多母排海工船電力系統短路電流計算及開關選型

2023-03-17 00:18:32郭駿緯

船電技術 2023年2期

關鍵詞：發電機船舶故障

郭駿緯，張弘，王鋒，聞靜

應用研究

多母排海工船電力系統短路電流計算及開關選型

郭駿緯，張弘，王鋒，聞靜

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

船舶電力系統短路電流計算是船舶電氣設計中的關鍵。針對某海工船的多端母排電力系統進行研究和分析，基于ETAP軟件對電網進行建模，并分析和計算了該電力系統的短路電流。根據短路計算結果，確定了主要保護開關的類型和整定值，對船舶多母排電力系統的設計提供了參考。

海工船舶短路電流 ETA 多母排電力系統繼電保護

0 引言

近年來，隨著大型海工船舶的出現，船舶電力系統的容量日趨增大，確保船舶電力系統運行的可靠性越來越受到人們的重視。

在船舶電力系統運行的過程中，一般情況下發生短路故障時，對船舶造成的危害最大，它會使得電網的短路電流瞬間增大數倍，船舶電網的整體電壓降低，輕者會造成局部的停電，重則會使全船失電導致船舶失去動力，導致船舶不能正常工作甚至影響航行安全，造成巨大的經濟損失乃至對人員的生命造成威脅。

所以，電力系統的短路分析，是船舶電力系統設計的關鍵問題，它是校驗開關保護設備分斷能力和載流導體熱穩定性的依據，同時能指導繼電保護裝置的整定計算。本文基于某海洋工程船的實際案例，該船由于配置3臺大功率側推電動機，故電力系統分為了4段，采用軸帶發電機驅動側推電動機。采用ETAP軟件對電力系統進行建模，通過仿真計算了電力系統的短路電流，對該船的電力系統設計提供了依據。

1 短路電流計算概述

1.1 短路電流計算規格規范

關于短路電流計算，國內外已經發布了相關的規范。國際電工委員會（IEC）推出了IEC 60909 以及IEC 61363 論述了電力系統兩相短路、單相接地以及三相短路電流計算；中國船級社（CCS）也在《鋼質海船入級規范》中明確給出了電力系統的短路電流計算方法[1]。

其中國內標準GB/T 3321對應于IEC61363，可對電力系統進行暫態分析，主要適用于船舶交流電力系統短路電流和短路功率因數的計算。其結果可指導校核開關的短路分斷能力、校核匯流排的動穩定性以及作為電力系統選擇性保護的設計依據。

1.2 短路電流計算原理

對交流同步發電機而言，當出現短路故障時，其發電機的勵磁繞組、阻尼繞組和電樞繞組互相之間存在電磁作用，短路的電磁過程變得較為復雜。短路過程通常分為三個階段：次暫態、暫態和穩態階段。

在短路過程中短路電流周期分量幅值是衰減的，而暫態分量按勵磁回路的時間常數指數衰減，次暫態分量按阻尼回路的時間常數指數衰減[2]。根據電機學理論，同步發電機三相突然短路最嚴重的情況是，當發電機空載、且電壓的起始相角＝０時發生。短路電流的最大瞬時值在短路后首個半周期產生，其值等于非周期分量和對稱短路電流峰值疊加[3]。對于異步電動機而言，當電力系統發生短路故障時，電動機將失電，但其仍然可以憑借慣性繼續運行。在短路故障出現的首個半周期時，轉速可視作沒有變化，同時和轉子導體相交鏈的磁鏈仍然存在，將會產生三相電勢，進而向短路點輸送短路電流[4]。異步電動機向短路點饋送的短路電流計算公式為：

電動機饋送的短路電流為：

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算軟件，能為發電、輸配電的規劃、設計、分析、計算、運行、模擬提供全面的分析平臺和解決方案。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算功能，也能基于IEC-61363 的三相短路電流進行暫態分析并繪制暫態曲線。除了短路電流計算，還具有諧波分析、潮流分析、電機啟動等功能仿真計算功能。在指導船舶電氣設計工作中，均具有一定的實際意義。

2 系統建模及分析

2.1 電力系統建模

本文以我院設計的某海洋工程船為例，該船是一艘具備DP1動力定位能力的海洋工程船，電站系統配置2臺1700 kW軸帶發電機和2臺750 kW柴油發電機組，電力系統分為4段母排，4臺發電機各自連接了一段母排。軸帶發電機和柴油發電機不能長時間并聯在網，僅在作負載轉移時，短時并網運行，所以，當2臺柴油發電機工作并網同時向軸帶發電機作負載轉移情況下，是該電力系統投入最多發電機組的工況，可能產生最大的短路電流。

在ETAP內本船的電力系統建模如圖1所示。

根據本船的配置的發電機型號，設置次瞬態模型的參數如表1所示，各等效電動機的次瞬態模型的設置參數如表2所示。

表1 發電機次瞬態模型參數

2.2 短路電流計算及開關選型

根據以上模型和參數，在ETAP中基于IEC 60909進行短路電流計算，計算得到的結果如表3所示。根據計算可知，2臺柴油發電機出線端預期對稱短路電流為38.454 kA，可選用施耐德MT20N1空氣斷路器，軸帶發電機出線端對稱短路電流為38.875 kA，可選用施耐德MT40H1型空氣斷路器。短路計算結果及選用的保護開關如表3所示。

圖1 電力系統模型示意圖

表2 發電機次瞬態模型參數

2.3 暫態仿真曲線

根據以上模型和參數，在ETAP中基于IEC 61363進行暫態仿真計算，并繪制了0.2 s內柴油發電機出現端的短路暫態曲線。通過曲線可驗證，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值預計在短路后首個半周期產生，其值等于非周期分量和對稱短路電流峰值相加而成。

圖2 暫態仿真曲線示意圖

3 開關選擇性分析

表3 IEC 60909短路電流計算值及保護開關選型

確定了保護開關的型號以后，分別對軸發、柴發與下級開關的選擇性保護進行分析，以確保在設備發生短路故障時，最接近故障點的保護電器迅速起保護作用，而不會導致其他保護電器動作的過電流選擇性保護，以免造成故障范圍擴大。開關保護曲線分別如圖3、圖4和表4、表5所示。由圖4可知，軸帶發電機保護開關和照明變壓器保護開關、應急配電板保護開關實現了完全選擇性保護。柴油發電機保護開關和照明變壓器保護開關、應急配電板保護開關實現了完全選擇性保護。