3第三章船舶交流电力系统的短路计算.docx
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3第三章船舶交流电力系统的短路计算
第三章船舶交流电力系统的短路
计算
本章主要内容
•短路电流计算的目的及短路分析
•短路电流的估算
•交流发电机、电动机馈送的短路电流计算
•邻近主汇流排处的短路计算和远离主汇流排处的短路计算
•电抗、电阻、阻抗和时间常数的计算与换算•船舶交流电力系统短路电流计算应用举例•断路器参数和母线的选择
第一节概述
在船舶电力系统实际运行中,短路故障难以避免,绝缘的自然老化、机械损伤、战斗和误操作等都可能造成短路的发生,当船舶电力系统中主母线附近发生短路时,将出现比正常
值大许多倍的短路电流。
短路故障时系统的总阻抗很小,在短路计算时,一般考虑最严重的短路情况,即金属性短路。
此时系统短路阻抗与短路点的位置有关,短路点距电源越近,则系
统的总阻抗就越小,短路电流值也就越大。
即使短路所经历的时间很短,强大的短路电流所产生的机械应力和热效应,也能使发电机及其他设备遭破坏。
此外,短路电流还会使电网电压大幅度降低,使设备的工作受到影响,以致使正在运转的电动机停止运转。
在进行船舶电力系统设计时,必须充分估计到系统可能发生的短路故障,以便选择合理的配电方式和保护装置,保证
船舶主要电气设备能承受短路电流的冲击,能快速有效地切
断短路故障,把短路故障的影响限制在最小的范围。
船舶电力系统短路计算的目的如下。
(1)校验所选用的开关电器(如断路器)的短路接通能力和短路分断能力。
(2)校验汇流排等器件的电动力稳定性。
(3)校验所选电气设备(如开关,母线)的热稳定性。
(4)为电力系统选择性保护的设计和整定提供依据。
(5)确定是否需要采取必要的限流措施。
短路可分为:
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。
陆地上电力系统因采用架空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率最大,这也是我们研究的重点。
至于发生不对称短路时,其短路电流可按下列方法处理。
(1)发生两相短路后,第一个半周时的短路电流,可取相应的三相对称短路电流值的0.866倍。
(2)在中性点接地的船舶交流电力系统中,发生单相短路
后,第一个半周时的最大短路电流,可近似为相应的三相对称短路电流值。
交流系统典型短路电流计算方法,有国际电工委员会、中国国家标准、中国国家军用标准、“劳氏”船级社以及美国海军标准等规定的方法。
这些方法都离不开电机的基本理论,因此它们在本质上并没有很大的差别,只是对发电机短路电
流交流分量衰减的处理,电动机馈送短路电流、短路电流的合成方法以及计算精度有所不同而已。
由于交流电力系统短路电流计箅的方法很多,限于篇幅,本书仅介绍国标“GB3321-82”规定的计算方法,它适用于民用船舶交流电力系统的短路计算。
我国军用舰艇交流电力系统的短路计算,应按“GJBl73-86”规定的方法计算。
国标''GB3321-82”规定的交流系统短路电流计算方法,
是以IEC(国际电工委员会)第363号出版物规定的标准为基础制定的,该方法较全面地考虑了短路电流在次暂态(超瞬变)
过程中的衰减,考虑了外部线路阻抗对时间常数的影响,因此
比较接近船舶交流电力系统短路的实际过程,是一种较精确
的短路计算方法,特别是在邻近主配电板处发生短路时,计算
结果最为准确。
在计算远离主配电板的短路电流时,其计算结果偏大,实际上我们所关心的重点是邻近主配电板那些短路点的短路电流值,因为这些短路电流数值大、电器设备多、影响面大;而远点的计算结果偏大,对实际选择电器及保护整定不会造成太大问题。
第二节短路电流
为了便于理解船舶电力系统短路的物理过程,我们首先
来了解无限电源系统短路过程,然后再来分析较为复杂的船
舶有限电源系统的短路过程,这样将会容易些。
一、无限电源容量系统的短路分析
假设电力系统三相交流电路是对称的,我们只要研究短
路后,其中一相电流暂态过程的变化规律,便可了解整个三相
交流电路的电流、电压的变化规律。
1•无限电源容量三相交流电路的短路电流
图3-1为“无限大”系统短路的等值电路(单相),e为电源电动势丄和R为短路回路的综合电感和电阻,且
e、2Esin(t)
当合上开关Q时,“无限大电源容量”电力系统发生短路,其
暂态过程可用微分方程式来描述,即
e(t)R(t)L警(3-1)
dt
根据eV2Esin(t),先求得式(3-1)妁通解,再根据初始
条件t=0时,i=0,求得i(t)的特解,即
1
i(t)2Isin(t)J2lsin()eTdeiacidc
(3-2)
式中I——短路电流交流分量有效值
EE仆、
R2(L)2、R2X2(A)
E――电源电动势有效值,v;
Ltan
R
Tdc——时间常数,s;
Tdc
角速度,rad/s;
f――频率,Hz;
――短路瞬间电压相位角(合闸相位角),rad;
——短路电路功率因数角,rad;
arctan-
R
从式(3-2)可以看出,交流电路的短路电流由稳态交流分量(即周期分量iac)和直流分量(即非周期分量idc)两部分组成。
直流分量随时间而衰减,交流分量与直流分量合成三相短路全电流,其为非对称短路电流。
短路电流的波形如图3-2所
示。
2•短路电流交流分量
式(3-2)右边第一项为短路电流交流分量,即
(3-3)
iac(t)2Isin(t)
从式(3-3)和图3-2波形中看出
(1)交流分量是一个稳态值,是正弦交变的周期函数,其最大值为「21;
⑵短路瞬间(t=0),短路电流的交流分量(即短路周期分量初始值)为
iac(O)2Isin()(3-4)
式中看出,其值取决于I、和值;
(3)发生短路后,各不同时间短路电流交流分量瞬时值不
同,当.2Isin(t)1时,其值最大
iacm'、21
最大值发生在
t2k(3-5)
处,当k=0,1,2,3,…时出现。
3•短路电流的直流分量
在式(3-2)中,右边第二项表示短路电流的直流分量,即
丄
idc(t)2Isin()eTdc(3-6)
从式(3-6)和图3-2波形中看出:
(1)短路瞬时(t=0),短路电流的直流分量为
idc(0)2Isin()(3-7)
该值大小与I、、有关,与短路瞬时短路电流交流分量
iac(O)\2lsin()大小相等,方向相反;
⑵直流分量随着时间的增加而衰减,衰减快慢取决于时
间常数Tdc(L)或tan(—);
RR
(3)当sin()1,即合闸初相角0,-(arcta^),
2R
当L>>R时,idc(0)为最大值,2I,亦即得到非对称最大峰值,0为非对称最大峰值合闸相位角。
4.非对称短路电流的最大峰值
非对称短路电流最大峰值一般被称为冲击短路电流,从
短路电流波形可近似地认为在非周期分量初始值为最大值
时的相位角-,且对称短路电流为最大时,即t或
‘T
t时,亦即在短路发生后第一个半周期出现(当f=50Hz时,
半个周期为t
T
2
0.01s)。
因为
i(t)iac
■
idc
、、2Isin(t)
t
\2lsin()eTdc
\2Isin(t
t
「21sin(-)eTdc
2
t
「21cost「2IeTdc
所以,最大非对称短路电流
Ip\21cost、2letan4,2letan「2(1etan)I
(3-8)
我们所关心的最大非对称短路电流是在t时出现
的短路全电流,它的值是对称有效值的倍数n。
亦称为冲击系数。
nX2(1etan)
(3-9)
冲击系数n与短路电路功率因数角有关,其值在1.41〜
2.82间变化。
二、船舶有限电源容量的短路分析
由于船舶电力系统的电源容量有限,不是“无限大电源容量”电力系统,用前述方法计算短路电流虽然简单,但误差可
达30%〜40%,且其值离电源愈近误差愈大,因此,无限电源容量电力系统的短路计算不适用于船舶电力系统的短路计算。
对于船舶电源容量有限的电力系统,当短路时,其电源端
电压不能视为不变,短路电流周期分量幅值在短路过程中是衰减的,其短路电流的变化规律如图3-3所示。
根据电机学理论分析,同步发电机三相突然短路最严重的情况,是发电机空载(不考虑励磁电流变化时)、且电压的起始相角0时。
此时从图3-3中可知,短路电流是交变分量和
直流分量(因定子电流不能突变而产生,其初始值等于交变分
量的最大值,并按定子电路的时间常数呈指数衰减)相加而成
的。
短路电流的交变分量在短路初期很大,此后逐渐减小。
这
是因为电枢反应磁链所经过的磁路在改变,如图3-4所示。
图
中粗线表示电枢反应磁链(因为磁链为对称分布,图中只画出
右半部)。
交流同步发电机一般有三个绕组:
定子上的电枢绕组、转子上的励磁绕组和阻尼绕组。
在发生三相对称短路故障后,此三个绕组互相之间都有电磁作用,因此交流同步发电机短路的电磁过程是相当复杂的。
在发电机突然短路的瞬间,由于阻尼绕组和励磁绕组感
生电流和磁通阻止磁链突变,而使发电机电枢反应磁链ad赶
到气隙中流通,如图3-4(a)所示,呈现出磁阻很大,电抗很小(即Xd),短路电流交流分量很大的状况,这是次暂态过程,或称超
瞬态过程。
短路后约经2〜3个周波,如图3-4(b)所示,阻尼绕组中感生的电流已经衰减,电枢反应磁链能穿过阻尼绕组的铁芯,磁阻减小些,电抗增大为Xad,短路电流减小些,这是暂态过程,或称瞬态过程。
再过一些时间,约十几个周波,如图3-4(c)所示,励磁绕组
中感生的电流已衰减掉,此时电枢反应磁链ad与主磁链
样穿过整个转子的铁芯,磁阻减小,电抗增大为Xd,短路电流
进一步减小达到稳态最小值,这是稳态过程。
从上面分析可知,与“无限大电源容量”电力系统相比,交流同步发电机在短路过程中,电抗值不是常数,而是一个从
次暂态Xd过渡到暂态Xad的变量。
这就是说,发电机短路电流的交变分量分别为次暂态交变分量Ig、暂态交变分量Ig和稳
态交变分量Ig次暂态分量按阻尼回路的时间常数Td呈指数
衰减,暂态分量按励磁回路的时间常数指数衰减。
1•交流同步发电机短路电流基本公式
取出一相来分析,设相电势
e\2Esin(t)
同样,可根据电压平衡方程式,解微分方程求得其全电流表达式
tt
ig2[(lgIg)eTdlg]sin(t)2Igsin()eTaiacgidcg
(3-10)式中Td——发电机直轴次暂态短路时间常数;
Td――发电机直轴暂态短路时间常数;
Ta――发电机非周期时间常数。
与无穷大电网短路电流比较,船舶交流电力系统短路电
流同样有对称周期分量iacg和非周期分量idcg两部分,只是它
的对称短路电流还随着时间从次暂态向暂态衰减,直至最后
到稳态。
对交流同步发电机而言,因为发电机电枢电阻Ra«Xd,则
短路初暂功率角2,与无穷大电源容量电网比较,同样近似
认为交流同步发电机在初相角0时,可求得最大非对称短
路电流,即
t
ig2[(IgIg)eTd(Ig
t
lg)eTlg]cost2lge
Td
Ta
iacgidcg
(3-11)
此时短路全电流波形正如图
3-3所示。
2•次暂态对称短路电流初始(有效)值Ig
EVn
Un幕(V)
Ig
式中
Vn
X2r2(kA)
XdRa
Un――发电机额定线电压
(3-12)
Vn
发电机额定相电压
V;
V;
Ra发电机电枢电阻,
Td
发电机直轴次暂态电抗,m。
3•暂态对称短路电流初始(有效)值Ig
(3-13)
IVn
9,Xd2R;(kA)
式中,Xd为发电机直轴暂态电抗
4.稳态对称短路电流(有效)值Ig
IVn
IgXR(kA)(3-14)
■■■入dRa
式中,Xd为发电机同步暂态电抗。
5•最大非对称短路电流Ipg
由图3-3可知,最大非对称短路电流约在t,即在
t2今时出现,代入式(3-11)得
TTT
ipg2[(IgIg)e2Td(IgIg)e2TdIg]2Ige2Ta
(3-15)
因为我们关心的是短路后半个周波出现的最大瞬时值,
在短路后2~3个周波时,暂态短路电流还没有(或刚刚开始)衰减,故在实际工程计算中,忽略暂态短路电流的衰减时间常数,而近似计算
TT
ipg2[(IgIg)e2TdIg]2Ige2TalacIdc・2lacogIdcg
(3-16)式中Iac――短路电流对称分量;
Idc――短路电流直流分量(非对称分量),亦即短路发生
后第一个半周时发电机馈送
的对称短路电流。
acog
dg
T
Ig)e2Td
(3-
上式为发电机空载时的情况。
当短路故障发生在发电机
发
额定负载时,即在额定电压、额定电流、额定功率因数下电机馈送的对称短路电流,可用发电机空载情况下的对称短路电流值乘以适当的系数求得。
这个系数取决于发电机的特
性,在缺乏确切资料的情况下,可取1.1,即
acg
1.1I
acog
这是因为发电机在额定负载情况下
(3-18)
相电势E大于相电压,在
缺乏资料情况下,取E=1.1VN
在发电机带负载情况下,计算短路最大非对称短路电流
不必使用系数1.1
上述短路电流基本公式是在他励情况下得出的,同样适
用于自励交流同步发电机。
研究结果表明,自励同步发电机短路发生后第一个半周时的短路电流,大致与他励同步发电机
相同,一般增大值不超过他励同步发电机的1%。
三、短路电流粗略估算
在缺乏资料的情况下,对船舶电力系统在主配电板附近发生短路时的最大短路电流,可按《钢质海船入级与建造规范》2.3.2.5条规定,作如下粗略估计。
主配电板附近发生短路时,最大对称短路电流有效值为满足最大需要功率,而可能是并联运行的所有发电机额定电流的10倍,再加上需要同时投入运行的所有电动机额定电流的3倍(对称有效值),短路功率因数假定为0.1。
即
(3-19)
式中
Iac
INg
Iacg10
INg
0.1
cosK最大对称短路电流有效值;
所有并联运行的发电机额定电流之和;
INM——所有同时投入运行的电动机的额定电流之
和;
cosK——短路功率因数。
最大非对称短路电流值与短路功率因数有关,如图3-5所
示。
IPf(cosK)IacnIac
(3-20)
式中IP——最大非对称短路电流;
n峰值系数。
当短路功率因数为cosK=0.1时,由图3-5的曲线查得其
峰值系数为n=2.45,此时
IPnIac2.45Iac
第三节短路计算系统图和标幺值
在计算短路电流时,首先必须选择计算工况和短路计算点,并画出短路计算系统图,然后根据国家船舶规范规定的方
法进行计算。
一、短路计算工况的逸择
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;发电机组的起始负荷最大。
二、短路计算系统图的绘制
短路计算系统图应根据所选计算工况和船舶电力一次系统图绘制,通常采用系统单线图。
计算图中包括:
1.并联工作的发电机;
2.用一个等效电动机表示电动机负载;
3.相应的导电部分,如开关、电器和变压器等;
4.所选择的短路计算点。
图上应标注发电机的型号、额定功率和额定电压,开关电器的型号、额定电流,电线和电缆的型号、数量、截面和长度等效电动机和其他元件的主要技术参数。
三、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及电路的阻抗决定的,而且和短路点的位置有很大关系。
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。
图3-6为某万吨级货轮简化后的系统单线图。
因突然短路时,所有工作电动机都依靠惯性继续旋转,发出电势,也对短路点供电,所以图中用一等效电动机M来表示。
当校验母线的动稳定性或开关1(最大用电设备开关)的断流容量时,可选图中1号开关旁B2点短路。
此时所有工作发电机和除1号开关供电的设备之外的所有工作电动机都经过母线及1号开关向B2点供电。
如果短路点选在开关1的左端,则所有工作发电机和工作电动机(1号开关供电的设备除外)供给短路点的电流都不经过1号开关,这样的验算就不合理了。
在校验发电机主开关2的断流容量时,应选A点。
因为A点短路时另两台工作发电机和所有工作电动机都经过2号开
关向短路点供电。
如选2号开关靠近母线端短路时,只有G2经过开关2向短路点供电,显然不是最严重的情况。
同理,当校验主配电板汇流排的电动力稳定性时,应选点
B1,校验分配电板上的开关3和4时,应分别选开关附近的C点和D点。
四、标幺值(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,为了计算方便,通常不用其实际的数值表示,而是采用称做
标幺值的相对单位值来表示。
标幺值=
实际值
基准值
(3-21)
已知或求得标幺值之后,也可由上式求得实际值,它等于
标幺值与基准值的乘积
船舶电力系统的发电机、电动机、变压器等设备,其产品目录参数的标幺值是以设备的额定值Sn、Un作为基准值而求得的。
例如同步发电机的参
数Xd、Xq、xd等,都是以额定值
Sn、为基准值的标幺值。
以额定值作为基准值的标幺值称额
定标幺值,额定标幺值的表
达式为
Un
iN
In
Sn
S
SN
上式中下角注有“N”是表示这些量值是采用额定值作为基准值的标幺值。
各物理量的标幺值乘以100%,便是百分
值。
第四节发电机馈送的短路电流计
一、发电机的对称短路电流
根据前面的分析,同步发电机三相突然短路最严重的情
机的短路电流由交变分量和直流分量相加而成。
况,是在发电机空载并且电压的起始相角
0时。
此时发电
为了便于计算,工程上通常近似地将整个过渡过程分成三个阶段:
次暂态阶段、暂态阶段和稳态阶段。
次暂态分量按阻尼绕组回路的时间常数7;呈指数衰减;暂态分量按励磁绕
组回路的时间常数Td;呈指数衰减。
短路电流的最大瞬时值约在短路后半个周期出现,当发
电机的电压频率仁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,暂态
短路电流还没有(或刚刚开始)衰减,可以忽略暂态短路电流的衰减时间常数。
因此,当发电机在空载及额定相电压情况下在发电机输出端发生短路时,其次暂态对称短路电流初始值
和暂态对称短路电流初始值分别为
IVn
IglX2R2(kA)(3-22)
\XdRa
IVn
山/X2R2(kA)(3-23)
\入dRa
短路发生后第一个半周时发电机空载对称短路电流为
acog
(lg
Ig)e2TdIg
(3-
式中Vn——系统额定相电压;
Xd,Xd――分别为发电机直轴次暂态电抗、暂态电抗
Ra——发电机电枢电阻
T――交流电周期(50Hz,T=0.02s);
Td――发电机直轴次暂态短路时间常数。
当带有负载的发电机发生突然短路时,由于初始电压较
大,虽然直流分量有所减小,但短路电流仍有所增大,可乘以1.1的系数,求得短路发生后第一个半周时发电机带额定负载的对称短路电流
lacgw(kA)(3-25)
二、发电机的短路电流非周期性分量
发电机在空载及额定相电压为VN的情况下,当发电机输
出端发生短路时,其短路发生后第一个半周时短路电流非周期性分量为
T
2Ta
lacgIge(kA)(3-26)
式中,Ta为发电机非周期分量时间常数
三、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'2IacogIdcg(kA)(3-27)
发电机在空载与额定负载下的最大非对称短路电流都
用上式求得。
四、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同样采用上述各公式,只要将上面公式中发电机参数Xd、Xd、Td,分别用
Xd、Xd、Td代替即可。
第五节电动机馈送的短路电流计算
对电动机群所馈送的短路电流,国家标准(GB3321-82)采
用等效电动机方法进行计算,即将所有运行中的电动机综合
成一台直接接至主汇流排上的等效电动机(忽略电动机至主汇流排之间的线路阻抗)。
该等效电动机的额定功率等于所有
运行中的电动机额定功率之和。
一、等效电动机各项参数的确定等效电动机额定功率、运行中的电动机台数q和平均等效电动机额定功率的求取,可按船舶电力负荷计算书进行计
算,但其中的等效电动机额定功率亦可取为实际运行中的发电机(不包括转移负载时短时工作的发电机)总额定功率的
60%。
在计算大容量电动机馈电线处的短路电流时,可不计及
该电动机本身的作用。
若由电动机的参数资料查得平均等效电动机的各项参
数分别为Xm、Rs、Tacm和Tdcm,则等效电动机相应的各项参
数分别为
X
m
入M
q
(mQ)
(3-28)
Rs虽
q
(mQ)
(3-29)
Zm|Jxm2rS
(mQ)
(3-30)
T=T
acM=1acm
(ms)
(3-31)
TdcM=Tdcm
(ms)
(3-32)
式中Rs,Xm,Zm
等效由k动机口定子由K日
暂态电抗、暂态
等效电动机L疋子电阻、
阻抗;
Rs,Xm
平均等效电动机定子电阻、
暂态电抗;
Tacm,Tdcm一一平均等效电动机暂态短路时间常数、非周期时间常数;
TacM,TdcM――等效电动机暂态短路时间常数、非周期时
间常数。
在缺乏确切数据情况下,等效电动机各项参数,可按下列规定选取。
1.当运行中的发电机
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- 第三 船舶 交流 电力系统 短路 计算
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