實船電站短路電流的計算研究

崔守娟，欒榮華，蔡婷婷

（1.鎮江高等職業技術學校，江蘇鎮江212016；2.江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇鎮江212000）

實船電站短路電流的計算研究

崔守娟1，欒榮華2，蔡婷婷1

（1.鎮江高等職業技術學校，江蘇鎮江212016；2.江蘇磁谷科技股份有限公司，江蘇鎮江212000）

船舶電力系統設計必須充分估計到系統可能發生的短路故障，以便采取有效措施防止它們的有害影響，保證系統正常運行。根據柴油機驅動的起拋錨拖帶供應船特點，提出了一種簡單有效的短路計算點的選擇方法，然后通過改進算法計算短路電流，為校驗所選用的開關電器的短路通斷能力、匯流排等器件的電動力穩定性，以及為電力系統選擇性保護的設計和整定提供了依據。

船舶電力系統；短路計算點；短路電流；保護

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

1　短路計算點的選擇

船舶電力系統的短路電流，是在船舶電力系統的某一點發生短路時，電力系統中發電機和電動機向短路點饋送短路電流。短路電流大小是由系統所有發電機和電動機的參數及電路的阻抗決定的，而且和短路點的位置有很大的關系[6-7]。

本船是一艘柴油機驅動的起拋錨拖帶供應船，航行于無限航區，進行海上船、駁的拖運工作，設三臺柴油發電機組，每臺機組功率約為440 kW，一臺主機軸帶發電機，功率1 200 kW.應急發電機一臺，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示意圖。

圖1　電站一次電力系統示意圖

短路計算中還涉及到大電動機的概念，規范中明確指出，大電動機是指任何額定功率大于100 kW，或者大于系統中最大發電機額定功率25%的電動機。圖中用一等效電動機M1來表示，對于其它電機，當發生短路時，依靠慣性依然會繼續工作，也對短路點供電，圖中用一等效電動機M2來表示[8-9]。

本文選擇短路點的原則是計算發電機輸出端、主匯流排、應急配電板、區配電板以及分配電板的匯流排，某點發生短路后，選擇、整定或校驗的電氣設備的電流為最大。例如，在校驗發電機主開關的斷流容量時，應選A點，因為A點短路時另幾臺工作發電機和所有工作電動機都經過該處開關向短路點供電。當校驗母線的動穩定性或最大用電設備開關的斷流容量時，可選圖中B2點短路，因為此時所有工作發電機和除該點開關本身供電的設備之外的所有工作電動機都向B2點供電。

同理，當校驗主配電板匯流排的電動力穩定性時，應選B2點。

此外，為電力系統保護的設計和整定需要，有時還應進行饋電線末端短路電流的計算[10-11]。本文重點分析影響短路電流計算的各部分短路饋送參數，計算典型點的短路電流，為提高計算的效率和準確率提供新的參考方法。

2　短路計算的必要參數

根據電機學原理，在船舶電力系統的某一點發生短路時，電力系統中只有發電機和電動機向短路點饋送短路電流。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算中，最關鍵的問題是如何處理電力系統中的發電機和電動機，以下分別給出該系統發電機和電動機的計算參數，以及影響短路電流衰減周期的電纜參數。

2.1計算所需發電機參數

在計算發電機饋送的短路電流時，通常會選用比較精確的計算公式，除了電壓、阻抗等基本參數外，還引入瞬變和超瞬變時間常數，這樣計算時既會考慮短路電流的超瞬態衰減過程，又會考慮短路電流的瞬態衰減過程。另外引入穩態電流參數，不僅能夠計算短路電流在周期內的最大值，而且能夠計算短路發生后30 ms以內的短路電流，這一點對船舶電力系統是十分重要的。發電機參數如表1所示。

表1　發電機參數表

2.2計算所需電動機參數

計算電動機饋送的短路電流時，大電動機和小電動機要分開計算。對于大電動機饋送的短路電流應單獨進行計算，而計算小電動機饋送的短路電流時，可把所有的小電動機等效成一個電動機進行計算，大電機及等效電機的相關計算參數如表2所示。

表2　電動機參數表

2.3計算所需電纜參數

同一發電機在連接不同的電纜時，其穩態短路電流是不一樣的。電纜的截面積較大，阻抗較小，對穩態短路電流的影響也就較小。具體參數如表3所示。

表3　電纜參數表

3　短路電流的計算

在短路電流的計算中，將系統中可能供給短路電流的元件：交流發電機、電動機作為電流源，當短路故障發生時，它們提供的短路電流值計算方法以及短路點短路電流值的計算方法，將為過電流選擇保護等提供一定參考。受篇幅限制，這里僅給出大電機M1，M2，短路點A1，A2，A3，A4，B1和B2點的短路電流計算。

3.1大電動機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點的短路電流

①A1點t=10 ms時，A1、A2、A3短路電流計算（因發電機參數一致，三處短路電流一致）

②A4點t=10 ms時，短路電流計算

③B1點t=10 ms時，短路電流計算

④B2點t=10 ms時，短路電流計算

從以上算例可以看到，該方法提供了較為精確的計算方法，對各短路點的電流進行了疊加，且能夠計算短路發生后30 ms以內的短路電流。否則，實現選擇性保護而整定開關的整定值必然有偏差，不僅起不到保護的作用，更達不到選擇性保護的目的，還會給船舶安全留下隱患，這才是問題的實質所在，所以采用準確的計算方法計算短路電流是十分必要的。

4　結束語

船舶電力系統設計必須充分估計到系統可能發生的短路故障，以便采取有效措施防止它們的有害影響，保證系統正常運行。本文根據柴油機驅動的起拋錨拖帶供應船特點，提出了一種簡單有效的短路計算點的選擇方法，然后通過改進算法計算短路電流。為校驗所選用的開關電器的短路通斷能力、匯流排等器件的電動力穩定性，以及為電力系統選擇性保護的設計和整定提供了依據。

[1]冀欣，張曉鋒.基于節點電勢法的艦船電力系統潮流計算方法[J].船海工程，2007，36（5）：132-135.

[2]李久芳.船舶電力系統潮流計算方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[3]莊勁武.艦艇電力系統穩態參數計算方法的研究[J].海軍工程大學學報，2000，（5）：15-18.

[4]姜波，李洪義.基于Petri網的艦船綜合電力系統故障診斷方法[J].艦船科學技術，2011，33（8）：20-25.

[5]王浩亮.船舶電力系統穩定性研究[D].大連：大連海事大學，2010.

[6]趙巖.船舶電力系統短路電流計算方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[7]GJB173-86，艦船交流電力系統短路電流計算[S].

[8]侯劍蕓.短路電流IEC算法與實用算法的異同[J].電力建設，1997，（3）：29-31.

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[11]楊兆吉.多電站船舶電網的短路計算[J].船電技術，2000，（4）：46-50.

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，主要從事測控系統設計及控制理論研究。