中低壓岸電上船中性點(diǎn)的接地方式的選擇

范娜麗 沈兵 葉志浩

【摘? 要】中性點(diǎn)接地方式的選擇是一個(gè)涉及電力系統(tǒng)許多方面的綜合性技術(shù)問(wèn)題。本文從供電可靠性、故障電流、過(guò)電壓和絕緣水平、對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響等多種因素出發(fā)，研究了中、低壓岸電上船電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式的選擇。結(jié)論為，針對(duì)低壓船舶對(duì)供電可靠性要求高，絕緣水平要求高的特點(diǎn)，低壓岸電上船采用故障電流小，供電連續(xù)性好的中性點(diǎn)不接地的IT系統(tǒng)。中壓岸電上船電力系統(tǒng)，由于供電電壓等級(jí)高，考慮限制過(guò)電壓和故障電流，采用高阻接地和消弧線圈接地的IT系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】低壓岸電;中壓岸電;接地方式;接地故障電流

0 引言

近年來(lái)，隨著船舶大型化、自動(dòng)化及船舶設(shè)備的更新和生活工作條件的改善，除日用電力負(fù)載外，船舶機(jī)械大多采用了電力驅(qū)動(dòng)[1-2]，船舶電氣負(fù)荷急速增加，船舶中高壓電力系統(tǒng)已成為大型客船、油船、電力推進(jìn)船舶及某些特殊工程船舶等的必選。由于系統(tǒng)容量規(guī)模和電壓等級(jí)的提升。帶來(lái)的對(duì)地分布電容的增大，傳統(tǒng)的低壓接地方式不再適用于中壓甚至是高壓船舶電力系統(tǒng)的接地方式。

接地本身也是個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，它關(guān)系到人身和財(cái)產(chǎn)的安全以及電氣裝置和設(shè)備功能的正常發(fā)揮。因此中性點(diǎn)接地方式的選擇是一個(gè)涉及電力系統(tǒng)許多方面的綜合性技術(shù)問(wèn)題，其中需要考慮供電可能性與故障范圍、絕緣水平與絕緣配合、對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響、對(duì)電力系統(tǒng)通信與信號(hào)系統(tǒng)的干擾、對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響等多種因素。目前國(guó)內(nèi)和國(guó)際的接地技術(shù)中并能找到一種能滿足所有因素的接地方式，如何抓住主要矛盾，又能囊括一切特殊性，針對(duì)特殊場(chǎng)所的中性點(diǎn)接地方式標(biāo)準(zhǔn)化，一直是所有科研工作者努力的方向。

1 大地、海水模型建立

理論分析得，通過(guò)接地極流入地中的總電流是由傳導(dǎo)電流和位移電流兩部分組成的。判斷大地是導(dǎo)體、半導(dǎo)體還是電解質(zhì)，取決于地中同一點(diǎn)的傳導(dǎo)電流密度與位移電流密度的比值。對(duì)于正弦交流電，運(yùn)用麥克斯韋第一方程式，即磁場(chǎng)強(qiáng)度的旋度等于傳導(dǎo)電流密度和位移電流密度的矢量和，對(duì)各向同性的大地介質(zhì)得到[3]，

電阻率 和介電常數(shù) 是大地的兩種主要電學(xué)參數(shù)。其中各種不同介質(zhì)的電阻率 和相對(duì)介電常數(shù) ，見(jiàn)表1。

若K>10，可以不計(jì)位移電流，此時(shí)介質(zhì)近似為導(dǎo)體;若K<0.1，可不計(jì)傳導(dǎo)電流，此時(shí)介質(zhì)近似為電解質(zhì);若0.1<K<10，介質(zhì)處于導(dǎo)體和電介質(zhì)之間。

當(dāng)接地電流為工頻電流，即50Hz時(shí)，由計(jì)算可得，各介質(zhì)的K值見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，K遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10，因此，在研究工頻接地電流的分布時(shí)可以把大地、混凝土、海水看成導(dǎo)體。且下面討論的各種接地方式中，大地和海水均看成導(dǎo)體。

2 陸地和岸電上船接地方式比較

2.1 陸地和岸電上船TN系統(tǒng)

2.1.1低壓陸地上的TN系統(tǒng)

TN系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)生單相碰殼漏電故障時(shí)，就形成單相短路回路，因該回路不包含任何接地電阻，整個(gè)回路的電阻很小，故障電流就會(huì)很大，該故障電流大大超過(guò)自動(dòng)開(kāi)關(guān)或繼電保護(hù)裝置的整定值或熔斷器的熔斷電流，從而切除故障設(shè)備的電源，達(dá)到防止觸電的目的，保障人身安全。其中TN系統(tǒng)接線及發(fā)生單相（如B相）碰殼故障時(shí)的短路電流回路，如圖2-1所示。

中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)小電阻接地TN系統(tǒng)，故障相電流比較大，為了防止損壞設(shè)備，必須迅速切斷接地相甚至三相，供電可靠性比較低。同時(shí)，TN系統(tǒng)是我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)用于低壓電網(wǎng)的一項(xiàng)保安措施，在很多情況下保護(hù)接零可能導(dǎo)致設(shè)備外殼出現(xiàn)危及人身安全的對(duì)地電壓。因而它并不是一種十分完善的保護(hù)方式。

總之，陸地低壓TN系統(tǒng)供電可靠性較大，故障電流比較大，設(shè)備外殼容易出現(xiàn)危及人身安全的對(duì)地電壓，但是可以選擇迅速切斷接地相甚至三相的開(kāi)關(guān)或熔斷器來(lái)切斷故障，保證人身安全。

2.1.2 低壓岸電上船的TN系統(tǒng)

圖2-2為低壓岸電上船的TN-S供電系統(tǒng)，其中船體的保護(hù)接地極RE以虛線表示，它并非存在的實(shí)物而僅是象征性的表達(dá)。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)出現(xiàn)單相（如C相）接地故障時(shí)，接地電流通過(guò)相線接船體，經(jīng)過(guò)海水、陸地和變壓器接地電阻RT構(gòu)成回路，其中海水和大地看成是導(dǎo)體，此時(shí)PE線對(duì)地電壓為

船體的電阻 為2～4e-5Ω[4]，由于船體電阻 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變壓器的接地電阻RT（取4 ?），因此船體可看作忽略電阻的良導(dǎo)體，PE線對(duì)地電壓幾乎為220V，也就是說(shuō)所有接PE線設(shè)備外殼均帶有大約220V的對(duì)地電壓，即船體和PE線之間的電位差也為220V，船上人員容易發(fā)生觸電危險(xiǎn)。而此時(shí)的短路電流為

需要說(shuō)明，低壓岸電上船TN供電系統(tǒng)，存在船岸間水下人體（如意外落水的人）遭受電擊的危險(xiǎn)。因?yàn)殛懙厣先梭w皮膚干燥，人體阻抗大，大約為1770～2000Ω[3]，發(fā)生電擊事故時(shí)，其觸電傷害程度與電流通過(guò)人體的途徑有關(guān)，通常只考慮兩手間或手足間的接觸電流（此電流通過(guò)心臟的比例較大，會(huì)很快引起心室顫動(dòng)，危險(xiǎn)性最大）通過(guò)引起的心室顫動(dòng)的電擊致死危險(xiǎn)。但人體在水下的電阻為300～500?，并且在水下人體全部與帶電的水接觸，有很多個(gè)人體接觸電流通路，其中以通過(guò)大腦的接觸電流尤為危險(xiǎn)，因此水下電擊致死的危險(xiǎn)比陸地上要大得多。

總之，考慮船上工作人員觸電危險(xiǎn)及附近水域水下人體電擊的危險(xiǎn)，低壓岸電上船不宜采用TN-S系統(tǒng)。為避免PE線在船體上重復(fù)接地，更不宜采用TN-C-S系統(tǒng)。

2.1.3中壓岸電上船的TN系統(tǒng)

圖2-2仍適用于中壓岸電上船的TN系統(tǒng)。對(duì)于船舶電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，中壓6kV等級(jí)的系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，此處采用6kV等級(jí)中壓岸電上船的TN系統(tǒng)。此種接地方式不僅會(huì)出現(xiàn)低壓岸電上船的中船上工作人員觸電危險(xiǎn)及附近水域水下人體電擊的危險(xiǎn)等問(wèn)題，而且隨著電壓等級(jí)的提高，中壓的短路電流比低壓的短路電流大27倍左右，此時(shí)如果有人掉進(jìn)附近海域，假設(shè)水下人體的電阻取300?，流過(guò)人體的電流大約為20A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人的致命電流。因此為防止船上工作人員觸電危險(xiǎn)和船岸間水域水下人體的電擊危險(xiǎn)，中壓岸電上船仍然不宜采用TN系統(tǒng)。

2.2陸地和岸電上船 TT系統(tǒng)

2.2.1陸地上低壓TT系統(tǒng)

陸地上低壓TT系統(tǒng)的電源中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)小電阻接地，并引出有N線，屬于三相四線制系統(tǒng)，設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分與各自的接地裝置相連而直接接地，其中電源中性點(diǎn)的接地和設(shè)備外殼所連接地裝置的接地是相互獨(dú)立的。當(dāng)設(shè)備發(fā)生單相接地故障或碰殼短路時(shí)（如B相），就會(huì)通過(guò)保護(hù)接地裝置并形成單相短路電流，如圖2-3所示。如果設(shè)備漏電、人觸及該帶電設(shè)備外殼時(shí)，由于設(shè)備接地電阻RE（取4?）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人體電阻Rr=1000～2000?，根據(jù)分流作用，故障電流主要經(jīng)設(shè)備接地裝置流入大地。但如果設(shè)備外殼與接地裝置連接不良好，故障電流將全部經(jīng)人體流入大地形成單相接地回路，由于人體的電阻Rr遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變壓器的接地電阻RT，系統(tǒng)的相電壓將完全施加于人體，如此大的電壓是非常危險(xiǎn)的，因此一定要保證設(shè)備外殼接地裝置的可靠連接。電源相電壓為220V，電源中性點(diǎn)工作接地電阻RT取4?、保護(hù)接地電阻RE為4 ?，以此來(lái)計(jì)算，則故障回路將產(chǎn)生的電流為

當(dāng)設(shè)備發(fā)生單相接地或碰殼短路時(shí)，為了能使保護(hù)裝置迅速可靠地動(dòng)作，要求單相短路電流Id必須滿足以下條件

因此，對(duì)于容量較小的電氣設(shè)備，所選用的熔絲會(huì)熔斷或使自動(dòng)開(kāi)關(guān)跳閘，從而切斷電源，可以保障人身安全。但是，當(dāng)采用自動(dòng)開(kāi)關(guān)保護(hù)時(shí)，對(duì)于整定值大于18.3A的自動(dòng)開(kāi)關(guān)不能可靠動(dòng)作;當(dāng)采用熔斷器保護(hù)時(shí)，對(duì)于額定電流大于6.8A的熔斷器無(wú)法斷開(kāi)，這將大大限制負(fù)荷的容量，這是TT保護(hù)接地方式的局限性。

總之，陸地上低壓TT系統(tǒng)的設(shè)備外殼與接地裝置一定要可靠接地，否則容易發(fā)生觸電危險(xiǎn)，但為了保證斷流設(shè)備的可靠動(dòng)作，負(fù)荷的容量又受到了大大的限制。同時(shí)也可以通過(guò)加裝漏電保護(hù)裝置來(lái)彌補(bǔ)，以完善TT系統(tǒng)保護(hù)接地的功能。

2.2.2 低壓岸電上船的TT系統(tǒng)

當(dāng)艦船由低壓岸電以TT系統(tǒng)供電時(shí)，如圖2-4所示，其中船體的保護(hù)接地極RE以虛線表示，它并非存在的實(shí)物而僅是象征性的表達(dá)。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)出現(xiàn)單相（如B相）接地故障時(shí)，此時(shí)，接地電流通過(guò)相線接船體，經(jīng)過(guò)海水、陸地和變壓器接地電阻RT構(gòu)成回路，其中海水和大地看成是導(dǎo)體，由于船體電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變壓器的接地電阻，船體可以看成是導(dǎo)體，N線對(duì)地電壓幾乎為220V，這時(shí)單相設(shè)備電壓升高為線電壓，對(duì)設(shè)備的絕緣很不利。由于單相接地故障或者碰殼故障時(shí)，故障電流均是以船岸間的水域里的海水為流通路徑，再加上水下人體電阻值大大較小，存在船岸間水下人體（如意外落實(shí)的人）遭受電擊的危險(xiǎn)。

總之，低壓岸電上船TT系統(tǒng)不僅對(duì)設(shè)備絕緣要求，而且還增加了船岸間水下人體遭受電擊的危險(xiǎn)。

2.2.3 中壓岸電上船的TT系統(tǒng)

圖2-4仍適用于中壓岸電上船的TT系統(tǒng)。隨著電壓等級(jí)的升高，附近水域水下人體發(fā)生電擊危險(xiǎn)的可能性更會(huì)更高，因?yàn)榱鬟^(guò)人體的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人的致命電流。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，單相設(shè)備電壓需要承受線電壓大小的帶你呀，無(wú)疑對(duì)設(shè)備的絕緣很不利，并且隨著電壓等級(jí)的升高，這個(gè)問(wèn)題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致絕緣擊穿等眾多問(wèn)題，總之，中壓岸電上船TT系統(tǒng)不僅對(duì)設(shè)備絕緣要求，而且還增加了船岸間水下人體遭受電擊的危險(xiǎn)，因此中壓岸電上船仍然不宜采用TN系統(tǒng)。

2.3陸地和岸電上船IT系統(tǒng)

2.3.1陸地上低壓IT系統(tǒng)

陸地上低壓IT系統(tǒng)的電源中性點(diǎn)不接地或經(jīng)一個(gè)大阻抗接地，不引出N線，設(shè)備的外露導(dǎo)電部分均經(jīng)各自的接地裝置單獨(dú)接地。當(dāng)電氣設(shè)備絕緣損壞導(dǎo)致相線（如C相）與外殼接觸發(fā)生碰殼短路時(shí)，就會(huì)通過(guò)接地裝置、大地、兩非故障對(duì)地電容及電源中性點(diǎn)接地裝置（如采取中性點(diǎn)經(jīng)大阻抗接地時(shí)）形成單相接地故障電流，如圖2-5所示，其中流經(jīng)人體的電流與流經(jīng)接地裝置的電流之比為

接地電阻 （取4Ω）遠(yuǎn)小于人體電阻 （干燥的環(huán)境取1700Ω），由于分流作用，通過(guò)人體的故障電流遠(yuǎn)小于流經(jīng)接地裝置的故障電流，且流過(guò)人體的電流一般能控制在安全范圍以內(nèi)，極大地減小了觸電的危險(xiǎn)程度，此處可以忽略流過(guò)人體的電流，僅考慮流過(guò)接地裝置的故障電流。

由圖2-5可知，流過(guò)接地點(diǎn)的電流為系統(tǒng)的單相對(duì)地容性電流，此值一般不足以使線路的斷流設(shè)備動(dòng)作，可以在發(fā)生單相接地故障或單相碰殼故障時(shí)連續(xù)供電，供電可靠性比較高。但是中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，發(fā)生單相故障接地時(shí)，其他非故障相對(duì)地電壓升高到線電壓，設(shè)備絕緣均需按線電壓進(jìn)行計(jì)算和校驗(yàn)，絕緣費(fèi)用會(huì)增加。

總之，陸地上低壓IT系統(tǒng)的供電可靠性比較高，但是絕緣等級(jí)是按線電壓校驗(yàn)的，相應(yīng)會(huì)增加設(shè)備的投資，一般陸地上要求連續(xù)供電的場(chǎng)所選用IT系統(tǒng)來(lái)提高供電可靠性。

2.3.2低壓岸電上船IT系統(tǒng)

艦船由低壓岸電采用IT系統(tǒng)供電，此系統(tǒng)中流經(jīng)接地點(diǎn)的電流為系統(tǒng)單相對(duì)地容性電流，此值不足以使線路地?cái)嗔髟O(shè)備動(dòng)作，因此在發(fā)生單相接地故障時(shí)，仍能繼續(xù)供電，供電連續(xù)性比較好。特別是船舶電力系統(tǒng)的特殊性，船舶接地實(shí)際就是連接到船體，而船體本身是一個(gè)良好的導(dǎo)體，不僅容易危及人身安全，而且可能形成通路，損壞船舶設(shè)備，而IT系統(tǒng)中性點(diǎn)流過(guò)的電流為單相對(duì)地容性電流，相對(duì)單相接地故障電流小的多。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，設(shè)備絕緣均需按線電壓進(jìn)行計(jì)算和校驗(yàn)，由于本身船舶電力系統(tǒng)對(duì)地絕緣技術(shù)的要求也非常高，能夠滿足線電壓的絕緣水平。因此，供電電壓等級(jí)為0.4kV的輪船，其內(nèi)部包括發(fā)電設(shè)備在內(nèi)的電氣裝置是采用發(fā)生一個(gè)接地故障時(shí)不跳閘不停電，也不會(huì)電擊傷人的IT系統(tǒng)。與之相適應(yīng)，作為岸電電源的10/0.4kV配電變壓器中性點(diǎn)也采用不接地或經(jīng)高阻抗接地，使之能以IT系統(tǒng)給艦船供電，當(dāng)船艦電氣裝置內(nèi)發(fā)生一個(gè)接地故障時(shí)，故障電流僅為電源回路中無(wú)故障帶電導(dǎo)體的對(duì)地電容電流，仍然保留船艦電氣裝置IT系統(tǒng)用電安全的優(yōu)點(diǎn)。如圖2-6所示。

總之，低壓岸電上船IT系統(tǒng)供電可靠性高，能夠滿足船舶電力系統(tǒng)連續(xù)供電的需求。由于中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，發(fā)生一相故障接地時(shí)，其他兩相對(duì)地電壓將升高為線電壓，由于船舶的絕緣技術(shù)本身要求也比較高，能夠滿足要求，但線電壓增加了電擊的危險(xiǎn)性，還會(huì)帶來(lái)其他危險(xiǎn)。為此，中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)應(yīng)裝設(shè)絕緣監(jiān)視裝置。絕緣監(jiān)視裝置最好能夠發(fā)出聲、光雙重信號(hào)。

2.3.3中壓岸電上船IT系統(tǒng)

圖2-6仍適用于中壓岸電上船的IT系統(tǒng)，此系統(tǒng)中流經(jīng)接地點(diǎn)的電流仍為系統(tǒng)單相對(duì)地容性電流，此值不足以使線路地?cái)嗔髟O(shè)備動(dòng)作，因此在發(fā)生單相接地故障時(shí)，仍能繼續(xù)供電，供電連續(xù)性比較好。但由于隨著電壓等級(jí)的升高，單相對(duì)地容性電流增加的比較大，船岸間附近水下人體遭受電擊的危險(xiǎn)也會(huì)變大，可以采用中性點(diǎn)接大電阻的接地方式減小故障電流。且隨著船舶電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的升高，船舶電氣設(shè)備仍按照線電壓進(jìn)行絕緣水平的選擇和校驗(yàn)，勢(shì)必會(huì)增加投資的費(fèi)用，可以采用經(jīng)消弧線圈接地的接地方式[5]。總之，中壓岸電上船IT系統(tǒng)供電可靠性比較高，能滿足大型的總壓船舶對(duì)供電連續(xù)性的要求，中壓岸電上船隨著電壓等級(jí)的不斷提升，絕緣和過(guò)電壓?jiǎn)栴}也日益突出。

3 結(jié)論

本文從低壓陸地電力系統(tǒng)的接地方式、低壓岸電上船的接地方式，按照供電可靠性、故障電流大小、容許的負(fù)荷容量、絕緣水平等因素探討了TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)的適用范圍。

1）針對(duì)陸地上低電壓供電系統(tǒng)對(duì)人身安全要求比較高，對(duì)供電可靠性要求不高的場(chǎng)所，采用TN系統(tǒng)，對(duì)供電可靠性要求高的場(chǎng)所，采用TT系統(tǒng)。

2）針對(duì)低壓岸電上船供電系統(tǒng)對(duì)供電可靠性要求高，設(shè)備絕緣要求高，故障電流比較大的特點(diǎn)，采用故障電流小，供電可靠性高的中性點(diǎn)不接地的IT系統(tǒng)。

3）考慮中壓岸電上船供電系統(tǒng)，隨著電壓等級(jí)的升高，單相對(duì)地電容電流比較大，但中壓系統(tǒng)對(duì)供電可靠性要求較高，采用供電可靠性高的IT系統(tǒng)，但是為了限制故障電流和過(guò)電壓水平，采用中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地或者經(jīng)消弧線圈的接地方式。

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（作者單位：1.海軍工程大學(xué)）