船舶电力系统短路电流计算方法研究

Ｖ０１．２９Ｎｏ．７２００９．７

船电技术２００９年第７期

船舶电力系统短路电流计算方法研究

兰海赵岩

（哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨１５０００１）

摘

要：国家军用标准（ＧＪＢ．１７３）计算法在计算船舶短路电流时，为求计算简便忽略较多，导致计算结果偏

大，这给配置船舶电力系统保护和设备选型带来很大困难。为提高准确性，考虑发电机短路电流周期分量的超瞬态衰减，考虑短路发生在远离汇流排位置时线路阻抗的影响，并对周期分量衰减时间常数进行修正；用平方根法求平均等效电动机功率及衰减时间常数，电动机馈送的短路电流等于所有平均等效电机短路电流之和，针对ＧＪＢ．１７３算法产生误差的原因对算法进行改进。结合算例，进行仿真验证，仿真结果表明改进算法具有较高的准确性和精度，可以在较准确计算短路电流的基础上，有效的减小计算结果中的正误差。关键词：船舶电力系统短路电流ＧＪＢ．１７３平均等效电动机中图分类号：Ｕ６６５．１２

文献编码：Ａ

文章编号：１００３．４８６２（２００９）０７—０００５－０５

Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

Ｍｅｔｈｏｄ

ｏｆＳｈｏｒｔＣｉｒｃｕｉｔＣｕｒｒｅｎｔｉｎＳｈｉｐＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ

ＬａｎＨａｉ，ＺｈａｏＹａｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ

ＧＪＢ—Ｊ７３ａｌｇｏｒｉｔｈｍｈａｓ

ａ

ｌａｒｇｅｅｒｒｏｒ，ｗｈｉｃｈ

ｂｒｉｎｇｓｔｒｏｕｂｌｅｓ

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ｌ

引言

短路是船舶电力系统常见且对电力系统破坏

路电流对于船舶电力系统合理配置保护装置，选用、校核用电器件，以及提高其安全性和生命力等方面至关重要。短路是一个十分复杂的过程，精确地计算短路电流是很难的，国际上关于舰船交流电力系统短路计算的方法并不统一，各种算法均是在考虑各自电力系统情况下，忽略某些变量或变化过程的近似算法，均存在一定范围的误

最严重的故障之一。短路故障发生后可能引起火灾，损坏电源设备，造成全系统不能工作。随着船舶向大型化、高速化和自动化发展，用电设备对供电质量的要求越来越高。因此准确地计算短

收稿日期：２００９．０２．２２

基金项目：国家自然科学基金（６０７０４００４）

作者简介：兰海（１９７５．），男，硕士研究生导师，博士，研究方向：电力系统分析与控制，非线性控制理论及应用；

赵岩（１９８３．），男，硕士研究生，研究方向：为电力系统及其自动化。

万方数据

５

船电技术２００９年第７期

差。其中用得较为广泛的是ＩＥＣ（国际电工委员会）的ＩＥＣ６１３３６１．１算法、美国海军标准计算方法、日本的精密计算方法和近似计算方法、以及劳氏船级社的简单计算方法，图解计算法等ｌｌＪ。我国舰艇，特别是军用舰艇现使用的短路电流计算方法是１９８６年颁布的中国国家军用标准（ＧＪＢ一１７３），该算法忽略较多，计算结果存在较大的正误差，这给船舶设计以及开关选型带来很大不便，因此有必要结合短路电流产生原理对ＧＪＢ．１７３做一定改进，使之计算结果更加准确、实用。

２造成误差的主要原因

ＧＪＢ．１７３是我国国家军用标准算法，１９８６年颁布实行。在计算过程中，一方面考虑到当时条件为求计算简便，做了很多忽略和近似；另一方面，军用舰船对于船舶安全性要求比普通船舶高，还要考虑到军舰受到打击之后的生命力和战斗力问题，因此要求电力器件能够耐受较大的短路电流，短路计算结果要留有一定的裕量，所以ＧＪＢ．１７３算法计算结果正误差较大。导致误差主要原因如下：

（１）忽略周期分量的衰减

在计算发电机馈送的短路电流时，ＧＪＢ．１７３未考虑周期分量的超瞬态衰减和瞬态衰减。船舶电力系统不是无限大系统，当电力系统发生短路故障时，其电源端电压不能视为不变，因此，短路电流周期分量幅值在短路过程中是衰减的，忽略超瞬态衰减会造成比较大的正误差。

（２）对等效电动机额定功率的处理近似较多

ＧＪＢ．１７３在计算电动机馈送的短路电流时将运行中的电动机等效成一台等效电动机，且其容量取最大可能并联运行的发电机额定总功率的２／３。在计算中电动机额定电流也取可能并联运行发电机总额定电流的２／３。

这种取法并不精确，并且在计算中不考虑电动机有关参数，仅算出电动机馈送的短路电流值，导致最终计算结果偏大。

３考虑周期分量衰减的发电机馈送的短

路电流计算

３．１临近汇流排处发电机馈送的短路电流

６

万方数据

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髟＋ｊｘ；＝了——１１一

ｅ＝≥

（１）

（２）

Ｖ

！

鲁（吃，＋足，）＋／（爿：＋爿０）

如＝一√２［（ｅ一艺）ｅｘｐ（一－专）＋（Ｌ一毛）．

』ｄ

ｅｘｐ（－下Ｊ－ｒ）＋ＩＧ］ｃｏｓｃｏｔ＋ｑｒ２Ｉ：ｅｘｐ（－ＴＪ－－）

上ｄ

１口

＝ｌ‘ａｃＧ＋乞Ｇ

（３）

最大短路电流出现在短路后１／２周期处，此考虑线路阻抗对非周期分量衰减时间常数的乙＝

瓦＋去

＝————．！：—一

ｘ＝’

（４）

ｌ＋生

２ｘｆＲＩ

兄

…Ｘｐ（去）－ｅｘｐ（一鲁）

（５）

Ｌ１ｄ

＝ｋ＋ｋ

（６）

＋

（７）

式中：，ｒ发电机馈送的超瞬态对称短路电流初始有效值：也广一发电机电枢电阻；也广一表示发电机到汇流排间线路阻抗；Ｐ广发电机周期分量超瞬态衰减时间常数；ｒ‘卜发电机周期

分量瞬态衰减时间常数；乃一发电机非周期分量衰减时间常数。

时瞬态衰减还没有开始，所以不考虑瞬态衰减。

影响，对其进行修正得：

其中：％表示临近汇流排处发生短路时修正后的

非周期分量衰减时间常数：ＲＡ为等效发电机电枢电阻，等于发电机内阻和发电机极端到汇流排间阻抗的和。

ｌｅｏ＝√丑（￡一艺）ｅｘｐ（一刍）＋ｔ］＋压．￡

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Ｉ—Ｇ５＿ｌ乙Ｇ＋ｌ：Ｇ

：吣

式中：昂Ｇ一等效发电机馈送的短路电流最大有

效值；ｋ广等效发电机馈送的不对称短路电流平均有效值；，ｍ。广等效发电机馈送的不对称短

路电流最大有效值。

３．２远离汇流排发电机馈送的短路电流

大体跟临近汇流排时相近，相似的地方不再赘述，需要注意的地方：

考虑到线路阻抗的影响，应该对超瞬态衰减时间常数丁勺，非周期分量衰减时间常数死进行修正：

呓气Ｘ”Ｋ

Ｔ矿．黜硫

（９）

硫＝巧蔫

（１０）

毛＝玉２ｎ＇ｆＲｒ

式中：Ｔ’’ｊｒ修正后发电机周期分量超瞬态衰减

…ｘｐ（＿黜卜一势ｍ，

时间常数；丁７’ｄ旷－发电机开路时周期分量超瞬态

衰减时间常数；死广修正后的发电机非周期分量

衰减时间常数；彤一汇流排到短路点间的线路电

４基于平均等效电动机法的电动机短路

电流计算

ＧＪＢ．１７３算法将运行中的电动机用一台等效

电动机代替，这种计算方法虽然可使计算大大简化，但对于大于１００ｋＷ的电动机较多，或者电动机分布于几个大区域内的情况下，假如再考虑到馈电线阻抗的影响，这种算法也有很多不足之处。为求计算结果更加准确，我们可以逐台计算各电动机馈送的短路电流，然而这样计算比较麻烦，尽管可以利用计算机减小工作量，但输入各电动机的参数也是很麻烦的事情。为解决这个问题，本文采用平均等效电动机法计算电动机馈送的短路电流，即把所有并联运行电动机平均等效成若干台功率相同的电动机，平均功率和平均台

万方数据

船电技术２００９年第７期

数计算公式如下【４】：

‰＝

（１３）‰＝警

（１４）

电动机馈送的总短路电流等于平均等效电动

机馈送的短路电流与平均台数的乘积。

平均等效电动机各项参数选取如下：尺６，，％，分别为所有并联运行电动机的并联

电阻，并联电抗。

ＲＳ＝ＲｂｌＮｍ

（１５）ｘ—Ｍ＝ＸｂｔＮ。

（１６）

‰＝

（１７）

％Ｍ＝

（１８）

式中：尺．广平均等效电动机定子电阻；Ｘ＇ｕ一平

均等效电动机瞬态电抗；ｒ名。＾广平均等效电动机周期分量瞬态衰减时间常数；％＾广平均等效电

动机非周期分量瞬态衰减时间常数。４．１临近汇流排处电动机馈送的短路电流

单台平均等效电动机的短路电流计算公式如下：

。２丽Ｖ雨Ｎ唧卜竞’

ｏ功

‰２蔫唧（＿去）（２０）

Ｉ

ｐＭ

２正Ｉ。Ｍ＋Ｉ蝴

１２Ｌ）

Ｉ唰一１３吖一２＋瓦２

＋＋

（２２）

式中：ｋ＾广平均等效电动机的周期分量；

。Ｍ＝厩

（２３）

７

船电技术２００９年第７期

如＾广平均等效电动机的非周期分量。

４．２远离汇流排处电动机馈送的短路电流

主汇流排外电动机馈送的短路电流的计算，可用与发电机一样的方式来处理外电路阻抗，即在计算等效电动机的短路电流初始值时，考虑汇流排到短路点的阻抗的存在，并考虑其对等效电动机非周期时间常数的影响。

’ｔ／７

７’

‰２而霭鬲Ｎ霸丽唧卜亡¨２４’ｋ

Ｖ２不霉而Ｎ示丽ｅ冲‘一亡’Ｑ５’

ｖＴ

砭州＝乇等

（２６）

＾．｜ｌ，

ｋ２芴ＡＫｉＭ

（２７）

式中：Ｔ么．。广修正后的瞬态衰减时间常数；

‰＾广修正后的非周期分量衰减时间常数。

５算例验证

结合图ｌ所示船舶电力系统进行算例验证，主发电机选用三台相同型号的发电机僻。＝１．４５ｍＱ，Ｘ”ｄ＝０．１０１，Ｘ’ｄ＝０．１７３，Ｘｄ＝３．３８），分别用ＧＪＢ．１７３和改进算法计算选定短路点短路电流，比较分析计算结果。

最严重的短路发生在３台发电机组并联馈送短路电流时，发电机参数如表ｌ。

电动机的数量为１４４台，总功率为１８６０ｋＷ，共分４个型号，型号Ａ５０台，型号Ｂ４０台，型号Ｃ５０台，型号Ｄ４台，其参数如表２。通过换算，平均等效电动机参数见表３。导线规格见表４。

表１发电机参数

额定容量（ｓ／ｋＷ）

１１６８

额定电压（Ｖ／Ｖ）４００额定电流（，／Ａ）２１００额定频率∽Ｈｚ）

５０

超瞬态时间常数（７：／ｍｓ）

５非周期分量衰减时间常数（瓦／ｍｓ）

２７

８

万方数据

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表２电动机参数

型号Ａ功率（剧ｋｗ）２

型号Ｂ功率（州ｋＷ）９

型号Ｃ功率（Ｐ／ｋＷ）１６型号Ｄ功率（刷ｋＷ）

１５０

图ｌ电力系统网络图（Ｆ５～Ｆｌｏ为短路点）

利用计算机程序完成算例仿真计算，改进算法流程图如图２。

现用计算程序，用两种算法分别计算乃，乃两点的短路电流，计算结果见表５。

表３平均电动机参数

平均功率２７．１６

平均台数

６８．４８

定子电阻足／ｍ．ｑ

１４５．８３瞬态电抗矗／ｍＱ

６５４．２８周期分量时间常数‘／ｍｓ

１３．５８０３非周期分量衰减时间常数瓦Ｍ／ｍｓ

１４．１９６３

表５计算结果

ＧＪＢ・１７３

ＧＪＢ－１７３

短路点

改进

改进

生堂

盘丛生坠盘坠

Ｆｌ９９．２０６５０．４８３８５．４７９４２．１７８Ｆ５

４３．０１２

２８．９０９

４０．４４０

２７．５４３

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船电技术２０００年第７期

图２计算程序流程图

利用国标（ＧＢ３３２１）计算结果如表６：

表６国标（６８３３２１）计算结果

参考文献：

［１】王鹏．船舶电力系统短路电流计算研究［Ｊ】．船舶，

２００５．（１０）：３９＂４２

堑堕盛

ＦｌＦ５

生堂

８３．９１９３３．９９６

盆！坠

４１．４８７２３．５５０

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流电力系统的短路电流计算［Ｓ】．

由计算结果可以看到，改进算法与国标计算结果更加相近，且介于两种算法之间，说明改进

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【５】黄滨，蒋心怡，沈兵．舰船交流电力系统短路电流的

改进算法及计算软件的编制【Ｊ】．武汉：海军工程学院学报，１９９９，８６：２７－３３．

算法有效的减小了国军标算法的正误差，又兼顾

了军船对于安全性高要求因而留出的短路电流裕量，同时也说明了改进算法具有较高精度。

６结论

本文提出的改进算法具有广泛的适用性，其

计算结果可作为船舶电力系统设计的依据。另外，改进算法具有较高的精度，依据计算结果可以较为准确地选择电气设备，在不需留有太多裕量的情况下能达到安全的目的，从而减轻了电气原件制造厂商的压力，也节约了大量资金。

【６】章以刚．舰船供电系统和装置【Ｍ】．哈尔滨：哈尔滨

工程大学出版社，２００７．【７】Ｂｏｑｉａｎｇ

Ｘｕ，Ｌｉｌｉｎｇ

Ｒｏｔｏｒ

Ｓｕｎ，Ｈｅｍｉｎｇ

Ｌｉ．ＲｅｓｅａｒｃｈＦａｕｌｔｉｎ

ｏｎ

ＳｔａｔｏｒａｎｄＣａｇｅ

ＷｉｎｄｉｎｇＤｏｕｂｌｅ

ＳｑｕｉｒｒｅｌＳｏｃｉｅｔｙ

ＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｔｏｒｓ．Ｐｏｗｅｒ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｇｅｎｅｒａｌ

Ｍｅｅｔｉｎｇ．２００６，５．

９

万方数据

船舶电力系统短路电流计算方法研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

兰海， 赵岩， Lan Hai， Zhao Yan

哈尔滨工程大学自动化学院,哈尔滨,150001船电技术

MARINE ELECTRIC & ELECTRONIC TECHNOLOGY2009，29(7)0次

参考文献(7条)

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_chuandjs200907010.aspx

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