郭骏纬，张 弘，王 锋，闻 静
应用研究
多母排海工船电力系统短路电流计算及开关选型
郭骏纬，张 弘，王 锋，闻 静
（上海船舶研究设计院，上海 201203）
船舶电力系统短路电流计算是船舶电气设计中的关键。针对某海工船的多端母排电力系统进行研究和分析，基于ETAP软件对电网进行建模，并分析和计算了该电力系统的短路电流。根据短路计算结果，确定了主要保护开关的类型和整定值，对船舶多母排电力系统的设计提供了参考。
海工船舶 短路电流 ETA 多母排电力系统 继电保护
近年来，随着大型海工船舶的出现，船舶电力系统的容量日趋增大，确保船舶电力系统运行的可靠性越来越受到人们的重视。
在船舶电力系统运行的过程中，一般情况下发生短路故障时，对船舶造成的危害最大，它会使得电网的短路电流瞬间增大数倍，船舶电网的整体电压降低，轻者会造成局部的停电，重则会使全船失电导致船舶失去动力，导致船舶不能正常工作甚至影响航行安全，造成巨大的经济损失乃至对人员的生命造成威胁。
所以，电力系统的短路分析，是船舶电力系统设计的关键问题，它是校验开关保护设备分断能力和载流导体热稳定性的依据，同时能指导继电保护装置的整定计算。本文基于某海洋工程船的实际案例，该船由于配置3台大功率侧推电动机，故电力系统分为了4段，采用轴带发电机驱动侧推电动机。采用ETAP软件对电力系统进行建模，通过仿真计算了电力系统的短路电流，对该船的电力系统设计提供了依据。
1.1 短路电流计算规格规范
关于短路电流计算，国内外已经发布了相关的规范。国际电工委员会（IEC）推出了IEC 60909 以及IEC 61363 论述了电力系统两相短路、单相接地以及三相短路电流计算；
中国船级社（CCS）也在《钢质海船入级规范》中明确给出了电力系统的短路电流计算方法[1]。
其中国内标准GB/T 3321对应于IEC61363，可对电力系统进行暂态分析，主要适用于船舶交流电力系统短路电流和短路功率因数的计算。其结果可指导校核开关的短路分断能力、校核汇流排的动稳定性以及作为电力系统选择性保护的设计依据。
1.2 短路电流计算原理
对交流同步发电机而言，当出现短路故障时，其发电机的励磁绕组、阻尼绕组和电枢绕组互相之间存在电磁作用，短路的电磁过程变得较为复杂。短路过程通常分为三个阶段：次暂态、暂态和稳态阶段。
在短路过程中短路电流周期分量幅值是衰减的，而暂态分量按励磁回路的时间常数指数衰减，次暂态分量按阻尼回路的时间常数指数衰减[2]。根据电机学理论，同步发电机三相突然短路最严重的情况是，当发电机空载、且电压的起始相角＝０时发生。短路电流的最大瞬时值在短路后首个半周期产生，其值等于非周期分量和对称短路电流峰值叠加[3]。对于异步电动机而言，当电力系统发生短路故障时，电动机将失电，但其仍然可以凭借惯性继续运行。在短路故障出现的首个半周期时，转速可视作没有变化，同时和转子导体相交链的磁链仍然存在，将会产生三相电势，进而向短路点输送短路电流[4]。异步电动机向短路点馈送的短路电流计算公式为：
电动机馈送的短路电流为：
1.3 ETAP 软件
ETAP 是一款功能全面的综合型电力及电气分析计算软件，能为发电、输配电的规划、设计、分析、计算、运行、模拟提供全面的分析平台和解决方案。其具有基于IEC-60909 的三相短路、两相、短路以及单相接地故障分析计算功能，也能基于IEC-61363 的三相短路电流进行暂态分析并绘制暂态曲线。除了短路电流计算，还具有谐波分析、潮流分析、电机启动等功能仿真计算功能。在指导船舶电气设计工作中，均具有一定的实际意义。
2.1 电力系统建模
本文以我院设计的某海洋工程船为例，该船是一艘具备DP1动力定位能力的海洋工程船，电站系统配置2台1700 kW轴带发电机和2台750 kW柴油发电机组，电力系统分为4段母排，4台发电机各自连接了一段母排。轴带发电机和柴油发电机不能长时间并联在网，仅在作负载转移时，短时并网运行，所以，当2台柴油发电机工作并网同时向轴带发电机作负载转移情况下，是该电力系统投入最多发电机组的工况，可能产生最大的短路电流。
在ETAP内本船的电力系统建模如图1所示。
根据本船的配置的发电机型号，设置次瞬态模型的参数如表1所示，各等效电动机的次瞬态模型的设置参数如表2所示。
表1 发电机次瞬态模型参数
2.2 短路电流计算及开关选型
根据以上模型和参数，在ETAP中基于IEC 60909进行短路电流计算，计算得到的结果如表3所示。根据计算可知，2台柴油发电机出线端预期对称短路电流为38.454 kA，可选用施耐德MT20N1空气断路器，轴带发电机出线端对称短路电流为38.875 kA，可选用施耐德MT40H1型空气断路器。短路计算结果及选用的保护开关如表3所示。
图1 电力系统模型示意图
表2 发电机次瞬态模型参数
2.3 暂态仿真曲线
根据以上模型和参数，在ETAP中基于IEC 61363进行暂态仿真计算，并绘制了0.2 s内柴油发电机出现端的短路暂态曲线。通过曲线可验证，在短路初始阶段短路电流的交变分量很大，之后逐渐减小。短路电流的最大瞬时值预计在短路后首个半周期产生，其值等于非周期分量和对称短路电流峰值相加而成。
根据以上模型和参数，在ETAP中基于IEC 61363进行暂态仿真计算，并绘制了0.2 s内柴油发电机出现端的短路暂态曲线。通过曲线可验证，在短路初始阶段短路电流的交变分量很大，之后逐渐减小。短路电流的最大瞬时值预计在短路后首个半周期产生，其值等于非周期分量和对称短路电流峰值相加而成。
图2 暂态仿真曲线示意图
表3 IEC 60909短路电流计算值及保护开关选型
确定了保护开关的型号以后，分别对轴发、柴发与下级开关的选择性保护进行分析，以确保在设备发生短路故障时，最接近故障点的保护电器迅速起保护作用，而不会导致其他保护电器动作的过电流选择性保护，以免造成故障范围扩大。开关保护曲线分别如图3、图4和表4、表5所示。由图4可知，轴带发电机保护开关和照明变压器保护开关、应急配电板保护开关实现了完全选择性保护。柴油发电机保护开关和照明变压器保护开关、应急配电板保护开关实现了完全选择性保护。
图3 轴发分别与照明变压器、应急配电板开关的选择性曲线
表4 轴发与照明变压器、应急配电板开关选型
表5 柴发与照明变压器、应急配电板开关选型
图4 柴发分别与照明变压器、应急配电板开关的选择性曲线
本文针对船舶电力系统短路电流计算问题，首先讨论了短路电流形成的机理和国内外关于短路电流的计算规范。在此基础上给出了船舶电力系统短路电流计算应用实例，通过ETAP 软件对某多端母排的船舶电力系统进行建模，并通过软件计算验证。基于计算结果，本文确定了重要设备的保护开关，并验证了选择性保护的完全性。
该结果表明，通过ETAP短路电流仿真计算，能够为船舶电力系统设计提供依据，具有实际应用意义。
[1] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京: 人民交通出版社.2021.
[2] 周海.王思征.柏峰.征宇.刘启蒙.一种改进的船舶电力系统短路电流计算方法研究[J].电工技术. 2018 5（下）期.
[3] 王鹏．船舶电力系统短路电流计算研究[J]. 船舶, 2005(1): 39-24．
[4] 王农宝，赵殿礼，张春来．船舶电力系统短路电流的研究[J]. 大连海事大学学报, 2008, 34(S1): 73-75．
Calculation of short-circuit current in power system of multi-busbar rescue ship and selection of circuit breaker
Guo Junwei, Zhang Hong, Wang Feng, Wen Jing
(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China)
U665
A
1003-4862（2023）02-0069-04
2022-07-20
郭骏为（1990-），男，工程师。研究方向：船舶电力系统设计。E-mail：gjwsg29@163.com
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