船舶电力系统短路电流计算方法适用性研究

张敬南，白琳琳



船舶电力系统短路电流计算方法适用性研究

张敬南，白琳琳

(哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨 150001)

短路电流计算是减小船舶电力系统短路故障危害的基础，但各种计算方法在同一系统的不同工况下的计算误差有所不同。为了明确不同工况下各种计算方法的适用性，减小短路计算的误差，以中压交流电力推进船舶为研究对象，分别采用GJB-173、GJB-173改进、IEC61363三种算法对短路电流值进行了计算。基于Simulink仿真软件编制了该船舶电力系统的数值仿真程序，并将短路计算结果与数值仿真结果进行了对比。通过对三种典型方法在不同运行方式下的计算结果进行的分析，给出了船舶电力系统在不同的运行方式下相适应的短路电流计算方法。

船舶电力系统 短路电流 计算方法 适用性 数值仿真

0 引言

船舶电力系统的短路电流计算是整个系统安全性、断路器设计整定以及设备选择校验的重要依据[1]。目前，电力系统短路电流的计算方法有很多，其中GJB-173法、GJB-173的改进算法、IEC61363计算法的应用较为广泛[2]。由于各种算法在应用时均存在一定的近似处理，所以在不同的工况下会有不同的计算误差。尤其是上述三种短路计算方法在船舶电力系统短路电流计算值上的误差分析与适用性研究并不多见。作者将各计算方法的短路计算结果与Simulink仿真环境下的数值仿真结果进行了对比分析，研究了船舶电力系统不同运行方式下短路电流计算方法的适用性问题。鉴于Simulink仿真软件在相关领域仿真的成熟程度，以及所编制仿真程序曾经在船舶电力系统分析中正确的应用，确认其仿真结果是可靠的和可信的。

以一交流电力推进船舶电力系统作为研究对象，其系统拓扑结构如图1所示。

图1中，G1~G4为4台发电机；TM1、TM2为2台推进电动机；M为船舶等效电动机负载。

三相短路故障发生后，短路峰值电流是短路故障过程中的重要参考数据。对于馈电线路上的短路，出现最大短路电流的点一定在馈电线的某一端点上，因此在短路点的设置上，分别选择了发电机、变压器出线处设置短路点，如图1中标记的F0、F1、F2、F3、F4、F5。

1 短路峰值电流的计算方法

短路峰值电流由两部分组成，即周期电流和非周期电流，而短路发生点的时间相位不同，所对应的峰值电流的最大值也不同。因此计算时应计算所出现的最大峰值电流。考虑到图1所示系统，短路电流值均为发电机馈送的短路电流与电动机馈送的短路电流的代数和，且短路电流计算均考虑临近汇流排和远离汇流排的情况[3]。由于两种情况的差别在公式上主要体现在外接阻抗的加入上，本文针对发电机、电动机的短路电流计算公式均以临近汇流排作为基准，远离汇流排的情况将在个别公式中体现。

1.1 GJB-173算法

1.1.1 发电机馈送的短路电流

基于GJB-173算法中发电机馈送的峰值电流为：

根据式（1），在GJB-173算法中，发电机馈送的峰值电流忽略了周期分量中暂态和次暂态电流的衰减问题。

1.1.2电动机馈送的短路电流

对于临近汇流排和远离汇流排时的情况，电动机馈送的短路电流不能采用同样的公式。

临近汇流排短路时，电动机馈送的短路峰值电流为

远离汇流排短路时，电动机馈送的短路电流为

1.2 GJB-173改进算法

1.2.1 发电机馈送的短路电流

与GJB-173算法相比，在改进算法中，发电机馈送的峰值电流公式考虑了次暂态电流的衰减，忽略了暂态电流的衰减，即

式中，假设了发电机的峰值电流计算公式为空载下的情况；考虑负载情况时，应将周期电流分量乘上空载时的1.1倍。此外，远离汇流排时的时间常数均要做出相应的修正。

1.2.2 电动机馈送的短路电流

临近汇流排短路时，电动机馈送的峰值电流为：

远离汇流排时，同样可以修正时间常数，且在对应电阻、电抗处添加外接电阻和外接电抗即可。

（3）设备的成本问题。在体域网中需要使用大量的传感器和路由器，保证数据的采集和传输。在无形中，增加了通信的成本和能源消耗。

1.3 IEC61363算法

1.3.1发电机馈送的短路电流

IEC61363算法中，发电机馈电的峰值电流的计算中考虑了暂态和次暂态电流的衰减，即

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根据式(9)和式(10)，IEC61363算法需要进行发电机电势的计算，而GJB-173算法和GJB-173改进算法则直接取发电机的额定相电压为电势值。

1.3.2 电动机馈送的短路电流

电动机馈送的短路电流为

式中

综合3种计算方法，对于发电机馈送的短路峰值电流的计算中，短路电流周期分量中暂态和次暂态电流的衰减是3种算法公式中的主要区别；当远离汇流排短路时，GJB-173法未考虑短路阻抗对时间常数的影响，而后两者则考虑了这一点；再者，GJB-173算法和GJB-173改进算法中发电机电势均为额定值，而IEC61363方法中针对发电机和电动机的运行状态，电势值采用的是较精确的计算值。三种方法在船舶电力推进系统的短路计算上区别通过实例可做深入的探讨。

2 短路计算方法的误差分析

2.1 短路计算与数值仿真的比较

根据图1所示系统，设置发电机的额定电压为6600 V，额定容量为10 MVA，两台双绕组变压器的额定电压为6.6 kV/0.4 kV，额定容量为800 kVA，两台三绕组变压器的额定电压为6.6 kV/2 kV/2 kV，额定容量为13 MVA，两台推进电机的额定电压为3.3 kV，两台等效电动机负载额定电压为0.4 kV，等效静负载容量375 kVA，功率因数为0.85。

结合本研究内容，主要针对发电机空载和负载两种运行方式下各短路点进行了短路电流峰值的动态仿真。设置工况为稳定运行后发生短路故障，根据不同短路时刻短路峰值电流的变化确定出最大的短路峰值电流出现在短路时刻为30.0016s时，其对应于F0点和F1点短路电流的动态仿真结果如图2~图5所示。

短路电流波形体现了发电机空载与负载下短路电流峰值的差别，主要体现在负载下电流大于空载下的短路电流。总结对F0~F5点的短路过程动态仿真结论，并将动态仿真短路峰值电流结果与3种计算方法获得的短路峰值电流列于表1和表2中。

根据表1所示，空载下，GJB-173改进与IEC61363的计算值相差不大且精确性较高，但IEC61363要更准确一些，而GJB-173算法的值的误差最大。

根据表2所示，负载下，GJB-173改进算法的误差小于IEC61363的计算值，GJB-173算法误差最大。

2.2误差分析

空载时，GJB-173算法误差最大，原因是其忽略的几点因素，GJB-173改进算法和IEC61363算法误差较小，原因是两者考虑的因素相同。二者出现的差异在于非周期分量的计算中IEC61363算法的计算值要小。

负载时，IEC61363算法中的误差比GJB-173改进算法的计算值要大，原因是负载下发电机暂态电势的计算值大于GJB-173改进算法中的值,其计算结果自然较大。对于GJB-173算法，其空载和负载下的计算值是一样的，因此负载下，其误差相对要减小。

3 结论

通过3种短路计算方法及动态仿真的比较研究，获得了不同短路计算方法在船舶电力系统的短路电流计算时的误差问题。并且确定了不同运行方式下短路计算方法的适用情况。主要结论包括：1）结合数值仿真程序，可以直观、有效地分析短路电流情况，便于实现不同短路计算方法的比较；2）空载运行方式下，GJB-173改进算法和IEC61363算法均可采用；但采用IEC61363算法会获得更高的准确度。3）发电机带电动机负载运行时，则可采用GJB-173算法及GJB-173改进算法；且GJB-173改进算法具有更高的准确度。但是GJB-173算法的计算流程更为简便。

[1] 王寓, 王主丁, 张宗益. 国内外常用短路电流计算标准和方法的比较研究[J]. 电力系统保护控制, 2010, 38(20).

[2] Xiong Xiaofu. Analysis of short-circuit characteristics and calculation of steady-state short-circuit current for DFIG wind turbine[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(8).

[3] 刘楠, 唐晓骏, 马世英. 负荷模型对电力系统短路电流计算的影响[J]. 电网技术, 2011, 35(8).

Adaptability of Short-circuit Current Calculation in Ship’s Power System

Zhang Jingnan, Bai Linlin

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Short-circuit current calculation is the basis of decreasing the hazard by short-circuit fault resulting in the ship’s power system. But different calculation methods exist in different calculation deviations to the same system’s different conditions. In order to define the applicability of the various calculation methods under different conditions and to reduce short-circuit calculation deviations, with an AC medium voltage electric propulsion ship as research subjects, the three calculation methods, GJB-173, GJB-173 improvements and IEC61363, are used to calculate short-circuit current. Numerical simulation program of the ship electrical system is programmed on the basis of Simulink and the results of both calculations and the numerical simulation are compared. The calculation results of the three typical methods in different conditions are analyzed and the adapted short-circuit current calculation methods of the ship electrical system in different operation modes are given.

ship’s power system; short-circuit current; computational method; applicability; numerical simulation

TM3439

A

1003-4862（2015）03-0012-04

2014-11-07

哈尔滨工程大学中央高校基本科研业务费专项资金（HEUCFZ1305）

张敬南(1975-)，男，博士，副教授。研究方向：电气工程及其自动化。