船用中壓發電機中性點接地電阻的整定計算

陳 亮，李 耕，張曉鋒

（海軍工程大學，武漢430033）

0 引言

近年以來船舶制造領域呈現向大型綜合化、電氣化、智能化方向發展的趨勢，伴隨這種趨勢而來的是船舶電力系統容量與電壓等級的提高。綜合考慮供電能力、線路損耗的影響，顯然大功率等級的船舶電力系統采用中壓或高壓交流供電方式較為合理[1]。事實上，目前船舶中壓電力系統已經得到了廣泛的應用，主要有3/3.3 kV、6/6.6 kV、10/11 kV等級。

船舶電力系統電壓等級的提升帶來的挑戰不僅體現在設備與系統絕緣與安全方面，還關系到系統接地方式的配置問題。傳統低壓系統采用不接地運行方式，特點是安全性好，供電連續性高。但是，船舶中壓電力系統對地分布電容的影響不可忽視，發生接地故障時會產生較大的容性電流，極易造成故障點起弧現象，嚴重時故障會擴大化。因此，對于中壓電力系統必須考慮中性點接地運行方式[4]。目前，應用較廣泛的是高阻接地方式，中性點設置在發電機繞組中性點上。

本文針對船舶中壓系統高阻接地方式開展研究，參考多項標準規范，解決了接地電阻值計算選擇中的問題，并從多個角度出發校驗了接地電阻設計值的合理性。

1 發電機中性點接地方式選擇

通常，電力系統的中性點設置在發電機繞組星形連接的中性點，或者變壓器的中性點。本文主要考慮針對發電機的保護，綜合各國船級社標準規定，選擇發電機中性點作為系統接地中性點。

1.1 標準與規范要求

按照 GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》的規定（具體見表1所示），當6.3 kV發電機定子繞組單相接地故障電流達到4 A時，定子繞組接地保護應動作于信號，當故障電流大于4 A時，定子繞組接地保護應動作于停機。

表1 發電機定子繞組單相接地故障電流允許值

1.2 接地方式選擇依據

要使發電機得到充分保護，遵循的原則有：1）定子繞組單相接地故障不應燒損定子鐵芯；2）不應因單相接地的間歇性弧光過電壓，使單相接地故障發展為相間或匝間短路；3）發電機中性點接地方式應有利于提高定子繞組單相接地保護的技術性能。

由于系統對地電容值較大，因而當發電機定子繞組發生單相接地故障時不可能將接地故障電流限制在規定的允許值以下，從而會導致發電機定子繞組鐵芯的燒損。根據上述標準的推薦，對于這種對地電容比較大的具有發電機的系統，所適用的中性點接地方式應保證發生定子繞組單相接地故障時中性點的暫態過電壓不超過允許值，且與最大接地故障電流的時間特性相適應。因此，船舶中壓發電機的中性點宜采用高電阻接地方式，并在發電機定子繞組接地保護裝置的配合下快速切除接地故障，以防止發電機定子鐵芯燒損。

2 系統參數初步計算

下面以某中壓6.3 kV船舶電力系統為例，計算其發生單相接地故障時的故障電容電流。

系統發生單相接地故障時，接地故障電容電流的大小主要取決于每相對地電容值，計算過程如下：

發電機定子繞組單相對地電容值：；Cg=0.05 μF

變壓器單相對地電容值：Ct=0.0015 μF ；

中壓電纜單相分布電容值：C1=0.0015 μF，（規格 3×95，額定電壓 6/10，鎧裝）；設電纜總長：l=8 km；

考慮最小工況下2臺發電機并聯，C02=3.937 μF ；

最大工況下 7臺發電機并聯，C07=4.1877 μF ；

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從發電機中性點看入的對地總容抗：

則系統在發生單相接地故障時的故障電容電流為（取發電機額定電壓Ue=6.3 kV）：

可以看出，發電機在定子繞組發生單相接地故障時的故障電流已遠超過了GB/T 14285規定的允許值，需要在故障發生時跳閘停機。這也應證了有必要采取中性點高阻接地方式。

3 中性點接地電阻值的選取

3.1 滿足限制暫態過電壓的要求

DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護與絕緣配合》規定：“高電阻接地系統的系統設計應符合R0≤Xc0的準則，以限制由于電弧接地故障產生的瞬態過電壓。一般采用接地故障電流小于10 A。R0是系統等值零序電阻，Xc0是系統每相對地分布容抗。”

DNV《船舶入級規范》中也有類似規定：“系統中性點通過一個電阻接地，其電阻值等于或稍小于一相與地之間容抗值的1/3。”

IEEE Std C62.92.1-2000中有關于高電阻接地方式對過電壓的抑制試驗，根據 IEEE 的實驗模擬，得到在不同容抗與接地電阻值比值條件下，電弧過電壓峰值與相對地電壓峰值的比值情況，如圖1所示。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：Rn≤Xcn=1/3ωC0。

經過計算比較發現，發電機中性點接地電阻值Rn并不是越大越好，當Rn的值過大時在發電機定子繞組單相接地故障時將會產生較高的弧光暫態過電壓，這將對發電機定子繞組絕緣造成威脅。隨著發電機中性點接地電阻Rn值的減小，發生接地故障時的弧光暫態過電壓倍數將下降，但當Rn減小低于Xcn的值后發生接地故障時弧光暫態過電壓倍數的下降將變得十分緩慢，相反，由于Rn的值過小將不可能將接地故障電流限制在允許范圍內，這樣接地故障電流將會燒損發電機的定子鐵芯。

圖1 弧光暫態過電壓與相對地電壓在不同情況下的比值

在實際應用中，接地電阻的大小還應根據發電機定子繞組的電氣絕緣水平來確定，當發電機的定子繞組電氣絕緣強度有較高的安全系數，且中性點接入電阻后發生定子繞組單相接地故障時的弧光暫態過電壓不會造成定子繞組絕緣損壞時，接地電阻值的選取則主要從減小接地故障電流值為出發點，即接地電阻值可以選到圖1中橫坐標的0.5以下區域。

3.2 滿足限制接地故障電流的要求

DL/T 780-2001《配電系統中性點接地電阻器》中對于中性點電阻器的額定發熱電流也做出了相關規定，推薦選用的額定值為3 A、7 A、16 A、25 A、50 A等。

為了滿足限制接地故障電流的要求，先考慮限制中性點電阻電流，我們選擇3 A、5 A、7 A、10 A來進行驗證。當接地故障發生在發電機出口端或定子繞組上時，故障發電機主開關跳閘后的接地電流如表2所示。

表2 故障發電機跳閘后不同電阻值條件下的接地故障電流

按照GB/T14285-2006規定，6.3 kV發電機的定子繞組單相故障電流允許值為4 A。若接地故障電流大于4 A，則單相接地保護必須作用于跳閘滅磁。但應注意即使滅磁動作，由于滅磁時間常數較大，故障電流仍持續一段時間，對定子鐵心的安全仍可能有較大威脅。因此，我們不主張發生定子繞組接地故障時動作于跳閘滅磁，而是通過限制故障電流，使跳閘后的接地故障電流限制到允許值范圍內，進而實現平穩停機，避免因為滅磁而造成對發電機的損害。

通過計算可知：1）只有中性點電阻電流為3 A的情況才滿足我們的需要，此時的中性點電阻值為1212 Ω。2）當中性點電阻為1212 Ω時，接地故障電流范圍為14.77 A～25.44 A，基本滿足IEEE Std C37.101-2006的推薦要求。

4 中性點電阻值校驗

4.1 從限制過電壓水平考慮

當中性點電阻取值為1212 Ω時，最大過電壓為3.2倍，這相當于新機出廠試驗電壓3.5 p.u.的91%，因而當發生定子繞組接地故障時所產生的弧光暫態過電壓不會損壞定子絕緣繞組。

4.2 從人身安全角度考慮

從人身安全考慮，中性點接地電阻的電流越小越好。因為中性點經電阻接地在發生單相接地故障時，通過故障點的接地短路電流比較大，會引起故障點對地電位升高，有可能造成跨步電壓，接觸電勢超過允許值。因此在選擇電阻值時，應根據接地電阻、保護動作時間和接地短路電流計算跨步電壓和接觸電勢是否超過規程。根據深圳(400 A)、廣州(400 A)、上海(1000 A)、北京(600 A)、青島(1300 A)、天津(1300 A)等地選擇電阻電流的經驗，并未發現因采用電阻接地方式而造成跨步電壓和接觸電勢過高引起人身傷亡事故。

綜上所述，對影響電阻值的4個主要因素，按選擇的單機電阻電流為3 A，總接地故障電流為3 A～25 A的要求，對于6.3 kV系統(額定電壓為6.3 kV)，計算出接地中性點電阻為1212 Ω。

4.3 從繼電保護靈敏度考慮

若系統發生單相接地故障，流過接地故障點的零序電流等于接地相的電阻性電流和非接地相的電容電流的矢量和。按選擇的接地中性點電阻為1212 Ω計算，單相接地故障電流為14.77 A～25.44 A。從保證繼電保護靈敏度考慮，電阻值越小即流過電阻的電流越大越好。目前的微機保護一般都有零序保護功能，且啟動的電流值相當小，而單相接地故障電流遠大于每條線路的對地電容電流，一般都能滿足零序保護的靈敏度要求。

5 結論

根據各國船級社規定與國家標準規范對于中壓等級電力系統的相關要求，本文選擇了發電機中性點經高阻接地運行方式。通過理論計算不同工況以及不同接地電阻值配置條件下，故障電流、系統過電壓指標，并依照現行發電機保護規程進行比較分析，設計了某船中壓電力系統接地電阻值為1212 Ω。經過分析可知，該電阻取值滿足任意工況條件下限制系統過電壓小于3.5p.u.指標，能保證人員安全性同時能滿足基于繼電保護靈敏度的考慮。本文的接地電阻值整定計算依據現行規范，算例具有普適性，可以為同類中壓船舶的接地電阻整定提供參考范本。

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[2]黃一民,王碩風,王良秀．不同推進方式下LNG船電力系統的比較與發展趨勢[J]．船舶工程,2010,32(3): 43-46．

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[6]IEEE Std C37．102-2006．IEEE Guide for AC Generator Protection[S]．USA: IEEE,2006．

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