弧光接地故障下船舶中压电力系统中性点接地电阻仿真与计算

高 强，李 晨

（1. 海军驻武汉第712研究所军事代表室，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

弧光接地故障下船舶中压电力系统中性点接地电阻仿真与计算

高 强1，李 晨2

（1. 海军驻武汉第712研究所军事代表室，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

船舶中压电力系统中性点接地方式对系统运行安全至关重要。本文首先分析了船舶中压电力系统弧光接地过电压的产生过程，然后针对高阻接地方式对弧光接地过电压的抑制效果进行了仿真分析，最后对某船发电机中性点接地电阻进行了整定计算。

船舶中压电力系统 弧光接地 中性点接地电阻

0 引言

在过去很长一段时间内，我国舰船较多采用的是低压电力系统，电制为3 AC 380 V或3 AC 690 V，电力系统中性点不接地，在系统发生单相接地时，允许继续运行一段时间，因而具有较高的供电可靠性。

目前，中压电力系统在船舶领域应用日益广泛，相比于低压电力系统，在电压等级提升带来较强经济效益的同时，其对于发电机组、电网保护等方面也提出新的要求，考虑到中压电力系统中性点接地方式涉及到系统运行方式和运行安全[1]，中性点接地技术必须进行研究。目前，应用较广泛的是发电机中性点高阻接地方式[2]。中性点接地方式对系统的影响主要表现于单相接地短路电流的大小以及电气设备绝缘水平的高低，解决单相接地短路电流大小也涉及到电气设备绝缘水平[3]，这些问题都反映为过电压问题[4]。

本文分析了船舶中压电力系统弧光接地过电压产生过程，针对高阻接地方式对弧光接地过电压抑制效果进行了仿真研究，在此基础上解决了某船接地电阻阻值整定计算问题。

1 船舶中压电力系统弧光接地过电压

1.1 弧光接地过电压基本原理

在中性点不接地的船舶低压电力系统发生单相接地短路时，非故障相对地电压将升高倍，但线电压保持不变，因此对负载影响不大，此时流过故障点的电流为对地电容电流。由于低压系统对地电容一般较小，许多临时性的单相电弧接地故障在电流过零时将自动熄灭。

在船舶中压电力系统中，系统规模大大增加，中高压发电机组得到广泛应用，电网全部采用电力电缆，这些都大大增加了系统对地电容，使得电容电流随之增加，当电容电流超过10 A时，电弧将难以自动熄灭，产生不稳定的间歇电弧，引起弧光接地过电压。对电弧过程的分析一般采用工频熄弧理论或高频熄弧理论，工频熄弧理论分析所得的过电压值较接近实际情况[5]。

1.2 工频熄弧理论

采用工频熄弧理论解释弧光接地过电压的产生过程。在如图1等值电路所示的中性点不接地系统中，各相电源电压为uA、uB、uC，各相对地电压为u1、u2、u3。

图1 不接地系统单相接地等值电路图及向量图

假设t=t1时，A相电压在幅值Uxg时对地闪络，u1由Uxg突降为0，B、C相对地电容上的电压要从-0.5Uxg过渡到线电压瞬时值-1.5Uxg，过渡过程通过电源经电源漏抗向C2、C3充电完成，其间产生的过电压最大幅值为：

过渡完成后，B、C相对地电压分别按各自线电压规律变化，A相对地电压保持为0。

经过半个工频周期后，t=t2，A相电源电压达到负最大值，电弧电流自然过零，电弧熄灭，此时系统对地电容电荷量为3UxgC0，这些电荷将经过电源平均分配到三相对地电容上，在系统中形成直流电压分量：

故熄弧后，各相导线对地电压按各相电源电压叠加直流分量的规律变化。由于熄弧前后电压没有突变，因此不会引起过渡过程。

熄弧后，A相对地电压逐渐恢复，在经过半个工频周期，t=t3时，B、C相电压变为0.5Uxg，A相恢复电压高达 2Uxg，可能引起电弧重燃，A相对地电压再次变为0，B、C相对地电容上的电压要从0.5Uxg过渡到线电压瞬时值-1.5Uxg，再次形成高频振荡，过电压最大幅值为：

过渡完成后，B、C相对地电压分别按各自线电压规律变化，A相对地电压保持为0。

以后每隔半个工频周期依次发生熄弧和燃弧。可见，根据工频熄弧理论，发生弧光接地时，故障相上最大过电压为 2.0倍，而非故障相上最大过电压可达3.5倍。

2 船舶中压电力系统弧光接地故障仿真分析

2.1 仿真模型建立

以某船中压电力系统为例，通过 MATLAB建立仿真模型，分析中性点高阻接地方式及不同阻值对弧光接地过电压的抑制效果，从而为发电机中性点接地电阻阻值整定计算提供参考依据。

在Simulink中搭建如图2所示的仿真模型。根据工频熄弧理论，仿真模型中弧光接地过电压全过程为：系统从0s起正常稳态运行，在0.105s时A相电缆发生弧光接地，经半个工频周期后熄弧，以后每隔半个工频周期依次发生燃弧、熄弧，共循环4个周期，最后转变为金属性接地故障。

图2 仿真模型

采用理想开关的开合来表征熄弧和燃弧状态[6]，开关的触发信号如图3所示，0表示开断，1表示闭合。

由于电力电缆长度不长，可不考虑分布参数特性，采用π型集中参数模拟中压系统电缆。系统额定电压为6.3 kV，总对地电容为9.48 μF，系统对地容抗约为335.94 Ω。

图3 开关触发信号

2.2 中性点不接地仿真结果

当中压电力系统中性点不接地时，各相对地电压波形如图4所示。

图4 中性点不接地时各相对地电压

仿真结果标明，A相发生弧光接地故障后，故障相对地电压幅值约为10210 V，约为非故障状态下的1.99倍；非障相对地电压幅值最大值出现在第二次燃弧时刻，约为17380 V，约为非故障状态下的3.3倍。

2.3 中性点直接接地仿真结果

当中压电力系统中性点直接接地时，各相对地电压波形如图5所示。

图5 中性点直接接地时各相对地电压

仿真结果标明，A相发生弧光接地故障后，由于中性点直接接地，非故障相不会产生弧光接地过电压。事实上，中性点直接接地系统发生单相接地故障后，将产生极大的接地电流，使得继电保护装置迅速动作，切断故障。但这种方式对于船舶设备及人身安全是极为不利的，因此这种接地方式在船舶电力系统中基本不予考虑。

2.4 中性点高阻接地仿真结果

当中压电力系统高阻接地时，分别取系统中性点接地电阻Rn为2倍系统对地容抗和1倍系统对地容抗，即672 Ω和336 Ω。各相对地电压波形分别如图6、图7所示。

图6 Rn=672Ω时各相对地电压

图7 Rn=336Ω时各相对地电压

仿真结果标明，Rn=672 Ω时，A相发生弧光接地故障后，非障相对地电压幅值最大值约为13840 V，约为非故障状态下的2.7倍；Rn=336 Ω时，A相发生弧光接地故障后，非障相对地电压幅值最大值约为12380 V，约为非故障状态下的2.4倍。

3 中压发电机组中性点接地电阻计算

根据以上仿真结果，可以推断中性点接地电阻与系统容抗的比值会影响弧光接地过电压的抑制效果。事实上，这二者比值与弧光接地过电压倍数关系在规范 IEEE C62.92.2-1989（R2005）IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility System PartⅡ-Grounding of Synchronous Generator Systems中具有相关描述，如图8所示。

图8 电阻取值与弧光接地过电压百分数关系

由图8可见，相关规范描述与本文仿真结果一致。当发电机中性点接地电阻过大时，弧光接地过电压倍数较高，必将对系统绝缘造成影响。随着阻值减小，弧光接地过电压倍数下降，但当Rn减小至低于Xcg后，弧光接地过电压倍数下降变得缓慢，因此规范IEEE C62.92.2-1989（R2005）推荐Rn取值等于Xcg。

同时，若Rn取值过小，接地电流会很大，有可能损坏发电机定子铁芯。根据规范ANSI/IEEE C 37.101-1985 IEEE Guide fo Generator Ground Protection，发电机单相接地故障电流应限制在3～25 A。

根据以上原则，以第2节中某船为例，该船统额定电压为6.3 kV，总对地电容Cg为9.48 μF，系统机组数量为9，最多6台并联运行。按下述步骤进行发电机中性点接地电阻计算选择。

1）从发电机中性点看入，系统总对地容抗：

2）发生单相接地故障时，容性电流：

3）根据上述原则，允许最大阻性电流：

4）系统总对地电阻：

单台中性点接地电阻阻值：

5）单相接地时，电阻热电流：

根据DL/T 780配电系统中性点接地电阻器故障电流推荐值，选择IF=3A。故最终中性点电阻取值为1212Ω。

当6台机组并联运行时，系统中性点接地电阻Rn=1212Ω/6=202Ω。根据弧光接地过电压倍数与接地电阻取值关系，此时弧光接地过电压倍数小于2.5。

4 总结

本文在阐述船舶中压电力系统弧光接地过电压产生过程的基础上，建立了中性点不接地系统、直接接地系统及高阻接地系统弧光接地过电压仿真模型，通过仿真分析，探讨了高阻接地系统对弧光接地过电压的抑制效果，以及弧光接地过电压倍数与接地电阻取值的关系，在此基础上，对某船发电机组中性点接地电阻进行了整定计算，为船舶中压电力系统中性点接地电阻整定计算提供了参考范本。

[1]平绍勋. 电力系统内部过电压保护. 北京: 中国电力出版社, 2006.

[2]陈亮, 李耕, 张晓锋. 船用中压发电机中性点接地电阻的整定计算[J]. 船电技术, 2015, 35(4): 9-12.

[3]李润先等. 中压电网系统接地实用技术. 北京: 中国电力出版社, 2002.

[4]王燕. 船舶中压电力系统中性点接地与过电压研究[D]. 武汉: 武汉理工大学硕士学位论文, 2011.

[5]关根志. 高电压工程基础[M]. 北京: 中国电力出版社, 2003.

[6]靳晓东, 李谦, 王晓瑜. 配电网弧光接地过电压的仿真及分析[J]. 高电压技术, 1994, 20(3): 71-75.

Simulation and Calculation of Neutral Grounding Resistance in Marine Medium Voltage Power System Under Arc Grounding Fault

Gao Qiang1, Li Chen2
(1. Naval Representatives Office in 712 Institute, Wuhan 430064, China；2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Neutral grounding of marine medium voltage power system is very important to the system safety.First, the generation process of arc grounding overvoltage in marine medium voltage power system is analyzed. Then,suppressing effect of high resistance grounding on arc grounding overvoltage is simulated and analyzed.Finally, the neutral grounding resistance of a ship generator is calculated.

marine medium voltage power system;arc grounding;neutral grounding resistance

TM645

A

1003-4862（2017）10-0056-04

2017-8-08

高强（1985-），男，工程师。研究方向：电力电子及电气传动。Email：gq04@163.com