短路电流计算

船舶电站第六章 舰船电力系统短路电流计算 第三节 短路电流的国家标 准计算 一、概述 由于船舶电力系统不是“无限大”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。我国经多年研究于1983 年 10 月批准实施国家准船舶交流电力系统短路电流计算 GB-3321，它与国际电工 委员会IEC出版物规定的计算方法等效，并作了一些补充。 因为船舶电力系统不是无限大，当电力系统短路时，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 路过理中是衰减的。在计算短路电流时，必须先画出计算电路和等效电路确定短路点。选择短路点的原则是该点短路后流过 所选择、整定或校验的电气设备的电流为最大。确定短路点之后，需要知道各元件阻抗进行电路简化，计算出综合阻抗，然后 求出短路电流。 二、基本计算公式 根据电机学课程分析，同步发电机下扣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 相角时，此时发电机的短路电流变化曲线如图4-4 所示。 1.交流同步发电机短路电流基本计算公式 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位，并按定子电路的时间 常数指数衰减相加而成。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 4-5 所示。图中虚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框绕组、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 3 个绕组互相之间有电磁作用，因此交流同步发电机短路的电磁过程是相当复杂的。在发电机突然短路初瞬，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 ，短路电流交流分量很大，这是次暂态过程。 短路后约径 2-3 个周波，如图 4-5b所示，此时阻尼绕组中感生的电流已经衰减，电枢反应磁链 的铁芯，磁阻减小些，电抗增大为，短路电流减小些，这是暂态过程。 与主磁 能穿过阻尼绕组 被赶到气隙中流通图 4-5a， 磁阻很大， 电抗很小即 再过一些时间，约十几个周波，如图 4-5（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 链一样穿过整个转子的铁芯，磁阻减小，电抗增大为，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”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 变分量 过渡到暂态的变量。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 指数衰减，暂态分量按励磁回路的时间常数 、暂态交变分量 与指数衰减。 和稳态交 。次暂态分量按阻尼回路的时间常数 取出一相（如 A 相）来分析；设 A 相电势 交流三相同步发电机空载机端短路电流有以下五种； 1）次暂态对称短路电流初始（有效）值 则 式中发电机额定线电压； 发电机额定线电压 发电机电枢电阻 发电机直轴次暂态电抗 2）暂态对称短路电流初始（有效）值 式中 （4-11） 发电机直轴暂态电抗。 3）稳态对称短路电流有效值 式中 （4-12） 发电机同步暂态电抗 4总非对称短路电流 ig因为对交流同步发电机而言，发电机电枢电阻Ra 非对称短路电流 ，则短路初暂功率角，得总 （4-13） 式中发电机直轴次暂态短路时间常数； 发电机直轴次态短路时间常数； 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 的对称短路电流也随着时间从次暂态至暂态衰减，直至最后到稳态。 与无穷大电网比较，同性近似认份交流同步发电机在初相角θ0 时，可求的最大非对称短路电流，即 5）最大非对称短路电流 （4-14） （4-15） 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 个周波的短路电流时，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 式中短路电流对称分量； （4-16） 短路电流直流分量，亦即短路发生后第一个半周期时发电机馈送的对称短路电流。 kA（4-17） 上式为发电机空载时的情况。当短路故障发生在发电机额定负载时，即在额定电压、额定电流、额定功率因数下，发 电机馈送的对称短路电流可在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 kA （4-18） 这是因为发电机在额定负载情况下，相电势E 大于相电压，而在缺乏资料情况下，取1. 1VN。 在计算发电机负载情况下，短路最大非对称短路电流不必使用1.1 系数。 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，一般增大不超过1。 2.交流感应电动机短路电流的基本计算公式 对于船舶电力系统而言，运行中的电动机也是短路电流的重要供给源。这是因为当发生短路时，电力系统已不再向电 动机供电，但电动机靠惯性继续运转，在发生短路后的第一个半周期，转速可看作没有变化，同时和转子导体相交链的磁链没 有消失，因而有三相电势产生，向短路点馈送短路电流。可用与交流同步发电机相类似的公式来计算电动机馈送的短路电流， 所不同点在于电动机不存在稳态短路电流。 电动机最大非对称短路电流在短路发生后的第一个半周时出现 式中电动机暂态电抗 4-19 电动机定子电阻； 电动机暂态短路时间常数； 电动机非周期短路时间常数。 3.最大短路电流计算 如前所述，为了选用配电电器和校验电力系统中元件的电动力稳定性，需要计算最大短路电流，对此，国标规定，应 计及对于船舶电站最大负载工况下 1所有可能并联运行的发电机包括短时转移负载的发电机所馈送的短路电流。 2所有运行中的电动机所馈送的短路电流。 对于1点，是指船舶在最大负载工况下， 若有 q 台发电机并联运行， 则考虑 q1 台，英国劳氏船级社明确规定包括备用发电机。 4.最小短路电流计算 最小短路电流是指在船舶电站中，在最小发电机供电情况下，该最小发电机所馈送的对称短路电流；对某一馈电线而 言， 应是最小发电机供电情况下。 在它的末端发生短路时的对称短路电流， 即在最小工况下， 线路末端短路的对称短路电流。 最小短路电流的计算是校验开关和短路保护设计所需要的。 5 计算步骤 1国标规定，先分别计算发电机和电动机各自馈送的短路电流，然后将两者算术相加求得所需计算的短路电流。 2国标规定，短路电路阻抗的计算仅计及发电机、电动机、变压器及电缆的阻抗。而忽略汇流排、电流互感器等元件 的阻抗，也不计及连接点的接触电阻及短路故障本身的阻抗。 我们所考虑的短路是金属性短路直接连接，而不考虑电弧性有电阻的短路。 三、邻近主汇流排处最大短路电流计算 1.发电机馈送的短路电流 当发电机端至主汇流排之间的线路