基于平均等效电动机法的船舶电力系统短路电流计算研究

2016-10-13许建军黄笑维

船电技术 2016年8期

许建军，伏润，黄笑维

许建军，伏润，黄笑维

（上海船用柴油机研究所，上海 201108）

很多大型船舶电力系统中电动机数量多并且有多台大功率电动机，在求取短路总电流时，采用常规方法计算短路电流的正误差较大。为此，本文引入一种平均等效电动机法，将运行中的所有电动机等效成若干台功率、电压等各项参数相同的等效电动机，再计算短路电流。以5000吨运输船电力系统实际数据进行计算与仿真分析，验证了该方法计算的有效性且计算结果精确更高，具有一定的实用价值。

船舶电力系统短路电流平均等效电动机法

0 引言

短路是船舶电力系统中最常见、危害性最大的电气故障。短路故障不仅会影响船舶的正常生产作业，而且严重时会造成安全事故，破坏船舶的生命力。为降低短路对大型船舶电力系统的影响，在进行大型船舶电力系统的设计、配电装置的选型和开关装置的整定及校验时，必须对电力系统中各点的短路电流进行计算和核实。

参考文献[1]对比国内船舶电力系统短路电流计算IEC法、GB-3321法、GJB-173法等，这几种方法在总电流计算时有所不同。IEC与GJB-173计算总电流为发电机与电动机馈送短路电流代数和；GB-3321法为汇流排处为各分量代数和,在馈电线处为1台等效发电机短路计算。由分析可知，这几种方法在计算大型船舶的电力系统总电流时，误差较大，为了提高短路电流计算的精度，本文对于大型船舶短路电流计算时将电动机采用均方根法等效为若干台各项参数相同的电动机，即平均等效电动机法。并且通过实船验证该方法在一定程度上提高了短路电流计算精度，为降低短路故障的破坏性提供了更好的数据参考，具有一定的实用价值。

1 短路电流计算

船舶电力系统中的主要负载为电动机，由于对每台电动机的短路电流进行计算比较麻烦，为了简化计算，目前的短路电流计算方法一般在总电流计算时，将运行中的所有电动机与发电机用一台等效发电机代替或简单的相加，再近似求得其短路电流。而大型船舶电力系统并联接入的电动机数量比较多且有多台大功率电动机，如果将所有运行的电动机等效成一台电动机或简单的相加来计算短路电流，计算结果存在较大正误差。

1.1平均等效电动机法

针对大型船舶电力系统的特点，引入平均等效电动机法，将系统中所有运行的电动机等效成N台功率、电压等各项参数相同的等效电动机。首先计算单台平均等效电动机馈送短路电流，然后乘以等效台数N，求得电动机馈送短路电流。平均等效电动机输出功率的计算公式如下：

式中，P—电动机额定输出功率，N—额定输出P的电动机数量，—并联电动机的总台数，P—平均等效电动机输出功率

根据运行电动机的额定功率和台数，可以求得等效台数为：

求得N之后，进一步计算出平均等效电动机的其他参数，计算如下：

得到平均等效电动机的各个参数之后，根据相应馈送短路电流计算公式，求得单台平均等效电动机馈送的短路电流，在与等效台数N相乘，便得到整个电力系统所有运行中的电动机馈送的短路电流。

1.2算例分析

以15000吨运输船为例，主发电机选用四台型号相同的主发电机（P=2250 kW，U=6.6kV),一台备用发电机（P=1500 kW，U=6.6 kV）。五台发电机与等效电动机为并联，当主汇流排附近的馈电线处短路时，大功率电动机提供了较大的短路电流，所以其馈电线的阻抗是不能忽略的。主汇流排短路时的等效电路图如图1所示：

图1 主汇流排短路等效图

由图1所示，电力系统中最严重的短路发生在五台发电机组与一台等效电动机并联馈送短路电流时，短路点临近主汇流排。考虑馈电线的阻抗的影响，对时间常数进行校正，通过计算，给出50 ms内相应的短路电流计算结果值，如表1所示。

表1短路电流计算结果表

从表格也可以看出各电流值随时间在衰减，而且I与i的和为。

1.3短路电流计算结果仿真分析

将平均等效电动机法嵌入EDSA软件Paladin Research Lab模块，仿真分析该短路电流变化情况，验证该算法在求取总短路电流时的有效性。

应用该模块的短路计算程序对15000吨运输船电力系统临近汇流排处短路电流的瞬时交流分量、交流分量幅值、直流分量幅值等进行仿真分析，仿真结果见图2~图7。

图2 短路电流交流分量值

图3 短路电流瞬时交流分量

图4 短路电流交流分量幅值

图5 短路电流直流分量幅值

图6 短路瞬时总电流

图7 短路电流上包络值

从图上可以看出，整个仿真曲线比较准确地反映出发电机出线端口临近主汇流排处短路时各短路电流分量的变化：短路初期，短路电流很大，但是随着时间的推移，电流都逐渐降低，最后短路电流瞬时交流分量、短路电流交流分量幅值、短路电流直流分量幅值、短路电流上包络值都衰减为零，而短路瞬时总电流衰减到与短路电流交流分量重合，并达到了一个稳定的过程。以此验证说明，该计算方法在求取总短路电流时的有效性。

1.4计算结果对比分析

针对本文实例，进一步采用GB-3321法、GJB-173法分别计算15000吨实船电力系统临近汇流排处的短路电流，并选取1/2周波时短路瞬时总电流、短路电流交流分量i和短路电流直流分量幅值I与本文算法进行比较，比较结果如表2所示。

表2 几种结果对比表

从计算结果看出，通过本文算法得到的短路电流值比GB-3321法和GJB-173法更小。这是因为常规算法通常将发电机和电动机代数相加等效为一台电动机或简单代数和相加，并且忽略电动机至汇流排之间的线路阻抗，显然引起了电流数值的偏大。而平均等效电动机法将馈电线的阻抗作为等效电动机的外阻抗来计算，阻值比前种情况的阻值要大，所以相比较本文算法计算出来的短路电流值就会偏小一些。

依据该算法得到的短路电流值选型的主开关、断路器等配电设备已经在15000吨运输船上进行了短路分断试验，试验结果表明主开关等设备的分断能力正常，实际验证了本文算法的有效性和精确性。