船舶中壓電力系統(tǒng)接地方式及其原理分析

毛超玉

(中海電信有限公司， 上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著船上用電設(shè)備的不斷增加，用電負(fù)荷的不斷增大，傳統(tǒng)的船舶低壓電力系統(tǒng)已逐漸無法與船舶用電設(shè)備的功率相匹配，船舶的高智能化對電力品質(zhì)也提出了更高的要求(包括電壓幅值和船舶整體的絕緣系統(tǒng))，因此用船舶中壓電力系統(tǒng)代替低壓電力系統(tǒng)是值得考慮的。船舶中壓電力系統(tǒng)指的是電壓等級(jí)在1 000～10 000 V的船舶電力系統(tǒng)，若用其代替低壓電力系統(tǒng)，由于電壓等級(jí)升高，電流值會(huì)下降，船用電纜會(huì)變細(xì)，在節(jié)約電纜成本的同時(shí)，能提升船舶運(yùn)行的安全性。

對于船舶中壓電力系統(tǒng)而言，三相交流電各相電壓幅值都在1 000～10 000 V范圍內(nèi)，當(dāng)中性點(diǎn)不接地時(shí)，一旦出現(xiàn)單相接地故障，非故障相電壓就會(huì)升高約4 000 V，同時(shí)當(dāng)船舶內(nèi)電壓幅值突增時(shí)，易使一些配置的電氣設(shè)備絕緣性能不好的船舶被擊穿。船舶與陸地不同，其本身是良好的導(dǎo)體，且船舶中壓電力系統(tǒng)的電壓升高易引發(fā)弧光放電現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)弧光放電現(xiàn)象時(shí)，電弧會(huì)擊穿空氣，進(jìn)而引發(fā)安全隱患。若此時(shí)不慎有船員經(jīng)過，很容易導(dǎo)致人員傷亡。此外，若單相接地故障沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，電弧電流過大，在擊穿空氣的同時(shí)，易導(dǎo)致相間短路，使事故進(jìn)一步惡化，因此對船舶中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式及其原理進(jìn)行研究很有必要。

1 中性點(diǎn)連接方式

船舶中性點(diǎn)連接方式可分為中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)接地2種，其中中性點(diǎn)接地又可分為中性點(diǎn)直接接地、中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地、中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地等4種。

1.1 中性點(diǎn)不接地分析

中性點(diǎn)不接地方式示意圖見圖1。

相電壓是指三相交流電中各相相對地的電壓值，當(dāng)中性點(diǎn)不接地，且沒有出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電壓為0，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)的電壓變成了-，因此非故障相電壓為

=+(-)

(1)

=+(-)

(2)

圖2為C相單相接地故障示意圖。由圖2可知：接地相對地電壓為零；非接地相對地電壓為線電壓；三相線電壓對稱。在單相接地之后，由于整個(gè)電力系統(tǒng)流通的交流電是能通過電容的，且中性點(diǎn)與大地之間存在著分布電容，交流電通過分布電容與中性點(diǎn)連接并形成回路，因此故障點(diǎn)的電流也稱為容性電流，根據(jù)電流的定義式可算出容性電流有效值為(為角速度；為相電壓)，可將故障點(diǎn)d視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。電流的定義式為

(3)

式(3)中：為流經(jīng)導(dǎo)體載面的電荷；為時(shí)間。根據(jù)基爾霍夫定律，由于流過A相的電容電流與流經(jīng)B相的電容電流均等于，因此d處的容性電流為

=-(+)=3

(4)

故障相對地各點(diǎn)的電容值不同，阻抗值也不同，因此中性點(diǎn)會(huì)有電壓，原來的中性點(diǎn)電壓值不再為零，原中性點(diǎn)也不再是中性點(diǎn)，這就出現(xiàn)了中性點(diǎn)偏移的現(xiàn)象。但是，系統(tǒng)三相電壓仍保持對稱且大小不變，對接于線電壓的用電設(shè)備并不受影響。因此，船舶中壓電力系統(tǒng)若采用中性點(diǎn)不接地方式，可在短時(shí)間內(nèi)帶故障運(yùn)行，穩(wěn)定送電。然而，中壓電力系統(tǒng)相電壓升高的幅值要比低壓電力系統(tǒng)相電壓升高的幅值大很多，電壓高就意味著存在擊穿空氣的可能，并出現(xiàn)弧光放電現(xiàn)象，弧光放電也會(huì)積累大量電荷，導(dǎo)致過電壓出現(xiàn)，破壞船舶電氣設(shè)備。下面對弧光放電進(jìn)行靜態(tài)分析。

1.1.1 弧光放電靜態(tài)分析

當(dāng)電纜電壓升高時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電纜附近的電場強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，電纜附近自由運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)在增強(qiáng)的電場強(qiáng)度的影響下加速撞擊電纜的原子，將原子中的電子撞出，被撞出的電子又會(huì)在電場的影響下加速撞擊原子，如此反復(fù)，電纜周圍就積存了大量的電子和失去了電子的正離子，這些電子與正離子聚在一起就形成了弧光放電，要盡量避免這種現(xiàn)象。

1.1.2 中性點(diǎn)不接地的危害

除了弧光放電以外，船舶中壓電力系統(tǒng)在采用中性點(diǎn)不接地方式時(shí)還會(huì)帶來其他問題，具體如下：

1) 當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)的對地容性電流為正常相對地容性電流的3倍，根據(jù)焦耳定律，電流增大，電阻的熱效應(yīng)會(huì)隨之增大，易使電纜絕緣皮被熔毀，且船舶不同于陸地，其本身是很好的導(dǎo)體，將3倍于正常電流的電容電流接入船體也容易對船舶電網(wǎng)造成損害。

2) 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，電壓升高易引發(fā)弧光放電，且弧光放電現(xiàn)象并不會(huì)自行消失，同時(shí)故障點(diǎn)對地電容的電流過大易引起相與相之間短路。在船舶中壓電力系統(tǒng)中，相間短路的危害是非常大的，若沒有安裝漏電保護(hù)器，不僅會(huì)造成人員傷亡，而且會(huì)燒毀用電器，引發(fā)火災(zāi)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起全高壓停電，造成無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

3) 電容接地電流相位與正常的相電壓相差 90°，當(dāng)電容接地電流過零時(shí)，弧光放電弧隙兩端電壓達(dá)到最大值，造成電弧不易熄滅，形成熄滅與重燃交替的間隙性電弧，間隙性電弧會(huì)帶來危險(xiǎn)的過電壓，危及船舶和人身的安全。

4) 若有船員不小心接觸到了存在故障的接地相，巨大的電容電流產(chǎn)生的熱量會(huì)將船員燒傷，從人員安全的角度看，中性點(diǎn)不接地并不可取。

5) 弧光放電類似于大自然中的閃電，會(huì)放出光、能量和熱，若出現(xiàn)了弧光放電現(xiàn)象，船體內(nèi)空氣中的氮?dú)夂脱鯕鈺?huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一氧化氮和二氧化氮等氮氧化物，腐蝕船舶電網(wǎng)線路，從而威脅船舶用電的安全性。

6) 當(dāng)出現(xiàn)弧光放電現(xiàn)象時(shí)，在放電情況下會(huì)有高頻脈沖電流出現(xiàn)，由于弧光放電產(chǎn)生的電流屬于高頻脈沖電流，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的無線電干擾。由于船上的通信主要是靠無線電實(shí)現(xiàn)的，因此弧光放電也會(huì)影響到船舶通信。

1.2 中性點(diǎn)接地方式

1.2.1 中性點(diǎn)直接接地

在中性點(diǎn)接地方式中，最簡單直接的方式是中性點(diǎn)直接接地(見圖3)。在采用中性點(diǎn)直接接地方式時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，由于故障相電荷能直接釋放，因此弧光放電現(xiàn)象能得到有效抑制。但是，故障相對地會(huì)形成很大的電流，該電流足以使船舶電閘直接斷開，引發(fā)全船失電，且會(huì)對事故現(xiàn)場人員造成很大傷害。因此，這種方式一般只在陸地中高壓系統(tǒng)中使用，并不推薦在船舶中壓電力系統(tǒng)中使用。

圖3 中性點(diǎn)直接接地示意圖

1.2.2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地

對于中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式而言，由于中性點(diǎn)與船體之間的回路是由小電阻連成的，因此船舶主電網(wǎng)的過剩電荷可沿小電阻流出，有效抑制過電壓的產(chǎn)生。沒有了過電壓也就沒有了過強(qiáng)的電場強(qiáng)度，從而沒有了弧光放電現(xiàn)象，同時(shí)接地的電流增大，接地的繼電器的靈敏度提高，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)能準(zhǔn)確動(dòng)作，瞬時(shí)跳閘停機(jī)。當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，非故障相電壓不升高，對船舶的絕緣性要求更低，更加經(jīng)濟(jì)，絕緣電壓等級(jí)可根據(jù)相電壓選擇，同時(shí)比較容易檢測接地線路。但是，因電阻過小，會(huì)產(chǎn)生巨大的電流，船舶電網(wǎng)無法承受如此大的電流，致使發(fā)動(dòng)機(jī)和熔斷器被燒毀，發(fā)電機(jī)跳閘，無法保證船舶供電的可持續(xù)性和穩(wěn)定性，給電力系統(tǒng)帶來較大的沖擊。因此，對于船舶中壓電力系統(tǒng)而言，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式也不適用。

1.2.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

對于船舶中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式而言，由于線圈與電容串聯(lián)會(huì)出現(xiàn)諧振，即當(dāng)電容與線圈相位相同時(shí)，整個(gè)電路呈現(xiàn)純電阻性，且中性點(diǎn)串聯(lián)消弧線圈接地時(shí)產(chǎn)生的諧振為串聯(lián)諧振，阻抗較小，易產(chǎn)生遠(yuǎn)高于非故障相電壓的過電壓，因此這種方式也稱為諧振接地。當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，在單相接地故障出現(xiàn)瞬間(見圖4)，故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很大的故障電容電流，該電流會(huì)經(jīng)大地流到消弧線圈中。根據(jù)線圈的通直阻交原理，消弧線圈附近會(huì)產(chǎn)生與中性點(diǎn)電容電流相反的電感電流，該電流會(huì)使中性點(diǎn)接地處的電流變小，同時(shí)因?yàn)槭菃蜗嘟拥兀嘟涣麟姷钠胶庑院头€(wěn)定性都會(huì)消失，因此會(huì)抑制非故障相電壓的升高。消弧線圈通過產(chǎn)生與接地電容電流相反的電感電流，減小接地電容電流，從而使電流的弧光放電現(xiàn)象不會(huì)很劇烈，減弱其對船舶絕緣系統(tǒng)的破壞作用，即便是在弧光放電現(xiàn)象消失之后，依然能通過消弧線圈本身的“抑制”作用降低故障相電壓的恢復(fù)速度，即便是在1個(gè)周期之后，弧光放電現(xiàn)象也不會(huì)再次出現(xiàn)，可達(dá)到自滅的效果。沒有電壓升高引起的弧光放電現(xiàn)象，也就沒有了引發(fā)相間短路的因素，同時(shí)不用擔(dān)心相間短路造成巨大危害。因此，采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式能在保證供電持續(xù)性的同時(shí)，保證作業(yè)人員的安全。但是，在采用消弧線圈時(shí)，還需考慮以下問題：

1) 在采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式時(shí)，無法自動(dòng)測量對地電容電流的大小，無法精確測量中性點(diǎn)偏移量，這2個(gè)參數(shù)都屬于未知參數(shù)，只能依靠經(jīng)驗(yàn)獲取，或先人工手動(dòng)測量電容電流的大小，再選擇相應(yīng)的消弧線圈抑制接地電容電流，若人工判斷出錯(cuò)，很容易引發(fā)過補(bǔ)償狀況，進(jìn)而不能很好地減小電容電流，同時(shí)會(huì)引發(fā)弧光放電現(xiàn)象，很難找到最佳補(bǔ)償點(diǎn)投入相應(yīng)的消弧線圈。

2) 不同消弧線圈的調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)不同，雖然船舶中壓電網(wǎng)的電壓等級(jí)也不同，但仍很容易出現(xiàn)消弧線圈與船舶電網(wǎng)中壓等級(jí)不對應(yīng)的情況，導(dǎo)致補(bǔ)償精度較低。

3) 若在使用消弧線圈時(shí)出現(xiàn)調(diào)諧的情況，船舶只能停電將消弧線圈移出，這會(huì)導(dǎo)致全船失電，且在單相接地故障出現(xiàn)的瞬間，接地電容電流很大，而消弧補(bǔ)償電感電流的速度比較慢，在消弧線圈電感電流從零到逐漸能抑制住電容電流過程中會(huì)產(chǎn)生較大的安全隱患，若有船員從中性點(diǎn)接地的地面走過，會(huì)引發(fā)人員觸電事故。若此時(shí)又存在船舶電網(wǎng)故障，電容電流較大，電感電流補(bǔ)償無法抑制電容電流，電容電流過大引起的過電壓同樣會(huì)引發(fā)弧光放電現(xiàn)象，造成船舶絕緣受損，導(dǎo)致事故進(jìn)一步惡化。

4) 消弧線圈的本質(zhì)作用是抑制而非消除，在出現(xiàn)弧光過電壓時(shí)只能限制過電壓出現(xiàn)的頻率和幅值，無法直接消除弧光放電和接地過電壓，只能熄滅電弧，而不能將其徹底消除。當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，只能補(bǔ)償接地電容電流，對諧波電流毫無辦法。消弧線圈電感電流補(bǔ)償速度較慢，需要一個(gè)啟動(dòng)過程，因此當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，并不能減小瞬時(shí)接地故障電容電流，接地點(diǎn)電容電流可突變，而消弧線圈的電感電流是逐漸變化的，不能突變，在消弧線圈投入瞬間，交流電的特性導(dǎo)致消弧線圈的阻抗很大，接地電容的特性導(dǎo)致接地電容的阻抗很小，兩者不同會(huì)引發(fā)高頻振蕩現(xiàn)象，兩者不會(huì)出現(xiàn)正好相互補(bǔ)償?shù)那闆r，無法消除瞬時(shí)接地電弧。

5) 運(yùn)行中的消弧線圈太少，容量不足，長期在欠補(bǔ)償狀態(tài)下運(yùn)行(欠補(bǔ)償即消弧線圈電感電流小于接地電容電流，缺少補(bǔ)償電流)，造成依然有殘余的電容電流通過故障點(diǎn)。同時(shí)，因?yàn)椴捎玫氖侵行渣c(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，沒有額外選擇使用阻尼電阻，對地電容與消弧線圈易形成諧振，且是對電網(wǎng)的破壞力最大的串聯(lián)諧振，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)單相接地故障，使船舶中壓電力系統(tǒng)長期工作在欠補(bǔ)償狀態(tài)下，遇到電網(wǎng)故障時(shí)又變成全補(bǔ)償狀態(tài)，這時(shí)的中性點(diǎn)會(huì)有一個(gè)較大的位移，串聯(lián)諧振產(chǎn)生的過電壓遠(yuǎn)高于中性點(diǎn)不接地非故障相電壓升高的幅值，對船舶絕緣系統(tǒng)的危害更大。

6) 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的主要原理是根據(jù)線圈的特性，通直流、阻交流，產(chǎn)生一個(gè)與接地電容電流方向相反的電感電流補(bǔ)償電容電流，由此抑制過電壓的出現(xiàn)，抑制弧光放電現(xiàn)象。由于沒有弧光放電，不會(huì)出現(xiàn)相間短路等易造成巨大危害的情況。同時(shí)，可通過改變線圈的匝數(shù)補(bǔ)償相應(yīng)的電容電流，這種方式比較靈活，也不會(huì)像直接接地那樣出現(xiàn)巨大的接地電流，造成全船停電。但是，該方式因無法完全消除電弧，一旦電網(wǎng)負(fù)荷增加，會(huì)造成電容電流增大，過補(bǔ)償就會(huì)變?yōu)橥耆a(bǔ)償，存在風(fēng)險(xiǎn)。此外，該方式還存在經(jīng)濟(jì)問題，對整個(gè)船舶絕緣系統(tǒng)有較高的要求，會(huì)在一定程度上增加航行成本，不適用于所有船舶。

圖4 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)示意圖

1.2.4 中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地

隨著船舶中壓電力系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，中性點(diǎn)如何接地問題出現(xiàn)了較大的爭議，因?yàn)楫?dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，不是全船失電就是弧光放電引發(fā)相間故障，這2種故障對船舶的危害都很大，且在單相接地故障出現(xiàn)瞬間，接地電容電流很大，大到消弧線圈難以補(bǔ)償，因此采用中壓電力系統(tǒng)的船舶很多都采用大電阻接地方式，采用這種方式泄放線路上的過剩電荷，進(jìn)而限制過電壓。這種方式在國外已應(yīng)用很多年，國內(nèi)部分配電網(wǎng)也曾應(yīng)用，取得了很好的效果。這種接地方式主要有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

1) 系統(tǒng)單相接地時(shí)，非故障相電壓不升高或升高的幅度較小，對設(shè)備絕緣等級(jí)的要求較低，其耐壓水平可根據(jù)相電壓選擇;

2) 接地時(shí)，由于流過故障線路的電流較大，零序過流保護(hù)有較高的靈敏度，比較容易檢查接地線路;

3) 由于接地點(diǎn)的電流較大，當(dāng)零序保護(hù)動(dòng)作不及時(shí)或拒動(dòng)時(shí)，會(huì)使接地點(diǎn)及其附近的絕緣受到更大危害，導(dǎo)致相間故障發(fā)生;

4) 當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，無論是永久性的還是非永久性的，均會(huì)使線路的跳閘次數(shù)大大增加，嚴(yán)重影響用戶的正常用電，使供電的可靠性下降。

在選擇電阻器時(shí)，對其功率有一定的要求，功率過大易導(dǎo)致電阻器受損，且電阻器的損耗需滿足單相對地電容中零序無功損耗的原則，因此在確定大電阻的電阻值時(shí)也要滿足以上原則。在實(shí)際應(yīng)用電阻器過程中有2種方式：一種是直接采用電阻值確定的大電阻器接地，在大電阻器接地的同時(shí)，為其配備接地保護(hù)裝置，并為其串聯(lián)互感器；另一種是采用配電變壓器，在變壓器的二次線圈側(cè)接電阻器，實(shí)際二次側(cè)選用的電阻值可以很小，當(dāng)經(jīng)過變壓器傳到一次側(cè)之后，即相當(dāng)于采用大阻值的電阻器。

若接地電阻很大，則接地電阻的電流會(huì)被限制在一個(gè)很低的水平，通常來說，接地電阻的電流會(huì)被限制在10～25 A，歐美國家認(rèn)為故障電流最大為15 A，若定子繞組在該電流下持續(xù)工作，則其必定受損。相較于陸地電網(wǎng)，船舶中壓電力系統(tǒng)規(guī)模有限，整體的抗損傷能力較弱，對于發(fā)電機(jī)而言，船舶絕緣的可靠性要求會(huì)更高，因此要采取措施降低故障出現(xiàn)的概率。相比之下，中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地為船舶中壓電力系統(tǒng)更合理的選擇。船舶電站在采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式時(shí)，接地故障電流非常大，即使是在故障發(fā)生瞬間發(fā)電機(jī)斷開全船失電，依然會(huì)給定子鐵心帶來損害。大電阻接地方式雖然也會(huì)增加故障電流，但相較于小電阻接地方式，增加的故障電流較少，在發(fā)電機(jī)跳閘之后全船失電，大阻值也會(huì)將故障電流限制在一個(gè)比較小的水平，直到發(fā)電機(jī)停機(jī)，避免發(fā)電機(jī)滅磁。若采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，接地電容電流過大，會(huì)對船上的無線電、雷達(dá)等通信設(shè)備產(chǎn)生干擾。

2 中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地實(shí)例分析

以某海上鉆井駁船為例進(jìn)行分析，該船的發(fā)電機(jī)組由4臺(tái)單機(jī)發(fā)電機(jī)并聯(lián)構(gòu)成，并入電網(wǎng)，產(chǎn)生的是功率為6.6 kV的三相交流電，頻率為60 Hz。電網(wǎng)的另一端是船舶用電設(shè)備，其中變壓器接地側(cè)采用的是星形接法，即三相四線制，中性點(diǎn)再引出一條線接地。由于發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓幅值已達(dá)到6.6 kV，因此該船的電力系統(tǒng)屬于中壓電力系統(tǒng)。由于該船為海工船，船上的重要機(jī)器比較多，當(dāng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，要盡可能快地將接地故障回路從系統(tǒng)中斷開，并保證健全回路的供電。因此，該船的中性點(diǎn)采用接大電阻的方式接地，將一個(gè)電阻值為1 320 Ω的電阻器接入回路，而這樣會(huì)增加船舶的運(yùn)行成本，因?yàn)榇箅娮桦m然能在出現(xiàn)單相故障時(shí)對船舶中性點(diǎn)接地起到很好的保護(hù)效果，但電阻器屬于消耗品，會(huì)隨著電阻器運(yùn)行時(shí)間的增長而逐漸受損，需經(jīng)常更換新的電阻器。因此，為降低成本，減輕電阻器的損壞程度，同時(shí)保證電阻器能穩(wěn)定運(yùn)行，采用通過接地變壓器將電阻接入中性點(diǎn)的方式增加電阻的阻值，即上文提到的采用配電變壓器的方式，以這種方式接入中性點(diǎn)的電阻的阻值能增加倍(為電阻器接地電壓器兩端的匝數(shù)比)。由此，真正接入中性點(diǎn)的阻值可相對小一些，額定電壓會(huì)下降，從而有效控制成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

該工程船的中壓電力系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地的方式，電力系統(tǒng)單線圖見圖5。

圖5 中壓電力系統(tǒng)單線圖

2.1 中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地方式分析

中壓電力系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地方式時(shí)，發(fā)生單相接地故障時(shí)電壓、電流相量圖見圖6。

圖6 發(fā)生單相接地故障時(shí)電壓、電流相量圖

根據(jù)基爾霍夫定律，可將單相故障點(diǎn)接地點(diǎn)視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)電流方向，發(fā)生單相接地故障時(shí)的電阻電流從左向右流入節(jié)點(diǎn)，電容電流從右向左流入節(jié)點(diǎn)，而接地故障電流從下往上流出節(jié)點(diǎn)，電流的矢量圖如圖6所示，故障電流、電阻電流和電容電流之間的相值應(yīng)滿足

(5)

當(dāng)沒有出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，由于接地變壓器中性點(diǎn)是沒有電壓的，因此沒有電流流過接地變壓器。當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，由于故障相電壓是接地的，因此相電壓為零；中性點(diǎn)因有電壓而不再是中性點(diǎn)，導(dǎo)致中性點(diǎn)偏移產(chǎn)生電壓，非故障相電壓的相位差發(fā)生變化，不再是120°，而是60°。雖然相位差發(fā)生了變化，但依然對稱，供電依舊穩(wěn)定。

此外，該工程船中壓電網(wǎng)電壓=6.6 kV，電網(wǎng)頻率=60 Hz?？蓳?jù)此計(jì)算出電容電流的值，當(dāng)需要計(jì)算配電板上各電容的電流值時(shí)，由于變壓器屬于感性負(fù)載，可忽略其電容電流，只需計(jì)算發(fā)電機(jī)組的電容電流值。最后經(jīng)計(jì)算，配電板上的電容電流為1.6 A。根據(jù)IEEE 142—2007的要求，船舶中壓電力系統(tǒng)的接地故障電流需限制在10 A或10 A以下，本文在計(jì)算時(shí)直接取總接地故障電流為10 A，則計(jì)算得到接地故障電流為

(6)

式(6)中：， tot為總的電容電流。

接地變壓器的接地故障容量=37.6 kVA。該船實(shí)際選用的接地變壓器規(guī)格為三相 63 kVA、 AC 6 600 V/110 V，滿足要求。

2.2 接地電阻、電壓計(jì)算

當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，有:

1) 接地變壓器副邊相電壓為

(7)

2) 故障相電阻兩端電壓為

(8)

3) 故障相電阻電流為

(9)

4) 故障相電阻為

(10)

由于船舶故障電流要限制在10 A以下，因此選擇的電阻的阻值應(yīng)大于2.9 Ω。同時(shí)，為防止諧振導(dǎo)致出現(xiàn)過電壓，故障電阻電流要能與電容電流相抵消，即

≥, tot=16 A

(11)

將換算成變壓器次級(jí)側(cè)，可得出:

1)≥18.5 A；

2)≤17.86 Ω。

綜上，選取的電阻應(yīng)滿足2.9 Ω≤≤17.86 Ω。該工程船選用的是規(guī)格為110 V、10 Ω的接地電阻，滿足要求。

3 結(jié) 語

通過對實(shí)例計(jì)算所得參數(shù)進(jìn)行分析可知，接地故障電流約為2.3 A，能保證限制接地故障電流小于等于10 A。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，不必第一時(shí)間將其清除，發(fā)電機(jī)可在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行，供電可靠性能得到保障。對于用電負(fù)載較多的中壓電力系統(tǒng)而言，采用中性點(diǎn)經(jīng)大阻接地方式能起到很好的保護(hù)作用。因此，船舶中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地對于船舶中壓電力系統(tǒng)而言是比較好的接地方式，雖然在應(yīng)用過程中存在大電阻器的損耗成本較高的問題，但這能通過配置變壓器的方式解決。當(dāng)前國內(nèi)對中壓電力系統(tǒng)采用大電阻接地方式的研究還比較少，就本文的分析而言，選擇接地的位置、電阻器阻值的大小和電阻器的數(shù)量等工作都有待完善。