船舶電力系統(tǒng)短路電流計算方法適用性研究

張敬南，白琳琳

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船舶電力系統(tǒng)短路電流計算方法適用性研究

張敬南，白琳琳

(哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，哈爾濱 150001)

短路電流計算是減小船舶電力系統(tǒng)短路故障危害的基礎(chǔ)，但各種計算方法在同一系統(tǒng)的不同工況下的計算誤差有所不同。為了明確不同工況下各種計算方法的適用性，減小短路計算的誤差，以中壓交流電力推進船舶為研究對象，分別采用GJB-173、GJB-173改進、IEC61363三種算法對短路電流值進行了計算。基于Simulink仿真軟件編制了該船舶電力系統(tǒng)的數(shù)值仿真程序，并將短路計算結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果進行了對比。通過對三種典型方法在不同運行方式下的計算結(jié)果進行的分析，給出了船舶電力系統(tǒng)在不同的運行方式下相適應(yīng)的短路電流計算方法。

船舶電力系統(tǒng) 短路電流 計算方法 適用性 數(shù)值仿真

0 引言

船舶電力系統(tǒng)的短路電流計算是整個系統(tǒng)安全性、斷路器設(shè)計整定以及設(shè)備選擇校驗的重要依據(jù)[1]。目前，電力系統(tǒng)短路電流的計算方法有很多，其中GJB-173法、GJB-173的改進算法、IEC61363計算法的應(yīng)用較為廣泛[2]。由于各種算法在應(yīng)用時均存在一定的近似處理，所以在不同的工況下會有不同的計算誤差。尤其是上述三種短路計算方法在船舶電力系統(tǒng)短路電流計算值上的誤差分析與適用性研究并不多見。作者將各計算方法的短路計算結(jié)果與Simulink仿真環(huán)境下的數(shù)值仿真結(jié)果進行了對比分析，研究了船舶電力系統(tǒng)不同運行方式下短路電流計算方法的適用性問題。鑒于Simulink仿真軟件在相關(guān)領(lǐng)域仿真的成熟程度，以及所編制仿真程序曾經(jīng)在船舶電力系統(tǒng)分析中正確的應(yīng)用，確認其仿真結(jié)果是可靠的和可信的。

以一交流電力推進船舶電力系統(tǒng)作為研究對象，其系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，G1~G4為4臺發(fā)電機；TM1、TM2為2臺推進電動機；M為船舶等效電動機負載。

三相短路故障發(fā)生后，短路峰值電流是短路故障過程中的重要參考數(shù)據(jù)。對于饋電線路上的短路，出現(xiàn)最大短路電流的點一定在饋電線的某一端點上，因此在短路點的設(shè)置上，分別選擇了發(fā)電機、變壓器出線處設(shè)置短路點，如圖1中標(biāo)記的F0、F1、F2、F3、F4、F5。

1 短路峰值電流的計算方法

短路峰值電流由兩部分組成，即周期電流和非周期電流，而短路發(fā)生點的時間相位不同，所對應(yīng)的峰值電流的最大值也不同。因此計算時應(yīng)計算所出現(xiàn)的最大峰值電流。考慮到圖1所示系統(tǒng)，短路電流值均為發(fā)電機饋送的短路電流與電動機饋送的短路電流的代數(shù)和，且短路電流計算均考慮臨近匯流排和遠離匯流排的情況[3]。由于兩種情況的差別在公式上主要體現(xiàn)在外接阻抗的加入上，本文針對發(fā)電機、電動機的短路電流計算公式均以臨近匯流排作為基準(zhǔn)，遠離匯流排的情況將在個別公式中體現(xiàn)。

1.1 GJB-173算法

1.1.1 發(fā)電機饋送的短路電流

基于GJB-173算法中發(fā)電機饋送的峰值電流為：

根據(jù)式（1），在GJB-173算法中，發(fā)電機饋送的峰值電流忽略了周期分量中暫態(tài)和次暫態(tài)電流的衰減問題。

1.1.2電動機饋送的短路電流

對于臨近匯流排和遠離匯流排時的情況，電動機饋送的短路電流不能采用同樣的公式。

臨近匯流排短路時，電動機饋送的短路峰值電流為

遠離匯流排短路時，電動機饋送的短路電流為

1.2 GJB-173改進算法

1.2.1 發(fā)電機饋送的短路電流

與GJB-173算法相比，在改進算法中，發(fā)電機饋送的峰值電流公式考慮了次暫態(tài)電流的衰減，忽略了暫態(tài)電流的衰減，即

式中，假設(shè)了發(fā)電機的峰值電流計算公式為空載下的情況；考慮負載情況時，應(yīng)將周期電流分量乘上空載時的1.1倍。此外，遠離匯流排時的時間常數(shù)均要做出相應(yīng)的修正。

1.2.2 電動機饋送的短路電流

臨近匯流排短路時，電動機饋送的峰值電流為：

遠離匯流排時，同樣可以修正時間常數(shù)，且在對應(yīng)電阻、電抗處添加外接電阻和外接電抗即可。

（3）設(shè)備的成本問題。在體域網(wǎng)中需要使用大量的傳感器和路由器，保證數(shù)據(jù)的采集和傳輸。在無形中，增加了通信的成本和能源消耗。

1.3 IEC61363算法

1.3.1發(fā)電機饋送的短路電流

IEC61363算法中，發(fā)電機饋電的峰值電流的計算中考慮了暫態(tài)和次暫態(tài)電流的衰減，即

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根據(jù)式(9)和式(10)，IEC61363算法需要進行發(fā)電機電勢的計算，而GJB-173算法和GJB-173改進算法則直接取發(fā)電機的額定相電壓為電勢值。

1.3.2 電動機饋送的短路電流

電動機饋送的短路電流為

式中

綜合3種計算方法，對于發(fā)電機饋送的短路峰值電流的計算中，短路電流周期分量中暫態(tài)和次暫態(tài)電流的衰減是3種算法公式中的主要區(qū)別；當(dāng)遠離匯流排短路時，GJB-173法未考慮短路阻抗對時間常數(shù)的影響，而后兩者則考慮了這一點；再者，GJB-173算法和GJB-173改進算法中發(fā)電機電勢均為額定值，而IEC61363方法中針對發(fā)電機和電動機的運行狀態(tài)，電勢值采用的是較精確的計算值。三種方法在船舶電力推進系統(tǒng)的短路計算上區(qū)別通過實例可做深入的探討。

2 短路計算方法的誤差分析

2.1 短路計算與數(shù)值仿真的比較

根據(jù)圖1所示系統(tǒng)，設(shè)置發(fā)電機的額定電壓為6600 V，額定容量為10 MVA，兩臺雙繞組變壓器的額定電壓為6.6 kV/0.4 kV，額定容量為800 kVA，兩臺三繞組變壓器的額定電壓為6.6 kV/2 kV/2 kV，額定容量為13 MVA，兩臺推進電機的額定電壓為3.3 kV，兩臺等效電動機負載額定電壓為0.4 kV，等效靜負載容量375 kVA，功率因數(shù)為0.85。

結(jié)合本研究內(nèi)容，主要針對發(fā)電機空載和負載兩種運行方式下各短路點進行了短路電流峰值的動態(tài)仿真。設(shè)置工況為穩(wěn)定運行后發(fā)生短路故障，根據(jù)不同短路時刻短路峰值電流的變化確定出最大的短路峰值電流出現(xiàn)在短路時刻為30.0016s時，其對應(yīng)于F0點和F1點短路電流的動態(tài)仿真結(jié)果如圖2~圖5所示。

短路電流波形體現(xiàn)了發(fā)電機空載與負載下短路電流峰值的差別，主要體現(xiàn)在負載下電流大于空載下的短路電流。總結(jié)對F0~F5點的短路過程動態(tài)仿真結(jié)論，并將動態(tài)仿真短路峰值電流結(jié)果與3種計算方法獲得的短路峰值電流列于表1和表2中。

根據(jù)表1所示，空載下，GJB-173改進與IEC61363的計算值相差不大且精確性較高，但IEC61363要更準(zhǔn)確一些，而GJB-173算法的值的誤差最大。

根據(jù)表2所示，負載下，GJB-173改進算法的誤差小于IEC61363的計算值，GJB-173算法誤差最大。

2.2誤差分析

空載時，GJB-173算法誤差最大，原因是其忽略的幾點因素，GJB-173改進算法和IEC61363算法誤差較小，原因是兩者考慮的因素相同。二者出現(xiàn)的差異在于非周期分量的計算中IEC61363算法的計算值要小。

負載時，IEC61363算法中的誤差比GJB-173改進算法的計算值要大，原因是負載下發(fā)電機暫態(tài)電勢的計算值大于GJB-173改進算法中的值,其計算結(jié)果自然較大。對于GJB-173算法，其空載和負載下的計算值是一樣的，因此負載下，其誤差相對要減小。

3 結(jié)論

通過3種短路計算方法及動態(tài)仿真的比較研究，獲得了不同短路計算方法在船舶電力系統(tǒng)的短路電流計算時的誤差問題。并且確定了不同運行方式下短路計算方法的適用情況。主要結(jié)論包括：1）結(jié)合數(shù)值仿真程序，可以直觀、有效地分析短路電流情況，便于實現(xiàn)不同短路計算方法的比較；2）空載運行方式下，GJB-173改進算法和IEC61363算法均可采用；但采用IEC61363算法會獲得更高的準(zhǔn)確度。3）發(fā)電機帶電動機負載運行時，則可采用GJB-173算法及GJB-173改進算法；且GJB-173改進算法具有更高的準(zhǔn)確度。但是GJB-173算法的計算流程更為簡便。

[1] 王寓, 王主丁, 張宗益. 國內(nèi)外常用短路電流計算標(biāo)準(zhǔn)和方法的比較研究[J]. 電力系統(tǒng)保護控制, 2010, 38(20).

[2] Xiong Xiaofu. Analysis of short-circuit characteristics and calculation of steady-state short-circuit current for DFIG wind turbine[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(8).

[3] 劉楠, 唐曉駿, 馬世英. 負荷模型對電力系統(tǒng)短路電流計算的影響[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2011, 35(8).

Adaptability of Short-circuit Current Calculation in Ship’s Power System

Zhang Jingnan, Bai Linlin

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Short-circuit current calculation is the basis of decreasing the hazard by short-circuit fault resulting in the ship’s power system. But different calculation methods exist in different calculation deviations to the same system’s different conditions. In order to define the applicability of the various calculation methods under different conditions and to reduce short-circuit calculation deviations, with an AC medium voltage electric propulsion ship as research subjects, the three calculation methods, GJB-173, GJB-173 improvements and IEC61363, are used to calculate short-circuit current. Numerical simulation program of the ship electrical system is programmed on the basis of Simulink and the results of both calculations and the numerical simulation are compared. The calculation results of the three typical methods in different conditions are analyzed and the adapted short-circuit current calculation methods of the ship electrical system in different operation modes are given.

ship’s power system; short-circuit current; computational method; applicability; numerical simulation

TM3439

A

1003-4862（2015）03-0012-04

2014-11-07

哈爾濱工程大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（HEUCFZ1305）

張敬南(1975-)，男，博士，副教授。研究方向：電氣工程及其自動化。