舰船中压电力系统岸电供电系统接地方式研究

袁立军，罗宁昭，刘佳，丁洪兵



舰船中压电力系统岸电供电系统接地方式研究

袁立军1，罗宁昭2，刘佳3，丁洪兵4

（1. 海军驻上海江南造船（集团）公司军代表室，上海 201913；2. 海军工程大学，武汉 430033；3. 海军驻438厂军代表室，武汉 430000； 4. 海军上海地区装备修理监修室，上海 200136）

本文根据国外中压船舶的发展现状，以及军用中压电力系统舰船供电特点，给出了一种岸电供电网络结构及其接地方式。通过仿真验证，该供电网络结构能够有效抑制单相间歇性接地故障对系统产生的危害。

中压 接地 舰船

0 引言

目前，国内外大型民用船舶靠港后，船上强大的柴油发动机必须持续运行，以保持船舶大功率机泵及其他设备和支持系统的正常运作[1]。柴油发电机组供电时，柴油在燃烧过程中产生大量硫化物和氮氧化物，对周边环境造成污染。国际海事组织（IMO）数据表明：NOx和SOx是主要的污染物，全球以柴油为动力的船舶每年向大气排放1000万吨NOx、850万吨SOx；污染物通过气候作用可以传播至1000 km以外的地区［2］。随着民用海运业务迅猛发展，船舶废弃排放也对环境污染的控制造成了巨大压力。港区要求靠港民用船舶关闭辅机而使用岸电的呼声日益强。与此同时，海军舰艇长期停靠基地时, 从经济性和设备维护的角度出发，舰上的用电也需要依靠基地陆地电网提供[3]。带有中压电力系统舰船的服役给港口岸电供电系统带来了全新的挑战。无论是在民用还是在军用领域，中压岸电系统接地方式研究都刚刚起步，没有相关标准作为参考。岸电供电网络架构、电网接地方式及相关标准的研究已经成为世界船电界的研究热点[4-9]。

本文将针对舰船中压电力系统岸电供电网络结构，电网接地方式进行深入的探讨，为舰船岸电供电标准制订提供理论依据。

1 民用中压船舶岸电接地方式

民用港口供电系统接地保护专家Dev Paul P.E经过多年研究得到如下结论[9]：

岸电供电系统分布电容较大，系统不应采用浮地方式运行。如果系统对地电容电流大于10 A，根据工业标准，接地系统将采用低电阻接地。由于船只频繁进出港口，分布电容会随着船只进出港而发生改变，因此，为防止高电阻接地方式中电阻值频繁发生变化，即使对地电容电流小于10 A，也应采用低电阻接地方式。

为了减小杂散电流，需要测量接地装置与船壳之间的电阻，如果电阻过大时应当在船壳与大地之间设置独立的连接线以降低杂散电流。

接地装置需要被连续监测，以防止接地装置发生断线或短路，给系统带来灾难性后果。

2 军用舰船岸电接地方式

军用舰船靠港时依靠岸电工作，是目前低压舰船普遍采用的方式。而岸电一般采用中性点直接接地方式，岸电保障舰船供电时，岸电变压器中性点直接接地，舰船上的用电设备通过船体，海水又与大地连接做保护接地。多舰同时停靠时，各舰岸电电缆并联连接在同一变压器引出的不同接线桩头上面。图1为现阶段低压舰船典型的岸电供电系统图[5]。

当系统电压等级升高到6 kV时，原有的岸电电力系统结构不再适用。码头上变电站变压器中性点采用直接接地方式。接地故障电流大，容易产生跨步电压，严重危害岸上工作人员安全。

3 军港岸电供电网络结构与接地方式设计

根据Dev Paul的研究结论，虽然高电阻接地方式优势较大，但岸电变压器不适合与舰上采用相同的高电阻接地方式。主要原因是多舰同时停靠并联供电时，各舰船对地电容叠加导致总对地电容过大，而且舰船在靠港和离港时对地电容发生变化，高电阻接地方式需要频繁整定[10]。

舰船靠港后，舰员依旧长期工作和生活在舰船上，岸电电缆很容易在拖拽过程中破损，同时舰上进行设备例行维修也存在着电缆单相接地的风险，岸电变压器采用低电阻接地方式在发生接地故障时会导致舰船失电，影响舰员正常工作。另外，低电阻接地方式接地故障发点电流过大，不但破坏设备，巨大能量的电弧会对故障点附近的工作人员造成危害。因此必须设计岸电供电网络结构以及接地方式，以满足中压电力系统舰船靠港需求。

在军船有关规范中有下述规定：“电力系统的设计应保证舰船在各种工况下供电的连续性”[5],能够保证舰船在各种工况下的供电连续性的接地方式只有高电阻接地和谐振接地。

岸电电缆长度较短，电缆部分还可认为是架空线，对地电容一般不大。架空线对地电容一般在0.0055 μF/km~0.003 μF/km之间。因此具备采用较为经济、整定简单的高电阻接地方式的条件。本文针对大型舰船特点，设计出一种灵活的岸电共电网络结构。图3为系统电气图，该系统结构具有以下特点：

1）由于大型舰船电力系统容量较大，靠港时通常分段提供岸电，因此码头变电箱设置为2~4个以上，可以满足不同型号的舰船同时停靠，变电箱输出应尽量避免并联，防止环流。

2）岸上变电箱内的变压器为△/Y连接，变压器副边采用中性点高电阻接地方式，变压器原副边隔离,这样配置有利于多舰同时停靠的情况。舰船同时靠港时并联供电，如果配电箱内部未配置独立的隔离变压器而通过同一个变压器输出，将会把各舰船对地电容并联，会超过高电阻接地允许的最大故障电流值。

3）对于对地电容过大的中压舰船，舰上的谐振接地装置应当在岸电工作时投入运行，补偿过大的电容电流，对舰船电力系统提供有效接地保护。

4）隔离变压器副边电阻取值为400 Ω-500 Ω，使得系统接地参数与使用舰电的情况保持一致。

5）岸电供电时发电机出口开关断开，发电机中性点接地装置与电网隔离。

4 岸电系统接地故障仿真及结果分析

由于采用隔离变压器，舰船电力系统使用岸电时发生接地故障情况与使用舰电基本相同。现对岸电电缆发生破损后，产生接地故障进行仿真。故障电弧在A相与地之间连续重燃，重燃时刻为A相电压波形负半周最低点，0.5周期后电弧熄灭。系统额定电压为6.3 kV，电弧电阻为0.1欧姆。图2为变压器副边相对地电压和相间电压的线电压仿真波形。从图中可以看出由于接地装置设置得当，使得岸电电缆的接地故障对舰上电源品质影响极少。

5 结论

为保障军用港口岸电电力系统工作安全稳定，应在码头设置多个隔离变压器，并在隔离变压器副边中性点连接高电阻接地装置，以抑制岸电电缆发生对地电弧重燃故障时产生的过电压。该种岸电供电网接地方式可使保护装置在岸电和舰电供电时保护整定具有一致性，且该接地方式有良好的供电连续性，同时受舰船分布电容变化影响小，适合在军港使用。

[1] 李恒焕．大型船舶靠港使用岸电的研究[J]．上海造船，2011, 2:53-54．

[2] 崔亚欣，孙永涛．高压岸电上船及其关键技术研究[J]．港口装卸,2012,1:28-31.

[3] 周振南．舰船连接岸电系统简介[J]．舰船设计通讯，2007，2：64-66．

[4] 郑永高．港口码头岸电系统设计探讨[J]．建筑电气，2010，1：15-20．

[5] 孙厚樨．军船岸电连接电路的合理设计[J]．船电技术，2000，3：1-3．

[6] 贾石岩．舰船使用岸电对温室气体排放的控制研究[D]. 大连：大连海事大学，2009年．

[7] 谭韵璇。岸电在中国的实现[J]. 世界海运，2010，9：56-59．

[8] 张一禾．我国现阶段舰船利用岸电问题探讨[J]．中国水运，2010，9：22-23．

[9] 苗凤娟. 防治到港舰船污染的岸电技术研究[D]．上海：上海海事大学，2007．

[10] Dev Paul P.E. A closer look at the grounding of shore-to-ship power supply system. industrial & commercial power systems technical conference，2009: 1-7 ．

Research on Grounding of Shore-to-ship Power Supply System

Yuan Lijun1, Luo Ningzhao2, Liu Jia3, Ding Hongbing4

（1. Naval Representatives Office in Jiangnan Shipyard CO., LTD, Shanghai 201913, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. Naval Representatives Office in 438 Factory, Wuhan 430000, China; 4. Navy Equipment Repair room, Shanghai 200136,China）

TM645

A

1003-4862（2013）01-0058-03

2012-05-07

袁立军(1972-)，男,工程师。研究方向：舰船电气研究。