中壓艦船電力系統分布電容估計

聶冬，羅寧昭

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中壓艦船電力系統分布電容估計

聶冬1，羅寧昭2

（1. 海軍駐武漢712所軍代表室，武漢 430068，2. 海軍工程大學，武漢 430033）

系統分布電容大小是決定接地方式及接地裝置參數的重要因素，本文通過計算發電機、變壓器、母排及電纜的分布電容經驗公式，得到了無中壓負載艦船的分布電容大小，為接地方式的確定提供技術依據。

中壓 艦船 分布電容 電力系統

0 引言

隨著艦船電氣化程度進一步提高，用電設備日益增多，用電需求不斷提高，艦船電力系統的容量也不斷增加。目前國際上具有先進水平的援潛救生船均采用電力推進技術，它能有效地保障實施動力定位時艦船動力的快速性和機動性，同時使日用供電和推進供電一體化，實現能源的綜合利用和統一管理，這也使得整個電站的功率很大，遠遠大于采用傳統推進方式的艦船。與此同時，大型艦船的出現，高能武器的應用，電磁彈射的興起，都對艦船電力系統容量提出了非常高的要求。容量的急劇上升給技術上帶來如下困難：

1）短路電流過大，使開關電器與保護裝置的分斷容量不能滿足要求；

2）大功率發電機和電動機若額定電壓在500 V以下，在技術上將很難實現，并且在經濟上也不合理；

3）如果在500 V以下用電纜輸送500 kW以上的功率，將使導電芯線很粗，有時需多股電纜并聯，造成布線和安裝的困難。

為此，提高電力系統的電壓等級已經成為大功率電站必須考慮的問題，艦船中壓電力系統由此產生[1-4]。

中壓電力系統需要應用接地裝置抑制單相間歇性接地故障時產生的過電壓。接地方式的選擇及接地裝置的參數設定與中壓電力系統的分布電容有密切的關系。船用標準規定高電阻接地要求故障點電流小于10 A，諧振接地要求故障電流小于200 A，發電機安全電流要求故障點電流小于4 A（6 kV發電機）。而在確定電力系統中，故障點電流的大小由系統分布電容決定。因此需要對中壓艦船的系統分布電容進行估算，為接地裝置的選擇及參數設定提供技術依據。

1 分布電容經驗公式

在設計艦船接地方式時，艦船電力系統往往還沒有制造成型，所有裝備都還在圖紙上，系統每相對地電容還無法實際測量，因此只能通過經驗公式來估計一個系統的電容值。下面將對系統中主要元件逐一給出對地電容值的計算公式[5~6]。

1）發電機接地電容

經驗公式一

式中：為校正系數，數值為0.5；為發電機定子槽數；為定子長度，單位米；、Δi是槽內導線銅的周長及槽內絕緣厚度，單位毫米。

經驗公式（2）

式中：是發電機定子槽數；ε為槽相對介質常數；、h、b是定子鐵芯長度、槽高、槽寬，單位厘米；為電機絕緣厚度，單位厘米。

經驗公式（3）（高速汽輪發電機）

式中：S是發電機額定容量，單位千伏安；U-是發電機額定電壓，單位千伏；為溫度系數，當溫度為15~200 ℃時取0.0187。

2）變壓器接地電容

與母線相連的降壓變壓器為Y/△接線，母線側為Y接線，所以低壓側短路特性電容電流與高壓側是獨立的。一般只須計算便延期高壓線圈對地電容即可。變壓器高壓線圈的單向對地電容公式為：

按《電力工程電氣設計手冊》上所述，變壓器每相對地電容13.8 kV為0.004~0.01 μF；35 kV為0.003~0.009 μF。

3）母線接地電容

式中FM是封閉母線每相對地電容，單位微法；為封閉母線長度，單位米；R、R為封閉母線外殼和導體半徑，單位米；是空氣的介電常數，=8.86×10-12。

4）電力電纜接地電容

式中：C為電纜電容，單位皮法；是電纜長度，單位米；r、r是電纜芯線半徑和電纜外皮內半徑，單位厘米；ε、是空氣的介電常數和電纜絕緣材料相對絕緣介電常數r=8.86×10-12，=30。

2 分布電容估算

假設三相中壓電纜總長度5 000 m，發電機1 MW級10臺，日用變壓器500 kVA級10臺，母排等效長度100 m。根據發電機接地電容經驗公式（1）、（2）、（3）進行估算，數值為0.9—1.1 μF；根據變壓器接地電容經驗公式（4）進行估算，數值約為0.04 μF；根據母線接地電容經驗公式（5）進行估算，數值約為0.07 μF；根據電力電纜接地電容經驗公式（6）進行估算，數值為3.5—4.0 μF。因此大型艦船在沒有大型中壓負載的情況下系統對地電容在5 μF左右。

3 結論

通過計算發現，變壓器及母排并不存在較大的分布電容。發電機的總分布電容約為1 μF。系統占比最大的中分布電容由三相電纜產生。

根據IEEE Std C62.92.1-2000中關于高電阻接地方式對過電壓的抑制試驗，如果期望過電壓水平可以抑制在2.6倍正常值以下，接地電阻的阻值必須小于系統容抗值；同時為符合電力系統安全接地電流標準，故障電流小于10 A[7]。為符合標準高電阻接地方式需應用分布電容電容應小于5.9 μF的中壓電力系統中。當分布電容大于該數值時，接地故障電流將大于10 A，故障電弧不容易熄滅，故障將擴大，需要立即切斷故障支路。

通過估算結果可以看出，不帶中壓負載的艦船的分布電容能夠滿足高電阻接地要求。根據艦用標準要求電力系統設備對地電容應小于0.1 μF，因此配置大量中壓負載的大型艦船的分布電容必然超過高電阻接地裝置的允許值，需要考慮其他的接地方式。

[1] 回志鵬, 陳新剛, 馬守軍．艦船中壓電力系統接地分析[J]．艦電技術, 2007, 27(6): 339-350．

[2] 王鵬．艦船中壓電力系統中性點接地方式研究[J]. 船舶, 2007, 3: 49-54．

[3] 要煥年, 曹月梅．電力系統諧振接地（第二版）[M]．北京: 中國電力出版社, 2009．

[4] Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems[S]．IEEE Std 142-2007 IEEE．2007．

[5] 劉樹慰．發電機中性點接地方式研究[D]．天津: 天津大學, 2004．

[6] 曹爽. 供電系統中性點接地技術研究報告[R]．上海：中國艦船重工集團公司七〇四研究所, 2007．

[7] IEEE Std C62．92．1-2000．IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems[S]．USA：IEEE, 2000．

The Estimation on Distributed Capacitance ofMiddle--voltage Shipboard Power System

Nie Dong1, Luo Ningzhao2

(1. Naval Representatives Office of No. 712 Research Institute, Wuhan 430068, China; 2. Naval University of Engineering,Wuhan 430033, China)

TM74

A

1003-4862（2014）2-0068-03

2013-07-18

聶冬（1983-），男，工程師。主要研究方向：電氣工程。