船舶电力系统短路电流研究.doc

船舶电力系统短路电流计算研究在船舶电力系统设计初期，在各项设备的参数（如发电机，电缆）没有确定的情况下需要估算短路电流，用于选择配电电器（如ACB，MCCB）。在电力系统基本完成后，各项参数基本确定时，需要计算电网中各点的短路电流，用于校核所选电气设备的热稳定性和电动力稳定性，校核所选用的保护电器的短路接通能力和短路分断能力以及为电力系统保护设计提供必要的数据。船舶电力系统特点：1 一般都以发电机作为主电源，不是无穷大电网，所以，在计算短路电流时，要计及发电机阻抗的影响。2 船舶电力系统包括负载的种类很多，但主要负载是电动机，一般占60%以上，在短路时，旋转电动机时短路电流供给源，所以要计及电动机提供的短路电流。3 船舶电站的电压等级较低，虽然外电路的阻抗较小，但对短路电流较大，所以，在计算短路电流时，必须考虑外电路阻抗的影响。短路电流的计算应该选择电力系统短路最严重(数值最大)的工况下进行。这个工况对应于：(1) 投入发电机的额定功率总和为最大。(2) 发电机处于长期并联运行状态。(3) 电网投入工作的异步电动机负荷额定功率总和最大。(4) 发电机组的起始负荷最大同步发电机短路电流基本原理和公式同步发电机三相短路最严重的情况是发电机空载（不考虑励磁变化），且电压初始相角 = 0。短路电流是由交变分量和直流分量相加而成，其中交变分量载短路的初期很大，此后因为电枢反应磁链经过磁路的改变而逐渐变小。直流分量是由定子电流不能突变而产生，初始值等于交变分量的最大值，随定子电路的时间常数衰减。发电机短路时，由于阻尼绕组和励磁绕组感生电流和磁通阻止磁链突变，而使电枢反应磁链随时间变化。所以发电机的电抗值不是一个常数，而是一个从次暂态Xd”过度到暂态Xd的变量。也就是说，发电机短路电流的交变分量分别为次暂态交变分量Ig”, 暂态交变分量Ig和稳态交变分量Ig。其中，次暂态分量按阻尼回路的时间常数Td”指数衰减，暂态分量按励磁回路的时间常数Td指数衰减。公式：Ig” = Ig = Ig = 其中 Vn : 发电机空载额定相电压 Ra : 发电机内阻发电机的稳态短路电流一般由制造厂商提供，其值远远大于上面公式计算出的Ig。这是因为在实际工程中，需考虑励磁回路电压自动调节器的作用。按照规范，发电机电机在稳态短路状态下，至少应能维持3倍额定电流历时2s。所以一般情况下，Ig3In。最大非对称短路电流 (t = T/2时最大) 发电机空载时对称短路电流有效值在缺乏资料情况下，发电机额定负载时对称短路电流有效值异步电动机短路电流基本原理和公式在电力系统发生短路时，电力系统不再向电动机供电，但电动机靠惯性继续运转，再发生短路的第一个半周期，转速可看作没有变化，同时和转子导体相交链的磁链没有消失，因而由三相电势产生，向短路点馈送短路电流。（电动机不存在稳态短路电流）公式：最大非对称短路电流 (t = T/2时最大) 其中等效电动机阻抗 相应的，对称短路电流有效值非对称短路电流船舶电力系统短路电流的计算根据电力系统保护设计的要求，以下图为例，一般应该计算下述各处的短路电流:(1) 发电机出线端近主汇流排处(A1,A2,A3)。(2) 等效电动机的出线端近主汇流排处(B)。(3) 主汇流排(C,D)(4) 应急配电板(E)(5) 电力和照明变压器次级(F)电力系统短路电流计算的方法与比较目前，交流电力系统的短路电流计算方法有很多。如IEC（国际电工委员会）计算法；国家标准（GB-3321）短路电流计算法；国家军用标准（GJB-173）短路电流计算法；网络计算法，图解法，IEC扩展法等等。但是，这些方法都离不开电机的基本理论，因此它们在本质上并没有很大的差别，知识对一些概念的处理，理论计算精度和运算的难易程度有所不同而已。下表统计了各方法的主要差异：方法发电机交流分量的衰减发电机内阻发电机有负载时处理外阻抗对时间常数的影响电动机短路电流的计算从母线至短路点电缆阻抗总短路电流计算IEC法考虑次瞬态衰减，不考虑瞬态衰减不考虑交流分量增加10%考虑发电机电动机的额定电流乘以一定的倍数与各发电机的阻抗串联计算发电机和电动机馈送短路电流代数和GB-3321法考虑次瞬态衰减，不考虑瞬态衰减考虑交流分量增加10%考虑发电机和电动机根据电动机的参数计算与等效发电机的阻抗串联计算汇流排处为各分量代数和，在馈电线处为一台等效发电机短路计算GJB-173法不考虑衰减考虑不考虑汇流排处将额定电流乘以一定的倍数，馈电线处将馈电线的阻抗考虑进去与发电机和电动机分别串联计算发电机和电动机馈送短路电流代数和图解法考虑次瞬态衰减，不考虑瞬态衰减考虑交流分量增加10%考虑发电机汇流排处将电动机的额定电流乘以一定的倍数与等效发电机的阻抗串联计算汇流排处为各分量代数和，在馈电线处为一台等效发电机短路计算网络计算法（适合远距离，大容量电站）断开电流只考虑瞬态衰减，衰减时间以50ms左右计算，接通电流只考虑次瞬态衰，减衰减时间以T/2计算不考虑不考虑不考虑考虑计入所有电压等级电动机的馈送电流不考虑根据发电机和电动机综合出I”和I。断开电流考虑I。接通电流考虑1.414*K*I”。其中K=e-t/Td”+e-t/Tdct=T/2IEC扩展法与IEC法基本相似，所不同的是IEC法只计入与短路点同电压级的电动机的反馈电流（船舶电力系统有不同的电压系统时-6.6kV/3.3kV），忽略其他电压等级的电动机反馈电流。而IEC扩展法考虑计入所有电压等级电动机的馈送电流目前广泛采用国家标准（GB-3321）短路电流计算法用于船舶交流电力系统短路电流计算。下面讨论各种忽略对于计算结果造成的影响：1 忽略发电机绕组电阻引起的误差忽略内阻Ra会使Ig”，Ig，Ig变大。造成短路电流计算结果偏大。特别是xd”，xd比较小得发电机，忽略内阻会造成比较大误差。国家标准（GB-3321）短路电流计算法与IEC计算法的主要差别在于GB-3321计算法计入发电机绕组的阻抗（Ra）。因而计算结果比IEC法计算值略小（约0.51%）。2 只计入次瞬态衰减，忽略瞬态衰减引起的误差大多数算法认为，短路电流最大值出现在短路后得半个周波，在短路后23个周波的短路电流时，瞬态短路电流还没有（或刚刚开始）衰减，故在实际计算中，忽略瞬态短路电流得衰减时间常数Td。因而的近似计算为：最大非对称短路电流 (t = T/2时最大)发电机空载时对称短路电流有效值与上文所分析的同步发电机短路电流基本原理和公式相比，公式中忽略了Td，近似认为TdT/2，t/Td=0。这样得近似会使短路电流计算结果偏大。一般情况下，发电机参数Td100ms，这样近似对于结果影响不是很大。而当发电机参数Td比较小时，如Td50ms，就会造成比较大得偏差(大于3%)。忽略次瞬态衰减实质上是以发电机直轴次瞬态电抗在次瞬态过程中不变这一假设为前提，引用了“无限大”容量电网的短路电流计算方法。3 不计入电动机外电路阻抗（如电缆）对于Tdcm的影响如果考虑外电路阻抗对对电动机馈送短路电流的影响。等效电动机相应的参数变为：Rem=Rs(等效电动机电阻)+Re(电缆电阻)Xem= Xm(等效电动机阻抗)+Xe(电缆阻抗)从上式可以看出，外电路阻抗越大，Tdcem衰减的时间越短，造成的短路电流直流分量越小。，所以忽略电动机外电路阻抗会使短路电流计算偏大。4 忽略不同电压等级电动机的馈送电流的影响IEC法只计入与短路点同电压级的电动机的反馈电流，忽略其他电压等级的电动机反馈电流。当船舶电力系统有中压系统时，如6.6kV/3.3kV，如低压汇流排短路时不计入高压电动机的馈送短路电流，对于短路点的短路电流影响还是比较大的，尤其是在中压等效电动机功率比较大的情况下。这样的忽略会造成短路电流的计算值偏小。当船舶电力系统有两个不同的低压系统时，不计其他电压等级的电动机反馈电流造成的误差就比较大。如某电力推进船舶，有690V和400V两种低压电网，计算690V汇流排的短路电流时，若不计400V侧等效电动机馈送的短路电流，计算结果为34.816kA。而实际上400V侧等效电动机馈送的短路电流经过计算后为2.34kA，误差约7%。显然在这样的电网中，不考虑不同电压等级电动机的馈送电流算出的结果是偏小比较多的。5 忽略发电机有负载时处理引起的误差对称短路电流值乘以适当的系数求得。这个系数取决于发电机的特性，在缺乏资料的情况下可取1.1。发电机在额定负载的情况下，相电势E大于相电压Vn，在缺乏资料的情况下，取E=1.1Vn。而在计算非对城短路电流时不必使用1.1的系数。所以，忽略发电机负载情况会使短路电流计算结果偏小(约10%)。电力系统短路电流的估算在船舶电力系统设计初期，缺少计算电网短路电流的参数，如发电机的Xd”，Xd，Xd，时间常数Td”， Td，Tdc，电缆的具体长度等等。而为了正确的用于选择配电电器（如ACB，MCCB）。我们需要对电网的短路电流进行估算，算出重要各处短路电流的对称分量(有效值)和非对称分量(最大峰值)，用于校核开关分断能力和接通能力以及为电力系统保护设计提供必要的数据。待用于短路电流的各项参数齐全之后，再对整个电网的短路电流进行精确计算。电力系统短路电流的估算方法很多，特别每个船级社都有自己的习惯算法。下面以几个船级社对发电机和电动机的估算方法为例，做一下简单的分析。发电机：对于发电机馈送的短路电流估算方法基本一致，即 或 其中xd”为发电机次瞬态阻抗标幺值从原始公式上来分析发电机空载时对称短路电流有效值在缺乏资料情况下，发电机额定负载时对称短路电流有效值估算公式中忽略了发电机内阻，瞬态衰减，以及额定负载工况。应该说这样的忽略造成的计算结果有较大的正误差，不适合用于计算时间超过第一个半周期的短路电流计算。下表列举了几组发电机数据用于分析估算的误差：厂家xd” 标幺值xd 标幺值Td” (ms)Td (ms)U (V)S (kVA)Ing (kA)Iac kA 估算Ip kA 估算Iac kA 计算Ip kA 计算AVK0.080.1692374509251.18714.8437.8410.9227.099.2DAIYO0.1240.2313027745010001.28310.3526.389.8022.347.64L.S.0.1530.2521418045011381.469.5424.328.4621.075.79SIEMENS0.1220.2113854509501.2199.9925.56.417.35.25注: 上表中短路电流计算采用的是GB-3321计算法从上表可以看出，估算结果都大于计算结果，但相差的程度却不尽相同，主要是由忽略Td”造成的。Td”越小，说明衰减的时间越少，使得短路电流也越小，与估算产生的误差也就越大。电动机在主汇流排附近短路时(t = T/2)，电动机馈送的短路电流一般可以这样估算：Iacm = 46Irm Ip = 810Irm各船级社对电动机的估算不尽相同。CCS(中国船级社)推荐(1) 大电动机 Iacm = 4Irm Ip = 10Irm(2) 小电动机群 Iacm = 3.2Irm Ip = 8I