基于平均等效電動機法的船舶電力系統(tǒng)短路電流計算研究

許建軍，伏 潤，黃笑維

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基于平均等效電動機法的船舶電力系統(tǒng)短路電流計算研究

許建軍，伏 潤，黃笑維

（上海船用柴油機研究所，上海 201108）

很多大型船舶電力系統(tǒng)中電動機數(shù)量多并且有多臺大功率電動機，在求取短路總電流時，采用常規(guī)方法計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機法，將運行中的所有電動機等效成若干臺功率、電壓等各項參數(shù)相同的等效電動機，再計算短路電流。以5000噸運輸船電力系統(tǒng)實際數(shù)據(jù)進行計算與仿真分析，驗證了該方法計算的有效性且計算結(jié)果精確更高，具有一定的實用價值。

船舶電力系統(tǒng) 短路電流 平均等效電動機法

0 引言

短路是船舶電力系統(tǒng)中最常見、危害性最大的電氣故障。短路故障不僅會影響船舶的正常生產(chǎn)作業(yè)，而且嚴重時會造成安全事故，破壞船舶的生命力。為降低短路對大型船舶電力系統(tǒng)的影響，在進行大型船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計、配電裝置的選型和開關(guān)裝置的整定及校驗時，必須對電力系統(tǒng)中各點的短路電流進行計算和核實。

參考文獻[1]對比國內(nèi)船舶電力系統(tǒng)短路電流計算IEC法、GB-3321法、GJB-173法等，這幾種方法在總電流計算時有所不同。IEC與GJB-173計算總電流為發(fā)電機與電動機饋送短路電流代數(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臺等效發(fā)電機短路計算。由分析可知，這幾種方法在計算大型船舶的電力系統(tǒng)總電流時，誤差較大，為了提高短路電流計算的精度，本文對于大型船舶短路電流計算時將電動機采用均方根法等效為若干臺各項參數(shù)相同的電動機，即平均等效電動機法。并且通過實船驗證該方法在一定程度上提高了短路電流計算精度，為降低短路故障的破壞性提供了更好的數(shù)據(jù)參考，具有一定的實用價值。

1 短路電流計算

船舶電力系統(tǒng)中的主要負載為電動機，由于對每臺電動機的短路電流進行計算比較麻煩，為了簡化計算，目前的短路電流計算方法一般在總電流計算時，將運行中的所有電動機與發(fā)電機用一臺等效發(fā)電機代替或簡單的相加，再近似求得其短路電流。而大型船舶電力系統(tǒng)并聯(lián)接入的電動機數(shù)量比較多且有多臺大功率電動機，如果將所有運行的電動機等效成一臺電動機或簡單的相加來計算短路電流，計算結(jié)果存在較大正誤差。

1.1平均等效電動機法

針對大型船舶電力系統(tǒng)的特點，引入平均等效電動機法，將系統(tǒng)中所有運行的電動機等效成N臺功率、電壓等各項參數(shù)相同的等效電動機。首先計算單臺平均等效電動機饋送短路電流，然后乘以等效臺數(shù)N，求得電動機饋送短路電流。平均等效電動機輸出功率的計算公式如下：

式中，P—電動機額定輸出功率，N—額定輸出P的電動機數(shù)量，—并聯(lián)電動機的總臺數(shù)，P—平均等效電動機輸出功率

根據(jù)運行電動機的額定功率和臺數(shù)，可以求得等效臺數(shù)為：

求得N之后，進一步計算出平均等效電動機的其他參數(shù)，計算如下：

得到平均等效電動機的各個參數(shù)之后，根據(jù)相應(yīng)饋送短路電流計算公式，求得單臺平均等效電動機饋送的短路電流，在與等效臺數(shù)N相乘，便得到整個電力系統(tǒng)所有運行中的電動機饋送的短路電流。

1.2算例分析

以15000噸運輸船為例，主發(fā)電機選用四臺型號相同的主發(fā)電機（P=2250 kW，U=6.6kV),一臺備用發(fā)電機（P=1500 kW，U=6.6 kV）。五臺發(fā)電機與等效電動機為并聯(lián)，當主匯流排附近的饋電線處短路時，大功率電動機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)中最嚴重的短路發(fā)生在五臺發(fā)電機組與一臺等效電動機并聯(lián)饋送短路電流時，短路點臨近主匯流排?？紤]饋電線的阻抗的影響，對時間常數(shù)進行校正，通過計算，給出50 ms內(nèi)相應(yīng)的短路電流計算結(jié)果值，如表1所示。

表1短路電流計算結(jié)果表

從表格也可以看出各電流值隨時間在衰減，而且I與i的和為。

1.3短路電流計算結(jié)果仿真分析

將平均等效電動機法嵌入EDSA軟件Paladin Research Lab模塊，仿真分析該短路電流變化情況，驗證該算法在求取總短路電流時的有效性。

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

圖2 短路電流交流分量值

圖3 短路電流瞬時交流分量

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 短路瞬時總電流

圖7 短路電流上包絡(luò)值

從圖上可以看出，整個仿真曲線比較準確地反映出發(fā)電機出線端口臨近主匯流排處短路時各短路電流分量的變化：短路初期，短路電流很大，但是隨著時間的推移，電流都逐漸降低，最后短路電流瞬時交流分量、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，而短路瞬時總電流衰減到與短路電流交流分量重合，并達到了一個穩(wěn)定的過程。以此驗證說明，該計算方法在求取總短路電流時的有效性。

1.4計算結(jié)果對比分析

針對本文實例，進一步采用GB-3321法、GJB-173法分別計算15000噸實船電力系統(tǒng)臨近匯流排處的短路電流，并選取1/2周波時短路瞬時總電流、短路電流交流分量i和短路電流直流分量幅值I與本文算法進行比較，比較結(jié)果如表2所示。

表2 幾種結(jié)果對比表

從計算結(jié)果看出，通過本文算法得到的短路電流值比GB-3321法和GJB-173法更小。這是因為常規(guī)算法通常將發(fā)電機和電動機代數(shù)相加等效為一臺電動機或簡單代數(shù)和相加，并且忽略電動機至匯流排之間的線路阻抗，顯然引起了電流數(shù)值的偏大。而平均等效電動機法將饋電線的阻抗作為等效電動機的外阻抗來計算，阻值比前種情況的阻值要大，所以相比較本文算法計算出來的短路電流值就會偏小一些。

依據(jù)該算法得到的短路電流值選型的主開關(guān)、斷路器等配電設(shè)備已經(jīng)在15000噸運輸船上進行了短路分斷試驗，試驗結(jié)果表明主開關(guān)等設(shè)備的分斷能力正常，實際驗證了本文算法的有效性和精確性。

2 結(jié)語

本文引入的算法對于大型船舶短路電流計算具有廣泛的適用性。該算法有效減小了短路電流計算結(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)的短路保護功能，同時也節(jié)約了一定的設(shè)備成本。

參考文獻：

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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)。