船舶電氣保護接地設計

楊 典， 陸春霞

(惠生(南通)重工有限公司， 江蘇 南通226009)

0 引 言

一般在鋼質船舶或海洋工程平臺電氣中的接地方式大致分為功能接地、保護接地、電磁兼容性接地。功能接地主要是指根據(jù)系統(tǒng)運行需要進行的接地，例如發(fā)電機或變壓器中性點接地等。在常規(guī)情況下，船舶或海洋工程項目高壓系統(tǒng)采用發(fā)電機中性點經高電阻接地方式，低壓系統(tǒng)為發(fā)電機或變壓器中性點絕緣方式(即IT系統(tǒng))。保護接地是為防止電氣裝置的金屬外殼、配電裝置的構架等帶電可能危及人身和設備安全而進行的接地，通常是將系統(tǒng)、設備、電纜的一點或多點接地。將在正常運行情況下不帶電，而在絕緣損壞后或其他情況下可能帶電的電器金屬部分(即與帶電部分相絕緣的金屬結構部分)用導線與接地體可靠連接起來的保護接地方式主要包括設備外殼接地、防雷接地、防靜電接地、電纜金屬護套接地等。電磁兼容性接地是為保護系統(tǒng)或設備自身不受電磁環(huán)境影響，同時也不會對在該環(huán)境中的其他事物造成電磁危害的一種接地方式。

電氣保護接地是指在船級社規(guī)范中明確要求電氣帶電部件以外的可接近的金屬部分應接地(特殊情況除外)，電纜的金屬護套作有效接地，并對接地形式和接地導體截面有具體要求，另外在配電板上也要求配置絕緣監(jiān)測裝置。但是，規(guī)范并未詳細描述這些要求所對應的故障類型，因此本文對在單相接地故障情況下設備外殼接地和電纜金屬護套接地這兩方面進行簡單分析，并結合規(guī)范要求，闡述其適用情況。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，中性點經高電阻接地方式較中性點絕緣方式情況要復雜，因此針對中性點經高電阻接地方式論述保護接地電氣設計要求，討論設備外殼接地和電纜金屬護套接地的要求。

1 設備外殼接地

IT系統(tǒng)發(fā)生電氣設備單相絕緣損壞或其他原因導致的第1次單相接地故障時，故障點對地電壓接近零，當人體接觸帶電設備外殼時，有微小的電流流過人體，并不會對人身造成傷害。如果發(fā)生第2次接地故障或保護接地電纜斷開或接地螺栓生銹等情況，當人體接觸帶電設備外殼時，人體接觸的電壓超過人體安全電壓，將會對人身造成傷害[1]。下面就船舶電力系統(tǒng)發(fā)生第1次單相接地故障、保護接地電纜斷開、接地螺栓生銹、第2次單相接地故障等情況分別進行討論。

1.1 第1次單相接地故障

假定電氣系統(tǒng)C相發(fā)生單相接地故障(僅考慮C相與設備外殼緊密接觸的情況)，其他相均正常，如圖1所示。

圖1 第1次接地故障示例

發(fā)生第1次接地故障的等效電路如圖2所示(忽略發(fā)電機內阻抗和電容電流)。

圖2 第1次接地故障等效電路圖

當人體未接觸外殼時，故障點(設備外殼)對地電壓(預期接觸電壓)為

(1)

當人體接觸外殼時，流過人體的電流約為

(2)

由此可見，當IT系統(tǒng)發(fā)生第1次接地故障時，由于保護接地電纜電阻遠小于人體電阻，流過人體的電流非常小，設備的保護接地能夠保護人員安全。此時電壓降幾乎全部在發(fā)電機中性點接地電阻上，單相接地故障電流被限制在較小的范圍內(5A左右)從而避免發(fā)生火災等事故。如果電氣系統(tǒng)是中性點絕緣的IT系統(tǒng)，則電流會通過其他相的對地電容流通，此時電流將會更小，故障情況沒有中性點經電阻接地的方式嚴重。

由式(1)可以看出，預期接觸電壓與保護接地電纜電阻成正比，因此保護接地導體應采用銅或導電良好的耐蝕材料制成，必要時應有防止機械損傷及防蝕措施，接地導體的截面積應盡可能大(規(guī)則規(guī)范有最小截面要求)從而減少保護接地電纜電阻。便攜式電氣設備的裸露金屬部分使用軟電纜或軟電線中的連續(xù)接地導體進行保護接地，由于其保護接地電纜較長，故其截面較固定電氣設備的保護接地電纜要求更大。相比陸地項目的保護接地而言，由于船體為鋼結構，電氣設備的外殼可以很方便地就地接地，大幅縮短了保護接地電纜長度，保護接地電纜電阻值很小，由于人體與保護接地電纜為并聯(lián)方式，故流經人體的電流很小。

1.2 保護接地電纜斷開

當電氣系統(tǒng)發(fā)生第1次接地故障時，保護接地電纜(PE線)出現(xiàn)意外斷開(圖2Zpe回路斷開)，故障點預期接觸電壓為

很顯然，當保護接地電纜意外斷開時，接地故障點預期接觸電壓均遠高于人體安全電壓，保護接地電纜應牢固可靠，并有防止松動的措施。

1.3 接地螺栓生銹

當電氣系統(tǒng)發(fā)生第1次接地故障時，若保護接地電纜接地螺栓處生銹(銅的導電系數(shù)是1.72×10-8Ω·m，氧化銅的導電系數(shù)是1×10-3Ω·m)，生銹部位接觸電阻增大，會影響導電性能。接觸部位將發(fā)熱使接觸電阻(圖2Zpe串聯(lián)1個電阻，數(shù)值大約為Zpe的100 000倍，Zpe2=355Ω)更大，導電性能更差。此時故障點預期接觸電壓為

式中：Zpe2//Zf表示PE線電阻與人體電阻并聯(lián)后的電阻值。

當保護接地電纜接地螺栓處生銹時，接地故障點預期接觸電壓均遠高于人體安全電壓，因此不論是專用導體接地或靠設備底座、支架接地，其接觸面均應光潔平貼，保證有良好的接觸，并應采取防止生銹的措施。

1.4 第2次接地故障

若假定電氣系統(tǒng)C相已經發(fā)生故障，此時A相也發(fā)生故障(第2次故障發(fā)生在其他相比發(fā)生在C相的情況要嚴重)，如圖3所示。

圖3 第2次接地故障示例

系統(tǒng)發(fā)生第2次接地故障(A相)的等效電路(忽略發(fā)電機內阻抗和電容電流)如圖4所示。

圖4 第2次接地故障等效電路圖

當人體未接觸外殼時，故障點(設備外殼)對地電壓(預期接觸電壓)為

當人體接觸外殼時，流過人體電流約為

(6)

由此可見，當IT系統(tǒng)發(fā)生第2次接地故障時，通過人體電流過大，不能保證人員安全，此時保護電器應在短時間內切斷電源。以上分析為兩次接地故障均發(fā)生人體接觸設備外殼帶電部位，如僅有一端發(fā)生人體接觸設備外殼帶電部位，則情況與上述基本一致。

IT系統(tǒng)應采用以下措施來保護系統(tǒng)和人身安全[1]：

(1) 絕緣監(jiān)測：用于監(jiān)測第1次接地故障，通常當電氣設備的絕緣水平降低時發(fā)出報警信號。

(2) 過電流保護：用于在發(fā)生第2次接地故障時按過電流防護切斷電源。

2 電纜金屬護套接地

在正常情況下電纜金屬護套(鎧裝或屏蔽)的感應電壓很小，不會對人身造成傷害，但是當電纜線路發(fā)生故障時，電纜金屬護套會產生較大的感應電壓。在雷電、過電壓引起的絕緣擊穿時，電纜金屬護套會產生電壓，因此應確保金屬護套至少有1點可靠接地，保證設備正常運行和人身安全。

2.1 單芯電纜金屬護套感應電壓

單芯電纜金屬護套感應電壓的大小與電纜金屬護套的平均幾何半徑r、相間距S、線路長度和負荷電流的大小等因素有關。電纜屏蔽層中相和邊相感應電壓均隨相間距S增大而增大。采用等邊三角形排列時，各相感應電壓相同，且幅值相對較低，這是船級社規(guī)范要求的敷設方式。

當采用等邊三角形排列時，交流系統(tǒng)單芯電纜在金屬護套上任一點非直接接地處的正常感應電勢計算公式[2]為

(7)

式中：E為感應電勢，V；ω為角頻率，ω=2πf；I為導體正常電流，A;L為電纜金屬護套的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離，km；S為各電纜相鄰之間的中心距，mm；r為電纜金屬護套的平均半徑，mm。

若導體正常電流I=50A，L=0.1km，S=50mm，r=40mm，此時感應電壓E=0.07V。

由此可見，在正常情況下，電纜金屬護套感應電壓非常小，可以忽略不計。當電纜處于操作過電壓或雷擊過電壓時，在金屬護套上會形成很高的感應電壓，如金屬護套在兩端接地，則在金屬護套中會產生環(huán)流。感應電壓形成的環(huán)流將會產生熱量，從而加速電纜老化，嚴重時可能破壞電纜絕緣，因此船級社規(guī)范明確規(guī)定單芯電纜的金屬護套只能在1點接地，避免感應電壓形成環(huán)流[3]。

2.2 控制電纜金屬護套感應電壓

船舶大部分控制電纜為多芯線，電源與信號使用同一根電纜。在正常情況下，電源芯線的電流很小，電纜長度在幾十至兩百米左右，信號芯線的感應電壓很小，可以忽略不計。當電源芯線的電流不平衡或者電流較大且電纜長度較長時，控制電纜金屬護套感應電壓將可能達到幾十伏，這往往會造成控制開關誤動作或不動作，存在很大的安全隱患。例如：金屬護套在兩端接地，感應電壓將會在金屬護套中產生環(huán)流，同第2.1節(jié)所述環(huán)流會產生安全隱患，船級社規(guī)范明確規(guī)定對于控制儀表設備的電纜，由于技術原因，如一端接地較為有利時，則不必兩端接地[3]。

2.3 三芯電力電纜金屬護套接地

船舶在正常情況下，三相電力負荷平衡，三芯電力電纜的三相電流對稱，電纜金屬護套感應電壓等于零，可以在兩端接地，而不會在金屬護套中產生環(huán)流。

2.4 電纜金屬護套與照明系統(tǒng)保護接地線

船舶照明系統(tǒng)(尤其是生活樓區(qū)域的照明燈具等設備)一般使用電源電纜中的一芯作為連續(xù)保護接地導體，如使用3×2.5或2×2.5+E等形式的電纜，但也有使用電纜金屬護套代替電源電纜中的一芯作為連續(xù)保護接地導體的做法，在設計過程中并不推薦這種方法。電纜金屬護套由于使用非專用的導體類型材料，且截面很小，故其電阻遠大于保護接地線的電阻，由第1.3節(jié)可以看出，當接地電纜電阻值大幅增大時，預期接觸電壓將超過人體安全電壓，因此金屬護套不可代替保護接地線。

3 防靜電接地

一些船舶的危險區(qū)域的罐、容器、管道系統(tǒng)和設備撬塊中液體、氣體、蒸氣的流體以及用于不導電液體的罐子或管道系統(tǒng)可能產生靜電，靜電產生的能量雖然很小，但可能產生較高的電位而發(fā)生靜電放電。導體和非導體之間的放電火花可能點燃易燃物爆炸造成事故。

導體間的靜電放電能量可按如下公式[1]計算：

(8)

式中：W為放電能量，J；C為導體間的等效電容，F(xiàn)；V為導體間的電位差，V。

當電容為100pF，靜電電壓為25kV時，W=31.25mJ，在此種情況下靜電放電能量可以點燃一定比例的天然氣混合物。

在有可燃氣體的危險區(qū)域應嚴格限制靜電放電能量(空氣混合天然氣最小點火能量大約在0.3mJ左右)，避免點燃易燃氣體產生爆炸。易燃氣體、液體的工藝罐、容器、管道都應接地，使用接地線連接到附近的接地螺栓上。接地點的位置應便于檢查維修、清晰可見、不易受機械損傷、便于與船體連接、不妨礙正常操作、盡量避開高電阻率污染物等。由于防靜電接地一般處在可能存在可燃氣體、液體的環(huán)境，因此接地電纜及接地體材質應選用耐腐蝕材料，并確保機械強度。防靜電接地電纜不得與其他接地電纜共用。

4 結 語

單相接地故障是一種常見的故障，即帶電物體通過金屬材料與大地發(fā)生的短路故障。接地故障常會引發(fā)火災，且往往伴隨著接地故障而發(fā)生人身傷害事故，在情況嚴重時會影響人們的生命財產安全。因此，為了人員的安全，必須嚴格按照船級社規(guī)范要求進行設備外殼保護接地的設計和檢驗。

在大多數(shù)情況下，電纜金屬護套會產生較小的感應電壓，在一些異?；蚬收锨闆r下，感應電壓將會大幅提高，此時將會對設備運行和人身安全帶來負面影響。選擇合理的電纜金屬護套接地的方式可以將感應電壓的影響降至最低，確保設備正常運行和人身安全。

對電氣系統(tǒng)發(fā)生第1次接地故障、第2次接地故障以及電纜金屬護套感應電壓出現(xiàn)等情況的分析，使設計人員充分理解保護接地的重要性，在設計過程中應嚴格遵守船級社規(guī)范要求確保項目工程質量。