基于船舶高压电力系统中性点接地运行方式的研究

何首贤，张 晶

（大连海洋大学应用技术学院，辽宁大连 116300）

0 引言

随着船舶电气设备自动化程度的提高，特别是船舶电气负荷急速增加，船舶发电机的功率也随之大幅度增加。目前就大型船舶电力系统容量设计值已高达15 MVA～20 MVA，大型豪华油轮更高达70 MVA[1]。船舶低压电力系统已无法满足现代化大型船舶电力系统容量的要求，采用高压电力系统已成为大型船舶电力系统的必须选择。就目前我国船舶高压电力系统中性点究竟采用何种接地方式，也是我们需要解决的关键技术问题。采用船舶高压电力系统后，船舶电力系统的保护装置、接地、高压变压器、变配电方式、主开关形式、电缆端头的构造及处理方法，都与船舶低压电力系统有很大差别。从目前国内外应用来看，船舶高压电力系统普遍采用高电阻接地运行方式。

1 船舶高压电力系统中性点接地运行方式

电力系统的中性点是指发动机和变压器星接的中性点[2]。电力系统中性点接地运行方式是一项综合性技术问题，是电力系统运行的可靠、安全、经济及人身安全等因素的保证。目前船舶高压电力系统中性点运行方式通常采用不接地，即中性点不与大地连接；经消弧线圈接地；直接接地；经电阻接地。中性点经电阻与接地装置连接，通常采用高电阻接地运行方式。电力系统中性点的运行方式是直接影响系统供电的可靠性和连续性，也影响电网的绝缘水平和电网的造价等，同时还与故障分析、继电保护配置、绝缘配合等密切相关。

1.1 中性点不接地运行方式

图1-1(a)所示为中性点不接地的电力系统。电力系统中的三相导线之间和各相导线对地之间都存在着分布电容，因此在导线中就有附加电流，即容性电流的存在。图中CU、CV、CW分别表示各相导线的对地电容。由于三个相电压 、是对称的，所以三相导线对地之间的电容相等，其矢量和为零，中性点没有容性电流流过，如图1-1(b)所示。

当中性点不接地运行方式出现任何一相绝缘受到破坏发生单相接地故障时，从图1-2(b)可以看出，各相对地电压、对地电容电流都要发生改变。但系统的线电压仍保持对称，用电设备的运行不受影响，可继续供电，这就提高了供电的可靠性[3]。

值得指出的是：这种单相接地运行状态不允许带故障长期运行。一旦另一相发生接地故障时，将会形成两相接地短路故障，在线路中产生很大的短路电流，使线路及其设备受到损坏，另外无故障两相对地电压由相电压升高到线电压，很容易造成绝缘薄弱处击穿，也将形成两相接地短路；此外，较大的接地短路电流会在故障接地点引起电弧，形成过电压，严重威胁电力系统的安全运行。我国电力规程规定，中性点不接地的电力系统发生单相接地故障时可以带故障继续运行2小时[4]。船舶低压电力系统中性点一般采用不接地运行方式。

1.2 中性点经消弧线圈接地运行方式

对于配电线路距离较长、高电压输送，发生单相接地故障时，接地电容电流很大，将在接地点产生断续电弧，将使线路发生谐振过电压现象。过电压值可达相电压3～4倍。此外，当接地电容电流超过一定限度（3 kV～10 kV电网约为30 A，35 kV电网约为10 A）时，电力中性点宜改为经消弧线圈接地的运行方式。如图1-3所示。

消弧线圈是一个具有铁心的电感线圈，线圈本身电阻很小，感抗很大。利用电感线圈产生感性电流去补偿电网的容性电流，可使接地电流大为减小。当系统正常运行时，三相系统是对称的，中性点电流为零，消弧线圈中没有电流。

当系统发生单相接地时，就把相电压加到了消弧线圈上，消弧线圈就有电感电流。流过接地点的电流是接地电容电流IE和流过消弧线圈电感电流IO之相量和。由于IE超前90°，而IO滞后90°，因此IE和IO在接地点互相补偿，补偿的方式有三种：1）全补偿；2）欠补偿；3）过补偿。在实际工作中都采用过补偿，其目的是防止由全补偿引起的谐振过电压，损坏设备绝缘，欠补偿由于部分线路如果断开将造成全补偿所带来的后果。

中性点经消弧线圈接地的系统，与中性点不接地的系统一样，当发生单相接地故障时，相间电压的相位和量值关系均末改变，接地相对地电压为零，其他两相对地电压将升高至倍（线电压），因此三相设备仍可照常运行。但设备也不能长期的带故障运行，必须在线路上装设单相接地保护或绝缘监视装置，在发生单相接地故障时保护设备发出报警信号或指示，以便工作人员及时处理。

1.3 中性点直接接地运行方式

中性点直接地发方式，即把中性点直接和大地相接，如图1-4所示。在这种系统中发生单相接地故障时，接地点和中性点通过大地形成回路，产生很大的短路电流，使继电保护装置动作或者使熔断器熔断，切除故障，无故障部分系统继续正常运行。这种直接接地方式发生单相接地时不会产生间歇电弧过电压，非故障相电压也不能升高。所以供用电设备相绝缘只按相电压设计。这样对超高压系统，可以降低电网造价，具有经济技术价值。目前110 kV及以上电压等级的电网中均采用中性点直接接地的运行方式。

1.4 中性点经高电阻接地运行方式

中性点采用电阻接地方式，就是通过接地点与电阻形成回路，通过接地点的流有两部分，电阻电流和容性电流。使接地电流呈阻容性，从而使接地点的故障电流与电压的相位角差值减小，当故障点的电流正半周过零电弧熄灭，电弧熄灭后不再重燃。当通过电阻电流足够大时，电弧将不再发生，因此中性点采用电阻接地可以防止间歇性弧光接地过电压和谐振过电压；可以限制单相接地故障电流。如果阻容性电流大于容性电流，零序保护装置使断路器跳闸，使零序保护灵敏大大提高。

中性点经高电阻接地，一般阻值500 Ω，当电力系统发生单相接地故障时，同不接地一样，接地相电压为零，其他两相电压将升高为线电压，可以继续带接地故障运行2小时，但也可以选择定时或快速跳闸[1]。

2 四种中性点接地方式的性能比较

表1四种接地方式性能比较[5]。

3 船舶高压电力系统中性点经高电阻接地运行状况分析

3.1 船舶高压电力系统接地电流的计算

阻性电流IR的选择接地的阻性电流：

系统总的电容电流：

式中：UN中性点对地电压；Ue额定线电压。接地点阻性电流一般要求大于或等于（1～1.5）倍容性电流，即IR≥（1～1.5）IC，以保证不发生间歇性弧光接地过电压。系统总的电容电流是每相电缆对地形成的分布电容产生的泄漏电流之和，泄漏电流与电缆的长度及规格有关。

3.2 船舶高压电力系统接地电阻器阻值的选择及计算

电阻器的选择应按系统标称电压、最高运行电压、频率、电流、阻值、防护等级、冷却方式、通流时间、绝缘水平等技术条件进行选择，并按环境条件如环境温度、相对湿度等校验[1]。

?

电阻器阻值RN的选择取决于系统电容电流IC的大小和阻性电流IR的大小，按IR≥IC的原则计算。

考虑安全余量，一般取IR＝1.5IC。则：

4 结语

船舶高压电力系统中性点接地方式是一个新的技术问题，目前我国还是处于起步阶段，将逐渐引起使用者重视。本文就目前船舶高压电力系统中性点接地问题进行了探讨。并对各种中性点接地方式进行比较，并结合目前采用经高电阻接地的运行方式接地电流的计算，接地阻值的选取，并得到了一种计算阻值的比较可靠方法。

[1]吴志良.船舶电站[M].大连：大连海事大学出版社，2012.

[2]杨洋.供配电技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[3]庄福余.船舶供配电技术[M].哈尔滨工程大学出版社，2008.

[4]郭国杰.船舶高压电力系统接地技术研究[J].电源技术应用,2013,(06):144-147.

[5]仇挺，熊文.基于船舶高压电力传统接地方式的研究与分析[J].南通航运职业技术学院学报，2007,6（03）:62-65.