艦船岸電電纜安全性分析

羅寧昭 劉勇 張曉鋒

（1. 海軍工程大學電氣與信息工程學院，武漢430033；

2. 海軍駐上海江南造船（集團）有限公司軍事代表室，上海201913）

0 引言

大型船舶在到達港口時通常使用重油或柴油發(fā)電，來滿足船舶停泊時的用電需求。隨著低碳減排的呼聲越高，已經(jīng)開始有港口對?？看疤峁┌峨姟４袄冒峨妴栴}是交通運輸部擬在“十二五”期間強力推進的節(jié)能減排新舉措。目標是在“十二五”期間 50%左右的萬噸級以上集裝箱碼頭、散貨碼頭和大型郵輪及客運碼頭、長江旅游客運碼頭、要具備向靠泊船舶提供岸電的能力，我國內(nèi)河船舶80%，沿海船舶50%以上具備接用岸電能力[1,2]。

一些大型的船舶需要岸電電力系統(tǒng)提供高達10-20 MW的功率。所需要的電壓等級由船主決定，通常情況下大型船舶要求提供6～11 kV，50或60 Hz，三相三線制的交流電[3,4]。按照以往經(jīng)驗，高壓岸電電纜是由人工從船舶上拖拽到岸上，并手工連接到岸電配電箱處，船舶離港時同樣由人工對電纜進行操作。由于岸電電纜存在較大的分布電容，電纜在斷開后仍然對地存在較高的電壓，對人員安全構成嚴重威脅，必須采取措施予以消除。

本文從電纜模型出發(fā)，計算系統(tǒng)分布電容及電荷放電時間。通過大量仿真，確定的電纜安全裝置的設計原則，為岸電配電裝置安全性設計了保證。

1 電纜模型及參數(shù)

如圖1所示，利用T型電路作為岸電電纜的集中參數(shù)等值電路[5]。電纜對地參數(shù)等效成一個對地電容Cg和一個對地電阻Rg。

由于岸電電纜需要從船上的岸電箱一直連接到港口上的岸電配電箱，距離較遠。當停止岸電供電，將電纜從負載和電源端分斷開時，由于對地分布電容Cg的存在，會保存一定能量。這部分電能會對插拔和拖拽電纜的人員造成危害。

圖1 電纜等值電路

電纜中殘余電荷的釋放時間與對地電容和對地電阻密切相關，因此需要估算線路對地電阻和對地電容。

電纜對地電阻計算公式如下所示[6]。式中：Rg為系統(tǒng)對地電容；D為電纜外徑；d為電纜內(nèi)徑；L為電纜長度；n為每項并聯(lián)的導體數(shù)；K為絕緣電阻常數(shù)。

通常情況下，額定6 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套的電力電纜，在20 ℃條件下，當導體截面積120 ～240 mm2時，絕緣電阻一般不小于500 MΩ/km。

電纜對地電容按照同心圓柱體電容計算公式計算。

式中：Cg為系統(tǒng)對地電容；ε為電纜絕緣材料相對絕緣介電常數(shù)；ε0為空氣的介電常數(shù)。

通常情況下，額定電壓6 kV，截面積240 mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套的電力電纜對地電容為 0.4 μF/km[7]。

2 電纜放電

電纜中存儲的電荷會通過對地電阻 Rg釋放掉，釋放時間與電壓等級和RC時間常數(shù)有關。

假設岸電電纜與電源斷開時，其中三相電源中的一相，電壓正處于6.3 kV的峰值。

電纜通過對地電阻放電，可以得到電壓隨時間變化的公式：

假設岸電電纜長度為500 m，根據(jù)第二節(jié)的計算，電纜對地電阻為1000 MΩ，對地電容為0.2 μF，因此可以計算時間常數(shù)得：

利用PSCAD對電纜放電過程進仿真。

圖2 仿真原理圖

在A相對地電壓正向峰值時線纜斷開，當開關為理想開關時，放電電壓波形如圖3所示

圖3 放電電壓波形圖

從圖3可以看出900 s后，系統(tǒng)電壓才降落到60 V以內(nèi)，放電速度十分緩慢。電容中存儲的能量可以根據(jù)式（6）計算

3 人體安全

當人體接觸帶電體時，人體就被當作電路元件接入回路。人體阻抗通常包括內(nèi)部阻抗和皮膚阻抗。人體內(nèi)部阻抗主要以電阻形式存在，同時有少量電容。一般認為干燥的皮膚在低電壓下具有相當高的電阻，約為100 kΩ但皮膚電阻取決于電壓、頻率、接觸壓力、潮濕程度、溫度情況以及皮膚的類型。觸電電壓高于50 V（50 Hz）時，皮膚電阻迅速下降，高于1000 V時皮膚電阻基本可以忽略不計[8]。

圖4 能量時間波形圖

根據(jù)IEC統(tǒng)計人體觸電電壓在3000 V以上時，手到腳電阻平均值為1000 Ω。當人體在艦船上觸電時，通常為單手觸碰帶電導體，雙腳接地。此時人體電阻約為手到腳總電阻的75%，既在忽略人體內(nèi)部電容和外部鞋襪、手套的條件下，可以近似認為人體是一個R1=750 Ω的電阻元件。

圖5 岸電電纜人體觸電示意圖

圖5為觸電示意圖，人體在觸碰岸電電纜裸露部分時，電纜對地電容會通過人體放電。流經(jīng)人體電流如圖6所示。

圖6 流經(jīng)人體電流

人體在2 ms時觸碰岸電電纜裸露部分，由仿真波形可知，流經(jīng)人體最大電流接近7 A，故障電流作用時間為1 ms。根據(jù)電流的生理學作用，流經(jīng)人體電流大于4 A時，心臟會發(fā)生麻痹，電流流過時心臟將停止跳動，短暫電擊后可恢復。雖然電流作用時間較短，出現(xiàn)心臟停止跳動的可能性較小，但由于電壓較高，接觸時容易在電纜和人體之間產(chǎn)生電弧。電弧的高溫會對人體皮膚產(chǎn)生嚴重破壞。

由此可見，為保證岸電操作人員的人身安全，岸電電纜被插拔后，一個可靠的接地放電裝置是必要的。

4 放電裝置

停止岸電供電需要首先斷開船上的岸電開關K2，然后斷開碼頭配電箱中的開關 K1，最后在斷開岸電電纜并將電纜收回船上。整個操作過程均由人工完成，操作人員有被電擊的可能，需要設計電纜的放電裝置。

圖7 岸電連接示意圖

由斷電的操作順序可知，該放電裝置應當位于碼頭的配電箱處。放電裝置與斷路器K1聯(lián)鎖，放電工作在對開 K1操作后能自動完成。船員在斷開 K1開關后的下一個動作就是拆卸配電箱的電纜接頭，因此放電速度要迅速，應在1 s內(nèi)將電纜電荷釋放掉。

與此同時為保證放電裝置長期可靠工作，放電電流不宜過大，防止在與電纜的接觸面處產(chǎn)生電弧燒蝕，放電電流應控制在1 A以下。

斷電的操作由多人配合完成，操作碼頭配電箱和船舶岸電箱的是兩個人。由于配合失誤，出現(xiàn)了未斷開船舶岸電箱開關之前，就斷開碼頭配電箱開關的事故，岸上人員被船上的電源電擊傷。為防止此類事故，放電裝置在設有在線警告的功能外，同時當船上發(fā)電機在線時，放電電阻應能長時間承受相應的功率。

放電裝置示意圖如圖8所示，額定6.3 kV的岸電系統(tǒng)放電電阻應選取400 kΩ左右，可以保證電容為0.5 μF的電纜在1 s之內(nèi)電壓下降到安全電壓之下，同時為保證船上發(fā)電機在線時放電電阻不至燒毀，電阻功率應選擇在100 W。

電源在線的報警裝置連接在放電裝置上，當發(fā)電機在線時，會發(fā)出聲光報警，警示操作人員斷開船上的岸電開關。整流裝置前級應連接分壓裝置。

圖8 放電裝置示意圖

放電裝置A、B、C三個觸點應在短路器K1手動斷開時自行接觸到岸電電纜的界限端子排上，對電纜進行放電，保護操作人員安全。

5 結論

由港口提供岸電將是船舶停泊用電的必然趨勢，由于電容的存在，斷開的岸電電纜中存儲了大量電荷，需要放電裝置對電荷進行快速釋放，以保護操作人員的安全。

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[5]何仰贊, 溫增銀. 電力系統(tǒng)分析[M]. 華中科技大學出版社, 2002.

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[8]IEC 479-1： 1994 Guide to Effect of current on human beings and livestock- Part1： General aspects.