中壓岸電系統(tǒng)故障點跨步電壓研究

楊　鋒，羅寧昭，黃　靖，吳本祥，楊東升

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430 033；2.海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)軍事代表室，南京 210 006）

中壓岸電系統(tǒng)故障點跨步電壓研究

楊鋒1，羅寧昭1，黃靖1，吳本祥1，楊東升2

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430 033；2.海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)軍事代表室，南京 210 006）

本文針對中壓岸電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，碼頭人員的跨步電壓展開了研究。設(shè)計實驗，測出了接地極到海岸線之間的電阻值和海水的電阻率，依據(jù)實驗所得到的實驗數(shù)據(jù)建立有限元模型，通過

中壓岸電跨步電壓有限元電位分布

0　引言

對于中壓岸電系統(tǒng)來講，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時故障點經(jīng)碼頭、海水或船體與碼頭上岸電接地極形成回路，這使的在岸上靠近故障接地點的人員存在跨步電壓的風(fēng)險，即地面上水平距離為0.8 m的兩點間的電位差，特別是由于海水附近的接地樁被導(dǎo)電性能好的鹽水浸泡的土壤包圍，當(dāng)人在接地點附近時的跨步電壓非?？捎^［1-4］。

所以在岸電電網(wǎng)這一特殊的電力系統(tǒng)中，非常有必要對接地點到船體的電位分布進(jìn)行研究，從而計算出岸上人員的跨步電壓和接觸電勢，保障岸上人員的安全。本章運用有限元仿真軟件ANSYS對當(dāng)中壓岸電電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單相短路故障時的接地點到船體的電位分布，來判斷是否會對接地點附近的人員造成接觸電勢和跨步電壓的威脅。

1　有限元仿真模型的建立

1.1接地極到海岸線的電阻測量

接地電阻在接地極和跨步電壓、接觸電勢的研究中是一個非常重要的概念，可以通過接地電阻的大小，來表明當(dāng)故障點附近產(chǎn)生故障電流或高壓接地時，電流疏散的快慢、難易程度。接地電阻不僅和土壤的電阻率有關(guān)，和接地裝置的鋪設(shè)方式也是密切相關(guān)。

在岸電系統(tǒng)中，接地電阻小說明當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時地表電勢衰減的快，人員的跨步電壓小，而電流大部分流經(jīng)土壤而非流經(jīng)人體，人員安全性好［5］。

根據(jù)岸上中壓岸電配電變壓器中性點接地的接地極到岸邊海水處的配置，設(shè)計的實驗方案原理示意圖如圖1所示：

圖1　接地電阻測量實驗原理簡圖

如圖中所示，將船用380 V的三相電接到可調(diào)式得變壓器上，再由變壓器接入LC整流橋，將船用380 V交流電變成可調(diào)的直流電輸出，這就是直流電源部分。岸電箱在碼頭邊，而接地點卻在離碼頭直線距離1000 m外的變電站，如上圖所示；在岸電箱附近將直流電源和電阻等串聯(lián)上岸電箱中的地線以及碼頭邊的海水，由于岸電箱中的地線與1000 m外的岸電接地極由電纜相連，K點經(jīng)由海水大地也與岸電接地極相連，所以整個實驗電路可以看成是一個回路。通過這個回路上測得的電壓U（V）、電流I（A），以及已知的分壓保護(hù)電阻R0，可以簡單的通過公式（1），計算出碼頭到岸電接地極之間的電阻值。

所搭建的實驗平臺現(xiàn)場圖如圖2所示，圖中將變壓器輸出的交流電輸入到LC整流電路，再將其與保護(hù)電阻、電流表串聯(lián)，并最終連如岸電箱地線，K點接入岸邊海水。

實驗中主要讀取兩個數(shù)值，一個是電流表的數(shù)值，知道回路中的總電流I（A），另一個是用萬用表鉗住直流電源的正負(fù)兩極，得知直流電源輸出的總電壓U（V）。由于可調(diào)式變壓器加整流橋的輸出沒有刻度上標(biāo)明的那么準(zhǔn)確，所以需要實時地讀取萬用表和電流表的讀數(shù)并記錄下來；通過輸出電壓的不斷增加，記錄下數(shù)據(jù)及計算處理的結(jié)果如表4.1所示：

由表4.1可知，當(dāng)?shù)?組數(shù)據(jù)測出R=9.33歐姆，與其他4組數(shù)據(jù)的誤差較大，可能是因為剛剛開始打開電閘，沒有等到整流直流源穩(wěn)定下來便開始讀數(shù)，從而造成誤差較大，所以第1號組數(shù)據(jù)棄掉不用。

其余四組數(shù)據(jù)取平均值，既得

1.2海水電阻率的測量

海水電阻率是研究岸電系統(tǒng)跨步電壓和接觸電勢所需要考慮的特殊問題，接地極地處海邊，而導(dǎo)電率高的海水對其接地極土壤部分的電位分布將或多或少存在影響［6-7］，需要通過設(shè)計實驗實測海水的電阻率。

通過測量固定長度、固定橫截面的海水的電阻，計算出海水電阻率，其原理如圖3所示：

利用長方形塑料水槽裝載一定量的海水模擬電阻塊，水槽兩邊貼上薄銅片作為電極片，使之與直流電源和電流表串聯(lián)，通過調(diào)節(jié)直流源，加載不同伏值的電壓，讀取不同電壓下的電流表讀數(shù)，計算出等體積海水的電阻，再通過電阻率公式（3）算出海水電阻率：

其中R為所測電阻值，S為所測海水的橫截面積，L為塑料水槽中兩銅片間的距離。

實驗實物圖，如圖4所示：

其中所選取的塑料管測得：

橫截面積S=0.05×0.03 m2

長度L=0.09 m

實驗讀取不同電壓下，回路中的電流，并分別計算海水的電阻率如表2所示：

四組數(shù)據(jù)取平均值得：

1.3有限元模型的建立

中壓岸電模型的實體建模較為簡單，主要由三個塊（Volumes）組成，如圖6所示，分別表示碼頭（近似地看成單層土壤，即其電阻率一致的土壤模塊）、海水、船體，其物性參數(shù)的設(shè)置主要就是電阻率的設(shè)置（Resistivity），海水的電阻率由上一章的實驗估算而得，為0.3485Ω·m，船體的電阻率即鋼的電阻率，取1.5×10-8Ω·m，至于碼頭（近似成單層土壤）的電阻率，通過測得的接地極至海岸線的電阻推算出為2.35Ω·m；網(wǎng)格劃分所用到的單元是三維的電場單元，采取自由（Free）網(wǎng)格劃分法，這樣劃分的好處是在故障點附近的局部網(wǎng)格可以細(xì)化，而在距離接地點較遠(yuǎn)位置，電勢較低的地方，不是研究跨步電壓的重點范圍，則可以用較大的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，節(jié)省計算時間。

圖2　實驗平臺現(xiàn)場實物圖

圖3　海水電阻率測量原理圖

圖4　海水電阻率測量實驗圖

模型的建立如圖5所示：xyz軸坐標(biāo)兩側(cè)藍(lán)色和紫色的塊分別為碼頭和海水，海水上的紅色模塊為船體。其中海水上的船體塊，有一半在水線以下，一半在水線以上，以近似模擬船舶和海水位置的真實關(guān)系。

圖5　跨步電壓仿真模型建立

2　故障點附近地表電位分布仿真

當(dāng)岸電系統(tǒng)在碼頭的部分發(fā)生單相接地故障時，即岸電碼頭電纜部分發(fā)生單相短路，可以看成在土壤深1 m處［8］，一個極小的球面與土壤發(fā)生接觸，如圖6所示，球面的半徑設(shè)為為0.1 m［9］，在其表面加載故障時的電壓3700 V，將船體的上表面設(shè)為零勢面。

圖中MX點為土壤與故障線路接觸點，在地表下一米處，可以從圖中看出靠近故障點的電位高越到海水的電位越低，而且故障點遠(yuǎn)海端的電位等勢線要比近海端的電位等勢線要稀疏［10-11］，也就是說碼頭人員在接地故障點與海水之間這段距離所受跨步電壓的風(fēng)險較大，在這段距離地表電勢隨離開故障點距離增大的衰減曲線見圖9 。

表1　接地電阻測量數(shù)據(jù)及計算處理

表2　海水電阻率測量數(shù)據(jù)及計算處理

表3　故障點到海岸線地表電位采樣表

圖6　模擬故障點球面模型

圖7　故障點在碼頭處的跨步電壓仿真模型網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格劃分圖如圖7所示。

觀察故障點附近的電位分布，如圖8所示。

圖8　故障點到船體電位分布圖

將地表電位衰減的采樣數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，提取出來，如表3所示，其中S表示采樣點據(jù)故障點正上方地表的水平距離，E表示采樣點的電位值。

圖9　故障點附近地表電位衰減曲線圖

3　總結(jié)

有跨步電壓定義可知，在地表0.8 m距離上的電勢差為人所承受的電壓，可以從表中看出在靠近故障點附近距離0.8 m的電勢差最高，約為60 V多一點，而在距故障點5.8469m到6.8214米遠(yuǎn)大約1m的距離，其電勢差為36 V左右，所以可以認(rèn)為，當(dāng)人兩只腳都在距單相故障接地點6米以外是安全的；否則有可能兩只腳所產(chǎn)生的跨步電壓大于36 V，出現(xiàn)人員安全的問題。

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Research on Step Voltage near Fault Point of Medium Voltage Shore Power System

Yang Feng，Luo Ningzhao，Huang Jing，Wu Benxiang，Yang Dongsheng
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

The step voltage of the terminal carried on by ports personnel is researched in the article during single-phase grounding fault of medium voltage shore power system occurs. The experiments are designed to measure resistance value from the coastline to the grounding and the resistivity of sea water. According to data obtained from the experiment, the finite element model is established.Through the finite element analysis software ANSYS, the potential distribution from the hull to the fault point is calculated when the single-phase fault of medium voltage shore power system occurs, and the decay of surface potential in the wharf is obtained, especially drop speed near the point of failure is paid close attention, and the safety range of step voltage to terminal staff is obtained.

medium voltage shore power supply; step voltage; finite element; potential distribution

TM81

A

1003-4862（2015）09-0076-05

2015-07-09

楊鋒（1977-），男，副教授。研究方向：電力系統(tǒng)安全運行。

ANSYS有限元仿真軟件，計算出不同故障下故障點到船殼之間的電位分布，以及碼頭地表電位衰減情況，特別是故障點附近壓降的衰減速度，得出了碼頭人員的跨步電壓安全范圍。