中压舰船电力系统分布电容估计

聂冬，罗宁昭



中压舰船电力系统分布电容估计

聂冬1，罗宁昭2

（1. 海军驻武汉712所军代表室，武汉 430068，2. 海军工程大学，武汉 430033）

系统分布电容大小是决定接地方式及接地装置参数的重要因素，本文通过计算发电机、变压器、母排及电缆的分布电容经验公式，得到了无中压负载舰船的分布电容大小，为接地方式的确定提供技术依据。

中压 舰船 分布电容 电力系统

0 引言

随着舰船电气化程度进一步提高，用电设备日益增多，用电需求不断提高，舰船电力系统的容量也不断增加。目前国际上具有先进水平的援潜救生船均采用电力推进技术，它能有效地保障实施动力定位时舰船动力的快速性和机动性，同时使日用供电和推进供电一体化，实现能源的综合利用和统一管理，这也使得整个电站的功率很大，远远大于采用传统推进方式的舰船。与此同时，大型舰船的出现，高能武器的应用，电磁弹射的兴起，都对舰船电力系统容量提出了非常高的要求。容量的急剧上升给技术上带来如下困难：

1）短路电流过大，使开关电器与保护装置的分断容量不能满足要求；

2）大功率发电机和电动机若额定电压在500 V以下，在技术上将很难实现，并且在经济上也不合理；

3）如果在500 V以下用电缆输送500 kW以上的功率，将使导电芯线很粗，有时需多股电缆并联，造成布线和安装的困难。

为此，提高电力系统的电压等级已经成为大功率电站必须考虑的问题，舰船中压电力系统由此产生[1-4]。

中压电力系统需要应用接地装置抑制单相间歇性接地故障时产生的过电压。接地方式的选择及接地装置的参数设定与中压电力系统的分布电容有密切的关系。船用标准规定高电阻接地要求故障点电流小于10 A，谐振接地要求故障电流小于200 A，发电机安全电流要求故障点电流小于4 A（6 kV发电机）。而在确定电力系统中，故障点电流的大小由系统分布电容决定。因此需要对中压舰船的系统分布电容进行估算，为接地装置的选择及参数设定提供技术依据。

1 分布电容经验公式

在设计舰船接地方式时，舰船电力系统往往还没有制造成型，所有装备都还在图纸上，系统每相对地电容还无法实际测量，因此只能通过经验公式来估计一个系统的电容值。下面将对系统中主要元件逐一给出对地电容值的计算公式[5~6]。

1）发电机接地电容

经验公式一

式中：为校正系数，数值为0.5；为发电机定子槽数；为定子长度，单位米；、Δi是槽内导线铜的周长及槽内绝缘厚度，单位毫米。

经验公式（2）

式中：是发电机定子槽数；ε为槽相对介质常数；、h、b是定子铁芯长度、槽高、槽宽，单位厘米；为电机绝缘厚度，单位厘米。

经验公式（3）（高速汽轮发电机）

式中：S是发电机额定容量，单位千伏安；U­是发电机额定电压，单位千伏；为温度系数，当温度为15~200 ℃时取0.0187。

2）变压器接地电容

与母线相连的降压变压器为Y/△接线，母线侧为Y接线，所以低压侧短路特性电容电流与高压侧是独立的。一般只须计算便延期高压线圈对地电容即可。变压器高压线圈的单向对地电容公式为：

按《电力工程电气设计手册》上所述，变压器每相对地电容13.8 kV为0.004~0.01 μF；35 kV为0.003~0.009 μF。

3）母线接地电容

式中FM是封闭母线每相对地电容，单位微法；为封闭母线长度，单位米；R、R为封闭母线外壳和导体半径，单位米；是空气的介电常数，=8.86×10-12。

4）电力电缆接地电容

式中：C为电缆电容，单位皮法；是电缆长度，单位米；r、r是电缆芯线半径和电缆外皮内半径，单位厘米；ε、是空气的介电常数和电缆绝缘材料相对绝缘介电常数r=8.86×10-12，=30。

2 分布电容估算

假设三相中压电缆总长度5 000 m，发电机1 MW级10台，日用变压器500 kVA级10台，母排等效长度100 m。根据发电机接地电容经验公式（1）、（2）、（3）进行估算，数值为0.9—1.1 μF；根据变压器接地电容经验公式（4）进行估算，数值约为0.04 μF；根据母线接地电容经验公式（5）进行估算，数值约为0.07 μF；根据电力电缆接地电容经验公式（6）进行估算，数值为3.5—4.0 μF。因此大型舰船在没有大型中压负载的情况下系统对地电容在5 μF左右。

3 结论

通过计算发现，变压器及母排并不存在较大的分布电容。发电机的总分布电容约为1 μF。系统占比最大的中分布电容由三相电缆产生。

根据IEEE Std C62.92.1-2000中关于高电阻接地方式对过电压的抑制试验，如果期望过电压水平可以抑制在2.6倍正常值以下，接地电阻的阻值必须小于系统容抗值；同时为符合电力系统安全接地电流标准，故障电流小于10 A[7]。为符合标准高电阻接地方式需应用分布电容电容应小于5.9 μF的中压电力系统中。当分布电容大于该数值时，接地故障电流将大于10 A，故障电弧不容易熄灭，故障将扩大，需要立即切断故障支路。

通过估算结果可以看出，不带中压负载的舰船的分布电容能够满足高电阻接地要求。根据舰用标准要求电力系统设备对地电容应小于0.1 μF，因此配置大量中压负载的大型舰船的分布电容必然超过高电阻接地装置的允许值，需要考虑其他的接地方式。

[1] 回志鹏, 陈新刚, 马守军．舰船中压电力系统接地分析[J]．舰电技术, 2007, 27(6): 339-350．

[2] 王鹏．舰船中压电力系统中性点接地方式研究[J]. 船舶, 2007, 3: 49-54．

[3] 要焕年, 曹月梅．电力系统谐振接地（第二版）[M]．北京: 中国电力出版社, 2009．

[4] Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems[S]．IEEE Std 142-2007 IEEE．2007．

[5] 刘树慰．发电机中性点接地方式研究[D]．天津: 天津大学, 2004．

[6] 曹爽. 供电系统中性点接地技术研究报告[R]．上海：中国舰船重工集团公司七〇四研究所, 2007．

[7] IEEE Std C62．92．1-2000．IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems[S]．USA：IEEE, 2000．

The Estimation on Distributed Capacitance ofMiddle­-voltage Shipboard Power System

Nie Dong1, Luo Ningzhao2

(1. Naval Representatives Office of No. 712 Research Institute, Wuhan 430068, China; 2. Naval University of Engineering,Wuhan 430033, China)

TM74

A

1003-4862（2014）2-0068-03

2013-07-18

聂冬（1983-），男，工程师。主要研究方向：电气工程。