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商船电力系统短路电流的一种系统性计算方法
苏春林，工程师协会会员 林纯玉，台湾高雄国立高雄海洋大学海洋工程系 李程程基本设计部分台湾高雄CSBC公司设计部门
摘要：短路电流计算是船舶电力保护系统设计的重要内容。在过去，船舶建造公司使用了一种适用的短路电流分析船舶电力系统。然而，近年来，环保意识和经济上的担忧促使船舶终端用户对未来船舶的节能减排提出了解决方案。认识到这一趋势, 造船工业已经引进了电力转换器连接的发电机和电动机，以及替代的海上动力源(AMP)，用于现代商业船舶的规划和设计，以减少燃料和运营成本，以及在泊位时的空气污染排放。为了准确地计算短路电流和确定保护装置的正确等级，设计了新的方法来精确计算短路电流。本文提出了一种基于IEC 61363-1标准的系统方法，用于在故障条件下，用AMP和电力转换连接的电机在不同的电力系统中，对不同的电力系统的短路电流进行评估。为了便于分析而开发了一个具有友好用户界面的计算机辅助分析程序。介绍了两种采用轴带发电机和放大器的实用冷藏集装箱船电力系统的试验结果，并对该方法的有效性进行了验证。
关键词：海船，电力系统，短路电流，保护装置，可替代海洋能源，轴带发电机，电力能源系统。
I.介绍说明:
规划设计船舶电力系统时要求许多系统性分析来评估系统在正常和非正常工况下的操作表现，可靠性及安全性。这些主要包括负载，可靠性分析，电机启动，瞬态分析，接地和谐波分析。电力系统工程师在安装电气设备时选择必要的分析研究是很重要的。对所有的船舶电力系统设计者而言，合理的保护是十分关键的。在最初的系统设计时期，各种参数在电气设备中并未有相关要求，而通常是在不同的工作状态下进行必要的评估以选择合适的保护设备。在系统基本设计完成和电气设备参数确认之后，短路电流计算用于确保一定的热容和电子设备在暂态工作的可靠性及选择合适的熔断器，因此提供必要的数据要求有合理的系统的设计。
电力系统的设计和应用应该尽可能的确保所有可能的预防性措施都在计划之中以减少系统的短路故障。在系统不同的位置计算分析短路电流故障决定保护设备和装置的合适能力以减少设备的使用范围和花费。短路电流的精确计算决定了保护装置的容量。一个合适的保护装置应能在事故时及时经济的断开短路线路。设计系统时，应考虑分析系统中所有可能的故障地点以决定合理的能量分配方案和保护装置，保证船舶安装的电力系统装置能够高效及时的限制并切断故障线路。
对于远洋航行船舶和靠港船舶在发电机电力系统计算上有一些相应的联系。船用发电机的阻抗被用于短路系统的讨论中。一个新的基于MATLAB/Simulink仿真模型用于计算不同操作工况下船舶短路电流的计算和电网的分配。基于短路电流计算的windows 程序被用于以不同的模型计算海船在不同工况下电流短路情况和比较分析。
现存的用于海船短路电流计算的方法中系统主要部分包括主流传统柴油机驱动的发电机和机械驱动电动机泵系。然而，由于排放和控制要求，目前越来越多的机械泵系和柴油发电机系统采用固定式开关设备。另外，绿色港口观念已经被船舶使用者所认可，以及一些岸电和可替换航海能源被写于船舶航行计划中以减少船舶停泊和航行对环境的污染排放。这些能源和环境保护措施已经驱使着船舶建造者改良现行的短路电流计算方案和船上新设备短路作用效果。
为了获得更好的短路电流分析数据以致能反应出船舶电力系统的实际应用水平，此文提供了一种基于IEC 61363–1标准的短路电流计算方案。商船中电气主要设备和可替换电力方案中断路电流都已经学习过。为了帮助分析，一个更为友好的人机交互电脑分析程序由此而来。并选择两艘低压和中压电力系统的集装箱船来举例使用和验证它的效用。
II.船舶电力系统短路电流计算：
A.同步发电机和感应电动机短路电流计算
当三相同时短接在一起时发生三相短路电流。包括直流和交流组成部分的电流的每一相随时间变化而作用。交流电流短路衰减取决于通过转子线圈和励磁绕组产生的机械次瞬态和瞬态持续时间的阻尼效应。直流或非周期短路电流取决于直流电流持续时间。
为了准确计算短路电流，短路电流随时间变化的性质和机械特征必须考虑其中。在计算中系统被分为主要部分如发电机和电动机，及次要部分如电缆和变压器。主要部分是短路电流的源点，而次要部分则是将短路电流从源点传送至故障点的传输线路。每一部分都被从特征参数表现在数学模型公式中。对于系统中的短路电流，同步发电机和异步电动机在起始转数基本为零的情况下是两个引起高短路电流的本源。
在计算短路电流时，只有最高电流值才被考虑。故障前机械运行在额定负载，电压，频率，功率因数在时间t=0和t=T/2短路情况下上包络线随时间复杂变化运转产生短路电流的峰值。总的来说可以接受在短路条件下第一个半圈 (t=T/2) 的电流峰值 ，即：
(1)
这里T为周期， 和分别是 AC 和DC回转机械短路时组成时间函数。对于同步发电机，AC组成函数值 表示为分别在通过纵轴的次瞬态和瞬态持续时间 和 定义下的在次瞬态和瞬态期间次瞬态，瞬态和稳态的电流。
发电机直流和交流组成时间函数值 和可以被估算为以下：
（2）
（3）
这里 和 是发电机短路电流次瞬态和瞬态的初始值，可以利用各自主电压后面的阻抗分别估算。是发电机稳态电流短路值，一般可以从出厂说明得出且缺省值且一般为额定电流的三倍。I0 和 Phi;0为发电机正常态下额定电流和相位角。是发电机直流持续时间，包括次要部分。
对于感应电动机，直流和交流组成时间函数和取决于次瞬态响应，可从以下公式中估算：
（4）
（5）
其中是电动机次瞬态短路电流，取决于短路时电动机终端电压，电流和功率因数。和是条件工况下电动机额定电流和相位角。和分别是电动机次瞬态和直流持续时间，可以由电动机次瞬态电抗和阻抗决定。
为了完成船舶电力系统随时间的变化的计算，包含许多并联的重要设备，例如发电机和电动机，相同发电机的使用描述。相同发电机短路电流计算可由（2）和（3）计算。电动机分为小型电动机（lt;100kv）和大型电动机(gt;100kv)，一组小型和大型电动机连接于同一分配节点被认为是相同的分配节点信号。一些电动机直接连接于主汇流排并且被认为分解的短路电流源由（4）和（5）计算出。
B. 发电机和电动机电力设备应用产生的短路电流计算
在先进的电控开关和半导体应用下，用柴油机通过转换器同时驱动螺旋桨和发电机的轴带发电机得以应用。他们能够产生巨大的电能。例如，在一定条件下，他们产生的电能可以满足船舶电气设备的用电需求，以减少柴油发电机的使用进而减少燃料的消耗和不必要的花费。此外，通过变频器驱动的电动机在船用泵的应用中越来越多地应用于提高能源效率和控制性能。当计算短路电流时，故障发生时轴带发电机和电动机产生的短路电流应被同时考虑进去。
在近海和航行中很少有文献显示通过变频器连接的发电机和电动机的短路电流特性。同样类似于陆上和海上应用的风力发电系统的文件。精确计算发电机和电动机产生的短路电流通常需要特别考虑逆变器的特性和保护功能。为了模拟轴带发电机随逆变器短路电流变化特性，下图1的模拟发电机线路图用于此项研究中。
在图1中，同步发电机的电输出功率通过逆变器整流并转换为稳态有功功率，同时所求的由同步电容器产生的无功功率是一种具有功率因数控制能力的同步电动机。如图1考图1所示，一种具有自换向逆变器的轴带发电机系统的通用方案。
虑轴带发电系统产生的短路电流的计算，假定发电机利用低压保护的自动换向逆变器能够在故障发生时最大1ms之内使电源开关设备切断。这意味着当电源输出终端发生短路电流时，电源开关能够通过机械保护装置及时切断电源当输出电压降低至0或给定值以下时。在这种情况下，由发电机产生的短路电流受到快速作用的限流装置的限制，短路电流的主要来源只能是同步电容器。因此，当计算由变频器连接的轴带发电机系统产生的短路电流时，它只用考虑同步电容器对短路电流的影响。如果不被工程师或船级接受，发电机的峰值短路电流可以假定为几次，例如1.5或2次，发电机的额定电流。此外，当短路在逆变器端子上进一步发生时，在计算中应包括连接电路的阻抗。
当考虑电机与VFDs的短路电流时，关键是要了解变频器方案，并确定电机在何种条件下对系统短路电流的贡献。一般来说，只有当变频器由双向功率电路拓扑结构组成时，变流器电动机才能对短路电流作出贡献。短路电流只在电机控制系统的再生制动操作中使用的倒置模式下进行，同时控制整流电路作为换向变频器。所提供的短路电流的值将取决于电机的转速，并且电流的大小会随驱动电机的转速下降而下降。
C. 岸电连接短路电流的计算
岸电连接是在泊位向船舶提供岸上电力的过程中它的主引擎和辅助引擎都关闭了。当船舶装货或卸货时，它允许紧急设备，制冷，冷却，加热，照明和其他设备获得持续的电力。这就消除了船舶在停靠时需要燃烧化石燃料的需求。它能即时减轻船上排放的污染并且允许那些由于商业运行压力有困难做维护计划的船员拥有更全面的保养计划。在这种观念下，岸电提供的电能可以满足船舶货物装载机械和人员生活的需求。因此，商业船只在港岸电连接板断路器的最大容量取决于在港船舶作业需求的运转机械容量和港口岸电系统的短路容量。例如，4 MVA和7.5 MVA用于洛杉矶和长滩港口的一些终端。当在船舶的岸上连接板上确定适当的保护装置时，短路电流分析可能是复杂的。最简单、最直接的方法是利用船上发电机断路器的破坏和制造能力来代替复杂的计算。
III. 分析研究
为了评估不同总线的短路电流，包括主配电板、分配电板、配电板或通过变压器馈电的配电板，系统短路电流计算应建立于基于上述电力系统组成模型，包括由连接到系统的所有电机和发电机提供的短路电流。对于系统的计算，在系统组件终端上计算时变短路电流的公式被优化包括对主汇流排，分配电板和配电板连接系统的有源元件的电缆和变压器的影响。
由于复杂的原因，标准表明简化或近似计算可用于计算效率的考虑。出于此种原因，提出了一种基于系统分析的计算程序，以考虑系统计算的所有要求。整个计算过程描述如下：
步骤1-系统定义和问题：一个基本的系统研究图区别所有主要的组件。定义了能产生短路电流最高值的操作条件，并且这些计算是为了确定系统设计中包含的保护装置能够防止这种理论上非常严重的情况发生。
步骤2-部件特征参数的识别：在这个步骤中，系统研究图和系统参数中各组成部分的所有相关特征参数包括额定频率和电压都被说明并应用于计算。
步骤3-主汇流排上发电机贡献短路电流的计算：通过增加发电机的阻抗，在这一步骤中考虑了与发电机串联的电缆的影响。首先，计算所需的起始瞬态和瞬态时间常数被修订为包括将发电机与主汇流排连接的电缆的附加阻抗，以形成组合的时间常数。然后通过(1)、(2)和(3)利用组合时间常数对主汇流排产生的短路电流峰值进行计算。
步骤4-主汇流排上电机贡献短路电流的计算：除了发电机，系统中电机产生的短路电流也包括在计算中。根据电机连接位置，有两种常用的计算电机电流的方法。电机直接连接到主汇流排和分配电板或次分配电板情况，根据它的容量，它所提供的短路电流可以近似为其额定电流的几倍。对于一个相当大的电机，它直接连接到主汇流排的情况下，它所产生的短路电流被建模为一个独立的电流源，并加入电机与主汇流排连接的电缆线的阻抗通过(1)、(4)和(5)，计算出电机在主母线上的短路电流的峰值。
步骤5-在发电机端和主汇流排处短路电流计算：对发电机端子和主汇流排的短路电流已经进行了评价。用于主汇流排上的短路电流，每台发电机和电机产生的短路电流的交流和直流分量分别在第3步和第4步计算，并通过（1）用算术方法来计算短路电流的峰值. 对于第i个发电机，采用与主汇流排相同的计算方法，对该发电机端的交流和直流分量和短路电流峰值进行了评价，但不包括它自己对短路电流的贡献。
步骤6-在主汇流排上确定一个等效电机作为短路电流源的来源：为了计算出离主汇流排很远的配电板或分配电板的短路电流，利用等效发电机技术可以将不同特性和等级的电动机等效为可以产生与它所取代的活性部件相同的短路电流等效替代。为此，通过首先计算每个电机的主汇流排上的短路电流来计算等效电动机短路电流如步骤4所述。然后将单个短路电流进行算术求和，以确定总短路电流的交流和直流分量。然后利用该结果确定等效电机的特征参数，如等效电机的次瞬态电流、次瞬变阻抗、时间常数、电阻和电抗，它们将产生与上述计算相同的短路电流。
步骤7-确定主汇流排上的等效发电机作为短路电流源的来源：在主汇流排上计算了每个发电机和等效电动机的时变短路电流，在步骤3中列出。通过计算每个发电机和等效电机产生的单个短路电流，计算出总短路电流的交流
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