基于船舶高壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式的研究

何首賢，張 晶

（大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116300）

0 引言

隨著船舶電氣設(shè)備自動(dòng)化程度的提高，特別是船舶電氣負(fù)荷急速增加，船舶發(fā)電機(jī)的功率也隨之大幅度增加。目前就大型船舶電力系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)值已高達(dá)15 MVA～20 MVA，大型豪華油輪更高達(dá)70 MVA[1]。船舶低壓電力系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代化大型船舶電力系統(tǒng)容量的要求，采用高壓電力系統(tǒng)已成為大型船舶電力系統(tǒng)的必須選擇。就目前我國(guó)船舶高壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)究竟采用何種接地方式，也是我們需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。采用船舶高壓電力系統(tǒng)后，船舶電力系統(tǒng)的保護(hù)裝置、接地、高壓變壓器、變配電方式、主開關(guān)形式、電纜端頭的構(gòu)造及處理方法，都與船舶低壓電力系統(tǒng)有很大差別。從目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用來看，船舶高壓電力系統(tǒng)普遍采用高電阻接地運(yùn)行方式。

1 船舶高壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式

電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)是指發(fā)動(dòng)機(jī)和變壓器星接的中性點(diǎn)[2]。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式是一項(xiàng)綜合性技術(shù)問題，是電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)及人身安全等因素的保證。目前船舶高壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式通常采用不接地，即中性點(diǎn)不與大地連接；經(jīng)消弧線圈接地；直接接地；經(jīng)電阻接地。中性點(diǎn)經(jīng)電阻與接地裝置連接，通常采用高電阻接地運(yùn)行方式。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式是直接影響系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性，也影響電網(wǎng)的絕緣水平和電網(wǎng)的造價(jià)等，同時(shí)還與故障分析、繼電保護(hù)配置、絕緣配合等密切相關(guān)。

1.1 中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式

圖1-1(a)所示為中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)中的三相導(dǎo)線之間和各相導(dǎo)線對(duì)地之間都存在著分布電容，因此在導(dǎo)線中就有附加電流，即容性電流的存在。圖中CU、CV、CW分別表示各相導(dǎo)線的對(duì)地電容。由于三個(gè)相電壓 、是對(duì)稱的，所以三相導(dǎo)線對(duì)地之間的電容相等，其矢量和為零，中性點(diǎn)沒有容性電流流過，如圖1-1(b)所示。

當(dāng)中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式出現(xiàn)任何一相絕緣受到破壞發(fā)生單相接地故障時(shí)，從圖1-2(b)可以看出，各相對(duì)地電壓、對(duì)地電容電流都要發(fā)生改變。但系統(tǒng)的線電壓仍保持對(duì)稱，用電設(shè)備的運(yùn)行不受影響，可繼續(xù)供電，這就提高了供電的可靠性[3]。

值得指出的是：這種單相接地運(yùn)行狀態(tài)不允許帶故障長(zhǎng)期運(yùn)行。一旦另一相發(fā)生接地故障時(shí)，將會(huì)形成兩相接地短路故障，在線路中產(chǎn)生很大的短路電流，使線路及其設(shè)備受到損壞，另外無故障兩相對(duì)地電壓由相電壓升高到線電壓，很容易造成絕緣薄弱處擊穿，也將形成兩相接地短路；此外，較大的接地短路電流會(huì)在故障接地點(diǎn)引起電弧，形成過電壓，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。我國(guó)電力規(guī)程規(guī)定，中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)可以帶故障繼續(xù)運(yùn)行2小時(shí)[4]。船舶低壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)一般采用不接地運(yùn)行方式。

1.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式

對(duì)于配電線路距離較長(zhǎng)、高電壓輸送，發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電容電流很大，將在接地點(diǎn)產(chǎn)生斷續(xù)電弧，將使線路發(fā)生諧振過電壓現(xiàn)象。過電壓值可達(dá)相電壓3～4倍。此外，當(dāng)接地電容電流超過一定限度（3 kV～10 kV電網(wǎng)約為30 A，35 kV電網(wǎng)約為10 A）時(shí)，電力中性點(diǎn)宜改為經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式。如圖1-3所示。

消弧線圈是一個(gè)具有鐵心的電感線圈，線圈本身電阻很小，感抗很大。利用電感線圈產(chǎn)生感性電流去補(bǔ)償電網(wǎng)的容性電流，可使接地電流大為減小。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相系統(tǒng)是對(duì)稱的，中性點(diǎn)電流為零，消弧線圈中沒有電流。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，就把相電壓加到了消弧線圈上，消弧線圈就有電感電流。流過接地點(diǎn)的電流是接地電容電流IE和流過消弧線圈電感電流IO之相量和。由于IE超前90°，而IO滯后90°，因此IE和IO在接地點(diǎn)互相補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)姆绞接腥N：1）全補(bǔ)償；2）欠補(bǔ)償；3）過補(bǔ)償。在實(shí)際工作中都采用過補(bǔ)償，其目的是防止由全補(bǔ)償引起的諧振過電壓，損壞設(shè)備絕緣，欠補(bǔ)償由于部分線路如果斷開將造成全補(bǔ)償所帶來的后果。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，與中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)一樣，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，相間電壓的相位和量值關(guān)系均末改變，接地相對(duì)地電壓為零，其他兩相對(duì)地電壓將升高至倍（線電壓），因此三相設(shè)備仍可照常運(yùn)行。但設(shè)備也不能長(zhǎng)期的帶故障運(yùn)行，必須在線路上裝設(shè)單相接地保護(hù)或絕緣監(jiān)視裝置，在發(fā)生單相接地故障時(shí)保護(hù)設(shè)備發(fā)出報(bào)警信號(hào)或指示，以便工作人員及時(shí)處理。

1.3 中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式

中性點(diǎn)直接地發(fā)方式，即把中性點(diǎn)直接和大地相接，如圖1-4所示。在這種系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)和中性點(diǎn)通過大地形成回路，產(chǎn)生很大的短路電流，使繼電保護(hù)裝置動(dòng)作或者使熔斷器熔斷，切除故障，無故障部分系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。這種直接接地方式發(fā)生單相接地時(shí)不會(huì)產(chǎn)生間歇電弧過電壓，非故障相電壓也不能升高。所以供用電設(shè)備相絕緣只按相電壓設(shè)計(jì)。這樣對(duì)超高壓系統(tǒng)，可以降低電網(wǎng)造價(jià)，具有經(jīng)濟(jì)技術(shù)價(jià)值。目前110 kV及以上電壓等級(jí)的電網(wǎng)中均采用中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式。

1.4 中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地運(yùn)行方式

中性點(diǎn)采用電阻接地方式，就是通過接地點(diǎn)與電阻形成回路，通過接地點(diǎn)的流有兩部分，電阻電流和容性電流。使接地電流呈阻容性，從而使接地點(diǎn)的故障電流與電壓的相位角差值減小，當(dāng)故障點(diǎn)的電流正半周過零電弧熄滅，電弧熄滅后不再重燃。當(dāng)通過電阻電流足夠大時(shí)，電弧將不再發(fā)生，因此中性點(diǎn)采用電阻接地可以防止間歇性弧光接地過電壓和諧振過電壓；可以限制單相接地故障電流。如果阻容性電流大于容性電流，零序保護(hù)裝置使斷路器跳閘，使零序保護(hù)靈敏大大提高。

中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地，一般阻值500 Ω，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，同不接地一樣，接地相電壓為零，其他兩相電壓將升高為線電壓，可以繼續(xù)帶接地故障運(yùn)行2小時(shí)，但也可以選擇定時(shí)或快速跳閘[1]。

2 四種中性點(diǎn)接地方式的性能比較

表1四種接地方式性能比較[5]。

3 船舶高壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地運(yùn)行狀況分析

3.1 船舶高壓電力系統(tǒng)接地電流的計(jì)算

阻性電流IR的選擇接地的阻性電流：

系統(tǒng)總的電容電流：

式中：UN中性點(diǎn)對(duì)地電壓；Ue額定線電壓。接地點(diǎn)阻性電流一般要求大于或等于（1～1.5）倍容性電流，即IR≥（1～1.5）IC，以保證不發(fā)生間歇性弧光接地過電壓。系統(tǒng)總的電容電流是每相電纜對(duì)地形成的分布電容產(chǎn)生的泄漏電流之和，泄漏電流與電纜的長(zhǎng)度及規(guī)格有關(guān)。

3.2 船舶高壓電力系統(tǒng)接地電阻器阻值的選擇及計(jì)算

電阻器的選擇應(yīng)按系統(tǒng)標(biāo)稱電壓、最高運(yùn)行電壓、頻率、電流、阻值、防護(hù)等級(jí)、冷卻方式、通流時(shí)間、絕緣水平等技術(shù)條件進(jìn)行選擇，并按環(huán)境條件如環(huán)境溫度、相對(duì)濕度等校驗(yàn)[1]。

?

電阻器阻值RN的選擇取決于系統(tǒng)電容電流IC的大小和阻性電流IR的大小，按IR≥IC的原則計(jì)算。

考慮安全余量，一般取IR＝1.5IC。則：

4 結(jié)語

船舶高壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式是一個(gè)新的技術(shù)問題，目前我國(guó)還是處于起步階段，將逐漸引起使用者重視。本文就目前船舶高壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地問題進(jìn)行了探討。并對(duì)各種中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行比較，并結(jié)合目前采用經(jīng)高電阻接地的運(yùn)行方式接地電流的計(jì)算，接地阻值的選取，并得到了一種計(jì)算阻值的比較可靠方法。

[1]吳志良.船舶電站[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2012.

[2]楊洋.供配電技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[3]莊福余.船舶供配電技術(shù)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2008.

[4]郭國(guó)杰.船舶高壓電力系統(tǒng)接地技術(shù)研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2013,(06):144-147.

[5]仇挺，熊文.基于船舶高壓電力傳統(tǒng)接地方式的研究與分析[J].南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007,6（03）:62-65.