第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
船舶电力系统[1]的发展经历了一个漫长的过程，19 世纪末期，船舶电力系统采用的是直流电制，功率较小，只用于船舶照明。20 世纪 50 年代，随着科技的发展以及船舶电力的需求，除了动力系统和发电机柴油机以外，交流电制开始大规模的应用于船舶电网，此时绝大部分船舶电力系统采用低压系统。随着上个世纪末，大功率可控以及半控电力电子器件的出现，高性能的高频变频技术有了很大的发展，使的多种电机控制方式相继应用，船舶动力系统实现大功率电力推进[2]。大型运输船舶的电力除了应用于大功率电力推进，还广泛的应用于甲板机械、冷藏室、船员生活用电，这使得海运船舶的电站容量急剧增加，部分船舶的电力容量可以达到 100MW。同时由于船舶自动化、动力定位等高新技术的应用，海工船舶如半潜式海上平台、起重船等设备的电网容量、用电功率、输电能力大幅提升，这些都使得传统的低压技术遇到很多瓶颈问题[3]：（1）由于工程船舶以及大型海运船舶的发展，其用电设备也急剧增加，因此其负荷相对较大，这就需要船电设备有着更高短路容量，传统的设备已无法满足要求。（2）相对于陆地，船舶是一个独立的移动平台，它的空间有限。系统容量的急剧增加必然要求更多的发电机机组或者更大容量的发电机。低压（380V）工频发电机的容量上线一般为 2.5MW，如果在低压等级上设计并制造更大容量的发电机在技术上是很难实现的。而目前的绝大多数的大型运输船舶以及工程船舶的电力容量都超过了 10MW,例如我国 2002 年建成了的“泰安口”半潜船载重18000 吨，容量达到了 13MW[4]，伊丽莎白皇后 2 号的电力容量更是达到了94.5MW。很显然在空间有限的船舶上设置十多台甚至是 30 多台低压发电机是不现实的。（3）船舶在不同的运行状态下投入运行的发电机组以及负载都会不同，对于舰船等军事船舶电力系统来说，战时负荷的投切会非常的频繁，这些都会给系统的智能控制造成很大的压力。因此，为了应对船舶电力系统向大容量发展带来的挑战，提升电压水平成为一个更加现实的选择。由于世界各地实际情况不同，因此其制定的标准会略有区别，针对与中压系统，IEEE标准100规定额定电压大于1000V，小于10000V的电力系统为中压，我国的工频系统，电压等级主要有 3kV、6.3kV、10kV 三个等级，对于 60HZ 的系统，电压等级有 3.3kV、6.6kV、11kv[1]。CCS2006 规范中已将中高压系统的电压等级从 11kV 提高到了 15kV，很多国家的船级社也提高了电压等级。
1.2 本课题研究现状
在船舶电力系统短路故障后，由于电磁瞬态过程复杂，发电机和电动机数量多、分布情况复杂，电网结构复杂，以及励磁和调速系统的影响，精确计算短路电流是非常困难的，通常经过简化，采用近似计算方法[6]。随着近年来电网结构的日益复杂以及中压的系统逐渐应用，只计算半个周期后短路电流已经很难满足要求，对于大多数中压开关来说，其动作时间一般都在 3 到 4 个工频周期之间，因此，能够较为精确的计算 6 个周期以内的任意时刻的短路电流也成为了一种现实的需求。目前国内常用的算法因为忽略内容较多，只能计算一个周期以内的短路电流。而且还会有一定的正误差[7]。各个国家都有自己的规范和要求，因此目前短路电流计算方法很多，早期主要有英国劳氏简单计算法、日本精密计算方法、德国 DIN89013 计算法、国标 GB3321 方法、国军标 GJB173 方法等[8]，近期主要有 IEC61363[9]方法、中国船级社 CCS2009[10]计算方法等。船舶电力系统短路电流计算在现有文献基本上都是围绕这些计算方法和标准展开，或这些方法和标准之间的对比，或对这些方法与标准进行改进或修正，或结合传统配电网短路电流计算方法进行扩展等。短路电流常用方法对比如表 1.1 所示。IEC61363 是国际电工委员会于 1998 年出版的新标准，该算法在处理发电机的短路电流贡献时，考虑了发电机短路前实际的运行状态，同时计及发电机的次暂态衰减和暂态衰减，考虑了短路回路电阻对时间常数的影响。对于电动机的处理，考虑了电动机短路前的实际状态，以及短路电流周期分量和非周期分量的计算。相对于早期的方法，该方法更加的符合实际情况，因此有着更高的准确度[9]。CCS2009 和 IEC61363 计算方法基本一样，所不同的是，CCS2009对于电动机的参数 ηcosδ 默认为 0.76，而 IEC61363 默认为 0.64，同时 IEC61363考虑了电动机短路前的状态，而 CCS2009 则忽略了，由于电动机短路前负载大小对短路电流的影响不大，因此两者计算的结果差别不大。
第 2 章 同步发电机和异步电动机的短路电流计算
2.1 船舶中压交流电力系统的暂态过程
船舶交流电力系统[19]的运行状态包括两种，即稳定工作状态和暂态工作状态。当船舶电力系统处于稳定工作状态时，一般是指系统的运行参数都保持恒定值。但是严格意义上来说，系统的运行参数（电压、电流、频率等）是持续地在某一平均值附近变化的量，但是这种变化是很小的，可以把运行参量认为是常量。当系统受到某种的大的扰动后，如负荷的投切、断线、各种短路故障等，系统的运行参数就会发生大的扰动，并最终达到新的稳定状态，两个稳定运行状态之间的过程称之为暂态过程[20]。相对于陆上电力系统，船舶电力系统发生三相短路时，系统的电压急剧下降，短路回路电流很大，所有投入运行的电机由于机械转矩和电磁转矩的不平衡引起转速的变化，发电机励磁系统和调速系统迅速的进行调节，整个短路暂态过程将是非常的复杂。为了对船舶电力系统的短路过程有最为本质的认识，此处只关注那些最为重要的元素，对其他条件进行最大可能的简化。对电路图做如下假设：（1）三相对称电源功率为无穷大，当馈线处发生短路或者其他故障后，电源的电压和频率维持不变。（2）三相对称电源的内阻抗为零，电源电压维持稳定。（3）由于船舶电缆电压较低，线路较短，因此线路的阻抗性质为感性。当三相对称电路馈线处发生三相对称短路时，电路被分成了两部分。左边的回路与电源相连接向短路点馈送短路电流。右侧回路在短路后因为没有电源形成供电回路，因此其能量会逐渐消耗殆尽。在左边的电源回路中，由于短路回路的阻抗比短路前回路阻抗小，因此当电路达到新的稳定运行状态时，回路电流必会增大。
第 3 章 基于转移阻抗法的复杂网络短路电流计算 ....... 26
3.1 概述 .......... 26
3.2 基于转移阻抗法的 CCS2009 算法修正........ 26
3.3 基于转移阻抗法的短路电流计算 ....... 31
3.4 算例 .......... 38
3.5 本章小结 ....... 41
第 4 章 基于转移阻抗法的短路电流计算软件实现 ....... 42
4.1 软件编制的构想及软件的选择 ...... 42
4.2 模块的搭建 ........ 43
4.3 软件的实例验证 ..... 50
4.4 本章小结 ....... 52
第 5 章 基于电源分层等效..... 53
5.1 概述 .......... 53
5.2 电源分层等效方法 ...... 53
5.3 等效发电机的求取 ...... 54
5.4 基于等效发电机的短路电流计算 ....... 58
5.5 算例验证 ....... 59
5.6 本章小结 ....... 60
结论
船舶交流电力系统短路电流计算是船舶电力系统设计中最为重要的一环。他直接关系着整个船舶电网能否经济、高效、稳定、安全的运行，合理的计算短路电流不仅能使船舶电网建设最为经济，同时也能为保护装置设置合适的整定值，使保护设备能够快速的隔离故障。基于此，本文对船舶电网短路电流计算进行了较为细致而深入的研究，主要的结论有以下几点：
（1）GJB173 计算短路电流值有较大的正误差，按此标准进行设备选型可使系统有更高的安全系数，但是过高的保护整定值会引起断路器拒动，从而危及系统安全。GB3321 标准较早，对于需要计算 60～80ms 短路电流值的中高压断路器误差较大。CCS2009 忽略内容很少，因此其计算 100ms 以内的短路电流都有较高的精确度。
（2）本文用修正后的 CCS2009 结合转移阻抗法计算任意船舶电网的短路电流，该方法思路清晰，计算过程严格，适用于任意结构的船舶交流电网，通过 SIMULINK 仿真验证了该方法是有效的。同时在 MATLAB/SIMULINK 平台上编制了该方法的软件，该软件含有各个电气模块，可以直观的设置设备参数并搭建船舶网络图，方便了各种计算方法对比研究。
（3）本文采用基于深度优先搜索的层次搜索法识别电源的等效次序，结合改进 CCS2009 中电源的等效方法，计算树状网络的短路电流，该方法充分考虑了发电机和电动机短路后的暂态过程，有着严格的数学推导过程，计算精度较高。
（4）修正后的 CCS2009 结合转移阻抗法和基于改进 CCS2009 的分层等效法都有各自的优势，前者适用于各种网络结构，但会有一定误差，而后者是用于树状网络结构，准确度更高。基于此，在面对复杂网路结构时，应选择转移阻抗法，反之，则应该使用分层等效法进行计算。
参考文献
[1] 吴忠林．船舶交流电力系统的短路电流．北京：国防工业出版社，1983：4-9
[2] 缪燕华，吴斐文．海洋工程船舶船综合电力系统应用综述．船舶电气，2009（1）：38-42
[3] 张银炎，周炳辉．七零八所走出中压船电系统创新路．中国船舶报，2009（06）：23-27
[4] 吴庚申，李成玉．电力推进船舶的中压电力系统．船电技术，2003，（6）：15-18
[5] 贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理．北京：中国电力出版社，2010：32-40
[6] 张灼瑞．交流网络短路电流的估算．造船技术，1982：26-32
[7] 孙武．船舶短路电流计算方法的研究及其应用．机电设备．2000，（5）：21-25
[8] 赵岩．船舶电力系统短路电流计算方法研究[硕士学位论文]．哈尔冰：哈尔冰工程大学，2009：4-6
[9] Installations of Ships and Mobile and Fixed Offshore Units-part 1．Proceduresfor Calculating Short-Circuit Current in Three-Phase AC．IEC61363-1
[10]中国船级社．钢制海船入级规范（第四分册）2009．北京：人民交通出版社，2009：85-113