中低壓岸電上船中性點的接地方式的選擇

范娜麗 沈兵 葉志浩

【摘? 要】中性點接地方式的選擇是一個涉及電力系統許多方面的綜合性技術問題。本文從供電可靠性、故障電流、過電壓和絕緣水平、對電力系統繼電保護的影響等多種因素出發，研究了中、低壓岸電上船電力系統中性點的接地方式的選擇。結論為，針對低壓船舶對供電可靠性要求高，絕緣水平要求高的特點，低壓岸電上船采用故障電流小，供電連續性好的中性點不接地的IT系統。中壓岸電上船電力系統，由于供電電壓等級高，考慮限制過電壓和故障電流，采用高阻接地和消弧線圈接地的IT系統。

【關鍵詞】低壓岸電;中壓岸電;接地方式;接地故障電流

0 引言

近年來，隨著船舶大型化、自動化及船舶設備的更新和生活工作條件的改善，除日用電力負載外，船舶機械大多采用了電力驅動[1-2]，船舶電氣負荷急速增加，船舶中高壓電力系統已成為大型客船、油船、電力推進船舶及某些特殊工程船舶等的必選。由于系統容量規模和電壓等級的提升。帶來的對地分布電容的增大，傳統的低壓接地方式不再適用于中壓甚至是高壓船舶電力系統的接地方式。

接地本身也是個十分復雜的問題，它關系到人身和財產的安全以及電氣裝置和設備功能的正常發揮。因此中性點接地方式的選擇是一個涉及電力系統許多方面的綜合性技術問題，其中需要考慮供電可能性與故障范圍、絕緣水平與絕緣配合、對電力系統繼電保護的影響、對電力系統通信與信號系統的干擾、對電力系統穩定的影響等多種因素。目前國內和國際的接地技術中并能找到一種能滿足所有因素的接地方式，如何抓住主要矛盾，又能囊括一切特殊性，針對特殊場所的中性點接地方式標準化，一直是所有科研工作者努力的方向。

1 大地、海水模型建立

理論分析得，通過接地極流入地中的總電流是由傳導電流和位移電流兩部分組成的。判斷大地是導體、半導體還是電解質，取決于地中同一點的傳導電流密度與位移電流密度的比值。對于正弦交流電，運用麥克斯韋第一方程式，即磁場強度的旋度等于傳導電流密度和位移電流密度的矢量和，對各向同性的大地介質得到[3]，

電阻率 和介電常數 是大地的兩種主要電學參數。其中各種不同介質的電阻率 和相對介電常數 ，見表1。

若K>10，可以不計位移電流，此時介質近似為導體;若K<0.1，可不計傳導電流，此時介質近似為電解質;若0.1<K<10，介質處于導體和電介質之間。

當接地電流為工頻電流，即50Hz時，由計算可得，各介質的K值見表1。

由表1可見，K遠遠大于10，因此，在研究工頻接地電流的分布時可以把大地、混凝土、海水看成導體。且下面討論的各種接地方式中，大地和海水均看成導體。

2 陸地和岸電上船接地方式比較

2.1 陸地和岸電上船TN系統

2.1.1低壓陸地上的TN系統

TN系統中的設備發生單相碰殼漏電故障時，就形成單相短路回路，因該回路不包含任何接地電阻，整個回路的電阻很小，故障電流就會很大，該故障電流大大超過自動開關或繼電保護裝置的整定值或熔斷器的熔斷電流，從而切除故障設備的電源，達到防止觸電的目的，保障人身安全。其中TN系統接線及發生單相（如B相）碰殼故障時的短路電流回路，如圖2-1所示。

中性點直接接地或經小電阻接地TN系統，故障相電流比較大，為了防止損壞設備，必須迅速切斷接地相甚至三相，供電可靠性比較低。同時，TN系統是我國長期以來用于低壓電網的一項保安措施，在很多情況下保護接零可能導致設備外殼出現危及人身安全的對地電壓。因而它并不是一種十分完善的保護方式。

總之，陸地低壓TN系統供電可靠性較大，故障電流比較大，設備外殼容易出現危及人身安全的對地電壓，但是可以選擇迅速切斷接地相甚至三相的開關或熔斷器來切斷故障，保證人身安全。

2.1.2 低壓岸電上船的TN系統

圖2-2為低壓岸電上船的TN-S供電系統，其中船體的保護接地極RE以虛線表示，它并非存在的實物而僅是象征性的表達。當低壓電網出現單相（如C相）接地故障時，接地電流通過相線接船體，經過海水、陸地和變壓器接地電阻RT構成回路，其中海水和大地看成是導體，此時PE線對地電壓為

船體的電阻 為2～4e-5Ω[4]，由于船體電阻 遠遠小于變壓器的接地電阻RT（取4 ?），因此船體可看作忽略電阻的良導體，PE線對地電壓幾乎為220V，也就是說所有接PE線設備外殼均帶有大約220V的對地電壓，即船體和PE線之間的電位差也為220V，船上人員容易發生觸電危險。而此時的短路電流為

需要說明，低壓岸電上船TN供電系統，存在船岸間水下人體（如意外落水的人）遭受電擊的危險。因為陸地上人體皮膚干燥，人體阻抗大，大約為1770～2000Ω[3]，發生電擊事故時，其觸電傷害程度與電流通過人體的途徑有關，通常只考慮兩手間或手足間的接觸電流（此電流通過心臟的比例較大，會很快引起心室顫動，危險性最大）通過引起的心室顫動的電擊致死危險。但人體在水下的電阻為300～500?，并且在水下人體全部與帶電的水接觸，有很多個人體接觸電流通路，其中以通過大腦的接觸電流尤為危險，因此水下電擊致死的危險比陸地上要大得多。

總之，考慮船上工作人員觸電危險及附近水域水下人體電擊的危險，低壓岸電上船不宜采用TN-S系統。為避免PE線在船體上重復接地，更不宜采用TN-C-S系統。

2.1.3中壓岸電上船的TN系統

圖2-2仍適用于中壓岸電上船的TN系統。對于船舶電力系統來說，中壓6kV等級的系統應用最為廣泛，此處采用6kV等級中壓岸電上船的TN系統。此種接地方式不僅會出現低壓岸電上船的中船上工作人員觸電危險及附近水域水下人體電擊的危險等問題，而且隨著電壓等級的提高，中壓的短路電流比低壓的短路電流大27倍左右，此時如果有人掉進附近海域，假設水下人體的電阻取300?，流過人體的電流大約為20A，遠遠超過人的致命電流。因此為防止船上工作人員觸電危險和船岸間水域水下人體的電擊危險，中壓岸電上船仍然不宜采用TN系統。

2.2陸地和岸電上船 TT系統

2.2.1陸地上低壓TT系統

陸地上低壓TT系統的電源中性點直接接地或經小電阻接地，并引出有N線，屬于三相四線制系統，設備的外露可導電部分與各自的接地裝置相連而直接接地，其中電源中性點的接地和設備外殼所連接地裝置的接地是相互獨立的。當設備發生單相接地故障或碰殼短路時（如B相），就會通過保護接地裝置并形成單相短路電流，如圖2-3所示。如果設備漏電、人觸及該帶電設備外殼時，由于設備接地電阻RE（取4?）遠遠小于人體電阻Rr=1000～2000?，根據分流作用，故障電流主要經設備接地裝置流入大地。但如果設備外殼與接地裝置連接不良好，故障電流將全部經人體流入大地形成單相接地回路，由于人體的電阻Rr遠遠大于變壓器的接地電阻RT，系統的相電壓將完全施加于人體，如此大的電壓是非常危險的，因此一定要保證設備外殼接地裝置的可靠連接。電源相電壓為220V，電源中性點工作接地電阻RT取4?、保護接地電阻RE為4 ?，以此來計算，則故障回路將產生的電流為

當設備發生單相接地或碰殼短路時，為了能使保護裝置迅速可靠地動作，要求單相短路電流Id必須滿足以下條件

因此，對于容量較小的電氣設備，所選用的熔絲會熔斷或使自動開關跳閘，從而切斷電源，可以保障人身安全。但是，當采用自動開關保護時，對于整定值大于18.3A的自動開關不能可靠動作;當采用熔斷器保護時，對于額定電流大于6.8A的熔斷器無法斷開，這將大大限制負荷的容量，這是TT保護接地方式的局限性。

總之，陸地上低壓TT系統的設備外殼與接地裝置一定要可靠接地，否則容易發生觸電危險，但為了保證斷流設備的可靠動作，負荷的容量又受到了大大的限制。同時也可以通過加裝漏電保護裝置來彌補，以完善TT系統保護接地的功能。

2.2.2 低壓岸電上船的TT系統

當艦船由低壓岸電以TT系統供電時，如圖2-4所示，其中船體的保護接地極RE以虛線表示，它并非存在的實物而僅是象征性的表達。當低壓電網出現單相（如B相）接地故障時，此時，接地電流通過相線接船體，經過海水、陸地和變壓器接地電阻RT構成回路，其中海水和大地看成是導體，由于船體電阻遠遠小于變壓器的接地電阻，船體可以看成是導體，N線對地電壓幾乎為220V，這時單相設備電壓升高為線電壓，對設備的絕緣很不利。由于單相接地故障或者碰殼故障時，故障電流均是以船岸間的水域里的海水為流通路徑，再加上水下人體電阻值大大較小，存在船岸間水下人體（如意外落實的人）遭受電擊的危險。

總之，低壓岸電上船TT系統不僅對設備絕緣要求，而且還增加了船岸間水下人體遭受電擊的危險。

2.2.3 中壓岸電上船的TT系統

圖2-4仍適用于中壓岸電上船的TT系統。隨著電壓等級的升高，附近水域水下人體發生電擊危險的可能性更會更高，因為流過人體的電流遠遠超過人的致命電流。當發生單相接地故障時，單相設備電壓需要承受線電壓大小的帶你呀，無疑對設備的絕緣很不利，并且隨著電壓等級的升高，這個問題會越來越嚴重，甚至會導致絕緣擊穿等眾多問題，總之，中壓岸電上船TT系統不僅對設備絕緣要求，而且還增加了船岸間水下人體遭受電擊的危險，因此中壓岸電上船仍然不宜采用TN系統。

2.3陸地和岸電上船IT系統

2.3.1陸地上低壓IT系統

陸地上低壓IT系統的電源中性點不接地或經一個大阻抗接地，不引出N線，設備的外露導電部分均經各自的接地裝置單獨接地。當電氣設備絕緣損壞導致相線（如C相）與外殼接觸發生碰殼短路時，就會通過接地裝置、大地、兩非故障對地電容及電源中性點接地裝置（如采取中性點經大阻抗接地時）形成單相接地故障電流，如圖2-5所示，其中流經人體的電流與流經接地裝置的電流之比為

接地電阻 （取4Ω）遠小于人體電阻 （干燥的環境取1700Ω），由于分流作用，通過人體的故障電流遠小于流經接地裝置的故障電流，且流過人體的電流一般能控制在安全范圍以內，極大地減小了觸電的危險程度，此處可以忽略流過人體的電流，僅考慮流過接地裝置的故障電流。

由圖2-5可知，流過接地點的電流為系統的單相對地容性電流，此值一般不足以使線路的斷流設備動作，可以在發生單相接地故障或單相碰殼故障時連續供電，供電可靠性比較高。但是中性點不接地電網中，發生單相故障接地時，其他非故障相對地電壓升高到線電壓，設備絕緣均需按線電壓進行計算和校驗，絕緣費用會增加。

總之，陸地上低壓IT系統的供電可靠性比較高，但是絕緣等級是按線電壓校驗的，相應會增加設備的投資，一般陸地上要求連續供電的場所選用IT系統來提高供電可靠性。

2.3.2低壓岸電上船IT系統

艦船由低壓岸電采用IT系統供電，此系統中流經接地點的電流為系統單相對地容性電流，此值不足以使線路地斷流設備動作，因此在發生單相接地故障時，仍能繼續供電，供電連續性比較好。特別是船舶電力系統的特殊性，船舶接地實際就是連接到船體，而船體本身是一個良好的導體，不僅容易危及人身安全，而且可能形成通路，損壞船舶設備，而IT系統中性點流過的電流為單相對地容性電流，相對單相接地故障電流小的多。在中性點不接地系統中，設備絕緣均需按線電壓進行計算和校驗，由于本身船舶電力系統對地絕緣技術的要求也非常高，能夠滿足線電壓的絕緣水平。因此，供電電壓等級為0.4kV的輪船，其內部包括發電設備在內的電氣裝置是采用發生一個接地故障時不跳閘不停電，也不會電擊傷人的IT系統。與之相適應，作為岸電電源的10/0.4kV配電變壓器中性點也采用不接地或經高阻抗接地，使之能以IT系統給艦船供電，當船艦電氣裝置內發生一個接地故障時，故障電流僅為電源回路中無故障帶電導體的對地電容電流，仍然保留船艦電氣裝置IT系統用電安全的優點。如圖2-6所示。

總之，低壓岸電上船IT系統供電可靠性高，能夠滿足船舶電力系統連續供電的需求。由于中性點不接地電網中，發生一相故障接地時，其他兩相對地電壓將升高為線電壓，由于船舶的絕緣技術本身要求也比較高，能夠滿足要求，但線電壓增加了電擊的危險性，還會帶來其他危險。為此，中性點不接地電網應裝設絕緣監視裝置。絕緣監視裝置最好能夠發出聲、光雙重信號。

2.3.3中壓岸電上船IT系統

圖2-6仍適用于中壓岸電上船的IT系統，此系統中流經接地點的電流仍為系統單相對地容性電流，此值不足以使線路地斷流設備動作，因此在發生單相接地故障時，仍能繼續供電，供電連續性比較好。但由于隨著電壓等級的升高，單相對地容性電流增加的比較大，船岸間附近水下人體遭受電擊的危險也會變大，可以采用中性點接大電阻的接地方式減小故障電流。且隨著船舶電力系統電壓等級的升高，船舶電氣設備仍按照線電壓進行絕緣水平的選擇和校驗，勢必會增加投資的費用，可以采用經消弧線圈接地的接地方式[5]。總之，中壓岸電上船IT系統供電可靠性比較高，能滿足大型的總壓船舶對供電連續性的要求，中壓岸電上船隨著電壓等級的不斷提升，絕緣和過電壓問題也日益突出。

3 結論

本文從低壓陸地電力系統的接地方式、低壓岸電上船的接地方式，按照供電可靠性、故障電流大小、容許的負荷容量、絕緣水平等因素探討了TN系統、TT系統、IT系統的適用范圍。

1）針對陸地上低電壓供電系統對人身安全要求比較高，對供電可靠性要求不高的場所，采用TN系統，對供電可靠性要求高的場所，采用TT系統。

2）針對低壓岸電上船供電系統對供電可靠性要求高，設備絕緣要求高，故障電流比較大的特點，采用故障電流小，供電可靠性高的中性點不接地的IT系統。

3）考慮中壓岸電上船供電系統，隨著電壓等級的升高，單相對地電容電流比較大，但中壓系統對供電可靠性要求較高，采用供電可靠性高的IT系統，但是為了限制故障電流和過電壓水平，采用中性點經高阻接地或者經消弧線圈的接地方式。

參考文獻：

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[2] 宋汝濤.近百年船舶的發展及未來趨勢[J].航海技術，2004（1）：50-52.Song Ru-tao.Development and trends of marine in century[J].Navigation Technology，2004（1）：50-52（in Chinese）.

[3]? 杜松懷，張筱慧.電力系統接地技術.北京：中國電力出版社，2018.

[4]? 高強，周煒，王嘉賓，李豐渫，郭成豹.直接通電式消磁的船體電阻計算方法研究，2017.12，NO.12

[5]? 張彥魁，畢大強，董世軍.船舶中壓電網消弧線圈接地方式機理研究.電力系統保護與控制，2013，12，第41卷.

（作者單位：1.海軍工程大學）