岸基供电系统的短路电流计算

2019-12-20李伟令王海燕车延博朱明星

实验室研究与探索 2019年11期

李伟令，王海燕，孙旻，何伟，车延博，朱明星

(1.平高集团有限公司,河南平顶山 467001；2.国网江西省电力有限公司,南昌 430096；3.天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072；4.安徽大学电气工程与自动化学院,合肥 230601)

0 引言

伴随沿海和内陆港口船舶靠港数量的持续增长，船舶和港口污染防治的形势日益严峻。

作为国家电网公司“两个替代”(电能替代和清洁替代)的典型应用之一[1]，通过岸上供电设施，岸电系统向靠港船舶供电，满足其在靠港停泊期间生产、生活等用电需求，从而大幅度地降低船舶燃油发电所排放的污染物。在“资源节约型、环境友好型”社会建设的宏观背景下，已成为我国当前港口建设改造的趋势之一[2]。

船舶岸电系统通常由3个部分组成：岸基供电设备，岸船接口装置;船舶受电设备[3]。岸基供电设备：是电力从高压变电站供应到靠近船舶的连接点的一套供电系统，主要由10 kV高压开关柜、高压电缆、变频电源箱、计量收费系统、供电自动化系统等组成。岸船接口装置：连接岸上连接点及船舶受电装置间的电缆和电力设备，主要包括电缆卷筒、接电箱、电缆连接头等，电缆连接设备必须满足快速连接的储存的要求，不使用的时候可以储存在船上、岸上或者驳船上。船舶受电设备：在船舶上固定安装的受电系统，主要包括有船舶接电板、转换开关、同步屏、仪表、船上变压器和电缆绞车等[4]。其供电原理如图1所示。

图1 供电原理

对于船用和近海船舶系统而言，不论其容量与复杂程度如何，短路电流研究被认为是最有必要的[5]。计算短路电流的主要目的是保证系统及其元器件能够承受短路电流的影响，从而最大程度地降低短路引起的损害。系统短路保护一般有熔断器和断路器提供。计算的基本目的是提供足够多的信息，以便能准确地选择设备类型和参数。

1 短路电流计算方法

校核断路器的故障开断能力的依据便是在短路状态下，计算电路交流分量的初始值，目前，短路电流交流分量的计算主要采用标幺值法、等效电压源法[6]，另外还有运算曲线法、暂态稳定计算法[7]等。

1.1 标幺值法

所谓标幺值法，就是把各个物理量用标幺值来表示的一种计算方法。其中标幺值可以用物理量的实际值(有名值)与所选定的基准值间的比值来表示，即

由于所选用的两个物理量具有相同的单位，因而标幺值没有单位。

在进行标幺值计算时，首先需要选定基准值(一般选取额定值)。例如计算阻抗、电压、电流和功率等物理量的标幺值，可以选定Zd、Ud、Id、Sd为各物理量的基准值，则其标幺值分别为

(1)

式中:下标“*”为标幺值；下标“d”者基准值。

1.2 等效电压源法

等效电压源法是应用最为广泛的短路电流计算方法，其计算方法可以简述为短路电流Ik等于短路点初始电压UN除以短路点的系统阻抗Zk，c为电压系数:

(2)

由式(2)中可见，短路电流的计算结果取决于短路点初始电压UN和系统阻抗Zk。短路电流计算的主要目的就是如何设定初始电压和考虑系统阻抗，从而得到一个兼顾计算精度和设备选型的计算结果。

1.3 其他方法

在等效电压源法推广之前，运算曲线法是使用较多的一种短路电流计算方法[8]，其基本原理是在发电机电压和内阻相同的情况下，通过对网络进行化简，得到各发电机内电势和短路点的等效阻抗，根据各个发电机的运算曲线分别查得各发电机的短路电流，将其短路电流进行相加即为短路点的短路电流。此方法计算步骤比较繁琐，精度较低，修正困难，但计算量相对较少。

暂态稳定计算法是利用计算机暂态稳定程序来计算短路电流的一种方法，其计算过程类似等效电压源法。两者主要区别是：①暂态稳定计算法必须基于一个有解的潮流计算结果，等效电压源法则不需要；②暂态稳定计算法细化了动态元件模型，如发电机、交流电动机。目前，暂态稳定计算法只是作为短路电流计算中等效电压源法的一个有益补充，在兼顾计算精度和保守性的短路电流计算中，是否需要考虑用到非常详尽的动态元件模型，目前尚无定论。

2 岸基供电系统设备参数选择及短路电流计算

2.1 岸基供电系统设备参数选择

依据船舶行业标准JTS 155—2012《码头船舶岸电设施建设技术规范》中典型建设方式[9]，以低压上船为例(高压上船类似)，本文进行岸基供电系统设备参数选择。这里选用低压上船放射式配电方式，如图2所示。

图2 放射式低压岸电配电方式

根据图2搭建一次设备系统简图，如图3所示。

图3 一次设备系统简图

首先，确定变压器的主要参数。输出容量：630 kVA，按照JTS 155—2012规定，工作负荷率不宜大于85%，这里取80%，JT/T814.1—2012高压变频器工作效率大于等于0.90，这里取0.90。移相变压器T1容量：787.5÷0.9=875 kVA。移相变压器T1容量：S1=1 000 kVA，UHV=10 kV，ULV=6.6 kV，Uk%=4.0，Pk=6.885 kW。隔离变压器T2容量[10]：800 kVA，UHV=6.6 kV，ULV=0.45 kV，Uk%=4.0，Pk=5.895 kW。

其次，电网电源[6]取UQ=10 kV，这里假定电网侧短路电流IkQ=10 kA。电缆：3×240 mm2，铜芯，长度L=20 m，单位长度阻抗为(20 ℃)：Z0=(0.088+j0.069)Ω/km[11]。铜排R1：3×80 mm2×10 mm2，长度L=13 m，修正后的铜的电阻率为18.8 Ω·mm2/km[12]。

2.2 短路电流计算

依据上述一次设备参数，分别用标幺值法和等效电压源法计算短路电流。

2.2.1 标幺值法

取基准功率Sd=1 MVA，基准电压Ud=Uav，短路电压百分比Uk%=4.0则

(1)k1点发生短路时，基准电流

(3)

标幺值：

(4)

短路电流次暂态值：

(5)

对于低压供电系统：Ksh=1.3。

短路电流冲击值有效值：

(6)

短路电流冲击值(峰值)：

(7)

短路容量：

(8)

(2)k2点发生短路时，基准电流

(9)

标幺值：

XT∑*=XT1*+XT2*=0.09

(10)

短路电流次暂态值：

(11)

短路电流冲击值有效值：

(12)

短路电流冲击值(峰值)：

(13)

短路容量：

(14)

2.2.2 等效电压源法

(15)

(16)

电缆阻抗：电缆按照55 ℃修正后，得(0.100 3+j0.078 7)Ω/km，于是阻抗为

(17)

归算到k1侧的阻抗为：

(18)

同样，可以计算出归算到k1侧的铜排阻抗、变压器T1的阻抗分别为：铜排阻抗

(19)

变压器T1阻抗：

(20)

系统总阻抗为：

|Zk1|=2 022.90 mΩ

(21)

短路电流次暂态值：

(22)

由于R/X=0.16<0.3，故

(23)

短路电流冲击值(峰值)：

(24)

短路容量(短路功率)：

(25)

(2)k2点发生短路时，运用同样的方法，可以计算出k2点发生短路时，短路电流的相关数值。这里只给出计算结果，详见表1。

从表1可以看出，等效电压源法与标幺值法计算结果基本上是一致的，除短路电流冲击有效值Ish、峰值IshP外，其余结果稍微低一些。这是由于系数κ选取的不同造成的。标幺值法为了简化计算，对低压系统取1.3，等效电压源法取1.608 5。

3 基于PSCAD的短路电流仿真

下面利用PSCAD电磁暂态仿真软件进行岸基供电系统的短路电流仿真。利用表1的计算结果，将其设置成模型中的参数值。

表1 低压上船短路电流

3.1 k1点发生短路时

仿真模型如图4所示。故障设置为A、B、C3相短路，短路发生时刻40 ms，短路持续时间20 ms。

3相电流电压波形如图5所示。由图可见，短路电流大约为2 kA，电压为0 V。与计算结果相近，但是数值相对略小些。

3.2 k2点发生短路时

仿真模型如图6所示。模型中故障设置为A、B、C 3相短路，短路发生时刻60 ms，短路持续时间50 ms。

3相电流电压波形如图7所示。由图中可见，短路电流大约为14.5 kA，电压接近0 V。与计算结果相近，但是相对乐观。

从PSCAD仿真结果来看，和上述利用公式计算的结果是接近的，但是软件计算的结果偏乐观，这与PSCAD中内嵌模块EMTDC有关。

图4 仿真模型(k1发生3相短路)

图5 电流电压波形(电流单位：kA；电压单位：kV)

图6 仿真模型(k2发生3相短路)

图7 电流电压波形

4 设备选型及一次系统图

4.1 电缆截面选型及校验

(1)电缆截面选型。根据一年365天(365×24=8 760 h)年负荷利用小时数大于5 000 h，长度大于20 m，传输容量较大的回路(如发电机、主变压器引出回路等)均按经济电流密度选择截面[13]。Sec=IN/Jec，其中Sec为经济截面，Jec为经济电流密度，IN为线路电流。

线路电流为：

(26)

电缆年最大负荷利用小时数按5 000 h，查表[14-16]得：经济电流密度Jec=2.0 A/mm2，Sec=IN/Jec=404.15 mm2，电缆选取三根单芯电缆并联YJV22-1×185即可满足要求。

(2)校验。铜芯电缆短路电流密度

(27)

式中：导体比热C=0.395 J/(g·℃)；导体比重Y=8.89 g/cm3；0 ℃时导体电阻系数ρ0=16.5(mΩ·mm2)/m；0 ℃时导体电阻温度系数α0=0.003 93 1/℃;短路时间t=4 s；短路前温度θ0=55 ℃；最高允许的短时发热温度θk=250 ℃。系统短路电流有效值15.54 kA，Sdl=15 540/80.625=192.74 mm2<3×185 mm2满足设计要求。