弧光接地故障下船舶中壓電力系統(tǒng)中性點接地電阻仿真與計算

高 強，李 晨

（1. 海軍駐武漢第712研究所軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

弧光接地故障下船舶中壓電力系統(tǒng)中性點接地電阻仿真與計算

高 強1，李 晨2

（1. 海軍駐武漢第712研究所軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

船舶中壓電力系統(tǒng)中性點接地方式對系統(tǒng)運行安全至關重要。本文首先分析了船舶中壓電力系統(tǒng)弧光接地過電壓的產(chǎn)生過程，然后針對高阻接地方式對弧光接地過電壓的抑制效果進行了仿真分析，最后對某船發(fā)電機中性點接地電阻進行了整定計算。

船舶中壓電力系統(tǒng) 弧光接地 中性點接地電阻

0 引言

在過去很長一段時間內(nèi)，我國艦船較多采用的是低壓電力系統(tǒng)，電制為3 AC 380 V或3 AC 690 V，電力系統(tǒng)中性點不接地，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，允許繼續(xù)運行一段時間，因而具有較高的供電可靠性。

目前，中壓電力系統(tǒng)在船舶領域應用日益廣泛，相比于低壓電力系統(tǒng)，在電壓等級提升帶來較強經(jīng)濟效益的同時，其對于發(fā)電機組、電網(wǎng)保護等方面也提出新的要求，考慮到中壓電力系統(tǒng)中性點接地方式涉及到系統(tǒng)運行方式和運行安全[1]，中性點接地技術必須進行研究。目前，應用較廣泛的是發(fā)電機中性點高阻接地方式[2]。中性點接地方式對系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)于單相接地短路電流的大小以及電氣設備絕緣水平的高低，解決單相接地短路電流大小也涉及到電氣設備絕緣水平[3]，這些問題都反映為過電壓問題[4]。

本文分析了船舶中壓電力系統(tǒng)弧光接地過電壓產(chǎn)生過程，針對高阻接地方式對弧光接地過電壓抑制效果進行了仿真研究，在此基礎上解決了某船接地電阻阻值整定計算問題。

1 船舶中壓電力系統(tǒng)弧光接地過電壓

1.1 弧光接地過電壓基本原理

在中性點不接地的船舶低壓電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時，非故障相對地電壓將升高倍，但線電壓保持不變，因此對負載影響不大，此時流過故障點的電流為對地電容電流。由于低壓系統(tǒng)對地電容一般較小，許多臨時性的單相電弧接地故障在電流過零時將自動熄滅。

在船舶中壓電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)規(guī)模大大增加，中高壓發(fā)電機組得到廣泛應用，電網(wǎng)全部采用電力電纜，這些都大大增加了系統(tǒng)對地電容，使得電容電流隨之增加，當電容電流超過10 A時，電弧將難以自動熄滅，產(chǎn)生不穩(wěn)定的間歇電弧，引起弧光接地過電壓。對電弧過程的分析一般采用工頻熄弧理論或高頻熄弧理論，工頻熄弧理論分析所得的過電壓值較接近實際情況[5]。

1.2 工頻熄弧理論

采用工頻熄弧理論解釋弧光接地過電壓的產(chǎn)生過程。在如圖1等值電路所示的中性點不接地系統(tǒng)中，各相電源電壓為uA、uB、uC，各相對地電壓為u1、u2、u3。

圖1 不接地系統(tǒng)單相接地等值電路圖及向量圖

假設t=t1時，A相電壓在幅值Uxg時對地閃絡，u1由Uxg突降為0，B、C相對地電容上的電壓要從-0.5Uxg過渡到線電壓瞬時值-1.5Uxg，過渡過程通過電源經(jīng)電源漏抗向C2、C3充電完成，其間產(chǎn)生的過電壓最大幅值為：

過渡完成后，B、C相對地電壓分別按各自線電壓規(guī)律變化，A相對地電壓保持為0。

經(jīng)過半個工頻周期后，t=t2，A相電源電壓達到負最大值，電弧電流自然過零，電弧熄滅，此時系統(tǒng)對地電容電荷量為3UxgC0，這些電荷將經(jīng)過電源平均分配到三相對地電容上，在系統(tǒng)中形成直流電壓分量：

故熄弧后，各相導線對地電壓按各相電源電壓疊加直流分量的規(guī)律變化。由于熄弧前后電壓沒有突變，因此不會引起過渡過程。

熄弧后，A相對地電壓逐漸恢復，在經(jīng)過半個工頻周期，t=t3時，B、C相電壓變?yōu)?.5Uxg，A相恢復電壓高達 2Uxg，可能引起電弧重燃，A相對地電壓再次變?yōu)?，B、C相對地電容上的電壓要從0.5Uxg過渡到線電壓瞬時值-1.5Uxg，再次形成高頻振蕩，過電壓最大幅值為：

過渡完成后，B、C相對地電壓分別按各自線電壓規(guī)律變化，A相對地電壓保持為0。

以后每隔半個工頻周期依次發(fā)生熄弧和燃弧。可見，根據(jù)工頻熄弧理論，發(fā)生弧光接地時，故障相上最大過電壓為 2.0倍，而非故障相上最大過電壓可達3.5倍。

2 船舶中壓電力系統(tǒng)弧光接地故障仿真分析

2.1 仿真模型建立

以某船中壓電力系統(tǒng)為例，通過 MATLAB建立仿真模型，分析中性點高阻接地方式及不同阻值對弧光接地過電壓的抑制效果，從而為發(fā)電機中性點接地電阻阻值整定計算提供參考依據(jù)。

在Simulink中搭建如圖2所示的仿真模型。根據(jù)工頻熄弧理論，仿真模型中弧光接地過電壓全過程為：系統(tǒng)從0s起正常穩(wěn)態(tài)運行，在0.105s時A相電纜發(fā)生弧光接地，經(jīng)半個工頻周期后熄弧，以后每隔半個工頻周期依次發(fā)生燃弧、熄弧，共循環(huán)4個周期，最后轉變?yōu)榻饘傩越拥毓收稀?/p>

圖2 仿真模型

采用理想開關的開合來表征熄弧和燃弧狀態(tài)[6]，開關的觸發(fā)信號如圖3所示，0表示開斷，1表示閉合。

由于電力電纜長度不長，可不考慮分布參數(shù)特性，采用π型集中參數(shù)模擬中壓系統(tǒng)電纜。系統(tǒng)額定電壓為6.3 kV，總對地電容為9.48 μF，系統(tǒng)對地容抗約為335.94 Ω。

圖3 開關觸發(fā)信號

2.2 中性點不接地仿真結果

當中壓電力系統(tǒng)中性點不接地時，各相對地電壓波形如圖4所示。

圖4 中性點不接地時各相對地電壓

仿真結果標明，A相發(fā)生弧光接地故障后，故障相對地電壓幅值約為10210 V，約為非故障狀態(tài)下的1.99倍；非障相對地電壓幅值最大值出現(xiàn)在第二次燃弧時刻，約為17380 V，約為非故障狀態(tài)下的3.3倍。

2.3 中性點直接接地仿真結果

當中壓電力系統(tǒng)中性點直接接地時，各相對地電壓波形如圖5所示。

圖5 中性點直接接地時各相對地電壓

仿真結果標明，A相發(fā)生弧光接地故障后，由于中性點直接接地，非故障相不會產(chǎn)生弧光接地過電壓。事實上，中性點直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，將產(chǎn)生極大的接地電流，使得繼電保護裝置迅速動作，切斷故障。但這種方式對于船舶設備及人身安全是極為不利的，因此這種接地方式在船舶電力系統(tǒng)中基本不予考慮。

2.4 中性點高阻接地仿真結果

當中壓電力系統(tǒng)高阻接地時，分別取系統(tǒng)中性點接地電阻Rn為2倍系統(tǒng)對地容抗和1倍系統(tǒng)對地容抗，即672 Ω和336 Ω。各相對地電壓波形分別如圖6、圖7所示。

圖6 Rn=672Ω時各相對地電壓

圖7 Rn=336Ω時各相對地電壓

仿真結果標明，Rn=672 Ω時，A相發(fā)生弧光接地故障后，非障相對地電壓幅值最大值約為13840 V，約為非故障狀態(tài)下的2.7倍；Rn=336 Ω時，A相發(fā)生弧光接地故障后，非障相對地電壓幅值最大值約為12380 V，約為非故障狀態(tài)下的2.4倍。

3 中壓發(fā)電機組中性點接地電阻計算

根據(jù)以上仿真結果，可以推斷中性點接地電阻與系統(tǒng)容抗的比值會影響弧光接地過電壓的抑制效果。事實上，這二者比值與弧光接地過電壓倍數(shù)關系在規(guī)范 IEEE C62.92.2-1989（R2005）IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility System PartⅡ-Grounding of Synchronous Generator Systems中具有相關描述，如圖8所示。

圖8 電阻取值與弧光接地過電壓百分數(shù)關系

由圖8可見，相關規(guī)范描述與本文仿真結果一致。當發(fā)電機中性點接地電阻過大時，弧光接地過電壓倍數(shù)較高，必將對系統(tǒng)絕緣造成影響。隨著阻值減小，弧光接地過電壓倍數(shù)下降，但當Rn減小至低于Xcg后，弧光接地過電壓倍數(shù)下降變得緩慢，因此規(guī)范IEEE C62.92.2-1989（R2005）推薦Rn取值等于Xcg。

同時，若Rn取值過小，接地電流會很大，有可能損壞發(fā)電機定子鐵芯。根據(jù)規(guī)范ANSI/IEEE C 37.101-1985 IEEE Guide fo Generator Ground Protection，發(fā)電機單相接地故障電流應限制在3～25 A。

根據(jù)以上原則，以第2節(jié)中某船為例，該船統(tǒng)額定電壓為6.3 kV，總對地電容Cg為9.48 μF，系統(tǒng)機組數(shù)量為9，最多6臺并聯(lián)運行。按下述步驟進行發(fā)電機中性點接地電阻計算選擇。

1）從發(fā)電機中性點看入，系統(tǒng)總對地容抗：

2）發(fā)生單相接地故障時，容性電流：

3）根據(jù)上述原則，允許最大阻性電流：

4）系統(tǒng)總對地電阻：

單臺中性點接地電阻阻值：

5）單相接地時，電阻熱電流：

根據(jù)DL/T 780配電系統(tǒng)中性點接地電阻器故障電流推薦值，選擇IF=3A。故最終中性點電阻取值為1212Ω。

當6臺機組并聯(lián)運行時，系統(tǒng)中性點接地電阻Rn=1212Ω/6=202Ω。根據(jù)弧光接地過電壓倍數(shù)與接地電阻取值關系，此時弧光接地過電壓倍數(shù)小于2.5。

4 總結

本文在闡述船舶中壓電力系統(tǒng)弧光接地過電壓產(chǎn)生過程的基礎上，建立了中性點不接地系統(tǒng)、直接接地系統(tǒng)及高阻接地系統(tǒng)弧光接地過電壓仿真模型，通過仿真分析，探討了高阻接地系統(tǒng)對弧光接地過電壓的抑制效果，以及弧光接地過電壓倍數(shù)與接地電阻取值的關系，在此基礎上，對某船發(fā)電機組中性點接地電阻進行了整定計算，為船舶中壓電力系統(tǒng)中性點接地電阻整定計算提供了參考范本。

[1]平紹勛. 電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓保護. 北京: 中國電力出版社, 2006.

[2]陳亮, 李耕, 張曉鋒. 船用中壓發(fā)電機中性點接地電阻的整定計算[J]. 船電技術, 2015, 35(4): 9-12.

[3]李潤先等. 中壓電網(wǎng)系統(tǒng)接地實用技術. 北京: 中國電力出版社, 2002.

[4]王燕. 船舶中壓電力系統(tǒng)中性點接地與過電壓研究[D]. 武漢: 武漢理工大學碩士學位論文, 2011.

[5]關根志. 高電壓工程基礎[M]. 北京: 中國電力出版社, 2003.

[6]靳曉東, 李謙, 王曉瑜. 配電網(wǎng)弧光接地過電壓的仿真及分析[J]. 高電壓技術, 1994, 20(3): 71-75.

Simulation and Calculation of Neutral Grounding Resistance in Marine Medium Voltage Power System Under Arc Grounding Fault

Gao Qiang1, Li Chen2
(1. Naval Representatives Office in 712 Institute, Wuhan 430064, China；2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Neutral grounding of marine medium voltage power system is very important to the system safety.First, the generation process of arc grounding overvoltage in marine medium voltage power system is analyzed. Then,suppressing effect of high resistance grounding on arc grounding overvoltage is simulated and analyzed.Finally, the neutral grounding resistance of a ship generator is calculated.

marine medium voltage power system;arc grounding;neutral grounding resistance

TM645

A

1003-4862（2017）10-0056-04

2017-8-08

高強（1985-），男，工程師。研究方向：電力電子及電氣傳動。Email：gq04@163.com