船用中壓發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻的整定計(jì)算

陳 亮，李 耕，張曉鋒

（海軍工程大學(xué)，武漢430033）

0 引言

近年以來(lái)船舶制造領(lǐng)域呈現(xiàn)向大型綜合化、電氣化、智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)，伴隨這種趨勢(shì)而來(lái)的是船舶電力系統(tǒng)容量與電壓等級(jí)的提高。綜合考慮供電能力、線路損耗的影響，顯然大功率等級(jí)的船舶電力系統(tǒng)采用中壓或高壓交流供電方式較為合理[1]。事實(shí)上，目前船舶中壓電力系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，主要有3/3.3 kV、6/6.6 kV、10/11 kV等級(jí)。

船舶電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提升帶來(lái)的挑戰(zhàn)不僅體現(xiàn)在設(shè)備與系統(tǒng)絕緣與安全方面，還關(guān)系到系統(tǒng)接地方式的配置問(wèn)題。傳統(tǒng)低壓系統(tǒng)采用不接地運(yùn)行方式，特點(diǎn)是安全性好，供電連續(xù)性高。但是，船舶中壓電力系統(tǒng)對(duì)地分布電容的影響不可忽視，發(fā)生接地故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的容性電流，極易造成故障點(diǎn)起弧現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)故障會(huì)擴(kuò)大化。因此，對(duì)于中壓電力系統(tǒng)必須考慮中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式[4]。目前，應(yīng)用較廣泛的是高阻接地方式，中性點(diǎn)設(shè)置在發(fā)電機(jī)繞組中性點(diǎn)上。

本文針對(duì)船舶中壓系統(tǒng)高阻接地方式開(kāi)展研究，參考多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，解決了接地電阻值計(jì)算選擇中的問(wèn)題，并從多個(gè)角度出發(fā)校驗(yàn)了接地電阻設(shè)計(jì)值的合理性。

1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式選擇

通常，電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)設(shè)置在發(fā)電機(jī)繞組星形連接的中性點(diǎn)，或者變壓器的中性點(diǎn)。本文主要考慮針對(duì)發(fā)電機(jī)的保護(hù)，綜合各國(guó)船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，選擇發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)作為系統(tǒng)接地中性點(diǎn)。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范要求

按照 GB/T 14285-2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定（具體見(jiàn)表1所示），當(dāng)6.3 kV發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流達(dá)到4 A時(shí)，定子繞組接地保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于信號(hào)，當(dāng)故障電流大于4 A時(shí)，定子繞組接地保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于停機(jī)。

表1 發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流允許值

1.2 接地方式選擇依據(jù)

要使發(fā)電機(jī)得到充分保護(hù)，遵循的原則有：1）定子繞組單相接地故障不應(yīng)燒損定子鐵芯；2）不應(yīng)因單相接地的間歇性弧光過(guò)電壓，使單相接地故障發(fā)展為相間或匝間短路；3）發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式應(yīng)有利于提高定子繞組單相接地保護(hù)的技術(shù)性能。

由于系統(tǒng)對(duì)地電容值較大，因而當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)不可能將接地故障電流限制在規(guī)定的允許值以下，從而會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子繞組鐵芯的燒損。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)的推薦，對(duì)于這種對(duì)地電容比較大的具有發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)，所適用的中性點(diǎn)接地方式應(yīng)保證發(fā)生定子繞組單相接地故障時(shí)中性點(diǎn)的暫態(tài)過(guò)電壓不超過(guò)允許值，且與最大接地故障電流的時(shí)間特性相適應(yīng)。因此，船舶中壓發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)宜采用高電阻接地方式，并在發(fā)電機(jī)定子繞組接地保護(hù)裝置的配合下快速切除接地故障，以防止發(fā)電機(jī)定子鐵芯燒損。

2 系統(tǒng)參數(shù)初步計(jì)算

下面以某中壓6.3 kV船舶電力系統(tǒng)為例，計(jì)算其發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障電容電流。

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地故障電容電流的大小主要取決于每相對(duì)地電容值，計(jì)算過(guò)程如下：

發(fā)電機(jī)定子繞組單相對(duì)地電容值：；Cg=0.05 μF

變壓器單相對(duì)地電容值：Ct=0.0015 μF ；

中壓電纜單相分布電容值：C1=0.0015 μF，（規(guī)格 3×95，額定電壓 6/10，鎧裝）；設(shè)電纜總長(zhǎng)：l=8 km；

考慮最小工況下2臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)，C02=3.937 μF ；

最大工況下 7臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)，C07=4.1877 μF ；

高潮立馬掏出手機(jī)，調(diào)出“詩(shī)的妾”那條在去溫州的列車上發(fā)來(lái)的短信，一看時(shí)間，19:47/23/07/2011，一下子驚呆了！高潮知道，那樁舉世聞名的動(dòng)車交通事故，發(fā)生在幾天前的七月二十三日晚間。高潮顧不得許多了，立馬破戒，撥打“詩(shī)的妾”的手機(jī)，他聽(tīng)到的是一個(gè)彬彬有禮而缺少溫度的聲音：您撥打的電話已關(guān)機(jī)，請(qǐng)稍后再撥……

從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)看入的對(duì)地總?cè)菘梗?/p>

則系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障電容電流為（取發(fā)電機(jī)額定電壓Ue=6.3 kV）：

可以看出，發(fā)電機(jī)在定子繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障電流已遠(yuǎn)超過(guò)了GB/T 14285規(guī)定的允許值，需要在故障發(fā)生時(shí)跳閘停機(jī)。這也應(yīng)證了有必要采取中性點(diǎn)高阻接地方式。

3 中性點(diǎn)接地電阻值的選取

3.1 滿足限制暫態(tài)過(guò)電壓的要求

DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)與絕緣配合》規(guī)定：“高電阻接地系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)符合R0≤Xc0的準(zhǔn)則，以限制由于電弧接地故障產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)電壓。一般采用接地故障電流小于10 A。R0是系統(tǒng)等值零序電阻，Xc0是系統(tǒng)每相對(duì)地分布容抗?！?/p>

DNV《船舶入級(jí)規(guī)范》中也有類似規(guī)定：“系統(tǒng)中性點(diǎn)通過(guò)一個(gè)電阻接地，其電阻值等于或稍小于一相與地之間容抗值的1/3?！?/p>

IEEE Std C62.92.1-2000中有關(guān)于高電阻接地方式對(duì)過(guò)電壓的抑制試驗(yàn)，根據(jù) IEEE 的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，得到在不同容抗與接地電阻值比值條件下，電弧過(guò)電壓峰值與相對(duì)地電壓峰值的比值情況，如圖1所示。如果期望過(guò)電壓水平可以抑制在2.6倍正常值以下，接地電阻的阻值必須小于系統(tǒng)容抗值：Rn≤Xcn=1/3ωC0。

經(jīng)過(guò)計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻值Rn并不是越大越好，當(dāng)Rn的值過(guò)大時(shí)在發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障時(shí)將會(huì)產(chǎn)生較高的弧光暫態(tài)過(guò)電壓，這將對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣造成威脅。隨著發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻Rn值的減小，發(fā)生接地故障時(shí)的弧光暫態(tài)過(guò)電壓倍數(shù)將下降，但當(dāng)Rn減小低于Xcn的值后發(fā)生接地故障時(shí)弧光暫態(tài)過(guò)電壓倍數(shù)的下降將變得十分緩慢，相反，由于Rn的值過(guò)小將不可能將接地故障電流限制在允許范圍內(nèi)，這樣接地故障電流將會(huì)燒損發(fā)電機(jī)的定子鐵芯。

圖1 弧光暫態(tài)過(guò)電壓與相對(duì)地電壓在不同情況下的比值

在實(shí)際應(yīng)用中，接地電阻的大小還應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)定子繞組的電氣絕緣水平來(lái)確定，當(dāng)發(fā)電機(jī)的定子繞組電氣絕緣強(qiáng)度有較高的安全系數(shù)，且中性點(diǎn)接入電阻后發(fā)生定子繞組單相接地故障時(shí)的弧光暫態(tài)過(guò)電壓不會(huì)造成定子繞組絕緣損壞時(shí)，接地電阻值的選取則主要從減小接地故障電流值為出發(fā)點(diǎn)，即接地電阻值可以選到圖1中橫坐標(biāo)的0.5以下區(qū)域。

3.2 滿足限制接地故障電流的要求

DL/T 780-2001《配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地電阻器》中對(duì)于中性點(diǎn)電阻器的額定發(fā)熱電流也做出了相關(guān)規(guī)定，推薦選用的額定值為3 A、7 A、16 A、25 A、50 A等。

為了滿足限制接地故障電流的要求，先考慮限制中性點(diǎn)電阻電流，我們選擇3 A、5 A、7 A、10 A來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)接地故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)出口端或定子繞組上時(shí)，故障發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)跳閘后的接地電流如表2所示。

表2 故障發(fā)電機(jī)跳閘后不同電阻值條件下的接地故障電流

按照GB/T14285-2006規(guī)定，6.3 kV發(fā)電機(jī)的定子繞組單相故障電流允許值為4 A。若接地故障電流大于4 A，則單相接地保護(hù)必須作用于跳閘滅磁。但應(yīng)注意即使滅磁動(dòng)作，由于滅磁時(shí)間常數(shù)較大，故障電流仍持續(xù)一段時(shí)間，對(duì)定子鐵心的安全仍可能有較大威脅。因此，我們不主張發(fā)生定子繞組接地故障時(shí)動(dòng)作于跳閘滅磁，而是通過(guò)限制故障電流，使跳閘后的接地故障電流限制到允許值范圍內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停機(jī)，避免因?yàn)闇绱哦斐蓪?duì)發(fā)電機(jī)的損害。

通過(guò)計(jì)算可知：1）只有中性點(diǎn)電阻電流為3 A的情況才滿足我們的需要，此時(shí)的中性點(diǎn)電阻值為1212 Ω。2）當(dāng)中性點(diǎn)電阻為1212 Ω時(shí)，接地故障電流范圍為14.77 A～25.44 A，基本滿足IEEE Std C37.101-2006的推薦要求。

4 中性點(diǎn)電阻值校驗(yàn)

4.1 從限制過(guò)電壓水平考慮

當(dāng)中性點(diǎn)電阻取值為1212 Ω時(shí)，最大過(guò)電壓為3.2倍，這相當(dāng)于新機(jī)出廠試驗(yàn)電壓3.5 p.u.的91%，因而當(dāng)發(fā)生定子繞組接地故障時(shí)所產(chǎn)生的弧光暫態(tài)過(guò)電壓不會(huì)損壞定子絕緣繞組。

4.2 從人身安全角度考慮

從人身安全考慮，中性點(diǎn)接地電阻的電流越小越好。因?yàn)橹行渣c(diǎn)經(jīng)電阻接地在發(fā)生單相接地故障時(shí)，通過(guò)故障點(diǎn)的接地短路電流比較大，會(huì)引起故障點(diǎn)對(duì)地電位升高，有可能造成跨步電壓，接觸電勢(shì)超過(guò)允許值。因此在選擇電阻值時(shí)，應(yīng)根據(jù)接地電阻、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和接地短路電流計(jì)算跨步電壓和接觸電勢(shì)是否超過(guò)規(guī)程。根據(jù)深圳(400 A)、廣州(400 A)、上海(1000 A)、北京(600 A)、青島(1300 A)、天津(1300 A)等地選擇電阻電流的經(jīng)驗(yàn)，并未發(fā)現(xiàn)因采用電阻接地方式而造成跨步電壓和接觸電勢(shì)過(guò)高引起人身傷亡事故。

綜上所述，對(duì)影響電阻值的4個(gè)主要因素，按選擇的單機(jī)電阻電流為3 A，總接地故障電流為3 A～25 A的要求，對(duì)于6.3 kV系統(tǒng)(額定電壓為6.3 kV)，計(jì)算出接地中性點(diǎn)電阻為1212 Ω。

4.3 從繼電保護(hù)靈敏度考慮

若系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，流過(guò)接地故障點(diǎn)的零序電流等于接地相的電阻性電流和非接地相的電容電流的矢量和。按選擇的接地中性點(diǎn)電阻為1212 Ω計(jì)算，單相接地故障電流為14.77 A～25.44 A。從保證繼電保護(hù)靈敏度考慮，電阻值越小即流過(guò)電阻的電流越大越好。目前的微機(jī)保護(hù)一般都有零序保護(hù)功能，且啟動(dòng)的電流值相當(dāng)小，而單相接地故障電流遠(yuǎn)大于每條線路的對(duì)地電容電流，一般都能滿足零序保護(hù)的靈敏度要求。

5 結(jié)論

根據(jù)各國(guó)船級(jí)社規(guī)定與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)于中壓等級(jí)電力系統(tǒng)的相關(guān)要求，本文選擇了發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地運(yùn)行方式。通過(guò)理論計(jì)算不同工況以及不同接地電阻值配置條件下，故障電流、系統(tǒng)過(guò)電壓指標(biāo)，并依照現(xiàn)行發(fā)電機(jī)保護(hù)規(guī)程進(jìn)行比較分析，設(shè)計(jì)了某船中壓電力系統(tǒng)接地電阻值為1212 Ω。經(jīng)過(guò)分析可知，該電阻取值滿足任意工況條件下限制系統(tǒng)過(guò)電壓小于3.5p.u.指標(biāo)，能保證人員安全性同時(shí)能滿足基于繼電保護(hù)靈敏度的考慮。本文的接地電阻值整定計(jì)算依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，算例具有普適性，可以為同類中壓船舶的接地電阻整定提供參考范本。

[1]邰能靈,王鵬,倪明杰．大型船舶電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京: 科學(xué)出版社,2012．

[2]黃一民,王碩風(fēng),王良秀．不同推進(jìn)方式下LNG船電力系統(tǒng)的比較與發(fā)展趨勢(shì)[J]．船舶工程,2010,32(3): 43-46．

[3]吳忠林．船舶交流電力系統(tǒng)的短路電流[M]．北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1983．

[4]蘭海,盧芳,孟杰．艦船電力系統(tǒng)[M]．北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2013．

[5]羅寧昭．艦船中壓電力系統(tǒng)接地技術(shù)研究[D]．武漢:海軍工程大學(xué)博士學(xué)位論文,2011．

[6]IEEE Std C37．102-2006．IEEE Guide for AC Generator Protection[S]．USA: IEEE,2006．

[7]IEEE Std C62．92．1-2000．IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems[S]．USA: IEEE,2000．