实船电站短路电流的计算研究

崔守娟，栾荣华，蔡婷婷

（1.镇江高等职业技术学校，江苏镇江212016；2.江苏磁谷科技股份有限公司，江苏镇江212000）

实船电站短路电流的计算研究

崔守娟1，栾荣华2，蔡婷婷1

（1.镇江高等职业技术学校，江苏镇江212016；2.江苏磁谷科技股份有限公司，江苏镇江212000）

船舶电力系统设计必须充分估计到系统可能发生的短路故障，以便采取有效措施防止它们的有害影响，保证系统正常运行。根据柴油机驱动的起抛锚拖带供应船特点，提出了一种简单有效的短路计算点的选择方法，然后通过改进算法计算短路电流，为校验所选用的开关电器的短路通断能力、汇流排等器件的电动力稳定性，以及为电力系统选择性保护的设计和整定提供了依据。

船舶电力系统；短路计算点；短路电流；保护

在船舶电力系统实际运行中，短船舶路故障难以避免，绝缘的自然老化、机械损伤和误操作等都可能造成短路的发生。如果短路发生在主配电板的母线或干线上时，将会出现比正常电流大许多倍的短路电流，所产生的机械应力和热效应会导致发电机及其它电气设备的损坏，同时也会造成电网电压的大幅度降低，船电设备受到影响，甚至危及人命安全[1-3]。随着船舶向大型化、高速化和自动化发展，用电设备对供电质量的要求越来越高，短路电流的准确计算对于船舶电力系统合理选用、校核用电器件，配置保护装置，以及提高其安全性和生命力等方面至关重要[4-5]。

1　短路计算点的选择

船舶电力系统的短路电流，是在船舶电力系统的某一点发生短路时，电力系统中发电机和电动机向短路点馈送短路电流。短路电流大小是由系统所有发电机和电动机的参数及电路的阻抗决定的，而且和短路点的位置有很大的关系[6-7]。

本船是一艘柴油机驱动的起抛锚拖带供应船，航行于无限航区，进行海上船、驳的拖运工作，设三台柴油发电机组，每台机组功率约为440 kW，一台主机轴带发电机，功率1 200 kW.应急发电机一台，功率约为99 kW.电制：400 V，50 Hz.图1为该拖船电站一次电力系统示意图。

图1　电站一次电力系统示意图

短路计算中还涉及到大电动机的概念，规范中明确指出，大电动机是指任何额定功率大于100 kW，或者大于系统中最大发电机额定功率25%的电动机。图中用一等效电动机M1来表示，对于其它电机，当发生短路时，依靠惯性依然会继续工作，也对短路点供电，图中用一等效电动机M2来表示[8-9]。

本文选择短路点的原则是计算发电机输出端、主汇流排、应急配电板、区配电板以及分配电板的汇流排，某点发生短路后，选择、整定或校验的电气设备的电流为最大。例如，在校验发电机主开关的断流容量时，应选A点，因为A点短路时另几台工作发电机和所有工作电动机都经过该处开关向短路点供电。当校验母线的动稳定性或最大用电设备开关的断流容量时，可选图中B2点短路，因为此时所有工作发电机和除该点开关本身供电的设备之外的所有工作电动机都向B2点供电。

同理，当校验主配电板汇流排的电动力稳定性时，应选B2点。

此外，为电力系统保护的设计和整定需要，有时还应进行馈电线末端短路电流的计算[10-11]。本文重点分析影响短路电流计算的各部分短路馈送参数，计算典型点的短路电流，为提高计算的效率和准确率提供新的参考方法。

2　短路计算的必要参数

根据电机学原理，在船舶电力系统的某一点发生短路时，电力系统中只有发电机和电动机向短路点馈送短路电流。电缆作为无功元件，不馈送短路电流但要影响短路电流的衰减周期。所以在船舶短路电流的计算中，最关键的问题是如何处理电力系统中的发电机和电动机，以下分别给出该系统发电机和电动机的计算参数，以及影响短路电流衰减周期的电缆参数。

2.1计算所需发电机参数

在计算发电机馈送的短路电流时，通常会选用比较精确的计算公式，除了电压、阻抗等基本参数外，还引入瞬变和超瞬变时间常数，这样计算时既会考虑短路电流的超瞬态衰减过程，又会考虑短路电流的瞬态衰减过程。另外引入稳态电流参数，不仅能够计算短路电流在周期内的最大值，而且能够计算短路发生后30 ms以内的短路电流，这一点对船舶电力系统是十分重要的。发电机参数如表1所示。

表1　发电机参数表

2.2计算所需电动机参数

计算电动机馈送的短路电流时，大电动机和小电动机要分开计算。对于大电动机馈送的短路电流应单独进行计算，而计算小电动机馈送的短路电流时，可把所有的小电动机等效成一个电动机进行计算，大电机及等效电机的相关计算参数如表2所示。

表2　电动机参数表

2.3计算所需电缆参数

同一发电机在连接不同的电缆时，其稳态短路电流是不一样的。电缆的截面积较大，阻抗较小，对稳态短路电流的影响也就较小。具体参数如表3所示。

表3　电缆参数表

3　短路电流的计算

在短路电流的计算中，将系统中可能供给短路电流的元件：交流发电机、电动机作为电流源，当短路故障发生时，它们提供的短路电流值计算方法以及短路点短路电流值的计算方法，将为过电流选择保护等提供一定参考。受篇幅限制，这里仅给出大电机M1，M2，短路点A1，A2，A3，A4，B1和B2点的短路电流计算。

3.1大电动机M1的短路电流

②同理可以算出M2的短路电流。

3.2A1，A2，A3，A4，B1和B2点的短路电流

①A1点t=10 ms时，A1、A2、A3短路电流计算（因发电机参数一致，三处短路电流一致）

②A4点t=10 ms时，短路电流计算

③B1点t=10 ms时，短路电流计算

④B2点t=10 ms时，短路电流计算

从以上算例可以看到，该方法提供了较为精确的计算方法，对各短路点的电流进行了叠加，且能够计算短路发生后30 ms以内的短路电流。否则，实现选择性保护而整定开关的整定值必然有偏差，不仅起不到保护的作用，更达不到选择性保护的目的，还会给船舶安全留下隐患，这才是问题的实质所在，所以采用准确的计算方法计算短路电流是十分必要的。

4　结束语

船舶电力系统设计必须充分估计到系统可能发生的短路故障，以便采取有效措施防止它们的有害影响，保证系统正常运行。本文根据柴油机驱动的起抛锚拖带供应船特点，提出了一种简单有效的短路计算点的选择方法，然后通过改进算法计算短路电流。为校验所选用的开关电器的短路通断能力、汇流排等器件的电动力稳定性，以及为电力系统选择性保护的设计和整定提供了依据。

[1]冀欣，张晓锋.基于节点电势法的舰船电力系统潮流计算方法[J].船海工程，2007，36（5）：132-135.

[2]李久芳.船舶电力系统潮流计算方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[3]庄劲武.舰艇电力系统稳态参数计算方法的研究[J].海军工程大学学报，2000，（5）：15-18.

[4]姜波，李洪义.基于Petri网的舰船综合电力系统故障诊断方法[J].舰船科学技术，2011，33（8）：20-25.

[5]王浩亮.船舶电力系统稳定性研究[D].大连：大连海事大学，2010.

[6]赵岩.船舶电力系统短路电流计算方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[7]GJB173-86，舰船交流电力系统短路电流计算[S].

[8]侯剑芸.短路电流IEC算法与实用算法的异同[J].电力建设，1997，（3）：29-31.

[9]姚玉斌，晋文转，宋学清，等.影响电力系统短路计算结果的原因分析[J].继电器，2006，34（11）：12-17.

[10]李德钜.实用短路电流计算[M]．天津：天津科学技术出版社，1994：98-101.

[11]杨兆吉.多电站船舶电网的短路计算[J].船电技术，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，江苏灌云人，博士在读，主要从事测控系统设计及控制理论研究。