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1、现代船机维修技术( 2 0 0 5 ) 船舶电力系统短路电流计算及仿真 王晓，孙才勤 ( 大连海事大学轮机工程学院，大连11 6 0 2 3 ) 摘 要：文章对船舶电力系统中短路电流产生的原理、计算方法及估算方法作了简单的分析，利用V B 语言编制了相应的仿 真程序，并获得了满意的仿真结果 关键词：船舶电力系统；短路电流；仿真 C a l c u l a t i n ga n dS i m u l a t i n go fS h o r tC i r c u i tC u r r e n tt oM a r i n eP o w e rS y s t e m W A N GX i a o S
2、U NC a i - q i n ( M a r i n eE n g i n e e r i n gC o l l e g e ，D a l i a nM a r i t i m eU n i v e r s i t y , D a l i a n1 16 0 2 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：I nt h i sp a p e r , b ya n a l y z i n gt h ec a u s e ，c a l c u l a t i n gm e t h o da n de s t i m a t i n gm e t h o do fm a r
3、i n ep o w e rs t a t i o n ，t h es h o r tc i r c u i t c u r r e n ti ss i m u l a t e dw i t hV Bp r o g r a m ，a n das a t i s f i e dr e s u l ti sa c q u i r e d K e y w o r d s ：m a r i n ep o w e rs t a t i o n ；s h o r tc i r c u i tc u r r e n t ；s i m u l a t i o n 1 前言 电力系统在发生短路故障时，系统的总阻
4、抗减小( 减小程度视故障点在系统中的位置而异) ，因而， 各支路的电流也较正常运行情况增大很多倍，而系统内各点的电压也将下降很多。在故障点附近更为严重。 短路故障发生时必将引起电网的电压、频率的大大下降，由于旋转机械惯性的作用，电动机的转速在短路 瞬间仍保持原有的转速，此时感应电动机运行在再生发电制动状态，因此电网中除运行发动机组外，所有 运行的感应电动机也均向短路系统电路供电，即感应电动机也是短路电流的供给源。 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 ) 可能投入发动机的额定功率总和为最大； ( 2 ) 发动机处于并联运行状态； ( 3
5、 ) 电网投入工作的异步电动机负荷功率总和最大： ( 4 ) 发动机组的起始负荷最大。 2 交流发动机三相短路基本公式 对于已经建立起电压的发电机发生三相突然短路时，在短路的初瞬，直流补偿瞬态电流限制磁场的 急剧变化电枢去磁效应被抑制，因此，只有漏抗限制短路电流，故次瞬态短路电流非常火【卜2 1 。随着直流补 偿电流的衰减，电枢去磁效应也慢慢地表现出来，随之短路电流也逐渐减小，最后变为稳态短路电流( 也 称永久短路电流) 。由于发电机的电枢电阻比漏抗小得多，所以在计算阻抗时一般忽略电枢电阻，仅仅考 虑表示电流补偿电流衰减程度的电枢时间常数L 。 2 1 他励交流发电机空载三相突然短路 三相短路
6、电流峰值可用下式表示： 锄) = 击+ 万1 一击矿i + ( 击一击i 】厨c 。s ( 研+ 乡) 一击劢c 。s 铯百 式中，X f 为纵轴电抗( 欧) ；X ：为纵轴瞬态电抗( 欧) ；X ：为纵轴次瞬态电抗( 欧) ；巧为短路瞬态时 间常数( 秒) ；巧为短路次瞬态时间常数( 秒) ；T d 0 为次瞬态开路时间常数( 秒) o 在计算短路后2 - 3 周，甚至1 2 周期后的短路电流时，可以忽略由瞬态时间常数决定的瞬态电流的衰 减，此时的近似公式为： ， 一上 ， f ，2 玄“专一万1 ) 】皿c o S ( 斛印一击而c o 蛾吒 式中第一项表示交流分量，第二项表示直流分量。式
7、中忽略了电枢电阻。 现代船机维修技术( 2 0 0 5 ) 因此，在他励交流发电机空载三相突然短路，在额定电压式U 。条件下发生短路，最大相电流的交流 分量耋妻藉畲嘉翼关薯型暑囊蔷亍茏c r ，：，攀。c ，：c 击+ c 击一击，P 一专4 - c 击一击，P 一砉， 最大相电流交流分骨有效值：，瑚。( f ) ：，吣o ，( ，) = + ( 一) Pn ( 軎一) P 乃 最大直流分量曙。出：I 曙。如= 4 2 1 。e 根据I E C 计算，空载发电机短路电流计算公式为： 最大相电流交流分量有效值：I c g o a c ( r ) = ( ，c g o 一，二o ) P 巧+ ，
8、最大直流分量：，c g o 出( f ) = 2 o P L 最大非对称短路电流，曙o p ( f ) ：k O p ( f ) = 2 气o 。( f ) + I , g o d , O ) 式中，I 曙。为次瞬态短路电流；o 为瞬态短路电流；U 。为发电机相电压。x ：为发电机纵轴次瞬态电抗 ( 欧姆) ：勤为用百分比表示的发电机纵轴次瞬态电抗( 标幺值) ：X ：为发电机纵轴瞬态电抗( 欧姆) ；x ： 为用百分比表示的发电机纵轴瞬态电抗( 标幺值) ；X d 为发电机纵轴电抗( 欧姆) ：x ，为用百分比表示的 发电机纵轴电抗( 标幺值) ；U 。为发电机额定相电压( 伏特) ；I 。
9、为发电机额定相电流( 安培) 。 2 2 他励交流发电机负载三相突然短路 在他励交流发电机负载三相突然短路，在额定电压式U 。条件下发生短路，最大相电流的交流分量和 直流分量可以分别用下式标幺值形式表示： 11 1 一= ? f ，舭( f ) = 1 1 ，觥o ( f ) = 1 1 ，。“+ ( 一_ I t 弦幻】 Ic 扩k 。妊= 厄I nx e t 。d 根据I E C 计算，发电机负载短路电流计算公式为： 一上 最大相电流交流分量有效值，删( ，) ：，掣( f ) = 1 1 xk 。( ，) = 1 1x ( I ：g 。一幺o ) P 乃+ 乞。 一二 最大直流分量J 础
10、( f ) ：，础( f ) = ，c g o 如( f ) = 2 J 二o P L 最大非对称短路电流，唧( ，) ：k ( f ) = 2 k ( f ) + ，础( ，) 3 异步电动机短路基本公式 当船舶电力系统发生短路时，不仅是发电机作为电流供给源，而且正在运行的电动机也是短路电流很 大的供给源。因此，在研究船舶电力系统发生短路时，必须考虑电动机的短路电流。 3 1 不考虑阻抗，运用额定电流来进行计算 根据国际电工委员会( I E C ) 第3 6 3 号推荐的计算方法，计算电动机的短路电流是用电动机额定电流 来进行计算短路电流的。这种方法对电动机做了2 点假设： ( 1 ) 不存
11、在电动机提供的稳态电流，因为瞬态现象末尾短路电流消失； ( 2 ) 电动机的内电压，即短路故障时提供短路电流的电压，小于线电压( 系统的额定电压) ，并且当 电动机运行在额定负载时有最小值( 不考虑过载状态) 。 I E C 方法的基本点是把运行电动机作为一台等效电动机与汇流排直接连接，等效电动机的额定输出功 率等于运行电动机额定输出功率之和，根据等效电动机额定输出功率乘以一定的系数求得短路电流。这种 1 9 1 现代船机维修技术( 2 0 0 5 ) 万法最简便，计算公式如下： f 6 2 5 ( 短路瞬时) ，一： 4 7 幺Q ，堡登( 安培)一 I2 5 l u ( 1 周期后) 、1
12、 “7 【1 o ( 2 周期后) 1 朋= 8 0 ( 安培) 通常采用下列简略的公式进行计算：l u = 1 = _ 二一 3 U r c o s 彩 其中，P 为可能同时运行电动机最大功率；r 为可能同时运行电动机效率。较为困难的是等效电动机的功 率因数c o s # 的计算。通常嗍c o s = 0 8 进行计算。另外，r = O 9 5 。 3 2 根据电动机阻抗并考虑短路电流的衰减来进行计算 电动机出线端短路后1 2 周期时的短路电流可以用下列公式求得。 对称有效交流短路电流，删拥：，彻锄 短路电流非周期分量，如拥： ( 安) 非对称最大峰值短路电流，肚卅：，砌= 2 ，。锄+ ，
13、蛐 ( 安) 等效电动机额定功率、运行中电动机的台数h 和平均等效电动机额定功率的求取可根据船舶电力负荷 计算书计算，在缺乏确切数据时，取值范围如下： = o 1 o 2 ( 标幺值： 。= o 0 2 o 0 5 ( 标幺值) ； 。= o 0 1 o 0 3 ( 秒) ： 瓦却m = o 0 1 o 0 3 ( 秒) ：Z 伽= x k “+ “ ( 标幺值) 4 馈电线端短路时的短路电流 由于馈电线存在阻抗，所以求馈电线短路时的短路电流，若考虑馈电线阻抗的影响，必须对发电机和 电动机的特性阻抗及时间常数进行修正。方法是采用等效发电机法，即把发电机和电动机归纳为一台等效 发电机，求出等效发
14、电机的短路特性瞌线和时间常数，再根据馈电线阻抗进行修正，求出馈电线端短路的 短路电流。 得到等效发电机后，再考虑馈电线阻抗的影响，假设馈电线的阻抗为R c k + j X 。k ，图1 是等效发电机 和馈线电路图，在图1 中要求K 点的短路电流，则等效发电机参数必须进行修正。 等效发电机参数 馈电线阻抗短路点 T ”d b 惦gX d b 惦gR a b u s g T a b u s gX ，d h u s g R e kX e k K ( G 卜叫二 y n 号 一 图I等效发电机和馈线电路图 砭嘲为交流次瞬态时间常数；乙嘲为直流时间常数；瓦孵为次瞬态电抗；L 孵为瞬态电抗；R 口6 吣
15、为电枢电阻。 1 9 2 三 一P 量啊 ； 一P 生 去 等 击 一P 亟k 一 现代船机维修技术( 2 0 0 5 ) 5 仿真实例 在计算短路点的短路电流时，应该计及被接入的所有发电机和电动机的短路电流，然后将个分量进行 叠加p J 。显然，短路电流的交流分量可以取矢量，进行矢量叠加，这样计算结果较为精确。为了简化计算， 当短路电流功率因数没有多大差距时，也可以求其绝对值的代数和，当然，用代数和的方法得到的短路电 流是偏高的，下面对电力系统进行实际仿真。 实例l ： 发电机端短路，正常航行，冷藏箱不工作，2 号主发电机单台工作。 发电机参数：G 2 - - - - 2 2 2 0 K w
16、 ，U x = 4 5 0 V ，f = - 6 0 H z ，C O Sc D = 0 8 ，x d ( 标幺值) = 0 1 3 ； R a ( 标幺值) = 0 0 3 ：T 。：0 0 3 ；T d = 0 0 3 ：Ta 妇- 0 0 4 5 。 主发电机到主配电盘的电缆参数：电缆线经1 5 0m m 2 ，电缆根数1 6 ，电缆长度2 0 m 。 经计算：电缆总电阻0 0 0 0 1 6 2 5 f 2 ，总电感0 0 0 0 1 1 2 Q 。 仿真曲线见图2 发电机端短路仿真曲线，I 粒= 3 4 7 3 0 A 。 实例2 ： 舵机起动箱间短路，正常航行，冷藏箱不工作，2 号主发电机单台工作。 发电机参数：G 2 = 2 2 2 0 K w ，U x = 4 5 0 V ，f = - 6
