分布電容引起的典型船舶電氣故障分析

安連彤，孔建華，趙志強(qiáng)，孫成琪

（廣東海洋大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，湛江 524005）

1 前言

船舶大型化和電氣設(shè)備的復(fù)雜化使船舶供電網(wǎng)中的分布電容不斷增加，產(chǎn)生的漏電電流會(huì)導(dǎo)致各種類型的電氣故障。然而人們對(duì)船舶電氣系統(tǒng)的分布電容卻并未引起足夠的重視，甚至很多船舶的電路設(shè)計(jì)忽略了分布電容的影響。本文通過實(shí)例分析由分布電容所引起的典型船舶電氣故障和應(yīng)對(duì)措施。

2 分布電容

分布電容是指兩個(gè)存在壓差而又相互絕緣的導(dǎo)體所構(gòu)成的一種類似電容形態(tài)的分布參數(shù)。電纜電線與電線之間、電線與電纜屏蔽層之間、電纜與線架、電纜與船體之間都存在著分布電容。例如，一根帶屏蔽層的4 芯電纜內(nèi)部可形成10 個(gè)分布電容，如圖1 所示。電纜的分布電容，可通過下式計(jì)算[1]。

式中：C為電纜單位長(zhǎng)度的分布電容（F/m）；λ為電纜總的絞合系數(shù)；εr為組合絕緣介質(zhì)的等效相對(duì)介電常數(shù)；a為兩導(dǎo)線中心距離（mm）；d為線芯直徑（mm）；ψ 為由于接地金屬屏蔽和鄰近導(dǎo)線產(chǎn)生影響而設(shè)置的修正系數(shù)。

單位長(zhǎng)度電纜的分布電容與電纜結(jié)構(gòu)及其絕緣材料有關(guān)。對(duì)于相同型號(hào)的電纜，可以認(rèn)為分布電容和電纜長(zhǎng)度成正比。

圖1 分布電容的形成

3 分布電容引起的典型船舶電氣故障

3.1 繼電器誤動(dòng)作

（1）故障實(shí)例

某船液壓艙口蓋電氣系統(tǒng)在甲板各艙蓋處設(shè)置了7個(gè)應(yīng)急停止按鈕，7 個(gè)按鈕串聯(lián)在同一線路中，如圖2 所示。當(dāng)按下任意一個(gè)按鈕時(shí)，電路中的繼電器失電，其常開觸頭斷開，切斷主接觸器控制電源使驅(qū)動(dòng)主油泵的電機(jī)停轉(zhuǎn)。在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，1#到5#按鈕運(yùn)行正常，而按下6#和7#按鈕時(shí)很多情況下繼電器會(huì)繼續(xù)保持吸合狀態(tài)，無法斷開電源。經(jīng)檢查，按鈕開關(guān)及其周圍線路并無故障，初步懷疑故障原因是由于電纜分布電容所引起的。

圖2 液壓艙口蓋電氣布置圖

搭建試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得該繼電器的釋放電流為1.9 mA，小于6#和7#艙應(yīng)急停止按鈕處的最大漏電電流，所以6#和7#艙應(yīng)急停止按鈕不能可靠工作，偶爾6#和7#艙的應(yīng)急停止按鈕也能正常動(dòng)作，這可能與船體振動(dòng)、電網(wǎng)電壓波動(dòng)、電網(wǎng)頻率干擾等多種因素有關(guān)。

（3）應(yīng)對(duì)措施

① 在繼電器兩端并聯(lián)4～8 k的泄放電阻來分流大部分的漏電電流[2]，若泄放電阻再串聯(lián)一個(gè)0.47μF 的電容則效果更佳。但在實(shí)船環(huán)境下應(yīng)注意船舶振動(dòng)可能導(dǎo)致并聯(lián)電阻脫落；

② 更換線圈功率更大的繼電器，即采用與額定工作電壓一致而線圈內(nèi)阻小很多的繼電器來替代原來的繼電器。該種方法簡(jiǎn)單有效，實(shí)際處理中也是采用這種方法解決了問題。

3.2 LED指示燈故障

（1）故障實(shí)例

某船駕控臺(tái)的應(yīng)急消防泵運(yùn)行指示燈在應(yīng)急消防泵停止?fàn)顟B(tài)下出現(xiàn)輝光。出于安全考慮，船舶夜航時(shí)駕駛臺(tái)盡量處于全黑狀態(tài)，LED指示燈發(fā)出的輝光會(huì)影響駕駛員的值班瞭望。

（2）故障分析

船用的LED指示燈一般是經(jīng)過電阻器或阻容耦合器降壓后供給LED 使用。普通LED 的最小工作電壓為1.2～1.7 V、最小工作電流不到5 mA、啟輝電流更是低至1 mA，因此任何原因產(chǎn)生的微弱電流都可能使LED指示燈發(fā)出輝光。對(duì)電路進(jìn)行漏電測(cè)試發(fā)現(xiàn)電路絕緣良好，不存在漏電現(xiàn)象；在斷電狀態(tài)下測(cè)量電源兩端電壓，發(fā)現(xiàn)電壓值較低，不足以對(duì)指示燈產(chǎn)生影響，據(jù)此排除了感應(yīng)電壓導(dǎo)致故障的可能性；斷開LED 指示燈測(cè)量電容值，確定故障是由分布電容引起的。

（3）應(yīng)對(duì)措施

① 采用啟輝電流更大的LED 指示燈，或?qū)ED指示燈更換為白熾燈；

② 在LED 指示燈兩端并聯(lián)泄放電阻，消耗漏電電流。實(shí)際處理中LED 燈的工作電壓為24 V，在其兩端并聯(lián)了800 Ω 的電阻消除了指示燈的故障。

3.3 接地指示燈故障

（1）故障實(shí)例

某船在廠調(diào)試期間，當(dāng)閥門遙控控制柜的空氣開關(guān)合閘時(shí)，220V 配電屏上的接地指示燈亮度出現(xiàn)明顯偏差，但是實(shí)際測(cè)試中并沒有發(fā)現(xiàn)接地故障。

（2）故障分析

根據(jù)接地指示燈的工作原理[3]，當(dāng)三相電纜中某一相上的分布電容大于其它兩相時(shí)，該相的漏電電流較高，接地指示燈亮度也比較大。閥門遙控控制柜安裝在主甲板壓載控制室，遙控閥門安裝在機(jī)艙和管隧中，二者相距較遠(yuǎn)且每一個(gè)遙控閥門都自帶一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的油泵。由于全船有多達(dá)近百個(gè)遙控閥門，因此會(huì)產(chǎn)生較高的分布電容。該船在電路設(shè)計(jì)時(shí)忽略了分布電容的影響，僅考慮到整套裝置功率很小而使用了單相220V 照明電力系統(tǒng)，該電力系統(tǒng)的電纜在船上分布最廣、用量最大，因此也更容易產(chǎn)生分布電容。

（3）應(yīng)對(duì)措施

① 修改電路，使用三相220 V 電力，并注意均勻分配接線長(zhǎng)度。實(shí)際處理中采用該種方法，經(jīng)反復(fù)的調(diào)整接線，使得接地指示燈的亮度恢復(fù)一致；

② 通過配電盤上的絕緣表監(jiān)視電網(wǎng)絕緣值，接地指示燈僅作為絕緣表的后備測(cè)量手段；絕緣表在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到電纜分布電容的影響，可以消除分布電容給測(cè)量帶來的誤差。

3.4 儀表讀數(shù)故障

（1）故障實(shí)例

當(dāng)使用兆歐表測(cè)量主發(fā)電機(jī)的絕緣電阻時(shí)，兆歐表的讀數(shù)從零緩慢上升，超過1 分鐘后才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）故障分析

由于主發(fā)電機(jī)線圈存在較高的分布電容，在測(cè)量時(shí)兆歐表首先將對(duì)該分布電容進(jìn)行充電，讀數(shù)隨著充電的進(jìn)行緩慢上升，充電完成后指針才能穩(wěn)定，此時(shí)兆歐表顯示的數(shù)值才是真實(shí)的絕緣值。如果使用機(jī)械式兆歐表進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)停止搖動(dòng)手柄后，兆歐表內(nèi)的手搖發(fā)電機(jī)停止發(fā)電，表針下方連接的比例線圈的電壓線圈失電，而電流線圈受到分布電容放電作用，導(dǎo)致整個(gè)比例線圈失衡，因此指針會(huì)馬上轉(zhuǎn)向最大值，甚至撞擊到限位器上。

（3）應(yīng)對(duì)措施

① 在對(duì)電力電纜測(cè)量時(shí)，要將兆歐表保護(hù)環(huán)接在電纜的絕緣層上以消除誤差；

② 在對(duì)大功率電機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)等指針穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù)；測(cè)量結(jié)束后，應(yīng)迅速脫開測(cè)量夾頭，以防分布電容放電損壞儀表；

③ 測(cè)量前先用試電筆測(cè)試電路是否帶電，對(duì)于分布電容較小的設(shè)備，這種操作相當(dāng)于對(duì)電容進(jìn)行放電。

4 結(jié)論

大多數(shù)分布電容導(dǎo)致的故障都是因?yàn)樵陔娐吩O(shè)計(jì)時(shí)忽略了分布電容的影響，因此可以從以下幾方面消除分布電容的影響：

（1）優(yōu)化電路布置。減小交流回路的長(zhǎng)度，并盡量選用兩芯電纜以及阻抗小、釋放電壓高的繼電器；

（2）采用直流控制代替交流控制。雖然分布電容對(duì)于直流控制回路也會(huì)有影響，但較交流控制回路影響要少得多；

（3）采用隔離變壓器和中間繼電器對(duì)電路進(jìn)行分割?？梢杂行p小單個(gè)回路的分布電容，降低其影響；

（4）某些情況下可以將控火改為控零。該方法易于實(shí)現(xiàn)但存在安全隱患；

（5）加強(qiáng)對(duì)電氣設(shè)備系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)收。例如：本文中的第一個(gè)案例，在設(shè)備廠調(diào)試期間，該套設(shè)備并未模擬實(shí)船環(huán)境鋪設(shè)長(zhǎng)電纜，而僅在較短的試驗(yàn)線路上安裝應(yīng)急停止按鈕進(jìn)行測(cè)試，所以是不可能測(cè)試出故障的；而在船廠測(cè)試期間，電源采用的是通過逆變技術(shù)得到的岸電，其波形為方波或梯形波而不是正弦波，從而使故障現(xiàn)象不明顯。