船舶电站自动化课程设计.docx

船舶电站自动化课程设计
题目1：船舶电力系统的短路计算
设计要求：
1短路计算概述
在船舶电力系统实际运行中，短路故障是难以避免的。当船舶电力系统中住配电板的母线或某一干线发生短路时，在母线或某一干线上将出现比正常值大许多倍的短路电流。在发生短路故障时，系统的总阻抗减小，在短路计算时，一般考虑最严重的短路即金属性短路，故系统阻抗减小的程度仅和短路点在系统中的位置有关，短路点距离电源越近，则系统的总阻抗就越小，短路电流值也就越大。即使短路时所经理的时间很短，很大的短路电流所产生的机械应力和热效应，也可能使发电机以及其他电气设备受到损坏。此外，大的短路电流也会使电网电压大为降低，以至用电设备的工作受到影响，例如使正在运转的电动机停止运转。
船舶交流电力系统短路计算目的如下：
（１）校核所选用的配电电器的短路接同能力和短路分断能力
（２）校核汇流排等元件的电动力稳定性
（３）为电力紫铜选择保护的设计和整定提供依据
（４）确定是否需要采取必要的限流措施
在船舶交流电力系统中有单相接地短路（中性点直接接地系统）、两相相间短路、两相两点接地短路和三相短路。陆地上110KV及以上电力系统都采用架空电线缆线路且都是中性点直接接地系统、发生单相接地短路的故障率最高；而船舶电力系统大多采用三相绝缘系统，故发生三相对称短路的故障最大，也是我们研究的重点。至于三相系统发生不对称短路时，其短路电流可按下列原则处理：
（1）发生两相短路后第一半周期的短路电流，可取为响应的三相对称短路时短路电流值的0.866倍。
（2）在重型点接地的交流电力系统中，发生单向短路后第一个半周时的最大短路电流，可认为近似等于响应的三相对称短路时的短路电流值。
2短路计算系统统图和相对值
2.1短路计算工况的选择
短路计算应该选择电力系统短路最严重（数值最大）工况下进行，这个工况应该是：投入发电机的额定功率总和为最大；发电机组处于长期并联运行状态；投入工作的异步电动机负荷额定功率总和为最大；发电机组的其始负荷最大。
短路极端系统图的绘制：短路计算系统图应该根据所选计算共矿和船舶电力一次系统绘图制。通常采用系统单线图。计算图中包括：
(1) 并联工作的发电机
(2) 用一个等效电动机表示电动机负载。
(3) 相应的导电部分，如开关、电器和变压器等。
(4) 所选择的短路计算点。
2.2 短路计算点的选择
船舶电力系统的短路电流是由系统的所有发电机和电动机的参数以及电路的阻抗决定的，而且和短路点位置有很大关系。我们选择短路点的原则是应该使该点短路后，流过所选择、整定或校验的电气设备的电流为最大。
2.3 相对值
在短路电流实际计算中，电压、电流、阻抗、功率等物理量，通常不用其实际的数值表示，而是采用相对单位值来表示：
相对值=某物理量实际值/同一物理量基值
在已知或求得相对值只后，也可由上式求得实际值。它等于相对值与基值的乘积。
在船舶电力系统中的发电机、电动机、变压器等设备，其产品目录参数的相对值是根据该设备的额定值、作为基值而求得的。如同步发电机的参数、、、等都是以额定值、为机智的相对值表示的。额定值作为基值情况下的相对值为
（1）
（2）
（3）
（4）
上式中下角注有“e”是表示这些量值是采用额定值作为基值的相对值。各物理量的相对值乘以100%，便是百分值。
3发电机馈送的短路计算
3.1发电机的对称短路电流
为了便于理解和计算，工程上通常近似地将整个过度过程分为三个阶段：超瞬变阶段、瞬变阶段、最后进入稳定。超瞬态分量按阻尼绕组回路的时间常数T〞D
指数衰减；瞬态分量按励磁染组回路的时间常数TˊD指数衰减。
短路电流的最大瞬时值大约在短路后半个周期出现，当发电机的电压频率F=50HZ时，这个时间约为短路后的0.01S。在计算发生三相对称短路后第一个半周的短路电流时，顺态短路电流还没有衰减，可以忽略顺态短路电流的衰减时间常数。因此当发电机在空载及空载及额定电压VN情况下，在发电机输出端发生短路时，其超顺态对称短路电流初始值和顺态对称短路电流起始值分别为
(KA) （5）
(KA) （6）
短路发生后第一个半周时发电机空载对称短路电流为
(KA) （7）
式中 —— 一次配电系统额定相电压；
、——分别为发电机直轴超瞬态电抗、瞬态电抗；
—— 发电机电枢电阻；
—— 交流电周期（50HZ，T = 0.02S）；
—— 发电机直轴超瞬态短路时间常数。
2.发电机的短路电流非周期性分量
发电机在空载及额定电压当发电机输出端发生短路时，其短路发生后第一个半周期短路电流飞周期分量为
（KA） （8）
式中 ——发电机非周期分量时间常数。
3.发电机的最大非对称短路电流
发电机的最大非对称短路电流在短路发生后第一个半周期时出现，其值等于对称短路电流的峰值与短路电流非周期性分量之和，即
（KA） （9）
4.无阻尼绕组发电机的短路电流
无阻尼绕组发电机的短路电流的计算公式，只要将上面公式中发电机参数、、用、、代替即可。
5.电动机馈送的短路电流计算
（1）等效电动机各项参数的确定
若由电动机的参数资料查得平均等效电动机各项参数分别为、、和 ，则等效电动机相应的各项参数分别为
（10）
（11）
（12）
（13）
（14）
式中 、、——等效电动机定子电阻、瞬态电抗、瞬态阻抗；
、——平均等效电动机定子电阻、瞬态电抗；
、——平均等效电动机瞬态短路时间常数、非周期时间常数；
、——等效电动机瞬态短路时间常数、非周期时间常数。
（2）等效电动机短路电流的计算
当主汇流排电压为额定电压，在电动机出线端发生短路时，其等效电动机短路发生后第一个半周时的短路电流分别为：
对称短路电流
（15）
短路电流非周期性分量
（16）
最大非对称短路电流
（17）
3.2 短路功率因数计算
1.主汇流排馈电分路配电电器出线端处短路功率因数计算
此处短路电路阻抗为等效发电机与等效电动机并联阻抗：
（18）
经计算可得短路电路的电抗和电阻分别为
（19）
（20）
则短路功率因数为
（21）
2.主汇流排外馈电线处的短路功率因数计算
此处的短路电路的电阻和电抗分别为
（22）
（23）
则短路功率因数为
（24）

题 目2：船舶电力系统的设计
294KW渔船，为了使294KW渔船电气系统更接近441KW渔船，确定该船的电气系统采380 V三相交流电，电力一次和照明一次采用三相三线系统，其余采用双线绝缘系统。1电和机组选型
备主要有三个部分：①电力拖动的甲板机械，包括：液压舵机2台，总用泵1台，空压机2台，舱底泵1台，燃油泵1台，淡水泵1台，机舱通风机2台，油水分离器1台。②照明设备包括：正常照明、甲板照明、航行信号灯及围网灯光设备等。③弱电设备包括：通信导航设备、充放电系统、应急照明系统、电铃及广播设备等[。
2电力负荷的计算
2.1计算方法
根据该船的作业特点，分六种工况进行计算：
1）航行——满载全速航行状态；
2）进出港——港内低速航行或机动状态；
3）拖网——渔场全功率拖网状态；
4）光诱——渔场围网作业诱鱼状态；
5）停泊——停靠码头或锚泊状态；
6）应急——一般考虑船舶失火状态。
根据工况特点，负荷分三种类别：
1）Ⅰ类负荷——连续使用的负荷；
2）Ⅱ类负荷——短时或重复使用的负荷；
3）Ⅲ类负荷——偶然短时使用的负荷，以及按操作规程可以在电站尖峰负荷时间外使用的负荷。
2.2电动机负荷系数的计算
电动机是船上消耗电能的主要设备，电动机的利用系数：
（1）
式中：
：为电动机的额定功率（）
：为由电动机拖动的机械最大轴功率（）。
机械负荷系数：
（2）
式中：
为由电动机拖动的机械实际使用功率（）。
则电动机的负荷系数为：
（3）
电动机额定所需功率为（）：
（4）
式中：:
为电动机的效率。
电动机实际所消耗的功率为（）：
（5）
式中：:
为电动机相当于功率时的效率。
由于非满载状态下交流电动机的效率和功率因数与额定值相比有一定的差距，该数值在电动机的名牌上未反映，因此，根据电动机的负荷率从设计手册中查取。
2.3负荷同时系数的确定
负荷的同时系数影响因素较多，一般采用近似平均值。渔船在计算时根据其他同类渔船的负荷特点，确定Ⅰ类负荷的同时系数为0.85,Ⅱ类负荷为0.4，而Ⅲ类负荷因为可以避开高峰负荷，故在计算全船电力负荷时不予考虑。
确定以上参数后，通过计算便得出渔船的电力负荷计算书，如附录中的表1。3发电机功率和数量、型号的选择
根据电力负荷计算，在各种工况下负荷的最大功率为，为确保发电机具有一定的储备功率，该船选用发电机组。单台发电机能满足各种工况下的全船用电设备的用电量。最大用电量未超过发电机额定功率的70%。根据船舶建造规范要求，船舶电站必须装有备用发电机组，其容量应在其中最大容量的一台发电机损坏时，仍能充分满足正常航行和应急的需要，因此本船电站选用了两台发电机组，型号为tfhx—24相复励自励恒压交流发电机。其性能指标符合国际电工委员会IEC标准92—301号出版物《船舶电气设备》的各项规定。
4电力系统
4.1电力系统的构成
钢质渔船的电力系统由两台发电机、主配电板、各分配电箱和电动机组成。结构形式为辐射式供电系统(见附录中的图1
（1）主配电板的结构
主配电板为防护式结构，由二屏组成。每屏均由上、中、下三部分组成，上部为仪表板，中部为发电机主开关，下部为配电开关板。仪表板设计成可摇开式结构，中下部面板用螺丝固定，以便维修。主配电板采用的角钢作骨架，厚的薄钢板作面板和侧板，前后设有木质扶手，全部电缆均从配电板底部穿人。配电板的外形见图2。
（2）主配电板的性能和特点
为保证电力系统的安全性和可靠性，保证船舶的正常航行，主配电板除具有正常切、供电功能外，还设置了多重保护装置。当船舶某部分发生故障时，保护装置能可靠动作，迅速断开电路中的故障部分，使其它部分不受影响，仍能正常运行。
配电板的主开关为型自动空气断路器。一级保护由主开关实现，当发电机过载或失压时主开关能自动跳闸。主开关额定电流整定在，瞬时动作电流整定在额定电流的5倍；过载长延时电流整定在56A，延时1.5动作；过载短延时电流整定在110A延时0.4～0.6s动作。失压脱扣整定在动作。二级保护由各输出分路开关和熔断器实现。由王配电板引出的每一供电线路均装有DZ10—100型装置式空气开关，电流均整定在负载额定电流的125%，熔断器为防止各路负载短路而设置的。三级保护中各分电箱和控制箱来实现，各分电箱的每一输出端均设有熔断器，使得任何一路电源发生故漳熔断器能翅迅速熔断，把故障控制在最小的范围内，使其它电路免受影响。电动机由各控制箱中的保护电器实施保护。
为了使两台发电机能实现交替工作，避免在换机过程中电网停电，主配电板设置了两台发电机并车装置。该装置为手动粗同步并车装置，由同步指示灯、同步表、并车电抗器、交流接触器、延时继电器和逆功率继电器等组成。当并车操作失误，发电机出现逆功率时，逆功率继电器能可靠切除待并发电机。
主配电板可以通过岸电箱接入岸电，岸电和船电之间具有电气联锁，当岸电接人时主开关不能合闸。岸电箱上相序指示灯，可防止相位逆序而使电动机反转。
4.2 电力拖动系统:
钢质渔船由电力拖动的机械设备主要是机舱辅机，包括各泵、空压机、通风机和油水分离器。每台电动机都配有各自的启动控制箱。其中空压机和淡水泵装有YT—1226型压力继电器，如果处于自动模式下，其工作状态由压力继电器控制。燃油泵和机舱通风机在主甲板机舱出口处装有遥控切断按钮，当机舱遇火灾时可以在舱面切断燃油泵和通风机。

电力系统图如下：

电力负荷计算书如下：
用 最
电 大
设 数 机
备 量 械
名 轴
称 功
率
Kw
电动机数据 电
航行状态
拖网作业状态
光诱作业状态
进出港状态
停泊状态
应急状态
功 所 动
型 功 转 效 率 需 机
号 率 速 率 因 功 利
数 率 用
系
数
kW r/min % Kw K1
机 电
械 动 效 功 使 所 无 负
负 机 率 率 用 需 功 荷
荷 负 因 台 功 功 类
系 荷 素 数 率 率 别
数 系
数
K2 K3 % n kW kVar
机 电
械 动 效 功 使 所 无 负
负 机 率 率 用 需 功 荷
荷 负 因 台 功 功 类
系 荷 素 数 率 率 别
数 系
数
K2 K3 % n kW kVar
机 电
械 动 效 功 使 所 无 负
负 机 率 率 用 需 功 荷
荷 负 因 台 功 功 类
系 荷 素 数 率 率 别
数 系
数
K2 K3 % n kW kVar
机 电
械 动 效 功 使 所 无 负
负 机 率 率 用 需 功 荷
荷 负 因 台 功 功 类
系 荷 素 数 率 率 别
数 系
数
K2 K3 % n kW kVar
机 电
械 动 效 功 使 所 无 负
负 机 率 率 用 需 功 荷
荷 负 因 台 功 功 类
系 荷 素 数 率 率 别
数 系
数
K2 K3 % n kW kVar
机 电
械 动 效 功 使 所 无 负
负 机 率 率 用 需 功 荷
荷 负 因 台 功 功 类
系 荷 素 数 率 率 别
数 系
数
K2 K3 % n kW kVar
1舵机 2 1.64
2空压机 2 5.0
3总用泵 1 2.79
4舵底泵 1 3.87
5燃油泵 1 0.8
6淡水泵 1 1
7机舵遇风机 2 0.63
8油水分离器 1
9无线电设备
10雷达
11助航设备
12探鱼仪
13正常照明
14航行信号灯
15扫海灯
16工作灯
17充放电板
18电风扇
19围网灯光
Y90L-4-H 1.5 1400 79 0.9 1.9 1.09
Y132M-6-H5.5 960 86 0.89 6.4 0.91
Y112M-2-H4 2890 86.3 0.86 4.62 0.7
Y1325-2-H5.5 2900 86.5 0.88 6.96 0.7
Y100L-4-H2.2 1420 91.5 0.81 2.7 0.86
Y90L-4-H 1.5 1400 79 0.8 1.9 0.67
Y80-2-HF 1.1 2900 76.5 0.85 1.29 0.57
8 80 0.8 3.75
0.8 0.8
0.8 0.2
0.8 0.5
0.1
3.62
1.02
1.0
4.0
1.5
0.4
15
0.8 0.87 79 0.76 1 1.65 1.41 1
1.0 0.91 85 0.81 1 5.89 4.62 11

0.8 0.56 84 0.79 1 3.67 2.91 11
1.0 6.96 72 0.57 1 1.1 1.59 11
0.8 0.54 77 0.65 1 1.05 1.23 11
1.0 0.57 70 0.77 2 1.8 1.5 1
0.8 1 3.75 2.81 10
0.8 0.8 0.6 11
0.8 0.2 0.15 11
0.8 0.3 0.38 11
0.8 0.1 0.08 1
0.8 2.9 1
0.5 0.51 1
1 1.0 10
1
1 1.5 11
0.8 0.82 1

0.8 0.56 86 0.8 1 2.6 1.95 11
0.8 0.56 84 0.79 1 3.67 2.91 11
1.0 0.86 72 0.57 1 1.1 1.59 11
0.8 0.54 77 0.65 1 1.05 1.29 11
1.0 0.57 70 0.77 2 1.8 1.5 1

0.8 0.8 0.6 11
0.8 0.2 0.15 11
0.8 0.5 0.38 11

0.7 2.59 1
0.5 0.51 1
1 1.0 10
3.8 1
1 1.5 11
0.4 0.16 1

0.8 0.56 86 0.8 1 2.6 1.95 11
0.8 0.36 84 0.78 1 2.67 2.91 11
1.0 0.36 72 0.57 1 1.1 1.59 11
0.8 0.54 77 0.65 1 1.05 1.23 11
1.0 0.57 70 0.77 2 1.8 1.5 1
0.8 0.8 0.6 11
0.8 0.2 0.15 11

0.8 0.1 0.08 1
0.8 2.90 1
0.5 0.51 1
1 1.0 10

0.4 0.16 1
0 1
0.9 1.0 79 0.8 1 1.9 1.43 1
1.0 0.91 85 0.81 1 5.89 4.26 11

0.8 0.56 84 0.78 1 3.67 2.91 11
1.0 0.36 72 0.57 1 1.1 1.59 11
0.8 0.54 77 0.65 1 1.05 1.23 11
1.0 0.57 70 0.77 2 1.8 1.5 1

0.8 1 0.8 0.5 11
0.8 0.2 0.15 11
0.8 0.5 0.39 11

0.8 2.3 1
0.5 0.51 1
1 1.0 10

0.8 0.32 1

1.0 0.36 72 57 1 1.1 1.59 11
0.8 0.54 77 0.65 1 1.05 1.23 11

0.5 1.81 1

1 1.5 11
0.5 0.2 1
0.9 1.0 79 0.8 1 1.9 1.43 1
1.0 0.91 85 0.81 1 5.89 4.26 11
0.8 0.56 86 0.8 1 2.6 1.95 1
0.8 0.56 84 0.79 1 3.67 2.91 1

0.8 0.8 0.6 11
0.8 0.2 0.15 11
0.8 0.5 0.38 11

0.8 2.9 1
0.5 0.51 1
Ⅰ类负荷总功率（Kw.kVar）
Ⅱ类负荷总功率（Kw.kVar）
Ⅲ类负荷总功率（Kw.kVar）
Ⅰ类负荷考虑同时系数（K0Ⅰ=0.85）时总功率（Kw.kVar）
Ⅱ类负荷考虑同时系数（K0Ⅱ=0.4）时总功率（Kw.kVar）
Ⅰ.Ⅱ类负荷功率总和（Kw.kVar）
考虑网络损失5%时的所需功率（Kw.kVar）
平均功率因素
运用发电机台数及功率（n×Kw）
发电机负荷率（%）
备用发电机台数及功率（n×Kw）
P=8.68 .Q=1.58
P=13.31 Q=11.2
P=4.75 Q=2.81
P=7.38 Q=2.41

P=5.32 Q=4.48

P=12.70 Q=7.3
P=13.34 Q=7.3
0.88
1×24
55.6
1×24
P=8.90 Q=1.58
P=11.42 Q=8.81
P=1.0
P=7.57 Q=1.34

P=4.57 Q=3.52

P=12.14 Q=4.86
P=13.75 Q=5.1
0.93
1×24
53
1×24
P=13.47 Q=1.58
P=9.42 Q=8.43
P=1.0
P=11.45 Q=1.34

P=3.77 Q=3.77

P=15.22 Q=4.71
P=15.98 Q=4.95
0.96
1×24

1×24
P=7.43 Q=2.93
P=13.21 Q=11.12
P=1.0
P=6.32 Q=2.49

P=5.28 Q=4.45

P=11.50 Q=6.94
P=11.18 Q=7.29
0.86
1×24
50.8
1×24
P=2.01
P=3.65 Q=2.82

P=1.71

P=1.46 Q=1.128

P=3.17 Q=1.13
P=3.33 Q=1.19
0.94
1×24
14
1×24
P=11.58 Q=6.29
P=7.39 Q=5.35

P=9.84 Q=5.35

P=2.96 Q=2.16

P=12.8 Q=7.51
P=13.44 Q=7.89
0.86
1×24
56
1×24



题三船舶交流系统短路计算（见书P70）
假设某船舶短路计算系统如图1所示。已知参数如表1和表2所示。试计算各短路点短路电流并选择各自动开关数据。

图1　短路计算系统示意图

表1 发电机参数
发电机
型号

G1~G3
TFH-250/10
250
400
0.451
50
0.1435
0.2482
9.04
6.6
25.6

表2　电力变压器参数
变压器
型号

/%
/%
/%

T1
SGH3-50/0.5
50
400
230
3.50

0.95

题目4：相同型号发电机并联运行的船舶交流电力系统最大短路电流计算
已知船舶交流电力系统单线图如图1所示，该船共装有三台250kW的发电机组。直接接入母线的电动机总额定功率为PNM＝300kW，它表示在最大工况下同时运行的电动机的功率总和，用一台等效电动机M表示，求A1、B1、C1诸点的短路电流峰值IP和短路电流的周期性分量Iac。

图1　船舶电力系统短路点的选择
一、 发电机参数
　　发电机共三台，型号TFH-250/10，发电机额定功率PNg=250kW，额定电压UN=400V，额定电流ING=0.45KA，频率=50Hz，=0.1435，=0.2842，定子绕组电阻Ra=9.04mΩ，=6.6ms，=25.6ms。
二、 线路阻抗
1. 由发电机端到主母线采用3(3x95)mm2，长14m的电缆，电缆参数为：
x1=0.077mΩ/m r1=0.22mΩ/m
所以线路阻抗为
xgb=14x0.077/3=0.359mΩ
Rgb=14x0.22/3=1.027mΩ
2. 由主汇流排到C1短路点间馈电线采用1(3x16) mm2，长12m电缆，电缆参数为：
X2=0.091mΩ/m r2=1.3mΩ/m
所以线路阻抗为
Xe=0.091x12=1.092mΩ
Re=12x1.3=15.6mΩ
三、 异步电动机
最大工况下同时运行电动机22台，共300kW。用算术平均法得等效电动机的功率为PNm

平均等效电动机的各项参数，查图8－25所示的曲线得：
平均等效电动机瞬态电抗
平均等效电动机定子电阻
平均等效电动机瞬态短路时间常数

平均等效电动机非周期时间常数

所以等效电动机的各项参数为：

上式功率因数取0.8；效率取0.87

题5设计一个基于微机处理的自动并车装置