船舶中壓交流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)接地故障分析

蔣 煒，殷進(jìn)軍，夏星煜

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船舶中壓交流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)接地故障分析

蔣 煒，殷進(jìn)軍，夏星煜

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

為避免因接地故障而引起的電力系統(tǒng)過電壓、設(shè)備損壞，需要對(duì)接地系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，設(shè)定合適的接地電流保護(hù)閾值。本文對(duì)船舶中壓交流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)接地故障模式進(jìn)行了分析，以實(shí)船為例，完成了中性點(diǎn)高阻接地裝置的選型分析計(jì)算和驗(yàn)證。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng) 中性點(diǎn)高阻接地

0 引言

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)采用電力推進(jìn)技術(shù)，將船舶電站統(tǒng)一管理，合理分配全船電能，具有設(shè)備布置靈活、公共電站復(fù)用、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于挖泥船、起重船、海洋平臺(tái)、破冰船、豪華郵輪等船舶。

隨著現(xiàn)代船舶大型化和電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，船上用電設(shè)備越來越多，功率需求越來越大，船舶電站的容量也不斷增加。低壓電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需求。考慮到低壓設(shè)備體積大、電纜較多、系統(tǒng)短路保護(hù)的實(shí)際設(shè)備水平等因素，低壓電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需求中壓電力推進(jìn)系統(tǒng)成為必然選擇。

船舶低壓電力推進(jìn)系統(tǒng)都是采用中性點(diǎn)不接地的三相三線制絕緣系統(tǒng)。在發(fā)生單相接地時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電路電流而跳閘，也不影響三個(gè)線電壓的對(duì)稱關(guān)系，能最大限度保持連續(xù)供電。而對(duì)船舶中壓電力推進(jìn)系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地而言。當(dāng)一相發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，接地相對(duì)地電位為零，其他兩相對(duì)地電位比接地前升高2-3倍，可能產(chǎn)生弧光放電和電荷積累，導(dǎo)致過電壓破壞設(shè)備絕緣，對(duì)電網(wǎng)造成很大危害。

本文旨在對(duì)船舶中壓交流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)接地故障模式進(jìn)行分析，提供中性點(diǎn)高阻接地裝置的分析計(jì)算和選型方法。

1 中性點(diǎn)接地方式

電力系統(tǒng)常用的接地方式有四種：中性點(diǎn)直接接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地、中性點(diǎn)經(jīng)電阻器接地、中性點(diǎn)不接地。其中，中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，按節(jié)點(diǎn)電流大小又分為高阻接地和低阻接地。對(duì)于船舶中壓交流電力系統(tǒng)來說，為了限制間歇性電弧接地過電壓，同時(shí)考慮到與系統(tǒng)對(duì)地電容為并聯(lián)管理，一般選擇中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地的方式。

中性點(diǎn)阻抗接地方式（Neutral Resistance Earthing）的基本原理如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)阻抗接地原理圖

其特點(diǎn)是：

1）發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)通過電阻接地，可檢測(cè)出該電阻上流過的接地電流。

2）關(guān)于節(jié)點(diǎn)電流，通過發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)所接電阻的阻值來調(diào)節(jié)接地有效電流的大小。一般來說，將接地電流最大限制在30 A以下。故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)，以保證供電的連續(xù)性。

2 接地故障分析

對(duì)于船舶電力系統(tǒng)而言，所謂接地，就是與船體連接。一般情況下，主要針對(duì)三相系統(tǒng)中的一相接地進(jìn)行故障分析。

在中性點(diǎn)高阻接地的中壓電網(wǎng)中，當(dāng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，系統(tǒng)最大容性電流出現(xiàn)在：所有發(fā)電機(jī)與母排相連；中壓配電板母排開關(guān)閉合；變壓器與電機(jī)均與母排相連；

由于在系統(tǒng)接地故障發(fā)生時(shí)，變壓器貢獻(xiàn)的容性電流分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)和電纜貢獻(xiàn)的容性分量，因此在計(jì)算中忽略變壓器對(duì)地電容。

一般情況下，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)采用不控整流型式的電壓源變頻器，由于整流二極管是單向元件，其直流側(cè)的支撐電容無法對(duì)交流電網(wǎng)提供容性電流。而且為了減小電網(wǎng)諧波，往往采用移相變壓器將變頻支路組成12脈沖或24脈沖整流。因此，在中壓電力推進(jìn)系統(tǒng)接地故障分析時(shí)，對(duì)于變頻支路，可以僅考慮電纜貢獻(xiàn)的容性分量。

利用如下公式計(jì)算系統(tǒng)各設(shè)備提供的容性電流：

圖2 中性點(diǎn)高阻接地等效示意圖

接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要用于分析接地電阻總故障電流值，要求其高于最惡劣工況下對(duì)地電容對(duì)配電板貢獻(xiàn)的電流值，這里須考慮連接于配電板的在網(wǎng)的各設(shè)備和電纜對(duì)地電容值。

每個(gè)接地系統(tǒng)的整定值應(yīng)能滿足所有連接于配電板的設(shè)備和電纜的總接地電流值，這樣當(dāng)其中一個(gè)接地系統(tǒng)發(fā)生故障而退出運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)仍能夠正常運(yùn)行，保證接地系統(tǒng)退出運(yùn)行的配電板與帶有非故障接地系統(tǒng)的配電板相連。

3 實(shí)例分析

現(xiàn)針對(duì)某型中壓交流電力推進(jìn)船舶進(jìn)行接地故障分析計(jì)算。

該船為采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的自航耙吸式挖泥船。全船電站電制6600 V/50 Hz，3臺(tái)4224 kW主柴油發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)1500 kW輔柴油發(fā)電機(jī)組，2臺(tái)主推進(jìn)電機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)，額定功率為5000 kW。2臺(tái)高壓沖水泵電機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)，額定功率為1000 kW。2臺(tái)4000 kW艙內(nèi)泥泵電機(jī)和2臺(tái)1700 kW水下泥泵電機(jī)為復(fù)用方式，由變頻器驅(qū)動(dòng)。2臺(tái)側(cè)推電機(jī)采用軟起驅(qū)動(dòng)，額定功率為450 kW。2臺(tái)1800 kVA的電力變壓器為400 V配電板供電。

1）進(jìn)出港工況

2臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，主要負(fù)載為側(cè)推和日用變。

總接地系統(tǒng)數(shù)=2

2）全速航行工況

3臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，主要負(fù)載為主推和日用變。

總接地系統(tǒng)數(shù)=3

3）挖泥（艙內(nèi)泥泵）工況

3臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，主要負(fù)載為主推、高壓沖水泵、艙內(nèi)泥泵和日用變。

總接地系統(tǒng)數(shù)=3

4）挖泥（水下泥泵）工況

3臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，主要負(fù)載為主推、高壓沖水泵、水下泥泵和日用變。

總接地系統(tǒng)數(shù)=3

5）挖泥（排岸）工況

3臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，主要負(fù)載為主推、 高壓沖水泵、水下泥泵和日用變。

總接地系統(tǒng)數(shù)=3

基于以上計(jì)算分析，綜合考慮系統(tǒng)的保護(hù)策略，每臺(tái)發(fā)電機(jī)高阻接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型如下：

1）高阻接地系統(tǒng)總接地故障電流值

2）接地保護(hù)整定電流值

3）接地電阻值

4）接地電阻功率

4 結(jié)論

本文通過船舶中壓交流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中性點(diǎn)高阻接地故障分析，進(jìn)行了中性點(diǎn)高阻接線方式下的接地電流計(jì)算。在采用中壓電力推進(jìn)系統(tǒng)的自航耙吸式挖泥船上驗(yàn)證了該算法的正確性。為接地裝置選型計(jì)算提供了依據(jù)，并且可以作為系統(tǒng)接地故障選擇性分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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Analysis of the Grounding Fault of the Medium Voltage Electric Propulsion System of Ship

Jiang Wei, Yin Jinjun, Xia Xingyu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion)

TM664.14

A

1003-4862（2019）03-0007-03

2018-10-15

蔣煒（1981-），男，高級(jí)工程師。研究方向：艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)。E-mail: weijiang712@163.com