TWI578178B - Short Circuit Current Analysis System for Ship Ring Distribution Network - Google Patents

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船舶環型配電網之短路電流分析系統
本發明創作係關於一種分析系統，尤指一種船舶環型配電網之短路電流分析系統。
船舶電力系統包括發電裝置、電網、負載等部分，而電網是由電纜、導線和配電設備以一定的方式進行電性連接，發電單元通過電網將產生的電能配送到各種用電設備(即負載)，所以電網是船舶電力系統的一個重要的組成部分。船舶電網可以依其功能分為供電網路和配電網路，其中供電網路指主發電機和主配電盤之間、應急發電機和應急配電盤之間、主配電盤之間以及主配電盤與應急配電盤、岸電箱之間的電氣連接網；配電網路則指主配電盤、應急配電盤到用電設備之間的電器連接網。
船舶配電系統的主要任務是合理配置電能，並採取各種有效措施來保證全船舶用電設備得到最可靠的電力供應。船舶於海面上航行時，如同孤島般，其電力系統供電至推進動力、照明、廚房設備及相關電氣設備等，以符合船舶性能、任務執行及船員生活之需求，足見其可靠度及穩定性對於船舶之重要性。而軍艦，除考慮可靠性外，還強調存活力。軍艦之電力系統的存活力，是指其在戰鬥或事故中破損時，仍能保證有不間斷供電的能力。
目前船舶採用的配電網絡型式基本類型為幹饋式(即放射式或輻射式)、環式、網狀等，環式電網型式其優點為具多電源傳輸至負載的通路，故線路發生故障時不影響對負載的供電，而具有較高的供電可靠性，但此種供電型式在管理或保護設計上較為複雜，如系統發生事故時，電流 分佈的變化比較複雜，可能在未估計到的地方發生過負載；且系統阻抗值減小，短路電流值增加；保護裝置的動作時間不易配合，可能發生越級動作等，故其維護復雜，價格較為昂貴。
目前船舶電力系統短路電流大小是根據IEC60909-0法規進行計算主動元件，如發電機及電動機設備所貢獻的短路電流，並考慮系統中的被動元件，如電纜、變壓器等對短路電流的影響。然，此種法規的計算標準僅限用於放射狀、或輻射狀之配電網絡，對於環形配電網絡無法直接使用，也因此，本發明創作者認為有改善之必要，以增加船舶配電網絡之使用安全性。
由於IEC60909-0主要係用於估測陸上配電網的短路電流，而估測時由於陸上配電網視為放射狀供電網絡，因此，當IEC60909-0用於估測環形配電網時，會造成供電單元在估算阻抗時產生誤差，進而影響整體等效阻抗的估算，從而大幅度影響短路電流的估算準確度。
又，IEC61363-1主要係用於估測環形配電網的短路電流，而估測時會將該供電單元與鄰接之電纜所產生的合成阻抗納入整體的等效阻抗之估算，也因此，本發明創作者融合IEC60909-0、及IEC61363-1之估測特性，提供一種估算環形配電網之系統，令使用者僅需將環形配電網之單線圖資料、及其相關資料輸入，系統便會根據各種元件之短路狀況，分別運算出各個短路電流，以便於使用者選擇相對應之保護設備。
本發明創作者所提出估算環形配電網之短路電流之手段係關於一種船舶環型配電網之短路電流分析系統，包括：一輸入端：該輸入端係可供輸入一環形配電網之單線圖資料、一對應該環形配電網內各段電纜之電纜資料、一對應該環形配電網內供電單元之電壓資料及第一電阻資料及第一電抗資料、及一變壓器資料。
一處理器：該處理器係分別電性連接該輸入端、及一輸出端，該處理器寫有一第一分析程式、一第二分析程式、一第三分析程式、一第四分析程式、及一第五分析程式，該第一分析程式可供根據各電纜資料運算出各段電纜之電纜阻抗資料；該第二分析程式可供該處理器根據該變壓器資料運算出一變壓器修正阻抗資料；該第三分析程式可供該處理器根據該單線圖資料、該電纜資料、該第一電阻資料、及該第一電抗資料，運算該供電單元與電性連接該供電單元之電纜的合成阻抗而得到一第一合成阻抗資料；該第四分析程式可供該處理器執行：假設環形配電網其中一電子元件形成短路，而根據該電纜阻抗資料、該第一合成阻抗、及該電壓資料，運算出該電子元件於短路時之短路電流資料；該第五分析程式可供該處理器執行：重覆執行該第四分析程式，直到運算出該環形配電網內各電子元件於短路時之短路電流資料，並於該輸出端輸出各短路電流資料。
(1)‧‧‧輸入端
(2)‧‧‧處理器
(3)‧‧‧輸出端
第一圖係本發明創作之各元件連接示意圖
以下藉由圖式之輔助，說明本發明創作之構造、特點與實施例，俾使貴審查人員對於本發明創作有更進一步之瞭解。
請參閱第一圖所示，本發明創作係關於一種船舶環型配電網之短路電流分析系統(A)，包括：一輸入端(1)：請參閱第一圖所示，該輸入端(1)係可供輸入可供輸入一環形配電網之單線圖資料、一對應該環形配電網內各段電纜之電纜資料、一對應該環形配電網內供電單元之電壓資料及第一電阻資料及第一電抗資料、一變壓器資料、一感應電動機之額定電流、一電子元件資料。該電纜資料較佳則包括：各段電纜之電阻資料、各段電纜之長度資料、各段電纜 之電抗資料。該供電單元較佳則是包括一感應電動機、及一同步發電機，爰此，該電壓資料較佳則包括一感應電動機電壓資料、及一同步發電機電壓資料，該第一電阻資料則是較佳包括一感應電動機電阻資料、及一同步發電機電阻資料，該第一電抗資料較佳則是包括一感應電動機電抗資料、及一同步發電機電抗資料。
一處理器(2)：請參閱第一圖所示，該處理器(2)係分別電性連接該輸入端(1)及一輸出端(3)，該處理器(2)寫有一第一分析程式、一第二分析程式、一第三分析程式、一第四分析程式、及一第五分析程式，透過各分析程式可令該處理器(2)運算該單線圖資料所代表之單線圖中，各電子元件短路時所產生的短路電流。以下係分別介紹各分析程式可驅動該處理器(2)之作動手段：首先，該第一分析程式係可供該處理器(2)執行：根據各電纜資料，由各電纜資料內所包括之各段電纜之電阻資料、各段電纜之長度資料、各段電纜之電抗資料，配合 、，運算出各段電纜之電纜阻抗資料()。
該第二分析程式可供該處理器(2)執行：該變壓器資料較佳係包括一變壓器阻抗電壓資料(ukr)、一變壓器額定電壓資料(可選自高壓側或低壓側)(UrT)、一變壓器額定容量資料(SrT)、一變壓器電阻電壓資料(URr)、一變壓器負載損失資料(PkrT)、一變壓器電壓係數資料(cT)、及一變壓器電抗標么值資料(xT)，該處理器(2)係根據該變壓器阻抗電壓資料(ukr)、該變壓器額定電壓資料(UrT)、及該變壓器額定容量 資料(SrT)，再配合運算出一變壓器阻抗資料(ZT)；接著，該處理器(2)再根據該變壓器電阻電壓資料(URr)、該變壓器負載損失資料(PkrT)、該變壓器額定容量資料(SrT)、及該變壓器額定電壓資料(可選自高壓側或低壓側)(UrT)，配合運算出一變壓器電阻資料(RT)；然後，該處理器(2)根據該變壓器阻抗資料(ZT)、及該變壓器電阻資料(RT)，配合運算出一變壓器電抗資料(XT)；接著，該處理器(2)根據該變壓器電壓係數資料(cT)、及該變壓器電抗標么值資料(xT)，配合，運算出一變壓器修正係數資料(KT)；最後，該處理器(2)係根據該變壓器修正係數資料(KT)、該變壓器電阻資料(RT)、及該變壓器電抗資料(XT)，再配合ZTK=KTZT=KT(RT+jXT)，運算出一變壓器修正阻抗資料()。
該第三分析程式可供該處理器(2)執行：根據該單線圖資料、該電纜資料、該第一電阻資料、及該第一電抗資料，運算該供電單元與電性連接該供電單元之電纜的合成阻抗而得到一第一合成阻抗資料。由於該供電單元較佳則是包括一感應電動機、及一同步發電機，爰此，運算時較佳係分成感應電動機與電纜之合成阻抗、及同步發電機與電纜之合成阻抗進行運算，而令該第一合成阻抗資料係包括一感應電動機與電纜之合成阻抗資料、及一同步發電機與電纜之合成阻抗資料。
以下先說明該處理器(2)對於該感應電動機與電纜之合成阻抗之運算，其中，該感應電動機電壓資料較佳係包括：一感應電動機之電壓係數資料(CM)、及一感應電動機之標稱電壓資料(UnM)。
首先，該輸入端(1)較佳係輸入該感應電動機之功率，而該 處理器(2)係先針對該感應電動機之功率單位進行轉換，而轉換之比率係1kW=1.34kVA，接著，當該感應電動機之額定功率超過100kW時其短路電流為：IacM=4IrM，其中IacM為短路電流交流成分，IacM為額定電流；當該感應電動機之額定功率低於或等於100kW時其短路電流則為：IacM=3.2IrM。當該感應電動機之額定功率低於或等於100kW時，於此種狀態下由於該感應電動機的數量較多，該處理器(2)係根據該感應電動機之電壓係數資料(CM)、及該感應電動機之標稱電壓資料(UnM)，再配合運算出一感應電動機之阻抗資料(ZM)，然後感應電動機群(含其連接電纜)阻抗()(即該感應電動機與電纜之間的合成阻抗)可由關係式XM=0.922ZM和RM/XM=0.42先求出RM跟XM後，再透過求得；當該感應電動機之額定功率高於100kW時，則直接透過該標稱電壓資料、該短路電流、及該電纜資料，運算出該。
接著，說明該處理器對於該同步發電機與電纜之合成修正阻抗()之運算，其中該同步發電機電壓資料較佳係包括：一故障前同步發電機額定電壓資料(UO)、一同步發電機之標稱電壓資料(UnG)、一同步發電機之電壓係數(cG)、一同步發電機之額定電壓資料(UrG)；該同步發電機電阻資料較佳係包括：一同步發電機之定子電阻資料(RG)；該同步發電機電抗資料較佳係包括：一同步發電機之直軸電抗資料(Xd)、一該同步發電機之直軸次暫態電抗資料()、一同步發電機之直軸暫態電抗資料()：該發電單元資料更包括一同步發電機額定電流資料(I0)、一同步發電機功率因數角()、一同步發電機之修正係數資料(KG)、一同步發電機之阻抗資料()、及該同步發電機之額定電流間夾角資料(φrG)。
首先，該處理器(2)係根據、 ，運算出一同步發電機之合成次暫態阻抗資料()、一同步發電機之合成暫態阻抗資料()、一同步發電機之合成次暫態時間常數資料()、一合成暫態時間常數資料()。
接著，該處理器根據該同步發電機之直軸次暫態電抗資料()、該同步發電機之直軸暫態電抗資料()、該故障前同步發電機額定電壓資料(UO)、該同步發電機額定電流資料(I0)、及該同步發電機功率因數角()，配合、，運算出一同步發電機之次暫態主動電壓資料()、及一同步發電機之暫態主動電壓()。後該處理器(2)再根據同步發電機之次暫態主動電壓資料()、一同步發電機之暫態主動電壓()、一同步發電機之合成次暫態阻抗資料()、及一同步發電機之合成暫態阻抗資料()，再配合、，而得到一同步發電機與外部電纜之合成次暫態初始短路電流資料()、及一同步發電機與外部電纜之合成暫態初始短路電流資料()：然後，該處理器(2)係根據該同步發電機與外部電纜之合成次暫態初始短路電流資料()、該同步發電機與外部電纜之合成暫態初始短路電流資料()、該同步發電機之合成次暫態時間常數資料()、及一合成暫態時間常數資料()，並配合，運算出一同步發電機與外 部電纜之合成短路電流交流成分資料(IacGe(t))；接著，該處理器(2)係根據該同步發電機與外部電纜之合成短路電流交流成分資料(IacGe(t))、該同步發電機之標稱電壓資料(UnG)、及該同步發電機之電壓係數(cG)，再配合，運算出一同步發電機與外部電纜之合成短路阻抗資料(ZacGe)。
再來，該處理器(2)係根據該同步發電機之修正係數資料(KG)、該同步發電機之阻抗資料()、該同步發電機之定子電阻資料(RG)、及該同步發電機之直軸暫態電抗資料()，配合，得到一同步發電機之修正阻抗()。接著，該處理器(2)再根據該同步發電機之標稱電壓資料(UnG)、該同步發電機之額定電壓資料(UrG)、該同步發電機之電壓係數資料(cG)、該同步發電機之直軸次暫態電抗()、及該同步發電機之額定電流間夾角資料(φrG)，並配合運算出一同步發電機之修正係數(KG)。
接著，該處理器(2)係根據再配合 ，得到一同步發電機與外部電纜之合成修正阻抗()。
該第四分析程式可供該處理器(2)執行：根據該環形配電網之單線圖資料，假設環形配電網其中一電子元件形成短路，而根據該同步發電機與外部電纜之合成修正阻抗()、該感應電動機之阻抗資料(ZM)、該各段電纜之電纜阻抗資料()、該變壓器修正阻抗資料()，運算出該電子元件形成短路時之合成阻抗資料。由於該環形配電網之短路發生位置往往是在電力系統配電盤內的匯流排，在短路阻抗運算上通常僅考慮發電機，電動機，電纜等元件。如有必要，更可利用該電子元件資料，將其於該電子元件之阻抗納入考量，以取得較佳該 電子元件形成短路時之合成阻抗資料。其中，該電子元件資料係包括各電子元件之阻抗資料，而運算時係去除短路之電子元件進行運算；該處理器(2)再根據該電子元件形成短路時之合成阻抗資料、該感應電動機之標稱電壓資料、及該同步發電機之標稱電壓資料，運算出該電子元件形成短路時之短路電流資料。
該第五分析程式可供該處理器(2)執行：重覆執行該及第四分析程式，直到運算出該環形配電網內各電子元件於短路時之短路電流，並於該輸出端輸出各短路電流，以供使用者得以透過該短路電流分析系統之分析結果，來對環形配電網購買、設置相對應之保護設備，以避免電子元件短路時對整體環形配電網造成影響，且透過本發明創作結合IEC 60909-0、及IEC 61363-1之估測特性，可提升整體對於環形配電網之短路電流運算準確度。
綜上所述，本發明創作確實符合產業利用性，且未於申請前見於刊物或公開使用，亦未為公眾所知悉，且具有非顯而易知性，符合可專利之要件，爰依法提出專利申請。
惟上述所陳，為本發明創作在產業上一較佳實施例，舉凡依本發明創作申請專利範圍所作之均等變化，皆屬本案訴求標的之範疇。
(1)‧‧‧輸入端
(2)‧‧‧處理器
(3)‧‧‧輸出端

Claims (6)

  1. 一種船舶環型配電網之短路電流分析系統，包括：一輸入端：可供輸入一環形配電網之單線圖資料、一對應該環形配電網內各段電纜之電纜資料、一對應該環形配電網內供電單元之電壓資料及第一電阻資料及第一電抗資料、及一變壓器資料；一處理器：分別電性連接該輸入端、及一輸出端，該處理器寫有一第一分析程式、一第二分析程式、一第三分析程式、一第四分析程式、及一第五分析程式，該第一分析程式可供根據各電纜資料運算出各段電纜之電纜阻抗資料；該第二分析程式可供該處理器根據該變壓器資料運算出一變壓器修正阻抗資料；該第三分析程式可供該處理器根據該單線圖資料、該電纜資料、該第一電阻資料、及該第一電抗資料，運算該供電單元與電性連接該供電單元之電纜的合成阻抗而得到一第一合成阻抗資料；該第四分析程式可供該處理器執行：假設環形配電網其中一電子元件形成短路，而根據該電纜阻抗資料、該第一合成阻抗、及該電壓資料，運算出該電子元件於短路時之短路電流資料；該第五分析程式可供該處理器執行：重覆執行該第四分析程式，直到運算出該環形配電網內各電子元件於短路時之短路電流資料，並於該輸出端輸出各短路電流資料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述船舶環型配電網之短路電流分析系統，其中該電纜資料包括：各段電纜之電阻資料、各段電纜之長度資料、各段電纜之電抗資料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述船舶環型配電網之短路電流分析系統，其中該變壓器資料係包括一變壓器阻抗電壓資料、一變壓器額定電壓資料、一變壓器額定容量資料、一變壓器電阻電壓資料、一變壓器負載損失資料、一變壓器電壓係數資料、及一變壓器電抗標么值資料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述船舶環型配電網之短路電流分析系統，其中 該供電單元包括一感應電動機、及一同步發電機，該電壓資料包括一感應電動機電壓資料、及一同步發電機電壓資料，該第一電阻資料包括一感應電動機電阻資料、及一同步發電機電阻資料，該第一電抗資料包括一感應電動機電抗資料、及一同步發電機電抗資料。
  5. 如申請專利範圍第4項所述船舶環型配電網之短路電流分析系統，其中該感應電動機電壓資料係包括：一感應電動機之電壓係數資料、及一感應電動機之標稱電壓資料。
  6. 如申請專利範圍第4項所述船舶環型配電網之短路電流分析系統，其中該同步發電機電壓資料係包括：一故障前同步發電機額定電壓資料、一同步發電機之標稱電壓資料、一同步發電機之電壓係數、一同步發電機之額定電壓資料；該同步發電機電阻資料係包括：一同步發電機之定子電阻資料；該同步發電機電抗資料係包括：一同步發電機之直軸電抗資料、一該同步發電機之直軸次暫態電抗資料、一同步發電機之直軸暫態電抗資料；該輸入端可供輸入一發電單元資料，該發電單元資料包括一同步發電機額定電流資料、一同步發電機功率因數角、一同步發電機之修正係數資料、一同步發電機之阻抗資料、及該同步發電機之額定電流間夾角資料。
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