摘 要

船舶承载着几个世纪的贸易交流，如今随着内燃机的发展，船舶向着大型化，智能化的方向发展。在船舶设计建造中，需要精确计算船舶电力系统容量及其参数，以追求合理的能效利用率使其更加经济环保。其中在船舶电力系统的运行过程中，需要对各线路的短路电流进行监测，因此不管在运行还是设计中都要对短路电流进行计算。实际上，在船舶电力系统的正常运行工作中，短路是不可能被避免的。所以在船舶电力系统设计之初，要精确计算出船舶电力系统中各可能发生短路故障点的短路电流值，一方面要求电力设备能够承受一部分短路电流的冲击，另一方面需要合理的选择配电的方式和切断装置，以便于在发生短路事故时，电力系统能够自动监测并快速有效切断短路故障点并将短路故障点和电力系统其他部分隔离开，把短路故障限制在一个较小的范围内，减少范围外电气设备及电网的损失。

本论文则根据现有计算方法，学习了两种常用的规范计算方法IEC计算法和国军标（GJB173）计算法，并对所设计的9000吨级江海直达型船舶电力系统发生短路故障时的短路点短路电流进行了简单计算。通过对计算过程和结果的分析，对比两种方法的不同之处，并总结其优缺点和适用性。本次主要选择了两个重要的短路点分别进行计算，其中包括发电机远端A2点处短路电流和主汇流排B1点处短路电流。对所得结果进行比较和分析，其结果表明IEC法对于商用船舶短路电流的计算更为精确和实用，计算原理明了，但其计算过程较GJB法复杂，需要的参数较多；而GJB法相对来说由于近似处理较多计算过程较为简便，适用于早期舰船的短路电流计算。

关键词：船舶电力系统，短路电流计算，IEC，GJB173。

Abstract

Ships carry centuries of trade. Nowadays, with the development of internal combustion engine, ships are developing in a large and intelligent direction. In the design and construction of ships, it is necessary to accurately calculate the capacity and parameters of the ship's power system, so as to make it more economical and environmentally friendly in pursuit of rational efficiency utilization.

The calculation of short-circuit current in ship power system is indispensable. In the actual operation of ship power system, short circuit is difficult to prevent. Therefore, in the design of ship power system, it is necessary to accurately calculate the short circuit current of each point in the power grid. Part on the one hand, need to ensure that electrical equipment can withstand the impact of the short circuit current, on the other hand need to reasonable choice of distribution mode and protection device, to ensure that the short circuit accident, the system can cut off the fault quickly and efficiently, make the system short-circuit point and disconnect, limit the short circuit fault in minimum range, electric equipment and reduce the loss of the grid.

This thesis is based on the existing calculation method, study systematically two kinds of calculation methods for the specification of the frequently-used calculation method of IEC and standard (GJB173) calculation method, and on the design of 9000 - ton Jianghai direct type of ship power system short circuit fault occurs short-circuit point of short circuit current has carried on the simple calculation. Through the analysis of the calculation process and the result, the differences between the two methods are compared, and their advantages and disadvantages and applicability are summarized. In this paper, two important short circuit points are chosen respectively, including the short circuit current at the remote A2 point of the generator and the short circuit current at the main bus line B1. To comparison and analysis of the results, the results show that the IEC method for commercial vessels of short-circuit current calculation is more accurate and practical, calculation principle and clear, but its calculation process is GJB method is complex, the parameters of the need to more; In contrast, GJB method is relatively easy to calculate with approximate processing, which is suitable for short-circuit current calculation of early ships.

Keywords：Ship power system，Short circuit current calculation，IEC，GJB173.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题研究内容概述 4

1.4 论文工作及章节安排 5

第2章 船舶电力系统 6

2.1 电力系统说明 6

2.2 电力系统单线图 6

2.3 电气设备及参数 8

2.3.1 发电机参数 8

2.3.2 变压器参数 9

2.3.3 电动机参数 10

2.3.4 电缆参数 11

第3章 IEC计算法 12

3.1 IEC算法简介 12

3.2 IEC计算 13

3.2.1 A2点短路电流计算 13

3.2.2 汇流排B1点短路电流计算 16

3.3 本章小结 19

第4章 GJB173计算法 21

4.1 GJB173算法简介 21

4.2 GJB173计算 22

4.2.1 A2点短路电流计算 22

4.2.2 B1点短路电流计算 24

4.3 本章小结 26

第5章 结论及展望 27

参考文献 28

致谢 29

绪论

选题背景及意义

在船舶电力系统中，短路是船舶电站电网运行过程中会经常发生的故障之一，由于其危害大，造成损失大，因此成为船舶电力系统分析中的重点。如今船舶自动化水平不断提高，网络结构也愈趋复杂，短路分析亦随之变得复杂。与陆上普通电力系统相比，船舶电力系统短路电流具有下述特点：（1）相较船用电力系统而言，陆上电力系统容量都很大，跟用电设备相比，电源容量可以视为无限大，可视其短路故障时的电压恒定，内阻为零；而在船舶电力系统中，电源为有限容量且电动机容量与发电机容量有一定的比例关系，发生短路时，由于电动机的惯性转动而产生感应电势并向短路点馈送短路电流，因此计算时不可以忽略电动机对电网造成的影响。（2）船用电力系统中发电机到各配电板和开关的距离相对陆上电力系统十分接近，线路阻抗也比较小，因此电网对短路电流的抑制性会较差。（3）船舶电力系统电动机占负载的比例较高，超过整个负载的60%。因此交流电动机所贡献的短路电流是不能忽略的。（4）陆上高压电网（110kv及以上）基本上都是采用高空线路输电，并且采用中性点接地系统方案，因此这种方式发生单相接地短路的故障概率最高，而在船舶电力系统中基本采用电缆线路以中性点绝缘的方式，所以发生三相对称短路的故障率最大。（5）与陆上电力系统相比，船用电力系统的电压低得多，但发电机额定电流较陆上大的多且在船用电力系统中，电阻在系统阻抗中所占比例较大，对短路电流影响也大，因此船用电力系统电磁过程时间小，交流系统短路电流的周期分量相对有比较大的衰减，阻抗对短路的影响必须重视。

船舶电力系统在实际运行中，由于人为因素及外部环境的变化，会给各用电设备造成一定的影响甚至出现故障，而其中最为严重的则是短路故障。例如电缆电气设备老化或者绝缘被破坏及值班员的操作不当可能造成短路事故。如果主配电板母线或干线上发生短路故障，电网线路电流将会迅速增加，在极短时间，电流可能增至电机额定电流的十几倍甚至百倍，短路电流将产生巨大的热应力和机械应力，直接导致电力系统中电力设备损坏，电缆或电机的烧毁，也会造成电网电压的大幅下降（短路点处的电压接近于零），使电动机转矩下降甚至堵转，影响用电设备的正常工作，还可能引发火灾或造成人员伤亡等重大事故损失。在船舶实际运行过程中，由于船舶空间材质的特殊性，会经常发生短路事故，所以设计船舶时必须考虑到相应情况，保证在发生短路事故时，系统可以选择性的对设备进行保护，并保障其它设备仍能可靠稳定运行，因此需要精确计算短路电流值大小以便于选择合理保护设备。精确的推算出电网中各短路点短路电流值的大小，有助于确定系统的保护策略和方法，保证电力系统在发生故障时能有效迅速地切断短路故障，将故障限制在较小的范围内，防止故障点引发的火灾（由于短路故障引起的火灾事故并不罕见）并避免设备损坏，把短路故障引起的破坏降低到最小程度^[9]。目前世界上很多船舶规范都明确提出，在造船时需提交短路电流计算说明，同时短路电流计算也是船舶电力系统设计以及后期运营维护的重要内容之一，必须给以高度重视。

国内外研究现状

船舶交流电力系统短路电流计算是正确设计船舶电力系统，选择合适保护装置，实现保护的基础^[12]。国际上有很多关于船舶短路电流计算的方法，目前常用的方法有IEC（国际电工委员会）计算法，日本电气协同研究会精密计算法，美国海军标准计算法，劳氏船级社简易计算法，阻抗百分比计算法，等效发电机计算法，图解计算法，及国内比较常用的国标（GB3321）计算法和1986年颁布的国军标（GJB173）计算法，国军标改进型算法。

短路过程实际上是一个比较复杂的过程，由于当时计算机的发展和应用还十分局限，原有方法采用了过多假设，计算比较简单，只能计算出短路发生后1/2周期时的短路电流值。但是随着船舶发展不断大型化、智能化，船用电力系统日益复杂，高压电力系统应用日益增多,只计算1/2周期的短路电流无法满足设计需要。同时,过于近似的计算结果也不能满足选择性保护中开关的整定要求,所以IECTC18从80年初期就成立了专门的工作组,对短路电流的计算进行了专门的研究^[16]。并于1998年2月出版正式文本IEC61336-1.IEC法是国际电工委员会在1988制定的关于船用设备，特别是与船用断路器的额定短路容量有关的短路电流计算方法，是目前国际上被广泛认可的一种近似计算方法，考虑了电动机和发电机对短路电流的贡献，1998年IEC出版了IEC61363算法，适用于船舶及海洋平台三相交流系统发生三相对称金属性短路时的短路电流计算，电力系统可为中性点绝缘或中性点接地系统^[20]。电源频率为50Hz或60Hz；2001年IEC制定了新的短路电流计算标准IEC60909,此标准引入了电压修正系数C，使计算更为简便，并且也能使计算结果与实际值更加接近。这也是IEC标准和我国的《三相交流系统短路电流计算设计技术规定》都规定采用等值电压源的原因。同时此方法加入了发电机无单元变压器接线的阻抗修正以及变压器阻抗的修正。我国海军目前使用的是1986年颁布实行的中国国家军用标准方法，也是短路电流计算的一种近似算法^[21]。该方法为求简便计算而采取了较多的近似，在使用初期比较符合当时中国国内舰船电力系统的情况，但是随着我国舰船技术不断发展，新造舰船电力系统容量不断增大，发电机参数存在很大的变化，再按此方法计算的误差值较大，不利于舰船电力系统的设计研究及使用，后来我国又制定了国军标改进型算法以满足现阶段我国对舰船电力系统的研究及设计要求。等效电压源法是指国标(GB3321—82)以及国军标(GJBl73—86)中的计算方法，该方法只适合计算容量较小、结构较为简单的干线式、馈线式交流供电网络,分层等效法先对电源节点进行分层排序，然后应用国军标中电源等效过程根据节点顺序进行电源的逐层等效，最后得到一台等效发电机与短路点直接相连，进而求出短路点短路电流^[4]。这种方法避免了很多复杂运算，比传统方法更有优势。但是这种方法大多仅适用于树状网络结构，对于环形网络结构仍有待于进一步研究。

每种方法都有各自优缺点，但大致算法基本相同，只是在发电机绕组电阻和瞬态短路电流衰减，短路电流计算的精度以及对电动机的处理方面稍有差别。究其本质说来所有计算方法都是基于电机学和电力系统的基本理论知识规定的。各国也都对相应计算方法做了改进，以更贴合现今船舶电力系统发展设计需要。这些计算方法可以计算船舶电力系统中各处短路电流。计算目的主要是获得短路电流的有效值和峰值数据，而不要求计算短路电流的波形曲线，因此每种方法都做了一些忽略次要因素的假设，计算结果不尽相同^[19]。表1-1给出了主流计算方法的计算比较。

表1-1

课题研究内容概述

本次毕业设计主要研究9000吨级江海直达船舶的短路电流计算及分析问题，此种船舶适应通航于国内近海航区及长江A、B级航区。根据所设计船舶电力系统单线图，采用两种基本方法（IEC算法和GJB173算法）进行船舶电力系统短路电流的计算。就目前来说在我国应用比较广泛的任然是上述两种计算方法，IEC算法是被国际上广泛接受的权威性算法，GJB算法则为我国舰船设计的标准算法，且两种算法都比较基础并满足我国船级社造船规范，后期各类型算法大多由其改进而来，出于学习目的，选择这两种算法，掌握基本原理和计算过程，有利于对其它算法的进一步研究和学习。