弧光接地故障下船舶中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地電阻仿真與計(jì)算

高 強(qiáng)，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(jìn)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(diǎn)接地電阻仿真與計(jì)算

高 強(qiáng)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(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

船舶中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全至關(guān)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(duì)高阻接地方式對(duì)弧光接地過電壓的抑制效果進(jìn)行了仿真分析，最后對(duì)某船發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻進(jìn)行了整定計(jì)算。

船舶中壓電力系統(tǒng) 弧光接地 中性點(diǎn)接地電阻

0 引言

在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)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(diǎn)不接地，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，允許繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)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(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，相比于低壓電力系統(tǒng)，在電壓等級(jí)提升帶來較強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，其對(duì)于發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)保護(hù)等方面也提出新的要求，考慮到中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式涉及到系統(tǒng)運(yùn)行方式和運(yùn)行安全[1]，中性點(diǎn)接地技術(shù)必須進(jìn)行研究。目前，應(yīng)用較廣泛的是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)高阻接地方式[2]。中性點(diǎn)接地方式對(duì)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(shè)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(shè)備絕緣水平[3]，這些問題都反映為過電壓?jiǎn)栴}[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(duì)高阻接地方式對(duì)弧光接地過電壓抑制效果進(jìn)行了仿真研究，在此基礎(chǔ)上解決了某船接地電阻阻值整定計(jì)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(diǎn)不接地的船舶低壓電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，非故障相對(duì)地電壓將升高倍，但線電壓保持不變，因此對(duì)負(fù)載影響不大，此時(shí)流過故障點(diǎn)的電流為對(duì)地電容電流。由于低壓系統(tǒng)對(duì)地電容一般較小，許多臨時(shí)性的單相電弧接地故障在電流過零時(shí)將自動(dòng)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(jī)組得到廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)全部采用電力電纜，這些都大大增加了系統(tǒng)對(duì)地電容，使得電容電流隨之增加，當(dāng)電容電流超過10 A時(shí)，電弧將難以自動(dòng)熄滅，產(chǎn)生不穩(wěn)定的間歇電弧，引起弧光接地過電壓。對(duì)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(shí)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(diǎn)不接地系統(tǒng)中，各相電源電壓為uA、uB、uC，各相對(duì)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(shè)t=t1時(shí)，A相電壓在幅值Uxg時(shí)對(duì)地閃絡(luò)，u1由Uxg突降為0，B、C相對(duì)地電容上的電壓要從-0.5Uxg過渡到線電壓瞬時(shí)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(duì)地電壓分別按各自線電壓規(guī)律變化，A相對(duì)地電壓保持為0。

經(jīng)過半個(gè)工頻周期后，t=t2，A相電源電壓達(dá)到負(fù)最大值，電弧電流自然過零，電弧熄滅，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)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(duì)地電容上，在系統(tǒng)中形成直流電壓分量：

故熄弧后，各相導(dǎo)線對(duì)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(huì)引起過渡過程。

熄弧后，A相對(duì)地電壓逐漸恢復(fù)，在經(jīng)過半個(gè)工頻周期，t=t3時(shí)，B、C相電壓變?yōu)?.5Uxg，A相恢復(fù)電壓高達(dá) 2Uxg，可能引起電弧重燃，A相對(duì)地電壓再次變?yōu)?，B、C相對(duì)地電容上的電壓要從0.5Uxg過渡到線電壓瞬時(shí)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(duì)地電壓分別按各自線電壓規(guī)律變化，A相對(duì)地電壓保持為0。

以后每隔半個(gè)工頻周期依次發(fā)生熄弧和燃弧?？梢姡鶕?jù)工頻熄弧理論，發(fā)生弧光接地時(shí)，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(dá)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(diǎn)高阻接地方式及不同阻值對(duì)弧光接地過電壓的抑制效果，從而為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻阻值整定計(jì)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(yùn)行，在0.105s時(shí)A相電纜發(fā)生弧光接地，經(jīng)半個(gè)工頻周期后熄弧，以后每隔半個(gè)工頻周期依次發(fā)生燃弧、熄弧，共循環(huán)4個(gè)周期，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傩越拥毓收稀?/p>

圖2 仿真模型

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

由于電力電纜長(zhǎng)度不長(zhǎng)，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(duì)地電容為9.48 μF，系統(tǒng)對(duì)地容抗約為335.94 Ω。

圖3 開關(guān)觸發(fā)信號(hào)

2.2 中性點(diǎn)不接地仿真結(jié)果

當(dāng)中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地時(shí)，各相對(duì)地電壓波形如圖4所示。

圖4 中性點(diǎn)不接地時(shí)各相對(duì)地電壓

仿真結(jié)果標(biāo)明，A相發(fā)生弧光接地故障后，故障相對(duì)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(duì)地電壓幅值最大值出現(xiàn)在第二次燃弧時(shí)刻，約為17380 V，約為非故障狀態(tài)下的3.3倍。

2.3 中性點(diǎn)直接接地仿真結(jié)果

當(dāng)中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地時(shí)，各相對(duì)地電壓波形如圖5所示。

圖5 中性點(diǎn)直接接地時(shí)各相對(duì)地電壓

仿真結(jié)果標(biāo)明，A相發(fā)生弧光接地故障后，由于中性點(diǎn)直接接地，非故障相不會(huì)產(chǎn)生弧光接地過電壓。事實(shí)上，中性點(diǎn)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(hù)裝置迅速動(dòng)作，切斷故障。但這種方式對(duì)于船舶設(shè)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(diǎn)高阻接地仿真結(jié)果

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

圖6 Rn=672Ω時(shí)各相對(duì)地電壓

圖7 Rn=336Ω時(shí)各相對(duì)地電壓

仿真結(jié)果標(biāo)明，Rn=672 Ω時(shí)，A相發(fā)生弧光接地故障后，非障相對(duì)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(shí)，A相發(fā)生弧光接地故障后，非障相對(duì)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(jī)組中性點(diǎn)接地電阻計(jì)算

根據(jù)以上仿真結(jié)果，可以推斷中性點(diǎn)接地電阻與系統(tǒng)容抗的比值會(huì)影響弧光接地過電壓的抑制效果。事實(shí)上，這二者比值與弧光接地過電壓倍數(shù)關(guān)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(guān)描述，如圖8所示。

圖8 電阻取值與弧光接地過電壓百分?jǐn)?shù)關(guān)系

由圖8可見，相關(guān)規(guī)范描述與本文仿真結(jié)果一致。當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻過大時(shí)，弧光接地過電壓倍數(shù)較高，必將對(duì)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(dāng)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(shí)，若Rn取值過小，接地電流會(huì)很大，有可能損壞發(fā)電機(jī)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(jī)單相接地故障電流應(yīng)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(duì)地電容Cg為9.48 μF，系統(tǒng)機(jī)組數(shù)量為9，最多6臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行。按下述步驟進(jìn)行發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻計(jì)算選擇。

1）從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)看入，系統(tǒng)總對(duì)地容抗：

2）發(fā)生單相接地故障時(shí)，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(duì)地電阻：

單臺(tái)中性點(diǎn)接地電阻阻值：

5）單相接地時(shí)，電阻熱電流：

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

當(dāng)6臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中性點(diǎn)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(guān)系，此時(shí)弧光接地過電壓倍數(shù)小于2.5。

4 總結(jié)

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(chǔ)上，建立了中性點(diǎn)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(duì)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(guān)系，在此基礎(chǔ)上，對(duì)某船發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地電阻進(jìn)行了整定計(jì)算，為船舶中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地電阻整定計(jì)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(hù). 北京: 中國(guó)電力出版社, 2006.

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

[3]李潤(rùn)先等. 中壓電網(wǎng)系統(tǒng)接地實(shí)用技術(shù). 北京: 中國(guó)電力出版社, 2002.

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

[5]關(guān)根志. 高電壓工程基礎(chǔ)[M]. 北京: 中國(guó)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(shù), 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(qiáng)（1985-），男，工程師。研究方向：電力電子及電氣傳動(dòng)。Email：gq04@163.com