船舶電網(wǎng)短路計算方法課件

1、項目六 船舶電網(wǎng)短路計算方法任務(wù)6.1 短路電流概述 任務(wù)6.2 短路電流計算基礎(chǔ)知識 任務(wù)6.3 短路點(diǎn)選擇 任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法任務(wù)6.1 短路電流概述 通常所說的船舶電力系統(tǒng)的短路，是指電機(jī)、電器和電纜的絕緣老化，或受機(jī)械損傷，或帶電部分發(fā)生異常接觸等原因造成的短路。短路時故障點(diǎn)通過很大的電流，這是與正常狀態(tài)下產(chǎn)生的過載完全不同的危險狀態(tài)。電力系統(tǒng)在發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)的總阻抗減小，各支路的電流也比正常情況下增大很多倍，而系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的電壓也將下降很多，在故障點(diǎn)附近更為嚴(yán)重。當(dāng)短路發(fā)生時，短路阻抗是由電弧的電阻和短路電流從一相

2、至另一相或者從一相到地所經(jīng)過的元件的阻抗所組成的。想要計算這種阻抗是不可能的，因?yàn)殡娀‰娮枋请S電流的大小和電弧的長短變化的，而且變化的范圍很大，很難估計。但在某些情況下，該阻抗的數(shù)值可能很小，實(shí)際上可以忽略不計，這種短路稱為“金屬性短路”。在船舶電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，短路故障是難以避免的，對于戰(zhàn)斗的艦艇尤其如此，因此短路電流計算是船舶電站設(shè)計的重要內(nèi)容之一，很多國家的船舶規(guī)范明確提出，需要提交短路電流計算書。下一頁返回任務(wù)6.1 短路電流概述 船舶電力系統(tǒng)電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，功率儲備不大、線路比較短、升壓和降壓環(huán)節(jié)較少或沒有，因而同等容量的船舶電力系統(tǒng)與陸上電力系統(tǒng)相比，短路電流偏大。究其原因，包括以

3、下幾個方面：（1） 船舶電力系統(tǒng)電壓等級較低，絕大多數(shù)負(fù)載開關(guān)都是直接由發(fā)電機(jī)供電，供電線路中缺少能有效抑制短路電流的變壓器。（2） 發(fā)電機(jī)與各配電板和各配電開關(guān)距離比較近，線路阻抗小，對短路電流抑制能力較差。上一頁下一頁返回任務(wù)6.1 短路電流概述 （3） 電網(wǎng)功率不大，相對發(fā)電機(jī)容量而言，某些電動機(jī)的容量比較大，甚至接近于單臺發(fā)電機(jī)的容量，為了追求良好的動態(tài)性能，在船用發(fā)電機(jī)的設(shè)計中，必須進(jìn)一步強(qiáng)化阻尼繞組的作用，但這樣做將使發(fā)電機(jī)饋送短路電流的能力進(jìn)一步增強(qiáng)。在船舶電力網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，設(shè)計師非常關(guān)注短路電流的大小以及開關(guān)設(shè)備的分?jǐn)嗄芰?。船舶科技進(jìn)步日新月異，自動化程度也越來越高，所使用的電氣

4、設(shè)備也越來越多，船舶電站的容量也隨之不斷增大，船舶電站容量與船舶噸位之比不斷上升，某些大型船舶的電站總?cè)萘可踔吝_(dá)到數(shù)萬千瓦。船舶電力網(wǎng)中的短路電流也隨船舶電站的容量不斷上升。很多比較大的船舶電力系統(tǒng)的短路電流已經(jīng)超過了 75 kA，甚至還有一些特殊船舶的短路電流己經(jīng)超過了100 kA。當(dāng)短路電流超過75 kA 后，船舶電力系統(tǒng)對于配電開關(guān)的分?jǐn)嗄芰σ笠呀?jīng)相當(dāng)高，設(shè)計師不得不尋找一些具有高分?jǐn)嗄芰Φ拇瞄_關(guān)進(jìn)行配電設(shè)計；當(dāng)短路電流超過100 kA后，尋找高分?jǐn)嗄芰Υ瞄_關(guān)也變得相當(dāng)困難。上一頁下一頁返回任務(wù)6.1 短路電流概述 這是由于船用開關(guān)的體積不可能太大，讓自動開關(guān)可靠地分?jǐn)嗪艽蟮亩搪冯?/p>

5、流必然需要更加復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，使開關(guān)尺寸和質(zhì)量增大，價格升高，大量使用高分?jǐn)嗄芰Φ淖詣娱_關(guān)的費(fèi)用是相當(dāng)可觀的，而開關(guān)的分?jǐn)嗄芰Σ豢赡軣o限地提高，短路電流過大時可能找不到合適的開關(guān)，只能改變船舶電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，犧牲某些性能。綜上所述，船舶工業(yè)在不斷發(fā)展，船舶的噸位也不斷上升，隨之而來的不斷增大的短路電流給船舶設(shè)計、使用帶來很大的壓力和影響。減小船舶電力系統(tǒng)的短路電流成為目前船舶電氣設(shè)計中必須面臨的課題。降低船舶短路電流最簡單的辦法是使各電源不并聯(lián)工作，或增加變壓器阻抗，這樣可以增大短路電路的阻抗從而減小短路電流。具體地說，有以下幾種常用的方法：上一頁下一頁返回任務(wù)6.1 短路電流概述 （1） 提高船舶

6、電力網(wǎng)的電壓。功率不變的情況下，提高船舶電力網(wǎng)的電壓可以有效地減小電流，進(jìn)而在短路故障時可以降低短路電流。升高船舶電力系統(tǒng)的電壓等級還可以一定程度的提高發(fā)電機(jī)的容量，減少發(fā)電機(jī)數(shù)量。但是，隨著電壓的升高必須加強(qiáng)導(dǎo)電部分的絕緣和消弧措施，大多數(shù)船用設(shè)備都采用標(biāo)準(zhǔn)電壓，采用中、高壓系統(tǒng)必須增設(shè)降壓變壓器，從而提高了成本，也給電力系統(tǒng)設(shè)計帶來新的壓力，所以目前這種方法在船舶上應(yīng)用并不廣泛。（2） 在電力線路上使用串聯(lián)感應(yīng)電抗。這種方法的原理是人為增加短路電路阻抗來降低、限制短路電流。其缺點(diǎn)是設(shè)備體積龐大，投資費(fèi)用和操作費(fèi)用高。通常為一個或少數(shù)幾個斷路器的經(jīng)濟(jì)性而加裝電抗器來限制短路電流是不恰當(dāng)?shù)?。?/p>

7、為加裝電抗器所增加的投資往往比一個或少數(shù)幾個斷路器改用高短路分?jǐn)嗄芰λ牡耐顿Y還要大。上一頁下一頁返回任務(wù)6.1 短路電流概述 （3） 多電站分區(qū)供電。船舶采用多電站分區(qū)供電的方法，將電力網(wǎng)分為相互獨(dú)立的幾個部分，每個部分由相應(yīng)的發(fā)電機(jī)供電。雖然這種方法是切實(shí)有效的，但是同時大大降低了電力網(wǎng)的可靠性，而且日常使用也相當(dāng)不方便，必須增加一些冗余線路和聯(lián)鎖設(shè)備。對于追求經(jīng)濟(jì)性和可靠性的船舶來說，這種方法也不可取。（4） 使用高阻抗發(fā)電機(jī)。所謂高阻抗發(fā)電機(jī)就是指發(fā)電機(jī)的直軸電抗、直軸瞬變電抗和直軸超瞬變電抗比較大，也就是發(fā)電機(jī)阻尼繞組的作用比較弱。這樣的發(fā)電機(jī)短路電流將顯著降低，但同時也導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的

8、動態(tài)穩(wěn)定性降低，抗突加或突減負(fù)載的能力下降。上一頁下一頁返回任務(wù)6.1 短路電流概述 由于小型船舶電網(wǎng)的單個負(fù)載容量相對于電網(wǎng)的容量來說往往比較大，必須有較好的動態(tài)穩(wěn)定性，而一般的中大型船舶電網(wǎng)中，單個負(fù)載容量相對于電網(wǎng)的容量來說并不大，沖擊負(fù)載對電網(wǎng)的影響已不再像小電網(wǎng)那樣突出，因此可以通過適當(dāng)減弱阻尼繞組的作用來犧牲一些單臺發(fā)電機(jī)的動態(tài)穩(wěn)定性能，從而降低整個電網(wǎng)的短路電流。此外，還有在電力線路上使用串聯(lián)有常閉和并聯(lián)有旁路開關(guān)的限流電阻和采用快速熔斷的熔斷器等方法，這里不再詳述。上一頁下一頁返回任務(wù)6.1 短路電流概述 由于船舶電力系統(tǒng)與陸上高壓電力系統(tǒng)電壓等級及環(huán)境條件不同，兩者有很大差別

9、，這決定了船舶電力系統(tǒng)的短路電流計算具有某些特點(diǎn)。船舶電站與陸上電站相比，前者可以看作是一個流動的電站，一般都以發(fā)電機(jī)作為主電源。電網(wǎng)內(nèi)負(fù)載的種類很多，但其主要負(fù)載是感應(yīng)電動機(jī)，且在船舶電力系統(tǒng)中，電動機(jī)的容量與發(fā)電機(jī)容量可相比擬，這與陸上電站大不相同。當(dāng)船舶電力系統(tǒng)短路時，雖然電源不再供電給感應(yīng)電動機(jī)，但旋轉(zhuǎn)機(jī)械沒有立即停止，由于慣性的作用，感應(yīng)電動機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體交鏈的磁通不能立即消失，這就出現(xiàn)感應(yīng)電動機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電勢向短路系統(tǒng)供電的情況。所以在計算短路電流時，不能忽視感應(yīng)電動機(jī)的影響，也可以說感應(yīng)電動機(jī)也是短路電流的供給源。船舶電力系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是：與陸上高壓系統(tǒng)相比，其電壓低得

10、很多，故外電路的阻抗對短路電流影響很大。因此，在計算短路電流時，對外電路的阻抗應(yīng)予以適當(dāng)?shù)闹匾暋Ｉ弦豁撓乱豁摲祷厝蝿?wù)6.1 短路電流概述 在船舶電力系統(tǒng)設(shè)計時，精確地推算電網(wǎng)中各點(diǎn)的短路電流值大小，可以合理地選擇配電方式和保護(hù)裝置，以保證電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，能快速有效地切斷短路故障，使系統(tǒng)與短路故障點(diǎn)斷開，防止故障處發(fā)生火災(zāi)和避免損壞設(shè)備，把短路破壞限制在最小的限度。對船舶電力系統(tǒng)設(shè)計而言，計算短路電流主要有兩方面目的：一個是在船舶電力系統(tǒng)設(shè)計初期，估算出短路電流，提供數(shù)據(jù)作為電氣設(shè)備選型的重要依據(jù)，也給電網(wǎng)設(shè)計提供重要數(shù)據(jù)；另一方面是電力系統(tǒng)確定之后，計算短路電流可以校驗(yàn)所選電力設(shè)備的熱穩(wěn)定

11、性和電動力穩(wěn)定性以及開關(guān)的通斷能力。由此看來，合理地計算出船舶電力系統(tǒng)的短路電流確實(shí)具有十分重大的意義。上一頁返回任務(wù)6.2 短路電流計算基礎(chǔ)知識船舶電網(wǎng)運(yùn)行可分為兩個狀態(tài)，即穩(wěn)定工作狀態(tài)和瞬態(tài)工作狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)中的負(fù)載保持恒定不變時，我們認(rèn)為系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時，電壓、電流等值均保持不變，其值與負(fù)載阻抗有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)總負(fù)載發(fā)生突變時，其他如電壓、電流等值均隨之而變化，當(dāng)負(fù)載中含有感性負(fù)載和容性負(fù)載時，這些參數(shù)要經(jīng)過一段時間之后才能達(dá)到新的穩(wěn)定值，這時系統(tǒng)便又處于新的穩(wěn)定工作狀態(tài)。系統(tǒng)從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個新的穩(wěn)定工作狀態(tài)的中間過程，稱為過渡過程或瞬態(tài)過程。船舶電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，同步發(fā)電機(jī)

12、在瞬態(tài)時產(chǎn)生的過渡過程十分復(fù)雜，需給出一個研究問題的前提假設(shè)，確保能比較簡單的對這個過程進(jìn)行研究，假設(shè)內(nèi)容如下：為了對短路時的一些概念有一個比較明確的了解，我們假定發(fā)電機(jī)的功率非常大，以致在電網(wǎng)中發(fā)生短路電流的時候，其端電壓不變。下一頁返回任務(wù)6.2 短路電流計算基礎(chǔ)知識假設(shè)船舶電站的負(fù)載主要是感性負(fù)載，則船舶電力系統(tǒng)可以看作簡單的三相交流電路來研究。為了了解簡單三相交流電路的瞬態(tài)過程的有關(guān)概念，假設(shè)電力系統(tǒng)三相交流電路是對稱的，而且暫時不考慮發(fā)電機(jī)內(nèi)部的瞬態(tài)過程。有了這個假設(shè)，則短路后的三相電路仍然可以看作是對稱的。由于電力系統(tǒng)中三相交流電路的相電流可以視為對稱的，任意兩相之間僅差120相位

13、角，所以其中一相的瞬態(tài)過程的電流、電壓的變化規(guī)律就可以說明三相交流的電流、電壓的變化規(guī)律。研究從最簡單的正弦交流R L電路開始，如圖6.1 所示。由圖6.1 可見，這是一個由電感、電阻和電動勢組成的簡單電路，其瞬態(tài)過程可以用方程式表示如下：上一頁下一頁返回任務(wù)6.2 短路電流計算基礎(chǔ)知識因?yàn)閑(t) = 2Esin( t + )，所以可以求出式（61）的通解，再根據(jù)初始條件t = 0時，i(t) = 0，可求得i(t)的特解為式中， 為短路瞬時的電壓相位角； 為短路電路的功率因數(shù)； 為短路瞬時的電流相位角。從式（62）中我們可以看出，短路電流由兩部分組成，即周期分量和非周期分量。周期分量隨時間

14、而衰減，周期分量與非周期分量的合成電流就是非對稱短路電流。在計算短路電流的時候，一般分別計算短路電流的周期分量（即交流分量）和非周期分量（即直流分量），再將兩者合成得到總的短路電流。一般在計算船舶電力系統(tǒng)中某一點(diǎn)的短路電流時，把該點(diǎn)的短路電流分為兩部分：同步發(fā)電機(jī)饋送的短路電流和電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時饋送的短路電流。對短路點(diǎn)的最大短路電流影響較大的還是同步發(fā)電機(jī)饋送的短路電流。上一頁下一頁返回任務(wù)6.2 短路電流計算基礎(chǔ)知識1. 交流發(fā)電機(jī)提供的短路電流發(fā)電機(jī)是船舶電力系統(tǒng)中短路電流的主要供給源，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的飽和以及整流器的非線性等諸多原因使發(fā)電機(jī)的短路電流計算變得十分復(fù)雜，無法簡單地給

15、出準(zhǔn)確的解析式，常用的計算式都是經(jīng)過某些假設(shè)的近似解析計算。根據(jù)有關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在發(fā)電機(jī)發(fā)生線間短路時，其沖擊短路電流比三相短路時沖擊短路電流小10%15%，線間穩(wěn)態(tài)短路電流近似為三相穩(wěn)態(tài)短路電流的90%110%。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地時單相接地短路電流可以近似地認(rèn)為等于三相短路電流?？梢?，當(dāng)計算發(fā)電機(jī)的短路電流只為了選擇合適的保護(hù)裝置時，僅求得三相短路電流就足夠了。因此，我們將重點(diǎn)研究三相短路的有關(guān)問題。上一頁下一頁返回任務(wù)6.2 短路電流計算基礎(chǔ)知識在發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生三相突然短路時，在短路的瞬間，直流補(bǔ)償瞬態(tài)電流限制磁場的急劇變化，僅漏抗限制短路電流，超瞬態(tài)電流非常大。隨著直流補(bǔ)償電流的衰減，短

16、路電流逐漸減小，最后變成穩(wěn)態(tài)短路電流。由于發(fā)電機(jī)的電樞電阻比漏抗小得多，所以計算阻抗時，一般忽略電樞電阻，僅考慮表示直流補(bǔ)償電流衰減程度的電樞時間常數(shù)。發(fā)電機(jī)在負(fù)載情況下發(fā)生短路與空載情況下發(fā)生短路其短路電流大小是不一樣的，因?yàn)樵谪?fù)載狀態(tài)下發(fā)生短路時，負(fù)載電流 I L的存在使勵磁電流變大，比空載時大出來的這部分勵磁電流 I d用來補(bǔ)償短路時電樞內(nèi)產(chǎn)生的電樞反應(yīng)電壓降和漏電抗壓降IL i Xd，換種說法就是，多出來的這部分勵磁電流 I d 產(chǎn)生內(nèi)部感應(yīng)電動勢 E d 而補(bǔ)償了內(nèi)阻抗 Z d 產(chǎn)生的電壓降。十分明顯， E d 在負(fù)載時是不存在的，僅在短路時起作用，所以負(fù)載時的勵磁電流為 (I d0

17、 + I d )，導(dǎo)致負(fù)載時感應(yīng)的相電壓比空載時大。上一頁下一頁返回任務(wù)6.2 短路電流計算基礎(chǔ)知識2. 電動機(jī)提供的電流當(dāng)船舶電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，不僅發(fā)電機(jī)是短路電流的供給源，正在運(yùn)行中的電動機(jī)也是短路電流很大的供給源。因?yàn)樵诙搪钒l(fā)生瞬間，電動機(jī)由于慣性的作用仍然保持轉(zhuǎn)動，同時和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相交鏈的磁通也沒有立即消失，這樣轉(zhuǎn)子在內(nèi)部做切割磁力線運(yùn)動，將產(chǎn)生三相電勢。我們可以認(rèn)為是由于三相電勢的存在而向短路系統(tǒng)供電。利用已有的公式來描述感應(yīng)電動機(jī)饋送的短路電流的大小和特性是十分復(fù)雜的，在長期的工程試驗(yàn)和理論研究后，國際上已經(jīng)產(chǎn)生了很多實(shí)用的計算公式，當(dāng)然這些公式都是一定程度的近似計算，目前采用的計

18、算公式大都是將饋電線阻抗作為簡單串聯(lián)電路，這種計算不夠精確，必然導(dǎo)致一定誤差。上一頁下一頁返回任務(wù)6.2 短路電流計算基礎(chǔ)知識常用的傳統(tǒng)的計算船舶交流電力系統(tǒng)中感應(yīng)電動機(jī)的短路電流的計算方法有三種：（1） 根據(jù)感應(yīng)電動機(jī)額定電流計算短路電流。IEC 算法計算電動機(jī)部分短路電流就用這種算法，詳細(xì)內(nèi)容待后面介紹。（2） 根據(jù)感應(yīng)電動機(jī)阻抗計算短路電流。這種計算方法的要點(diǎn)是：先求出感應(yīng)電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)阻抗和饋電線阻抗的合成值，然后利用該阻抗計算短路電流。因此，在已知電動機(jī)阻抗的條件下，采用這種方法比較簡單，且該方法把短路后1/2 周期內(nèi)的短路電流看作是不衰減的。堵轉(zhuǎn)阻抗可以用感應(yīng)電動機(jī)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到的漏抗

19、和繞組電阻求得。上一頁下一頁返回任務(wù)6.2 短路電流計算基礎(chǔ)知識（3） 考慮短路電流衰減的計算公式。短路電流的周期分量和非周期分量都是隨時間衰減的，該算法就是在計算電動機(jī)饋送的短路電流時也考慮其周期分量和非周期分量的衰減，公式如下：上一頁返回任務(wù)6.3 短路點(diǎn)選擇1. 就近原則在圖6.2 中 F 1 、 F 5 點(diǎn)處主匯流排附近發(fā)生的短路是首先要關(guān)心的問題，故把短路點(diǎn)選擇在F 1 和 F 5 兩點(diǎn)，而非 F 1和 F 5 兩點(diǎn)處。短路點(diǎn)選擇 F 1 點(diǎn)是因?yàn)榇藭r流經(jīng)開關(guān)CB1處的是其他兩臺發(fā)電機(jī)提供的電流，反之，如選擇F 1 點(diǎn)則不能對短路電流產(chǎn)生的影響做出有意義的分析。因?yàn)橐x擇盡可能靠近G

20、1 發(fā)電機(jī)的短路點(diǎn)，所以常被稱為就近原則。下一頁返回任務(wù)6.3 短路點(diǎn)選擇2. 最大原則短路故障對電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的損害可能是很大的，必須做最壞的打算。比如圖6.2 中 F 2 、F 6 點(diǎn)，當(dāng)考慮由主匯流排引出線路上的電氣設(shè)備發(fā)生短路時，應(yīng)選擇距匯流排最近的點(diǎn)處設(shè)置短路點(diǎn)，這是因?yàn)榇颂庪娮枳钚?，故電流最大，對系統(tǒng)及設(shè)備可能造成的沖擊也最大。3. 優(yōu)先原則各用電設(shè)備也是最值得關(guān)注的地方之一。用電設(shè)備，特別是在特殊工況下，如戰(zhàn)斗工況下的正常使用顯得尤為重要。將用電設(shè)備附近作為短路點(diǎn)是不容忽視的選擇，如圖6.2 中 F 4 、F 8點(diǎn)，不但要更大限度地計算出短路電流，而且要估計出其對其他用電設(shè)備的影

21、響。短路點(diǎn)選擇時要綜合考慮各方面因素，合理選擇短路點(diǎn)對于電力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的獲取及電氣設(shè)備的校驗(yàn)都有很大幫助。上一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法6.4.1 各種常用方法比較短路電流計算結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響到開關(guān)的選型和繼電保護(hù)仿真結(jié)果的合理性等。因?yàn)榇半娏ο到y(tǒng)的短路電流計算方法有很多種，不同算法的計算目的不同，因此存在著計算方法的選擇和使用的問題。目前常用的故障電流計算方法包括IEC 計算法、美國海軍標(biāo)準(zhǔn)計算法、勞氏船級社簡易計算法、日本電氣協(xié)同研究會精密計算法、等效發(fā)電機(jī)計算法、阻抗百分比計算法、圖解計算法、國內(nèi)比較廣泛采用的國標(biāo)（GB 33211982）計算法和國軍標(biāo)（GJ

22、B 1731986）計算法等。這些計算方法可以用來計算船舶電力系統(tǒng)中各處的短路電流，其計算目的主要是為了獲得短路電流的有效值和峰值數(shù)據(jù)，不要求計算短路電流的波形曲線，每種計算方法都做了一些忽略次要因素的假設(shè)，計算結(jié)果也不盡相同。表6.1、表6.2 所示為短路電流計算方法比較。下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法除以上計算方法外也有學(xué)者在討論船舶電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)參數(shù)與短路電流的關(guān)系時，為了避免過大的誤差，直接分析單臺發(fā)電機(jī)接線端的三相突然短路。這是因?yàn)?，在船舶電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，發(fā)電機(jī)的參數(shù)和電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)對短路點(diǎn)的最大短路電流起決定作用。計算船舶電力系統(tǒng)任意短路點(diǎn)時，發(fā)電機(jī)饋送的

23、短路電流的大小與發(fā)電機(jī)接線端的短路電流的大小關(guān)系緊密，兩者的區(qū)別僅在于前者還包含了電力系統(tǒng)線路阻抗的影響，兩者的變化規(guī)律基本相同。分析單臺發(fā)電機(jī)接線端的三相突然短路具有代表性。下面具體介紹應(yīng)用較多的IEC 方法和GJB 1731986 算法。上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法6.4.2 IEC 法在IEC 第363 號出版物中，詳細(xì)說明了計算船舶電力系統(tǒng)短路電流的方法，該出版物規(guī)定：對于交流系統(tǒng)的最大短路電流的計算，在故障點(diǎn)極為接近主配電板匯流排的情況下，短路阻抗一般可以假定與接入系統(tǒng)的運(yùn)行電機(jī)的電抗相同，而將其電阻忽略不計。但是，當(dāng)計算短路功率因數(shù)時，必須計入故障影響所

24、及的電路的電阻。也就是說，必須計入電機(jī)以及串接的任何電路元件的電阻。1. 發(fā)電機(jī)短路電流發(fā)電機(jī)空載短路時，次瞬態(tài)短路電流為上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法式中， X d 為發(fā)電機(jī)縱軸超瞬態(tài)電抗； U n為發(fā)電機(jī)額定相電壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下短路時，其超瞬態(tài)短路電流 I cg 可以由 I cg0 乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)求得。該系數(shù)取決于電機(jī)的特性，在沒有確切的資料情況下，可取1.1。短路電流的周期分量有效值為式中， T d 為發(fā)電機(jī)非周期分量衰減時間常數(shù)。在IEC 第363 號出版物中假定發(fā)電機(jī)短路電流的最大值出現(xiàn)在短路后1/2 周期時，所用公式為上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船

25、舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法2. 電動機(jī)的短路電流對電動機(jī)的短路電流，規(guī)定：在短路時把所有運(yùn)行的電動機(jī)看作一臺等效電動機(jī)，其額定功率為可能同時運(yùn)行的電動機(jī)額定功率之和，根據(jù)等效電動機(jī)額定電流之和進(jìn)行計算。根據(jù)等效電動機(jī)的額定輸出乘以一定的系數(shù)求得短路電流。計算公式如下式中， I mac為等效電動機(jī)短路電流交流分量有效值； i mp 為等效電動機(jī)短路電流非對稱最大峰值。上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法3. 總的短路電流總的短路電流等于各發(fā)電機(jī)和電動機(jī)饋送的短路電流的代數(shù)和。本計算法特征分析：（1）發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的各短路電流的代數(shù)和作為總短路電流。（2）考慮按次瞬態(tài)時間常數(shù)衰

26、減。（3）在負(fù)載狀態(tài)，僅考慮發(fā)電機(jī)對稱交流短路電流增加10%，而最大峰值不考慮增加相應(yīng)分量。（4）在計算電動機(jī)提供的短路電流時，匯流排短路和饋電線端短路計算方法完全相同，都是將可能同時運(yùn)行的電動機(jī)的額定電流之和乘以一個系數(shù)求得。因此，在饋電線端短路計算時，由于計算方法中忽略了電動機(jī)短路電流直流分量的大幅度衰減，所以此時計算值將比實(shí)際短路電流值大，但其計算較簡便。上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法（5）由于將匯流排至饋電線故障點(diǎn)之間的阻抗考慮為分別與各發(fā)電機(jī)串聯(lián)進(jìn)行計算，所以計算求得的短路電流值將比實(shí)際值大。（6）根據(jù)饋電線阻抗修正了時間常數(shù)，所以近似于實(shí)際衰減。6.4.3

27、 GJB 1731986 算法我國海軍目前使用的是1986 年頒布實(shí)行的中國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)方法（GJB 1731986），也是一種短路電流的近似算法。該方法計算過程中為求計算簡便而采取較多近似，其算法處理上主要考慮了以下幾個問題：（1）在船舶電力系統(tǒng)中，負(fù)載中大部分是異步電動機(jī)，在發(fā)生短路故障時，異步電動機(jī)將轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，向短路點(diǎn)饋送對稱分量和非周期分量電流。為了方便計算，在算法中分別計算發(fā)電機(jī)和異步電動機(jī)各自饋送的短路電流，總的電流等于這兩部分電流代數(shù)和。上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法（2）在計算最大短路電流時，按照船舶電力系統(tǒng)短路最嚴(yán)重的工況進(jìn)行計算。即最大

28、可能并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)（包括短時轉(zhuǎn)移負(fù)載的發(fā)電機(jī)）額定總功率，電動機(jī)總?cè)萘咳】赡懿⒙?lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)額定總功率的2/3。（3）在計算最小短路電流時，只考慮容量最小的一臺機(jī)組在運(yùn)行，異步電動機(jī)的影響可忽略不計。二相短路電流的初始值為三相短路電流初始值的0.866 倍。（4）在短路計算時，僅計及發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器及電纜阻抗，忽略了主匯流排和主配電板的阻抗。（5）根據(jù)所選用開關(guān)的要求，計算不對稱短路電流最大有效值、不對稱短路電流平均有效值或短路電流最大峰值和對稱分量初始有效值，來校核開關(guān)的短路接通能力和分?jǐn)嗄芰?。上一頁下一頁返回任?wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法（6）計算中出現(xiàn)短路功率因數(shù)低于所選

29、用自動開關(guān)的給定值時，根據(jù)GJB 1731986 算法中自動開關(guān)短路分?jǐn)嗄芰Φ膿Q算所提供的方法對短路電流進(jìn)行了折算。下面分別給出發(fā)電機(jī)和電動機(jī)提供的短路電流計算公式。上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法1. 發(fā)電機(jī)饋送的短路電流GJB 1731986 算法在這部分的計算當(dāng)中與IEC 算法相似，都考慮了超瞬態(tài)短路電流，都考慮了非周期分量的衰減。同時，這兩種算法也存在一定差異，首先表達(dá)形式是不同的，國軍標(biāo)算法的表達(dá)形式是一個經(jīng)驗(yàn)公式的形式，不像IEC 算法那樣將計算的思路和原理直接表現(xiàn)出來；另外最大的不同點(diǎn)是，GJB 1731986 算法中沒考慮周期分量的超瞬態(tài)衰減，這是因?yàn)楫?dāng)

30、時國內(nèi)大多數(shù)船舶上裝備的主發(fā)電機(jī)的超瞬態(tài)短路時間常數(shù)較大，在短路后半個周期處，發(fā)電機(jī)短路電流周期分量的超瞬態(tài)衰減較小，忽略此項衰減對整個短路電流計算影響不大。目前廣泛應(yīng)用于我國海軍船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)的超瞬態(tài)短路時間常數(shù)較小，一般僅為幾毫秒，不能忽略。發(fā)電機(jī)對稱短路電流初始有效值為上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法式中， V Ng 為發(fā)電機(jī)額定相電壓；發(fā)電機(jī)超瞬變電抗為式中，Ra為發(fā)電機(jī)電樞電阻；Rc為發(fā)電機(jī)到匯流排間線路阻抗。發(fā)電機(jī)饋送的不對稱短路電流最大有效值為發(fā)電機(jī)饋送的不對稱短路電流平均有效值為上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法發(fā)電機(jī)饋送的短

31、路電流最大峰值為式中， 為非周期分量的衰減系數(shù)。在多臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時，等效發(fā)電機(jī)對稱短路電流初始有效值為上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法等效發(fā)電機(jī)饋送的不對稱短路電流最大有效值為等效發(fā)電機(jī)饋送的不對稱短路電流平均值為等效發(fā)電機(jī)饋送的不對稱短路電流最大峰值為上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法2. 電動機(jī)饋送的短路電流在電動機(jī)部分的計算中，GJB 1731986 算法與IEC 算法基本相同，只是系數(shù)稍有差別。另外在電動機(jī)額定電流I NM的獲得上稍有不同，IEC 算法是利用電動機(jī)相關(guān)參數(shù)求出 I NM ，而GJB 1731986 算法是根據(jù)發(fā)電機(jī)的容量按

32、比例求出電動機(jī)的容量和額定電流 I NM ，前者比較精確，后者在電動機(jī)參數(shù)不明確或無法得到時比較實(shí)用。上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法等效電動機(jī)對稱短路電流初始有效值為上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法3. 總的短路電流短路電流初始有效值為上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法4. 鄰近匯流排的短路上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法5. 遠(yuǎn)離匯流排短路1）發(fā)電機(jī)饋送的短路電流上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法2）電動機(jī)饋送短路電流上一頁下一頁返回任務(wù)6.4 船舶電力系統(tǒng)短路電流常用算法當(dāng)

33、Z K 5Z D 時，電動機(jī)饋送的電流可忽略不計。3）總的短路電流上一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法GJB 1731986 算法也是一種短路電流的近似計算法。該方法計算過程中為求計算簡便而忽略較多，它在實(shí)施之初與當(dāng)時國內(nèi)船舶電力系統(tǒng)的基本情況相適應(yīng)，但隨著我國新設(shè)計建造的船舶電力系統(tǒng)的容量不斷增大，發(fā)電機(jī)參數(shù)有很大的變化，自動開關(guān)的選用已接近極限，按該方法計算的值誤差較大，不利于船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計、研制及使用。因此，有必要結(jié)合新型船舶的實(shí)際情況，提出一種精度更高的近似計算法，使短路電流計算值更為準(zhǔn)確。本節(jié)算法以國軍標(biāo)GJB 1731986 算法為基礎(chǔ)，是考慮GJB 1731

34、986 算法中存在的導(dǎo)致計算誤差過大的因素加以改進(jìn)后，提出的參考算法。下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法6.5.1 鄰近匯流排處的短路電流計算GJB 1731986 算法是我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)算法，1986 年頒布實(shí)行，在計算過程中，一方面是由于當(dāng)時條件為求計算簡便，做了很多忽略和近似；另一方面，是考慮到軍用船舶對于船舶安全性要求比普通船舶高，還要考慮軍艦受到打擊之后的生命力和戰(zhàn)斗力問題，要求電力器件能夠耐受較大的短路電流，短路計算結(jié)果要留有一定的裕量，GJB 1731986 算法計算結(jié)果正誤差較大。導(dǎo)致誤差的主要原因如下：（1） 忽略周期分量的衰減。在計算發(fā)電機(jī)饋送的短路電流

35、時，GJB 1731986 算法未考慮周期分量的超瞬態(tài)衰減和瞬態(tài)衰減。船舶電力系統(tǒng)不是無限大系統(tǒng)，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，其電源端電壓不能視為不變，因此，短路電流周期分量幅值在短路過程中是衰減的，忽略超瞬態(tài)衰減會造成比較大的正誤差。上一頁下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法（2） 對等效電動機(jī)額定功率的處理近似較多。GJB 1731986 算法在計算電動機(jī)饋送的短路電流時將運(yùn)行中的電動機(jī)等效成一臺等效電動機(jī)，且其容量取最大可能并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)額定總功率的2/3。在計算中電動機(jī)額定電流也取可能并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)總額定電流的2/3。這種取法并不精確，并且在計算中與電動機(jī)有關(guān)參數(shù)不加

36、考慮，僅算出電動機(jī)饋送的短路電流值，導(dǎo)致最終計算結(jié)果偏大?，F(xiàn)以GJB 1731986 算法為基礎(chǔ)，針對以上造成誤差原因提出的參考算法如下。上一頁下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法臨近匯流排處的發(fā)電機(jī)饋送的短路電流計算公式是：上一頁下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法式中 I G 發(fā)電機(jī)饋送的超瞬態(tài)對稱短路電流初始有效值；I G 發(fā)電機(jī)饋送的瞬態(tài)對稱短路電流初始有效值；R ai 發(fā)電機(jī)電樞電阻；R ci 發(fā)電機(jī)到匯流排間的線路阻抗；T d 發(fā)電機(jī)周期分量超瞬態(tài)衰減時間常數(shù)；T d 發(fā)電機(jī)周期分量瞬態(tài)衰減時間常數(shù)；T a發(fā)電機(jī)非周期分量衰減時間常數(shù)。最大短路電

37、流出現(xiàn)在短路后1/2 周期處，此時瞬態(tài)衰減還沒有開始，所以不考慮瞬態(tài)衰減。上一頁下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法考慮線路阻抗對非周期分量衰減時間常數(shù)的影響，對其進(jìn)行修正得：式中， T db 為臨近匯流排處發(fā)生短路時修正后的非周期分量衰減時間常數(shù)； R A 為等效發(fā)電機(jī)電樞電阻，等于發(fā)電機(jī)內(nèi)阻和發(fā)電機(jī)極端到匯流排間阻抗的和。上一頁下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法式中 I PG 等效發(fā)電機(jī)饋送的短路電流最大有效值；I avgG 等效發(fā)電機(jī)饋送的不對稱短路電流平均有效值；I maxG 等效發(fā)電機(jī)饋送的不對稱短路電流最大有效值。臨近匯流排處的電動機(jī)饋送的短路

38、電流計算公式如下：GJB 1731986 算法將運(yùn)行中的電動機(jī)用一臺等效電動機(jī)代替。這種計算方法雖然可使計算大大簡化，但對于大于100 kW 的電動機(jī)較多或者電動機(jī)分布于幾個大區(qū)域內(nèi)的情況下，假如再考慮到饋電線阻抗的影響，這種算法也有很多不足之處。為求計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，我們可以逐臺計算各電動機(jī)饋送的短路電流，然而這樣計算比較麻煩，盡管可以利用計算機(jī)減小工作量，但輸入各電動機(jī)的參數(shù)也是很麻煩的事情。為解決這個問題，本文采用平均等效電動機(jī)法計算電動機(jī)饋送的短路電流，即把所有并聯(lián)運(yùn)行電動機(jī)平均等效成若干臺功率相同的電動機(jī)。上一頁下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法平均功率和平均臺數(shù)

39、計算公式如下：電動機(jī)饋送的總短路電流等于平均等效電動機(jī)饋送的短路電流與平均臺數(shù)的乘積。平均等效電動機(jī)各項參數(shù)選取如下：R bi 、 X bi 分別為所有并聯(lián)運(yùn)行電動機(jī)的并聯(lián)電阻、并聯(lián)電抗。上一頁下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法式中 R S 平均等效電動機(jī)定子電阻；X M 平均等效電動機(jī)瞬態(tài)電抗；T acM 平均等效電動機(jī)周期分量瞬態(tài)衰減時間常數(shù)，單位為ms；T dcM 平均等效電動機(jī)非周期分量瞬態(tài)衰減時間常數(shù)，單位為ms。上一頁下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法單臺平均等效電動機(jī)的短路電流計算公式如下：上一頁下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法式中 I acM 平均等效電動機(jī)的周期分量；I dcM 平均等效電動機(jī)的非周期分量。短路點(diǎn)短路電流等于發(fā)電機(jī)饋送的短路電流與電動機(jī)饋送的短路電流之和，即上一頁下一頁返回任務(wù)6.5 船舶電力系統(tǒng)短路電流參考計算方法6.5.2 遠(yuǎn)離匯流排處短路電流計算遠(yuǎn)離匯流排發(fā)電