǒng)示意圖。

圖1　電站一次電力系統(tǒng)示意圖

短路計(jì)算中還涉及到大電動機(jī)的概念，規(guī)范中明確指出，大電動機(jī)是指任何額定功率大于100 kW，或者大于系統(tǒng)中最大發(fā)電機(jī)額定功率25%的電動機(jī)。圖中用一等效電動機(jī)M1來表示，對于其它電機(jī)，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，依靠慣性依然會繼續(xù)工作，也對短路點(diǎn)供電，圖中用一等效電動機(jī)M2來表示[8-9]。

本文選擇短路點(diǎn)的原則是計(jì)算發(fā)電機(jī)輸出端、主匯流排、應(yīng)急配電板、區(qū)配電板以及分配電板的匯流排，某點(diǎn)發(fā)生短路后，選擇、整定或校驗(yàn)的電氣設(shè)備的電流為最大。例如，在校驗(yàn)發(fā)電機(jī)主開關(guān)的斷流容量時(shí)，應(yīng)選A點(diǎn)，因?yàn)锳點(diǎn)短路時(shí)另幾臺工作發(fā)電機(jī)和所有工作電動機(jī)都經(jīng)過該處開關(guān)向短路點(diǎn)供電。當(dāng)校驗(yàn)?zāi)妇€的動穩(wěn)定性或最大用電設(shè)備開關(guān)的斷流容量時(shí)，可選圖中B2點(diǎn)短路，因?yàn)榇藭r(shí)所有工作發(fā)電機(jī)和除該點(diǎn)開關(guān)本身供電的設(shè)備之外的所有工作電動機(jī)都向B2點(diǎn)供電。

同理，當(dāng)校驗(yàn)主配電板匯流排的電動力穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)選B2點(diǎn)。

此外，為電力系統(tǒng)保護(hù)的設(shè)計(jì)和整定需要，有時(shí)還應(yīng)進(jìn)行饋電線末端短路電流的計(jì)算[10-11]。本文重點(diǎn)分析影響短路電流計(jì)算的各部分短路饋送參數(shù)，計(jì)算典型點(diǎn)的短路電流，為提高計(jì)算的效率和準(zhǔn)確率提供新的參考方法。

2　短路計(jì)算的必要參數(shù)

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在船舶電力系統(tǒng)的某一點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，電力系統(tǒng)中只有發(fā)電機(jī)和電動機(jī)向短路點(diǎn)饋送短路電流。電纜作為無功元件，不饋送短路電流但要影響短路電流的衰減周期。所以在船舶短路電流的計(jì)算中，最關(guān)鍵的問題是如何處理電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，以下分別給出該系統(tǒng)發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的計(jì)算參數(shù)，以及影響短路電流衰減周期的電纜參數(shù)。

2.1計(jì)算所需發(fā)電機(jī)參數(shù)

在計(jì)算發(fā)電機(jī)饋送的短路電流時(shí)，通常會選用比較精確的計(jì)算公式，除了電壓、阻抗等基本參數(shù)外，還引入瞬變和超瞬變時(shí)間常數(shù)，這樣計(jì)算時(shí)既會考慮短路電流的超瞬態(tài)衰減過程，又會考慮短路電流的瞬態(tài)衰減過程。另外引入穩(wěn)態(tài)電流參數(shù)，不僅能夠計(jì)算短路電流在周期內(nèi)的最大值，而且能夠計(jì)算短路發(fā)生后30 ms以內(nèi)的短路電流，這一點(diǎn)對船舶電力系統(tǒng)是十分重要的。發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)電機(jī)參數(shù)表

2.2計(jì)算所需電動機(jī)參數(shù)

計(jì)算電動機(jī)饋送的短路電流時(shí)，大電動機(jī)和小電動機(jī)要分開計(jì)算。對于大電動機(jī)饋送的短路電流應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，而計(jì)算小電動機(jī)饋送的短路電流時(shí)，可把所有的小電動機(jī)等效成一個(gè)電動機(jī)進(jìn)行計(jì)算，大電機(jī)及等效電機(jī)的相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2　電動機(jī)參數(shù)表

2.3計(jì)算所需電纜參數(shù)

同一發(fā)電機(jī)在連接不同的電纜時(shí)，其穩(wěn)態(tài)短路電流是不一樣的。電纜的截面積較大，阻抗較小，對穩(wěn)態(tài)短路電流的影響也就較小。具體參數(shù)如表3所示。

表3　電纜參數(shù)表

3　短路電流的計(jì)算

在短路電流的計(jì)算中，將系統(tǒng)中可能供給短路電流的元件：交流發(fā)電機(jī)、電動機(jī)作為電流源，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，它們提供的短路電流值計(jì)算方法以及短路點(diǎn)短路電流值的計(jì)算方法，將為過電流選擇保護(hù)等提供一定參考。受篇幅限制，這里僅給出大電機(jī)M1，M2，短路點(diǎn)A1，A2，A3，A4，B1和B2點(diǎn)的短路電流計(jì)算。

3.1大電動機(jī)M1的短路電流

②同理可以算出M2的短路電流。

3.2A1，A2，A3，A4，B1和B2點(diǎn)的短路電流

①A1點(diǎn)t=10 ms時(shí)，A1、A2、A3短路電流計(jì)算（因發(fā)電機(jī)參數(shù)一致，三處短路電流一致）

②A4點(diǎn)t=10 ms時(shí)，短路電流計(jì)算

③B1點(diǎn)t=10 ms時(shí)，短路電流計(jì)算

④B2點(diǎn)t=10 ms時(shí)，短路電流計(jì)算

從以上算例可以看到，該方法提供了較為精確的計(jì)算方法，對各短路點(diǎn)的電流進(jìn)行了疊加，且能夠計(jì)算短路發(fā)生后30 ms以內(nèi)的短路電流。否則，實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)而整定開關(guān)的整定值必然有偏差，不僅起不到保護(hù)的作用，更達(dá)不到選擇性保護(hù)的目的，還會給船舶安全留下隱患，這才是問題的實(shí)質(zhì)所在，所以采用準(zhǔn)確的計(jì)算方法計(jì)算短路電流是十分必要的。

4　結(jié)束語

船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須充分估計(jì)到系統(tǒng)可能發(fā)生的短路故障，以便采取有效措施防止它們的有害影響，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。本文根據(jù)柴油機(jī)驅(qū)動的起拋錨拖帶供應(yīng)船特點(diǎn)，提出了一種簡單有效的短路計(jì)算點(diǎn)的選擇方法，然后通過改進(jìn)算法計(jì)算短路電流。為校驗(yàn)所選用的開關(guān)電器的短路通斷能力、匯流排等器件的電動力穩(wěn)定性，以及為電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)的設(shè)計(jì)和整定提供了依據(jù)。

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Calculation of Short Circuit Current in Real Ship Power Station

CUI Shou-juan1，LUAN Rong-hua2，CAI Ting-ting1
（1.Zhenjiang Vocational Technical Colledge，Zhenjiang Jiangsu 212016，China；2.Jiangsu Magnetic Valley Technologies Inc，Zhenjiang Jiangsu 212000，China）

Ship electric power system design must fully estimate the short circuit fault of the system，so as to take effective measures to prevent their harmful effects and ensure the normal operation of the system.According to the diesel engine driven handling tug supply ship feature selection method is proposed of a simple and effective short circuit calculation，and short-circuit current is calculated by improved algorithm.It provides the basis for the design and setting of the power stability of the short circuit breaking capacity of the switching devices，bus and other devices，as well as the design and setting of the selective protection of the power system.

ship electric power system；short-circuit calculation point；short circuit current；protection

U665

A

1672-545X（2016）10-0025-03

2016-07-08

崔守娟（1980-），女，江蘇灌云人，博士在讀，主要從事測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制理論研究。