船舶电气课程设计

船舶电站自动化课程设计

船舶交流电力系统短路计算

姓 名: 徐尹西 专 业： 电气工程及其自动化 班 级: A04电气 学 号: 040106118 指导老师: 单海校

浙江海洋学院工程学院电气系 2007-12-15——2008-1-5

【目录】

船舶交流电力系统短路计算 ................................. 错误！未定义书签。 1短路计算概述 ...................................................... 错误！未定义书签。 2短路计算系统统图和相对值 ................................................................. 3 2.1短路计算工况的选择 ......................................................................... 3 2.2 短路计算点的选择 ......................................... 错误！未定义书签。 2.3 相对值 .............................................................. 错误！未定义书签。 3发电机馈送的短路计算 ......................................................................... 4 3.1发电机的对称短路电流 ..................................................................... 4 3.2.发电机的短路电流非周期性分量 .................................................... 5 3.3.发电机的最大非对称短路电流 ........................................................ 5 3.4.无阻尼绕组发电机的短路电流 ........................................................ 5 3.5.电动机馈送的短路电流计算 ............................................................ 5 3.5.1等效电动机各项参数的确定 ......................................................... 5 3.5.2等效电动机短路电流的计算 ......................................................... 6 3.6 短路功率因数计算 ............................................................................ 6 3.6.1.主汇流排馈电分路配电电器出线端处短路功率因数计算 ........ 6 3.6.2.主汇流排外馈电线处的短路功率因数计算 ................................ 6 4.船舶交流电力系统短路计算 ............................. 错误！未定义书签。 4.1船舶交流电力系统短路电流计算 .................. 错误！未定义书签。 4.2.结论 .................................................................. 错误！未定义书签。 参考文献 .................................................................. 错误！未定义书签。

船舶交流电力系统短路计算

【摘要】文章主要介绍了船舶交流电力系统短路计算的目的,短路点的选择及发电机馈送的短路计算.并例举了一个船舶交流电力系统多个短路点的短路计算,使读者能从中更深的理解船舶电力系统短路计算 【关键词】船舶交流电力系统 短路电流 功率因数

1短路计算概述

在船舶电力系统实际运行中，短路故障是难以避免的。当船舶电力系统中住配电板的母线或某一干线发生短路时，在母线或某一干线上将出现比正常值大许多倍的短路电流。在发生短路故障时，系统的总阻抗减小，在短路计算时，一般考虑最严重的短路即金属性短路，故系统阻抗减小的程度仅和短路点在系统中的位置有关，短路点距离电源越近，则系统的总阻抗就越小，短路电流值也就越大。即使短路时所经理的时间很短，很大的短路电流所产生的机械应力和热效应，也可能使发电机以及其他电气设备受到损坏。此外，大的短路电流也会使电网电压大为降低，以至用电设备的工作受到影响，例如使正在运转的电动机停止运转。 船舶交流电力系统短路计算目的如下：

（１）校核所选用的配电电器的短路接同能力和短路分断能力 （２）校核汇流排等元件的电动力稳定性 （３）为电力紫铜选择保护的设计和整定提供依据 （４）确定是否需要采取必要的限流措施

在船舶交流电力系统中有单相接地短路（中性点直接接地系统）、两相相间短路、两相两点接地短路和三相短路。陆地上110KV及以上电力系统都采用架空电线缆线路且都是中性点直接接地系统、发生单相接地短路的故障率最高；而船舶电力系统大多采用三相绝缘系统，故发生三相对称短路的故障最大，也是我们研究的重点。至于三相系统发生不对称短路时，其短路电流可按下列原则处理：

（1）发生两相短路后第一半周期的短路电流，可取为响应的三相对称短路时短路电流值的0.866倍。

（2）在重型点接地的交流电力系统中，发生单向短路后第一个半周时的最大短路电流，可认为近似等于响应的三相对称短路时的短路电流值。

2短路计算系统统图和相对值

2.1短路计算工况的选择

短路计算应该选择电力系统短路最严重（数值最大）工况下进行，这个工况应该是：投入发电机的额定功率总和为最大；发电机组处于长期并联运行状态；投入工作的异步电动机负荷额定功率总和为最大；发电机组的其始负荷最大。

短路极端系统图的绘制：短路计算系统图应该根据所选计算共矿和船舶电力一次系统绘图制。通常采用系统单线图。计算图中包括：

(1) (2) (3) (4)

并联工作的发电机

用一个等效电动机表示电动机负载。 相应的导电部分，如开关、电器和变压器等。 所选择的短路计算点。

2.2 短路计算点的选择

船舶电力系统的短路电流是由系统的所有发电机和电动机的参数以及电路的阻抗决定的，而且和短路点位置有很大关系。我们选择短路点的原则是应该使该点短路后，流过所选择、整定或校验的电气设备的电流为最大。

2.3 相对值

在短路电流实际计算中，电压、电流、阻抗、功率等物理量，通常不用其实际的数值表示，而是采用相对单位值来表示：

相对值=某物理量实际值/同一物理量基值

在已知或求得相对值只后，也可由上式求得实际值。它等于相对值与基值的乘积。 在船舶电力系统中的发电机、电动机、变压器等设备，其产品目录参数的相对值是根据该设备的额定值Se、Ue作为基值而求得的。如同步发电机的参数xd、xq、x'q、x''d等都是以额定值Se、Ue为机智的相对值表示的。额定值作为基值情况下的相对值为

ueUe ieIIe seSSe （1）

zeZZeZSereRZeRSe

2e2e

（2） （3）

2e

xeXZeXSe

（4）

上式中下角注有“e”是表示这些量值是采用额定值作为基值的相对值。各物理量的相对值乘以100%，便是百分值。

3发电机馈送的短路计算

3.1发电机的对称短路电流

为了便于理解和计算，工程上通常近似地将整个过度过程分为三个阶段：超瞬变阶段、瞬变阶段、最后进入稳定。超瞬态分量按阻尼绕组回路的时间常数T〞D

指数衰减；瞬态分量按励磁染组回路的时间常数TˊD指数衰减。

短路电流的最大瞬时值大约在短路后半个周期出现，当发电机的电压频率F=50HZ时，这个时间约为短路后的0.01S。在计算发生三相对称短路后第一个半周的短路电流时，顺态短路电流还没有衰减，可以忽略顺态短路电流的衰减时间常数。因此当发电机在空载及空载及额定电压VN情况下，在发电机输出端发生短路时，其超顺态对称短路电流初始值和顺态对称短路电流起始值分别为

I''g

N

(KA) （5）

I'g

N



(KA) （6）

短路发生后第一个半周时发电机空载对称短路电流为

IacogI''gI'ge

T2T''d

I'g (KA) （7）

式中VN—— 一次配电系统额定相电压；

X''d、X'd——分别为发电机直轴超瞬态电抗、瞬态电抗； Ra —— 发电机电枢电阻；

T —— 交流电周期（50HZ，T = 0.02S）； T''d —— 发电机直轴超瞬态短路时间常数。

3.2.发电机的短路电流非周期性分量

发电机在空载及额定电压VN当发电机输出端发生短路时，其短路发生后第一个半周期

短路电流飞周期分量为

Idcg''geT2Ta （KA） （8）

式中 Ta——发电机非周期分量时间常数。

3.3.发电机的最大非对称短路电流

发电机的最大非对称短路电流在短路发生后第一个半周期时出现，其值等于对称短路电流的峰值与短路电流非周期性分量之和，即

IpgacogIdcg （KA） （9） 3.4.无阻尼绕组发电机的短路电流

无阻尼绕组发电机的短路电流的计算公式，只要将上面公式中发电机参数X''d、X'd、

T''d用X'd、Xd、T'd代替即可。

3.5.电动机馈送的短路电流计算

（1）等效电动机各项参数的确定

T'acm和Tdcm ，若由电动机的参数资料查得平均等效电动机各项参数分别为X'm、Rs、

则等效电动机相应的各项参数分别为

X'M

X'm

m （10） q

RS

Rs

m （11）

q

Z'MRS2 m （12） T'acMT'acm (ms) （13） TdcMTdcm (ms) （14）

式中

R

S

、

X'

M

、

Z'

M

——等效电动机定子电阻、瞬态电抗、瞬态阻抗；

Rs、X'm——平均等效电动机定子电阻、瞬态电抗；

T'acm、Tdcm——平均等效电动机瞬态短路时间常数、非周期时间常数； T'acM、TdcM——等效电动机瞬态短路时间常数、非周期时间常数。

（2）等效电动机短路电流的计算

当主汇流排电压为额定电压VN，在电动机出线端发生短路时，其等效电动机短路发生后第一个半周时的短路电流分别为：

对称短路电流

IacM

VNTT'acM)

Z'e

(kA) （15） M

短路电流非周期性分量

IdcM

NZ'eT(2TdcM)

(kA) （16） M

最大非对称短路电流

IpMacMIdcM (kA) （17）

3.6 短路功率因数计算

（1）主汇流排馈电分路配电电器出线端处短路功率因数计算 此处短路电路阻抗为等效发电机与等效电动机并联阻抗：

ZKbRKbjXKb

1

(RR (m)AjX''D)(sjX'M)

经计算可得短路电路的电抗XKb和电阻RKb分别为

XKb

X'M(RA2X''2D)X''D(Rs2X'2M)

(R (m) ARs)2(X''DX'M)2RRs(RA2KbX''2D)RA(Rs2X'2M)

(R(X'' (m) ARs)22

DX'M)

则短路功率因数为

COSK

（21）

（2）主汇流排外馈电线处的短路功率因数计算 此处的短路电路的电阻和电抗分别为

XKXKbXe (m) （22）

RKRKbRe (m) （23）

则短路功率因数为

18）

19） 20） （（（

COSK

（24）

4.船舶交流系统短路计算

假设某船舶短路计算系统如图1所示。已知参数如表1和表2所示。

图1 短路计算系统示意图

表1 发电机参数

4.1船舶交流电力系统短路电流计算

1.线路阻抗计算（短路回路不包括变压器）

A1点：发电机至主配电板，电缆

电缆3根． xgb =

3*95mm,14m, x=0.077(mΩ/m), r=0.22(mΩ/m),并联

2

14*0.077

=0.389(mΩ) 3

Rgb=

14*0.22

=1.027(mΩ) 3

2

C1点：主汇流排至短路点C1，电缆３*１６mm，１２m,1根．

x＝０.091 (mΩ), r=1.3 (mΩ)

Xe=12*0.091=1.092 (mΩ) Re=12*1.3=15.6 (mΩ)

C2点：主汇流排至短路点C2，电缆３*５０mm，５０m，１根．

2

x =０.082 (mΩ/m) r=0.409 (mΩ/m) Xe=50*0.082=4.10 (mΩ) Re=50*0.409=20.45 (mΩ)

2.变压器阻抗计算

2

3.54002UN1

 ZT＝uK＝＝112.0 (mΩ)

SNT100502

4002UN1

RT＝PK2＝0.95＝60.8(mΩ) 2

50SNT

X

T94.06(mΩ)

３.线路阻抗计算（短路包含变压器）

D1点：主汇流排至变压器初级，电缆３*３５mm， ７m，１根．

2

x=0.085 (mΩ/m) , r=0.594 (mΩ/m)

70.085

=0.595 (mΩ) 170.594

=4.158 (mΩ) Re1=

1

Xe1=

变压器次级至短路点，电缆３７０mm，７m, 1根．

2

x＝0.078(mΩ/m) r=0.305 (mΩ/m)

Xe2=

70.708

=0.546 (mΩ) 170.305

=2.135 (mΩ) Re2=

1

因此，主汇流排至短路点D1的线路阻抗为

UN1

Xe＝Xe1+XT+Xe2

UN2UN

Re=Re1+RT+Re21

2

2

400＝0.595+94.06+0.546=96.31 (mΩ) 230

2

2

400=4.158+60.08+2.135=71.42 (mΩ) UN2



230D2点：变压器次级至短路点

电缆１：３*７０mm2

，７m，１根．

x＝0.078 (mΩ/m) , r=0.305 (mΩ/m)

电缆２：３*４mm2

，８m,1根．

x＝０109 (mΩ/m) ，.r=5.14 (mΩ/m)

电缆１和电缆２的线路阻抗为

X70.708e2＝

1+80.109

1＝1.418 (mΩ) R70.30585.14

e2=

1+1

=43.26 (mΩ) 因此主汇流排至短路点D2的线路阻抗为

2

XX

UN1

e＝e1+XT+Xe2＝0.595+94.06+1.4184002

UN2

230=98.94 

2

R+RUN1

e=Re1+RTe2

UN=43.26+60.8+75.23=175.29 2



4.等效电动机参数计算

等效电动机额定功率可取实际运行中发电机总额定功率的６０％： PN

M

0.6P

N

g

0.6(2002 0（ＫＷ）

0) 240q=22台

PNMNm

Pq240

22

10.91 （ＫＷ） 平均等效电动机的各参数为

Xm

1300 (mΩ) Rs280 (mΩ) Tacm12.m3 s Tdcm14.m

2 sXXmq1300M

22

59.09 (mΩ) (mΩ)

RS

Rs28012.73 (mΩ)

q22

60.45 (mΩ) zM

Tacm12.3ms TdcM sTacMT4.2md1cm５. B2点短路发电机G1馈送的短路电流

VN



231(V) Xd

VN0.1606231xd

51.53(m) INg0.72

XdXgb51.530.35951.88(m) Xg

RgRaRgb17.561.02718.59(m

)

Ig



4.192(KA)

Xd

VNxd231

0.30798.5(m) INg0.72

XdXgb98.50.35999(m

) Xg

Ig



T2Td

2.293(KA)

108.2

Ig)eIacog(Ig(4.1922.293)eIg

2.2932.85(KA)

Iacg1.1Iacog1.12.853.135(KA)

TaTdcbg

1000Xgb

18.4

10000.359

＝17.44（ms）

1

17.56

1017.44

2fRa

gb1

Ra

T2Tdcbg

eIdcgg

4.192e

3.341(KA)

IpgdcgIdcg2.853.3417.372(KA) 6.等效发电机参数计算

因为三台相同型号规格的发电机并联运行，q=3, 所以

 XD

XgqRgq

Xgq



51.88

17.2m9(

3

)

XD



99

33(m) 3

RA



18.59

6.20(m) 3

７. A1点短路流经１CB2的短路电流及短路功率因数计算

当A1点发生短路时，在短路瞬间供给A1点的短路电流有G1，G3发电机和等效电动机Ｍ馈送的短路电流：

I

I

IacM

acg

Iacg1Iacg223.1356.27(KA) Ipg1Ipg227.37514.75(KA)

T

pg

10

N2TacM23112.3ee1.695(KA)



zM60.4510N2TdcM23114.2ee2.672(KA)



zM60.45

T

IdcM

IpMacMIdcM1.6955.069(KA) IacIacgIacM6.271.6956.97(KA) IpIpgIpM14.755.06919.73(KA) XKb

22(RA2)XD(RS2)XMXDXM



XM)2(RARS)2(XD

22

59.09(6.20217.29)6.20(12.759.09)2



(6.2012.7)2(17.2959.09)2

m2( 13.4

22

2)RA(RS2)RS(RAXDXM

RKb

XM)2(RARS)2(XD

22

12.7(6.2217.29)6.2(12.759.09)2

22

(3.3612.7)(17.2959.09)

5( 4.3m

ＣＯＳ

K 

0.308

８. B2点短路流经２CB1的短路电流及短路功率因数计算

II

acg

Iacg1Iacg2Iacg333.3159.945(KA) Ipg1Ipg2Ipg337.37522.125(KA)

pg

IacM 1.695(KA) （同A1点） IdcM 2.672(KA) （同A1点）

IpM 5.069(KA) （同A1点）

IacIacgIacM9.9451.69511.64(KA) IpIpgIpM22.1255.06927.2(KA) XKb 13.42(m) （同A1点） RKb4.35(m) （同A1点）

ＣＯＳK 0.308（同A1点）

９. C1点短路流经３CB1的短路电流及短路功率因数计算



zeG

28.52(m

)

zeG

40.47(m)

IG

VN2318.10(KA) zeG28.52VN2315.708(KA) zeG40.47

IG

Ta1000TdoeG

1

XgbqXe

2fRa

RgbqRe

Ra

10000.35931.09218.4

10017.567.05(ms)

1

17.56

XgbqXe0.35931.092

)8.21Xd51.538.47(ms) TeG

e11gb

98.5Xd

Td(1

IG)eIacoG(IG

T

2TeG

(8.105.708)eIG

10

8.47

5.7086.443(KA)

IacG1.1IacoG1.16.443

7.087(KA)

eIdcGG

T

2Tdceg

8.1e

10

7.05



2.773(KA)

IpGacoGIdcG6.4432.773

11.885(KA)

zeM

TdcM

66.52(m)

TdceM

1000Xe10001.092

14.2

2fRa6.50(ms) R15.6

11

e

12.73RS

T

IdcM

10

2TdceM6.5

1.054(KA)

10N2TacM23112.3

ee1.540(KA)



zeM66.52

T

IacM

IpMacMIdcM1.541.0543.232(KA) IacIacgIacM7.0871.548.63(KA) IpIpgIpM11.8853.23211.3(KA) XKXKbXe13.421.09214.51(m)

RKRKbRe4.3515.620.0(m)

ＣＯＳ

K

0.809

１０. C2点短路流经３CB2的短路电流及短路功率因数计算

 zeG



34.17(m

)

zeG

45.68(m)

IG

VN231

5.057(KA) zeG34.17VN2315.057(KA) zeG45.68Ta1000

XgbqXe

18.4

10000.35934.1

4.55(ms) 1

17.56

IG

TdceG

1

2fRa

gbe

Ra

XgbqXe0.35934.1

)8.21Xd51.539.05(ms) TeG

gbe11

98.5Xd

Td(1

IG)eIacoG(IG

T

2TeG

(6.765.057)eIG

10

9.05

5.0575.621(KA)

IacG

1.1IacoG1.15.621

6.183(KA)

eIdcGG

T

2Tdceg



6.76e

104.55



1.062(KA)

IpGacoGIdcG5.621

1.0629.011(KA)

zeM

71.37(m)

TdcM

TdceM

1000Xe10004.1

14.2

2fRa5.84(ms) 11

e

12.73RS

T

IdcM

10

N2TdceM5.84e0.826(KA)



zeM102TacM23112.3e1.436(KA)

71.37

T

IacM

IpMacMIdcM1.4360.8262.857(KA) IacIacGIacM6.1831.4367.62KA IpIpgIpM9.0112.85711.868(KA) XKXKbXe13.424.117.52(m) RKRKbRe4.3520.4524.8(m)

ＣＯＳ

K

0.756

１１. D1点短路流经４CB1的短路电流及短路功率因数计算

 zeG



137.6(m

)



150.8(m) zeG

IG

VN2311.679(KA) zeG137.6

VN2311.532(KA) zeG150.8Ta1000

XgbqXe

18.4

10000.359396.31

=5.342(ms) 1.027371.421

17.56

IG

TdceG

1

2fRa

RgbqRe

Ra

XgbqXe0.359396.31

)8.21Xd51.53=13.78(ms) TeG

XqXe0.359396.31

11gb

98.5Xd

Td(1

IG)eIacoG(IG

T

2TeG

(1.6791.532)eIG

10

13.78

1.5321.603(KA)

IacG1.1IacoG1.11.603

1.763(KA)

eIdcGG

T

2Tdceg

1.679e

105.342



0.3652(KA)

IpGacoGIdcG1.6030.3652

2.632(KA)

zeM

TdcM

176.7(m)

TdceM

1000Xe100096.31

14.2

2fRa5.791(ms) 

11

e

12.73RS

T

IdcM

10

N2TdceM2315.791

ee0.3288(KA)

zeM176.710N2TacM23112.3

ee0.580(KA)



zeM176.7

T

IacM

IpMacMIdcM0.580.3291.149(KA) IacIacGIacM1.7630.582.34(KA)

IpIpgIpM2.6321.1493.78(KA)

U400

Iac2IacN12.344.07KA

230UN2U400

Ip2IpN13.786.26(KA)

230UN2XKXKbXe13.4296.31113.7(m) RKRKbRe4.3571.4275.77(m)

ＣＯＳ

K=



0.575

12. D2点短路流经4F2的短路电流及短路功率因数计算

 zeG



233.05(m

)

zeG

241.27(m)

IG

VN231

0.991(KA) zeG233.05VN2310.957(KA) zeG241.27Td(1

IG

XgbqXe0.359398.94

)8.21Xd51.5313.81(ms) TeG

gbe11

98.5Xd

IG)eIacoG(IG

T

2TeG

(0.9910.957)eIG

10

13.81

0.9570.9735(KA)

IacG

1.1IacoG1.10.9735

1.071(KA)

IpGacoG1.0711.514(KA) IacIacGIacM1.07(KA)

IpIpgIpM1.51(KA)

U400

Iac2IacN11.071.86(KA)

230UN2U400

Ip2IpN11.482.63(KA)

230UN2XKXKbXe13.4298.94102.4(m) RKRKbRe4.35195.8200.2(m)

ＣＯＳ

K=



0.845

4.2.结论

短路计算结果和选用的配电电器数据汇总如下表

参考文献

［1］王文义.>[M].哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社,2006 ［2］姜锦范.>[M].大连:大连海事大学出版社,2005