（电力系统及其自动化专业论文）船舶电力系统短路电流计算方法研究.pdf

哈尔滨1 ：稃大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t s h o r t - c i r c u i ti sau s u a lf a u l tw h i c hi so n eo ft h ef a u l t sd e s t r o yt h es h i p e l e c t r i cp o w e rs y s t e mb a d l y t h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o nr e s u l tc a n p m v i d en e c e s s a r yd a t af o rs e t t i n gd e l a yp r o t e c t i o ns t r a t e g y , c h o o s i n ge l e c t r i c a l d e v i c e s ，a n dc h e c k i n gt h es t a b i l i t yo ft h ee l e c t r i c a le q u i p m e m sa n dt h eb r e a k i n g c a p a c i t yo fs w i t c h e s ，i ns h i pe l e c t r i cp o w e rs y s t e m s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt og e t a c c u r a t es h o r t - c i r c u i tv a l u e s t h en a t i o n a l m i l i t a r y s t a n d a r ds h o r t c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o n m e t h o d ( g j b 一17 3 ) ，w h i c hi sp u b l i s h e di n19 8 6 ，i sw i d e l yu s e di ns h i p se s p e c i a l l y n a v a ls h i p s b u t ，i no r d e rt om a k et h ec a l c u l a t i o nc a r r yo ne a s i l y , g j b - 17 3i g n o r e s s om u c h ，t h a tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti sl a r g e r ，w h i c hb r i n g st r o u b l e st os e t t i n g p r o t e c t i o nd i s p o s i t i o n ，a n ds e l e c t i n ga p p r o p r i a t ed e v i c e s ，s o i ti sn e c e s s i t yt o i m p r o v et h eg j b 17 3m e t h o d ，a n dg i v eo u tan e wc a l c u l a t i o nm e t h o d ，w h i c hi s m o r ea c c u r a t e t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st oa n a l y z et h eg j b 一17 3c a l c u l a t i o nm e t h o d a n df i n do u tt h er e a s o n sw h i c hm a k et h ec a l c u l a t i o nr e s u l ts ol a r g e r , t h e n , t h e c a l c u l a t i o nm e t h o di si m p r o v e d ，a n dan e wo n ei so f f e r e d ，w h o s ea c c u r a c yi s v a l i d a t e d ，a n d ，as o f t w a r ei ss u p p l i e df o rs i m u l a t i o n 1 t h e p e r i o d i cc u r r e n ts u b t r a n s i e n ta t t e n u a t i o no fg e n e r a t o ri st a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o n ，w h e nc a l c u l a t i n gt h es h o r t c i r c u i to fg e n e r a t o r s ，a n dt h ed e c a yt i m e c o n s t a n ti sc o r r e c t e di nv i e wo ft h el i n ei m p e d a n c ew h e nt h es h o r t - c i r c u i tp o i n ti s a w a yf r o mt h eb u s b a r 2 w h e nc a l c u l a t i n gt h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n to fm o t o r s ，t h ep a r a l l e lr u n n i n g m o t o r sa r er e p l a c e db ys o m es a m et y p ee q m v a l e n tm o t o r s ，a n dt h ep a r a m e t e r so f t h ee q u i v a l e n tm o t o rs u c h 髂t h eq u a n t i t y , t h ep o w e r , a n dt h ea t t e n u a t i o nt i m e c o n s t a n ta r ec a l c u l a t e db ys q u a r er o o tm e t h o d a n dt h et o t a lv a l u e so ft h em o t o r s s h o r t - c i r c u i tc u r r e n te q u a l st ot h es u mo f e q u i v a l e n tm o t o r s 3 av i s u a lc a l c u l a t i o ns o f t w a r ei sp r o v i d e db a s e do nv c + + 6 0 i i 哈尔滨工程大学硕十学位论文 4 a c c o r d i n gt ot h es h i pp o w e rs y s t e mg a d ，t h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n to ft h e s y s t e mi sc a l c u l a t e db yi m p r o v e dc a l c u l a t i o nm e t h o d , g m 17 3a n dg b 3 3 21 r e s p e c t i v e l y , a n dc o m p a r e dw i t ht h eo t h e r s ，t h ei m p r o v e dc a l c u l a t i o nm e t h o d ，5 r e s u l t sf i l ep r o v e dt oh a v eh i g h e ra c c u r a c y , a n dt h ee r r o ri sr e d u c e d e f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：s h i pe l e c t r i cp o w e r s y s t e m ；s h o r t c i r c u i tc u r r e n t ；a v e r a g e l y e q u i v a l e n tm o t o r ；v i s u a ls i m u l a t i o n i i i 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：多父名 日期：c 八夕7年3 月d 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 翻在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：乏岩 日期：2 汐o ? 年3 月p 日 导师( 签字) ： 哈尔滨1 ：程大学硕十学能论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景与意义 要研究船舶电力系统的短路电流，首先应明确船舶交流电力系统及其相 关概念。 船舶电力系统，是指由发电、变配电、输电和用电四部分设备构成的统 一整体，是船上电能产生、传输、分配和消耗等全部装置、网络的总称。文 中所指船舶电力系统均指选用交流电的船舶电力系统n 1 。 船舶电力系统也可分为船舶电站、船舶电网和用电设备几部分。船舶电 站由原动机、发电机和主配电装置组成。船舶电网是全船电缆电线和配电装 置以一定方式连接起来的组合体，是联系电能的生产者和电能的消费者的中 间环节，担负分配和输送电能任务。船舶电网按其所联系的负载性质分为动 力电网、照明电网。应急电网、弱电电网等。配电装置是用来接受和分配电 能，并对电力系统进行保护、监视、测量、指示、调整、变换和控制等工作 的设备。 船舶用电设备即负载，分为四类心1 ： ( 1 ) 船舶各种机械的电力拖动，包括甲板机械( 舵机、锚机、绞缆机、 起货机等) 、舱室机械( 各类油泵、水泵、空压机、通风机、空调设备等) 、 电力推进和工作船舶用的生产机械。 ( 2 ) 船舶照明设备，包括工作场所、生活舱室的各种照明灯具和航行、 信号灯具等。 ( 3 ) 船舶通讯和导航设备。 ( 4 ) 舰船上生活所需的其他用电设备，如电热器、冰箱、电视机等。 关于船舶电力系统的设计，应该包括：发电机组的功率和数量的选择、 发电机的电压调整、发电机的并联运行、配电系统的设计以及电力系统的保 护等。 和陆上电力系统一样，船舶电力系统由发电设备、变配电装置、输电网 络、用电设备等，按一定的联接方式组成。但由于负荷特点和具体工作条件 不同，船舶电力系统和陆上电力系统相比，有明显的不同特点口3 。 哈尔滨t 稗人学硕十学位论文 ( 1 ) 船舶电力系统局限在一艘船的范围内，不是无穷大电网，一般以发 电机作为主要电源，其电力储备是有限的。设计中必须考虑到作为有限独立 系统所具有的一切动态和静态的运行因素。 ( 2 ) 船舶电力系统一般以发电机作为主电源，而且是有限电网，所以在 计算短路电流时，要计及发电机阻抗的影响。 ( 3 ) 船舶电力系统包括负载的种类很多，但主要负载是电动机，一般占 6 0 以上，在短路时，旋转电动机是短路电流供给源，所以要计及电动机提 供的短路电流。 ( 4 ) 船舶是独立活动的单元，要求其电力系统有较高的供电可靠性和生 命力，要求配备足够数量的发动机组，以保证部分机组发生故障时的供电需 要。 ( 5 ) 在中型船舶上，船舶电站单台发电机的容量最大不过几千千瓦，而 少数大功率异步电动机的容量却可能达到几百千瓦，其起动容量可达到上千 千瓦。当电力系统处于单机运行下，一台大容量异步电动机的起动容量几乎 可以和电网的发电容量相比拟。 ( 6 ) 船舶电站的电压等级比较低，而外电路的阻抗较小，相对短路电流 较大，所以在计算短路电流时，必须考虑外电路阻抗的影响。 ( 7 ) 船舶( 尤其军用舰船) 的运行工况复杂，其众多类型的负荷频繁起 动停止。船舶电力系统的负荷变化范围比陆上电力系统大得多。 船舶电力系统的设计，必须保证它具有最大的可靠性，确保连续供电， 以保证船舶正常安全地航运。为此，必须认真考虑船舶发电机的保护和船舶 电网的保护。在船舶发电机和船舶电网的保护中，短路保护是十分重要的， 所以，必须重视短路电流计算，而且，在保护装置的选择中，短路电流也扮 演重要的角色h 3 。 电力系统的运行过程中，经常发生故障。船舶绝缘设备的损坏和人为误 动作等原因会导致船舶交流电力系统的短路。短路的定义有很多，一种提法 是“电路两点之间用小电阻连接，或电路的绝缘破坏而形成阻值非常小的回 路”；还有的提法是“有电位差的两点，用阻值非常小的导线连接起来 ；再 有的定义是“将某一支路两端直接连通，使两端电压为零”。这些解释的含义 都是比较明确的。 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 通常所说的船舶电力系统的短路，是指电机、电器和电缆的绝缘老化， 或受机械损伤，或带电部分发生异常接触等原因造成的短路。其故障点通过 很大的电流，它与正常状态产生的过载电流是完全不同的危险状态。船舶电 力系统电网独立运行，功率储备不大、线路比较短、升压和降压环节较少或 没有，因而同等容量的船舶电力系统与陆上电力系统相比，短路电流显得偏 大。究其原因，包括以下几个方面： ( 1 ) 船舶电力系统电压等级较低，绝大多数负载都是直接由发电机供电， 供电线路中缺少能有效抑制短路电流的变压器。 ( 2 ) 发电机与各配电板和各配电开关距离比较近，线路阻抗小，对短路 电流抑制能力较差。 ( 3 ) 电网功率不大，相对发电机容量而言，某些电动机的容量比较大， 甚至接近于单台发电机的容量，为了追求良好的动态性能，在船用发电机的 设计中，必须加强阻尼绕组的作用，从而使发电机馈送短路电流的作用进一 步增强。 当船舶电力系统发生短路时，可能造成如下破坏： ( 1 ) 电动力引起的破坏。 ( 2 ) 热负载引起的破坏。 ( 3 ) 故障电弧引起的破坏。 由于短路故障所致，可能引起火灾，损坏电源设备，造成全系统不能工 作；即使电源设备不损坏，大的短路电流也可能使电网电压大大降低，影响 用电设备的正常工作，比如使主机设备和舵机设备失灵。总之，短路故障必 将对船舶的j 下常运行带来不好的影响，甚至危及安全。这种情况下，合理地 计算短路电流就显得尤为重要起来。在船舶电力系统设计时，精确地推算电 网中各点的短路电流，可以合理地选择配电方式和保护装置，以保证电力系 统发生短路时，能快速有效地切断故障，使系统与故障点分开，防止故障点 发生火灾和避免设备损坏，把短路破坏限制到最小巧6 1 。 计算船舶短路电流的目的和意义如下： 对船舶电力系统设计而言，计算短路电流主要分为两个目的：一个是在 船舶电力系统设计初期，估算出短路电流，提供数据作为电气设备选型的重 要依据，也给电网提供重要数据；另一方面是电力系统确定之后，计算短路 3 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 电流可以校验所选电力设备的热稳定性和电动力稳定性以及开关的通断能 力。基于此，合理地计算出船舶电力系统的短路电流具有十分重大的意义。 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 差。 我国船舶，特别是军用船舶现在使用的短路电流计算方法是1 9 8 6 年颁布 的中国国家军用标准( g j b 一1 7 3 ) ，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g j b - 1 7 3 做一定改进，使之计算结果更加准确、实用。尤其对于 船舶工业高速发展的今天，准确地计算短路电流，可以使船舶电力系统更加 稳定地运行，有效地降低造船的成本，无疑是对船舶事业的一个推动作用， 意义重大口1 。 1 2 国内外发展现状 短路电流计算结果的准确性直接影响到开关的选型、保护仿真结果是否 合理等一系列因素，而船舶电力系统的短路电流计算方法有很多，不同的算 法在计算方法和计算目的上都有差别，因此存在着一个计算方法的选择和使 用的问题。国际上关于舰船交流电力系统短路计算的方法用得较为广泛的有 i e c ( 国际电工委员会) 的i e c 6 1 3 3 6 1 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、国军标( g j b 一1 7 3 ) 计算法等。这些计算方法可以用来计算船舶电力系统 中任意点的短路电流，其计算目的主要是为了获得短路电流的平均有效值和 峰值数据，而不要求计算短路电流的波形曲线，因此每种计算方法都作了一 些忽略次要因素的假设，计算结果也不尽相同。 表1 1 列出的是不同计算方法的一个比较聃1 ： 4 哈尔滨一r ：币旱人学硕+ 学位论文 表1 1 短路电流计算方法比较表 发电发电机 外阻抗 方法发电机交流分量的衰减机内有负载 对时间 常数的 阻时处理 影响 i e c 法考虑次瞬态衰减，不考虑瞬态衰减不考交流分考虑发 虑量增加电机 1 0 g b 一3 3 2 1 法考虑次瞬态衰减，不考虑瞬态衰减考虑交流分考虑发 量增加电机和 1 0 电动机 g j b 1 7 3 法不考虑衰减考虑不考虑 图解法考虑次瞬念衰减，不考虑瞬态衰减考虑交流分考虑发 量增加电机 1 0 网络计算法断开电流只考虑瞬态衰减，衰减时不考不考虑不考虑 ( 适合远距间以5 0 m s 左右计算，接通电流只虑 离，大容量考虑次瞬态衰减，衰减时间以t 2 电站)计算 i e c 扩展法与i e c 法基本相似，所不同的是i e c 法只计入与短路点同电压 级的电动机的反馈电流( 船舶电力系统有不同的电压系统时 6 6 k v 3 3 k v ) ，忽略其他电压等级的电动机反馈电流。而i e c 扩 展法考虑计入所有电压等级电动机的馈送电流。 续表 电动机短路电流从母线至短路点 方法总短路电流计算 的计算电缆阻抗 i e c 法电动机的额定电流乘与各发电机的阻抗发电机和电动机馈 以一定的倍数串联计算 送短路电流代数和 g b 3 3 2 1 根据电动机的参数计与等效发电机的阻汇流排处为各分量 法算抗串联计算代数和，在馈电线处 为l 台等效发电机短 路计算 g j b 1 7 3 汇流排处将额定电流与发电机和电动机发电机和电动机馈 法 乘以一定电流的倍数，分别串联计算送短路电流代数和 馈电线处将馈电线的 阻抗考虑进去 图解法汇流排处将电动机的与等效发电机的阻汇流排处为各分 额定电流乘以一定的抗串联计算量代数和，在馈电线 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 倍数处为l 台等效发电机 短路计算 网络计算考虑计入所有电压等不考虑根据发电机和电动 法( 适合级电动机的馈送电流机综合出，和，。断 远距离，开电流考虑，。 大容量电接通电流考虑 站) 1 4 1 4 xk f 。其中t k = f l 舾+ e t f l d c ，= r 2 i e c 扩展与i e c 法基本相似，所不同的是i e c 法只计入与短路点同电压级 法的电动机的反馈电流( 船舶电力系统有不同的电压系统时 6 6 k v 3 3 k v ) ，忽略其他电压等级的电动机反馈电流。而i e c 扩 展法考虑计入所有电压等级电动机的馈送电流。 一般在计算船舶电力系统中某一点的短路电流时，把该点的短路电流分 为两部分：同步发电机送出的短路电流和电动机作为发电机运行时馈送的短 路电流。在考虑电动机馈送的短路电流时，计算等效电动机参数的方法是一 种工程上的近似，很难计算出准确结果。对短路点的最大短路电流影响较大 的还是同步发电机馈送的短路电流。 除以上计算方法外也有学者在讨论船舶电力系统同步发电机参数与短路 电流的关系时，为了避免过大的误差，直接分析单台发电机接线端的三相突 然短路。这是因为，在船舶电力系统发生短路时，发电机的参数和电力网的 结构对短路点的最大短路电流起决定作用。计算船舶电力系统任意短路点时， 发电机馈送的短路电流的大小，与发电机接线端的短路电流的大小关系紧密， 两者的区别仅在于前者还包含了电力系统线路阻抗的影响，两者的变化规律 基本相同。分析单台发电机接线端的三相突然短路具有代表意义。 1 3 论文的主要工作 本课题主要围绕船舶电力系统短路电流计算方法开展工作，对算法步骤 进行深入探讨，力求提出有实用价值的短路电流计算方法。主要工作总结为 如下几点： ( 1 ) 比较分析常用短路电流算法 大量查阅相关资料，了解短路电流计算基础知识，学习国际上目前常用 计算方法，并比较、总结其异同。 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 将g j b 1 7 3 算法与g b 3 3 2 1 、i e c 法、美国海军标准计算方法、日本精 密计算方法进行比较，分析出g j b 1 7 3 算法计算结果偏大的原因，为改进算 法的提出提供线索和理论入手点。 ( 2 ) 提出改进算法 针对( 1 ) 中分析得到的造成g j b 一1 7 3 算法计算结果误差大的原因，考 虑发电机送出的短路电流周期分量的超瞬态和瞬态衰减过程；考虑系统实际 装备电动机台数，引入平均等效电机法计算电动机馈送的短路电流；考虑线 路阻抗对衰减时间常数的影响，对其进行理论分析并修正，以这三方面为主 要入手点，开展算法改进工作，给出详细的改进算法计算公式及相应理论分 析。 ( 3 ) 构建船舶电力系统短路电流计算仿真系统 以v c 6 0 为平台编写软件程序，构建船舶电力系统短路电流计算仿真系 统，实现船电系统任意点短路电流可视化仿真计算。 ( 4 ) 算例验证 给定电力系统网络算例，根据需要设置不同位置的短路点，分别利用改 进算法，国军标( g j b 1 7 3 ) 算法及国标( g b 3 3 2 1 ) 算法计算给定网络任意 点短路电流。 ( 5 ) 比较分析 将三种计算方法的计算结果进行比较，分析计算结果之间产生差距的原 因，验证改进算法的准确性、精度、有效性和通用性。 7 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第2 章船舶电力系统的短路电流计算 2 1 简单三相交流电路突然短路的瞬态过程 船舶电网运行可分为两个状态，即稳定工作状态和暂态工作状态。当电 网中的负载保持恒定不变时，我们认为系统处于稳定状态，此时，电压、电 流等值均保持不变，其值与负载阻抗有关。当电网总负载发生突变时，其他 如电压、电流等值均随之而变化，当负载中含有感性负载和容性负载时，这 些参数要经过一段时间之后才能达到新的稳定值，这时系统便处于新的稳定 工作状态。系统从一个稳定状态过渡到另一个新的稳定工作状态的中间过程， 便称为过渡过程或暂态过程n0 ，。 船舶电力系统发生短路时，同步发电机在瞬态时的过渡过程十分复杂。 需给出一个研究问题的前提假设，确保能比较简单地对这个过程进行研究， 假设内容如下： ( 1 ) 发电机的功率非常大，电网中发生短路故障时，其端电压不变。 ( 2 ) 船舶电站的负载主要是感性负载，船舶电力系统可以看作简单的三 相交流电路来研究。 ( 3 ) 电力系统单相交流电路是对称的，而且暂时不考虑发电机内部的瞬 态过程，则短路后的三相电路仍然可以看作是对称的。 由于电力系统中三相交流电路的相电流可以视为对称的，任意两项之间 仅差1 2 0 度相位角，所以其中一相的瞬态过程的电流、电压的变化规律就可 以说明三相交流电流的电流、电压的变化规律。研究从最简单的正弦交流 r 一三电路开始。 p ( f ) 图2 1r 一三串联的简单正弦交流电路 如图2 1 中可见这是一个由电感、电阻和电动势组成的简单的电路，其 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 瞬态过程可以用方程式表示如下： p “) ：r i ( t ) + l d i ( t ) ( 2 1 ) 街 因为p ( f ) - - - 、f 2 e s i n ( c o t + p ) ，所以可以求出上式的通解，再根据初始条 件f = 0 时，f ( f ) = 0 ，则可以求得f ( f ) 的特解为： 一一 _ 三 f o ) = 4 2 s i n ( c o t + 秒一矽) 一, j 2 i s i n ( 8 一) p r ( 2 - 2 ) 其中秒代表短路瞬时的电压相位角，矽代表短路电路的功率因数，秒一 代表短路瞬时的电流相位角。 从上式中我们可以看出，短路电流由两部分组成，即周期分量和非周期 分量。短路电流随时间而衰减，非周期分量也称为直流分量将衰减至零。周 期分量与非周期分量的合成电流为非对称短路电流。在计算短路电流的时候， 一般分别计算短路电流的周期分量和非周期分量，再将两者合成，计算出短 路点总的短路电流。 2 2 发电机的短路电流 发电机是船舶电力系统的短路电流的主要供给源，因此要研究船舶电力 系统的短路电流，必须细致分析发电机的短路电流。 由于发电机定子和转子的饱和、电流互感器的饱和以及整流器的非线性 等原因，使发电机的短路电流计算变得十分复杂，没有一个十分精确的解析 式可以表达，而通常所用的计算公式，都是在考虑一定因素的情况下，作假 设后得到的近似算法。所谓的近似计算公式包括两个含义：一是公式是在做 了某些假设后推导得出的：二是用同一个公式的计算结果来表征从短路初瞬 到短路结束的整个过程的三相短路电流。根据有关的试验数据，在发电机发 生线间短路时，其冲击短路电流比三相短路时冲击短路电流约小1 0 - 1 5 ， 线间稳态短路电流近似为三相稳态短路电流的9 0 0 , - 1 1 0 。发电机中点接地 时单相接地短路电流可以近似地认为等于三相短路电流。而且大多数的单相 短路或者两相短路最后都发展成三相短路，且三相短路故障发生时，故障电 流最大，对用电设备的冲击也最大，配置保护策略时，我们最关心的是最大 短路电流，所以，我们重点研究三相短路的有关问题。 在发电机出线端发生三相突然短路时，在短路的瞬间，直流补偿瞬态电 9 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 流限制磁场的急剧变化，因此仅是漏抗限制短路电流，超瞬态电流非常大。 随着直流补偿电流的衰减，短路电流也逐渐减小，最后变成稳态短路电流。 由于发电机的电枢电阻比漏抗小的多，所以计算阻抗时，一般忽略电枢电阻， 仅考虑表示直流补偿电流衰减程度的电枢时间常数。发电机在负载情况下发 生短路与空载情况下发生短路其短路电流大小是不一样的，因为在负载状态 下发生短路时，负载电流，的存在使励磁电流变大，比空载时大出来的这部 分励磁电流，d 用来补偿短路时电枢内产生的电枢反作用电压降，x d 和漏 电抗压降的，换种说法就是，多出来的这部分励磁电流，d 产生内部感应电动 势也而补偿了内阻抗z d 产生的电压降。十分明显，历在负载时是不存在的， 仅在短路时起作用，所以负载时的励磁电流为( ，d 。+ ，d ) ，导致负载时感应的 相电压比空载时大n 2 ，1 3 1 。 2 2 1 同步发电机突然三相短路物理分析 同步发电机稳态运行时，电枢磁势的大小不随时间而变化，而是在空间 以同步转速旋转，它同转子没有相对运动，因此，不会在转子绕组中感应电 流。突然短路时，定子电流在数值上发生急剧变化，电枢反应磁通也随着变 化，并在转子绕组中感应电流，这种电流又反过来影响定子电流的变化。定 子和转子绕组电流的互相影响是同步发电机突然短路暂态过程的显著特点。 对突然短路暂态过程进行物理分析的理论基础是闭合回路磁链守恒原则。根 据楞次定律，任何闭合线圈在突然变化的瞬间，都能维持磁链不变。突然短 路后，定子各相绕组出现的电流，就可以根据各相绕组必须维持在短路瞬间 磁链不变的条件来确定。当短路发生后，定子绕组中将同时出现两种电流， 一种是同步频率的基频电流，三相绕组的对称基频电流共同产生一个同步旋 转的磁势，目的是抵消转子主磁场对定子各相绕组产生的交变磁链。另一种 是直流电流，三相绕组的直流共同产生一个在空间静止的磁势用以维持定子 三相绕组的磁链初值不变。另外，由于转子横轴和纵轴的磁阻不同，转子每 转过1 8 0 。电角度，磁阻即经历一个变化周期，只有在这个恒定的磁势上增 加一个适应磁阻变化的、具有两倍同步频率的交变分量，才能得到不变的磁 通。因此，定子三相电流中还会有倍频电流，与直流共同作用，维持定子绕 组磁链初值不变。这三种电流共同组成了短路电流峰值，。其中基频分量也 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 叫做周期分量，周期分量的衰减时问常数为巧，而直流分量也称为非周期分 量，它的衰减时间常数为疋。以下介绍计算短路电流的具体方法。 2 2 2 同步发电机三相短路电流计算 根据电机学的分析，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) 并且电压的起始角等于o 的时候。此时发电机 的短路电流是由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，此后随着电枢反映磁链所经过的磁路 改变而逐渐减小。电机突然短路初期由于阻尼绕组和励磁绕组感生电流和磁 通阻止磁链突变，电枢反应的结果是磁阻很大，电抗z 很小，短路电流交变 分量就很大；随着阻尼绕组中感生电流的衰减，电枢反应使磁阻减小些，电 抗也增大些，为形，此时短路电流就减小些；当励磁绕组中感生的电流也已 衰减掉时，电枢反应磁链与主磁通一样，穿过整个转子的铁芯，磁阻减小， 电抗增大为髟，短路电流达稳态最小值。 为了便于理解和计算，工程上通常近似地将整个过渡过程分成三个阶段： 超瞬变阶段、瞬变阶段，最后进入稳态。超瞬态分量按阻尼绕组回路的时间 常数巧指数衰减；瞬变分量按励磁绕组回路的时间常数z 指数衰减。 对于有阻尼绕组电机，由磁链平衡方程可以做出等值电路图，如图2 2 、 2 3 ： 竹， b 一0 x o 中d 图2 2 有阻尼绕组电机纵轴向和横轴向磁链平衡的等值电路图 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 x 1 图2 3 次暂态电势e 和次暂态电抗蟛等值电路图 纵轴向等值电路又可化简为上图所示的电路，应用戴维南定理可以导出： 堕+ 监 = 卒告( 2 - 3 ) x l d x o fx ，d e = k + t 丁 ( 2 - 4 ) x l d x o f x o d 式中：超瞬态电势的横轴分量 砖纵轴超瞬态电抗 同励磁绕组总磁链盼和沙d 成线性关系，在运行状态突变瞬间，e 不 能突变。髟称为纵轴超瞬态电抗，如果沿同步机纵轴向，把电机看作是三绕 组变压器，超瞬态电抗e 就是这个变压器的两个副绕组( 即励磁绕组和纵轴 阻尼绕组) 都短路时从定子绕组侧测得的电抗。同样，横轴方向的等值电路也 可作类似的简化。e 称为超瞬态电势的纵轴分量，z 称为横轴超瞬态电抗， e 同横轴阻尼绕组总磁链成正比，在运行状态突变瞬间也不能突变。引 入超瞬态电势后和超瞬态电抗后，同步发电机的磁链平衡方程可以改写成为： 2 乓一z 艺( 2 - 5 ) 【= e 一 当电机处于稳态或忽略变压器电势时，= ，= ，便得定子电势 方程如下： 2 一髟艺( 2 - 6 ) 【u a = e e 艺 在带阻尼绕组电机中，转子的纵轴向有励磁绕组和阻尼绕组，在横轴向 也有阻尼绕组，空载下发生机端短路时，在突然短路暂态过程中定子、转子 1 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 各绕组将出现各种分量以维持各绕组的磁链初值不变。这些电流分量之间存 在着两组对应关系。根据磁链平衡等值电路，可以分别作出计算定子基频交 流和转子绕组的直流分量的等值电路，以及计算定子直流分量( 包括倍频分量) 和转子基频分量的等值电路。 易卜_ 0 图2 4 计算定子基频交流和转子绕组的直流分量的等值电路图 l - 卜2 如一 x o c t 图2 5 计算定子直流分量和转子基频分量的等值电路图 根据等值电路可以容易求得： 艺= 可e q o ( 2 1 ) b2 了- k z 一， 艺= 笔 鼬 式中，超瞬态电势的各轴分量的初值可根据短路前瞬间的运行状态算出。 o = ”q 。 + 叉： o = k o c o s 8 0 + 义：屯( o 耻警o ，一警s i n 磊 q 。9 ) 式中：磊g 轴与k 。 之间的夹角 当短路进入稳态后，如果乞。= 乞 o ，则有： 1 3 哈尔滨f 稃大学硕十学何论文 = 等 ( 2 一1 0 ) 故纵轴基频电流的自由分量为： ； 一砭。 乞1 0 l 圹2 君一言 ( 2 1 1 ) 为： 对于定子直流，由等值电路可得出，定子三相磁链初值的d 、g 轴分量 = 形o lc o s ( c o t c o s ( r o t + 磊)2 _ o ， + 嘞j = k o ls i n ( c o t + 6 0 ) 参照以上过程，可直接写出： 。一等一笔c o s c 研圳 沪等一争( 斛磊) 由此，我们就得到了定子电流的d 、q 轴分量分别为： ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 例小州“m = 警+ c 鲁一争笔c o s c 研圳 州妒鲁+ 警豇岍磊，- ( 2 1 6 ) 随着时间的推移，由于各绕组存在电阻，所有绕组的磁链都将发生变化， 逐渐过渡到新的稳态值。所有为了维持磁链不变而出现的自由直流都将逐渐 消失，或者说按不同的时间常数衰减到零。 在一个孤立的电感线圈中，直流衰减时间常数等于它的电感同电阻之比， 时间常数的负倒数就是描述电感线圈瞬态过程的微分方程的特征根。当存在 几个互有磁耦合关系的绕组时，直流的衰减因子也是由电路的微分方程组的 特征根决定的。同步发电机定子、转子绕组问存在着耦合关系，用严格的数 学方法分析是相当繁琐的。在实用计算中，为了确定自由电流的衰减，常采 用以下的简化原则。 ( 1 ) 在短路瞬问为了保持本绕组磁链不变而出现的直流，如果它产生的 1 4 哈尔滨r ：群大学硕十学位论文 磁通对本绕组相对静止，那么这个直流即按本绕组的时间常数衰减。一切同 该直流发生依存关系的其他电流均按同一时间常数衰减。 ( 2 ) 某绕组的时间常数即是该绕组的电感( 同其他绕组有耦合关系的电 感) 和电阻之比，而忽略其他绕组电阻的影响。 按这两项原则可知，因定子电流的非周期分量产生的磁通对定子绕组相 对静止，故它将按定子绕组的时间常数c 衰减，同它有依存关系的定子电流 倍频分量及转子电流的基频分量都按同一时间常数衰减；励磁绕组的直流产 生的磁通对励磁绕组相对静止，它将按励磁绕组的时间常数衰减，与它有依 存关系的定子基频电流的自由分量也按这个时间常数衰减。 时间常数瓦由定子绕组的电感和电阻( 计及同转子励磁绕组和阻尼绕组 的磁耦合关系) 之比确定。定子直流分量产生的磁通在空间相对静止，而转子 以同步转速旋转，使该磁通路径的磁导不断的变化，也就是使定子绕组的等 效电抗不断变化，当此磁通同转子纵轴重合时，定子绕组的等效电抗为z ， 而与横轴重合时，等效电抗为z ，取二者并联阻抗的两倍为定子绕组的等效 电抗，因此，有阻尼状态下，时间常数z 可表示为： 乃= 耥 协 乃。丽蓐妨 q 1 7 ) 定子纵轴基频电流的自由分量同励磁绕组和纵轴阻尼绕组的自由直流分 量相对应，其衰减规律比较复杂，它的衰减时间常数是由实际摄取的短路电 流波形得出的，可近似分为按不同的时间常数衰减，其中迅速衰减的分量为 超瞬态分量，时间常数为巧，衰减缓慢的为瞬态分量，时间常数为巧。由于 阻尼绕组的电阻比励磁绕组的电阻大得多，因此阻尼绕组的电流大部分按时 间常数巧衰减，而励磁绕组时间常数则大部分按艺衰减。由于时间常数巧和 巧在数值上相差悬殊，当超瞬态分量迅速衰减时，瞬态分量还变化甚小。这 就是说，当阻尼绕组的电流已大部分衰减时，励磁绕组的电流还变化很少。 因此，在实际计算中，常以阻尼绕组电流为零( 相当于阻尼绕组己开路或不存 在) ，而对励磁绕组仍然以磁链守恒为条件，利用电机的瞬态参数计算定子纵 轴基频自由直流的瞬态分量。 f j ：= 宰一= 业 ( 2 1 8 ) 。x d x d 1 5 哈尔溟i 样大学硕十学位论文 于是，超瞬态分量 小睁沙小笔一等 ( 2 - 1 9 ) 上式为计算定子纵轴基频电流衰减时间常数的近似公式： 巧等兀 ( 2 - 2 0 ) 巧等艺 ( 2 2 1 ) 式中：兄定子绕组和阻尼绕组都开路时励磁绕组的时间常数 艺定子绕组开路、励磁绕组短路时，纵轴阻尼绕组的时间常 数 在引入了衰减因子后，可得到定子电流的d 轴和q 轴分量，再经过a q o 变 换整理后，可得彳相电流： i ：g = ( 笔一百e q o _ t + 莹玉- - x a 。- e + 既 c o s ( t + 岛) 矿x q - ) 一警( 击+ 玄i tc o s ( 磊一岛) 一( 击一玄i t c o s ( 2 h 磊+ 岛) ( 2 。2 2 ) 如果短路前为空载，并近似取包 o 等于发电机的额定电压，且e e 时，可得到发电机机端短路的使用计算表达式： 名= 【可1 一瓦1 ) p i t + 万1 一击) p 一云t + 击】c o s ( h 岛) 一笔p 一乏c o s 岛( 2 - 2 3 ) = ：= = = = = = = = = = = 0r ：+ x ： ( 2 2 4 ) t = 何v 面n ( 2 乏5 2 志 亿2 6 ， 由于电阻咒与电抗e ，e ，局相比，数值非常小，在近似计算中有时忽 略此项。 对于带载黄电棚镝路电流的宴用计笪中诵常将牢载铺路电流中周期分量 1 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 乘以一个系数作为负载短路电流的周期分量，系数一般取1 1 。 2 3 电动机馈送的短路电流 当船舶电力系统发生短路时，不仅发电机是短路电流的供给源，正在运 行中的电动机也是短路电流很大的供给源。因为在短路发生瞬间，电动机由 于惯性的作用仍然保持转动，同时和转子导体相交链的磁通也没有立即消失， 这样转子做切割磁力线运动，将产生三相电势。我们可以认为由于三相电势 的存在而向短路系统供电。利用已有的公式来描述感应电动机馈送的短路电 流的大小和特性是十分复杂的，在长期的工程试验和理论研究后，国际上已 经产生了很多实用的计算公式，当然这些公式都是一定程度的近似计算，目 前采用的计算公式大都是将馈电线阻抗作为简单串联电路，这种计算不够精 确，必然导致一定误差。 2 3 1 异步电动机的短路理论分析 异步电动机与同步发电机有相似的电磁现象本质，同样根据异步电动机 的各电磁量可以列出它在由0 坐标下的基本方程： 电压方程： 磁链方程： l2 乞= 嬲一o j , + 匕 i i “g2p + 0 3 r l 屹+ 0 1 0 = 肌+ 彤0 【0 = 矿+ b 0 l l ，d = xs 3 d + xm i 静 l = 瓦+ 一0 i = k 0 + 以屯 f = x 乒q r x 0 q ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 式中：婉转子角频率 以励磁电抗 下标s 表示定子各量，表示转子各量。 由于异步电动机在结构上的特点，其定子绕组短路电流的交流分量按同 一时间常数衰减，该时间常数与计及闭合的定子绕组影响后的转子绕组的参 数有关，称其为瞬态时间常数乇。另外，由于异步电动机转子上没有专l - j 的励磁绕组，因而定子绕组电流的交流分量最后也将衰减到零。 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 考虑到以上情况，可以方便地写出异步电动机的空载短路电流的近似表 达式： 乙= ( 圭一去誓i u e o s ( 吵+ o o ) 一老p 瓦u e o s o o ( 2 2 ” 式中：u 。电动机端电压 吃非周期性时间常数 x ：瞬态电抗 电动机短路时的物理过程和同步发电机相似，短路电流衰减的时间与同 步电机转子阻尼绕组中电流衰减的时间不相上下，这是由于异步电动机转子 和定子绕组中电阻较大的缘故。 应该说明，利用计算公式来描述感应电动机机端短路电流的大小和特性 是十分复杂的。实际上，为了取得短路电流的概略数值，已有很多实用的计 算公式。其中一种比较实用的也是使用较广泛的是根据发电机总的额定电流 来估算电动机馈送的短路电流。这是美国海军m i l 标准推荐的计算电动机的 短路电流方法，也是g j b 一1 7 3 采用的计算方法。 这个方法的基本点是把运行的电动机看作为一台等效电动机。当在临近 汇流排处短路时，等效电动机与汇流排直接连接，等效电动机馈送的短路电 流等于运行发电机额定电流之和乘以一定的系数。具体计算公式为： i u u = 专( k 。+ k 2 + ) = 专k ( 2 3 0 ) k = 3 3 ( 2 3 1 ) l 。m = 4 0 i u u ( 2 3 2 ) i p u = 7 0 i u u ( 2 3 3 ) 对于远离汇流排处短路的情况，电动机馈送的短路电流的计算公式为： l = v n i 删= q 6 7 i i m = q 8 1 i ip m = 九i 。m 1 8 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2