郭駿緯，張 弘，王 鋒，聞 靜

應(yīng)用研究

多母排海工船電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算及開(kāi)關(guān)選型

郭駿緯，張 弘，王 鋒，聞 靜

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

船舶電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算是船舶電氣設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。針對(duì)某海工船的多端母排電力系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，基于ETAP軟件對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行建模，并分析和計(jì)算了該電力系統(tǒng)的短路電流。根據(jù)短路計(jì)算結(jié)果，確定了主要保護(hù)開(kāi)關(guān)的類(lèi)型和整定值，對(duì)船舶多母排電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。

海工船舶 短路電流 ETA 多母排電力系統(tǒng) 繼電保護(hù)

0 引言

近年來(lái)，隨著大型海工船舶的出現(xiàn)，船舶電力系統(tǒng)的容量日趨增大，確保船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性越來(lái)越受到人們的重視。

在船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，一般情況下發(fā)生短路故障時(shí)，對(duì)船舶造成的危害最大，它會(huì)使得電網(wǎng)的短路電流瞬間增大數(shù)倍，船舶電網(wǎng)的整體電壓降低，輕者會(huì)造成局部的停電，重則會(huì)使全船失電導(dǎo)致船舶失去動(dòng)力，導(dǎo)致船舶不能正常工作甚至影響航行安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失乃至對(duì)人員的生命造成威脅。

所以，電力系統(tǒng)的短路分析，是船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，它是校驗(yàn)開(kāi)關(guān)保護(hù)設(shè)備分?jǐn)嗄芰洼d流導(dǎo)體熱穩(wěn)定性的依據(jù)，同時(shí)能指導(dǎo)繼電保護(hù)裝置的整定計(jì)算。本文基于某海洋工程船的實(shí)際案例，該船由于配置3臺(tái)大功率側(cè)推電動(dòng)機(jī)，故電力系統(tǒng)分為了4段，采用軸帶發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)推電動(dòng)機(jī)。采用ETAP軟件對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)仿真計(jì)算了電力系統(tǒng)的短路電流，對(duì)該船的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 短路電流計(jì)算概述

1.1 短路電流計(jì)算規(guī)格規(guī)范

關(guān)于短路電流計(jì)算，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)布了相關(guān)的規(guī)范。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推出了IEC 60909 以及IEC 61363 論述了電力系統(tǒng)兩相短路、單相接地以及三相短路電流計(jì)算；中國(guó)船級(jí)社（CCS）也在《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》中明確給出了電力系統(tǒng)的短路電流計(jì)算方法[1]。

其中國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3321對(duì)應(yīng)于IEC61363，可對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)分析，主要適用于船舶交流電力系統(tǒng)短路電流和短路功率因數(shù)的計(jì)算。其結(jié)果可指導(dǎo)校核開(kāi)關(guān)的短路分?jǐn)嗄芰?、校核匯流排的動(dòng)穩(wěn)定性以及作為電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.2 短路電流計(jì)算原理

對(duì)交流同步發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，其發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組、阻尼繞組和電樞繞組互相之間存在電磁作用，短路的電磁過(guò)程變得較為復(fù)雜。短路過(guò)程通常分為三個(gè)階段：次暫態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)階段。

在短路過(guò)程中短路電流周期分量幅值是衰減的，而暫態(tài)分量按勵(lì)磁回路的時(shí)間常數(shù)指數(shù)衰減，次暫態(tài)分量按阻尼回路的時(shí)間常數(shù)指數(shù)衰減[2]。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，同步發(fā)電機(jī)三相突然短路最嚴(yán)重的情況是，當(dāng)發(fā)電機(jī)空載、且電壓的起始相角＝０時(shí)發(fā)生。短路電流的最大瞬時(shí)值在短路后首個(gè)半周期產(chǎn)生，其值等于非周期分量和對(duì)稱(chēng)短路電流峰值疊加[3]。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)將失電，但其仍然可以憑借慣性繼續(xù)運(yùn)行。在短路故障出現(xiàn)的首個(gè)半周期時(shí)，轉(zhuǎn)速可視作沒(méi)有變化，同時(shí)和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相交鏈的磁鏈仍然存在，將會(huì)產(chǎn)生三相電勢(shì)，進(jìn)而向短路點(diǎn)輸送短路電流[4]。異步電動(dòng)機(jī)向短路點(diǎn)饋送的短路電流計(jì)算公式為：

電動(dòng)機(jī)饋送的短路電流為：

1.3 ETAP 軟件

ETAP 是一款功能全面的綜合型電力及電氣分析計(jì)算軟件，能為發(fā)電、輸配電的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、運(yùn)行、模擬提供全面的分析平臺(tái)和解決方案。其具有基于IEC-60909 的三相短路、兩相、短路以及單相接地故障分析計(jì)算功能，也能基于IEC-61363 的三相短路電流進(jìn)行暫態(tài)分析并繪制暫態(tài)曲線(xiàn)。除了短路電流計(jì)算，還具有諧波分析、潮流分析、電機(jī)啟動(dòng)等功能仿真計(jì)算功能。在指導(dǎo)船舶電氣設(shè)計(jì)工作中，均具有一定的實(shí)際意義。

2 系統(tǒng)建模及分析

2.1 電力系統(tǒng)建模

本文以我院設(shè)計(jì)的某海洋工程船為例，該船是一艘具備DP1動(dòng)力定位能力的海洋工程船，電站系統(tǒng)配置2臺(tái)1700 kW軸帶發(fā)電機(jī)和2臺(tái)750 kW柴油發(fā)電機(jī)組，電力系統(tǒng)分為4段母排，4臺(tái)發(fā)電機(jī)各自連接了一段母排。軸帶發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間并聯(lián)在網(wǎng)，僅在作負(fù)載轉(zhuǎn)移時(shí)，短時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行，所以，當(dāng)2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)工作并網(wǎng)同時(shí)向軸帶發(fā)電機(jī)作負(fù)載轉(zhuǎn)移情況下，是該電力系統(tǒng)投入最多發(fā)電機(jī)組的工況，可能產(chǎn)生最大的短路電流。

在ETAP內(nèi)本船的電力系統(tǒng)建模如圖1所示。

根據(jù)本船的配置的發(fā)電機(jī)型號(hào)，設(shè)置次瞬態(tài)模型的參數(shù)如表1所示，各等效電動(dòng)機(jī)的次瞬態(tài)模型的設(shè)置參數(shù)如表2所示。

表1 發(fā)電機(jī)次瞬態(tài)模型參數(shù)

2.2 短路電流計(jì)算及開(kāi)關(guān)選型

根據(jù)以上模型和參數(shù)，在ETAP中基于IEC 60909進(jìn)行短路電流計(jì)算，計(jì)算得到的結(jié)果如表3所示。根據(jù)計(jì)算可知，2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)出線(xiàn)端預(yù)期對(duì)稱(chēng)短路電流為38.454 kA，可選用施耐德MT20N1空氣斷路器，軸帶發(fā)電機(jī)出線(xiàn)端對(duì)稱(chēng)短路電流為38.875 kA，可選用施耐德MT40H1型空氣斷路器。短路計(jì)算結(jié)果及選用的保護(hù)開(kāi)關(guān)如表3所示。

圖1 電力系統(tǒng)模型示意圖

表2 發(fā)電機(jī)次瞬態(tài)模型參數(shù)

2.3 暫態(tài)仿真曲線(xiàn)

根據(jù)以上模型和參數(shù)，在ETAP中基于IEC 61363進(jìn)行暫態(tài)仿真計(jì)算，并繪制了0.2 s內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)出現(xiàn)端的短路暫態(tài)曲線(xiàn)。通過(guò)曲線(xiàn)可驗(yàn)證，在短路初始階段短路電流的交變分量很大，之后逐漸減小。短路電流的最大瞬時(shí)值預(yù)計(jì)在短路后首個(gè)半周期產(chǎn)生，其值等于非周期分量和對(duì)稱(chēng)短路電流峰值相加而成。

根據(jù)以上模型和參數(shù)，在ETAP中基于IEC 61363進(jìn)行暫態(tài)仿真計(jì)算，并繪制了0.2 s內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)出現(xiàn)端的短路暫態(tài)曲線(xiàn)。通過(guò)曲線(xiàn)可驗(yàn)證，在短路初始階段短路電流的交變分量很大，之后逐漸減小。短路電流的最大瞬時(shí)值預(yù)計(jì)在短路后首個(gè)半周期產(chǎn)生，其值等于非周期分量和對(duì)稱(chēng)短路電流峰值相加而成。

圖2 暫態(tài)仿真曲線(xiàn)示意圖

3 開(kāi)關(guān)選擇性分析

表3 IEC 60909短路電流計(jì)算值及保護(hù)開(kāi)關(guān)選型

確定了保護(hù)開(kāi)關(guān)的型號(hào)以后，分別對(duì)軸發(fā)、柴發(fā)與下級(jí)開(kāi)關(guān)的選擇性保護(hù)進(jìn)行分析，以確保在設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)，最接近故障點(diǎn)的保護(hù)電器迅速起保護(hù)作用，而不會(huì)導(dǎo)致其他保護(hù)電器動(dòng)作的過(guò)電流選擇性保護(hù)，以免造成故障范圍擴(kuò)大。開(kāi)關(guān)保護(hù)曲線(xiàn)分別如圖3、圖4和表4、表5所示。由圖4可知，軸帶發(fā)電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)和照明變壓器保護(hù)開(kāi)關(guān)、應(yīng)急配電板保護(hù)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了完全選擇性保護(hù)。柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)和照明變壓器保護(hù)開(kāi)關(guān)、應(yīng)急配電板保護(hù)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了完全選擇性保護(hù)。

圖3 軸發(fā)分別與照明變壓器、應(yīng)急配電板開(kāi)關(guān)的選擇性曲線(xiàn)

表4 軸發(fā)與照明變壓器、應(yīng)急配電板開(kāi)關(guān)選型

表5 柴發(fā)與照明變壓器、應(yīng)急配電板開(kāi)關(guān)選型

圖4 柴發(fā)分別與照明變壓器、應(yīng)急配電板開(kāi)關(guān)的選擇性曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文針對(duì)船舶電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算問(wèn)題，首先討論了短路電流形成的機(jī)理和國(guó)內(nèi)外關(guān)于短路電流的計(jì)算規(guī)范。在此基礎(chǔ)上給出了船舶電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)ETAP 軟件對(duì)某多端母排的船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行建模，并通過(guò)軟件計(jì)算驗(yàn)證?；谟?jì)算結(jié)果，本文確定了重要設(shè)備的保護(hù)開(kāi)關(guān)，并驗(yàn)證了選擇性保護(hù)的完全性。

該結(jié)果表明，通過(guò)ETAP短路電流仿真計(jì)算，能夠?yàn)榇半娏ο到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].北京: 人民交通出版社.2021.

[2] 周海.王思征.柏峰.征宇.劉啟蒙.一種改進(jìn)的船舶電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算方法研究[J].電工技術(shù). 2018 5（下）期.

[3] 王鵬．船舶電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算研究[J]. 船舶, 2005(1): 39-24．

[4] 王農(nóng)寶，趙殿禮，張春來(lái)．船舶電力系統(tǒng)短路電流的研究[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 34(S1): 73-75．

Calculation of short-circuit current in power system of multi-busbar rescue ship and selection of circuit breaker

Guo Junwei, Zhang Hong, Wang Feng, Wen Jing

(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China)

U665

A

1003-4862（2023）02-0069-04

2022-07-20

郭駿為（1990-），男，工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：gjwsg29@163.com