船舶电气保护接地设计

杨 典， 陆春霞

(惠生(南通)重工有限公司， 江苏 南通226009)

0 引 言

一般在钢质船舶或海洋工程平台电气中的接地方式大致分为功能接地、保护接地、电磁兼容性接地。功能接地主要是指根据系统运行需要进行的接地，例如发电机或变压器中性点接地等。在常规情况下，船舶或海洋工程项目高压系统采用发电机中性点经高电阻接地方式，低压系统为发电机或变压器中性点绝缘方式(即IT系统)。保护接地是为防止电气装置的金属外壳、配电装置的构架等带电可能危及人身和设备安全而进行的接地，通常是将系统、设备、电缆的一点或多点接地。将在正常运行情况下不带电，而在绝缘损坏后或其他情况下可能带电的电器金属部分(即与带电部分相绝缘的金属结构部分)用导线与接地体可靠连接起来的保护接地方式主要包括设备外壳接地、防雷接地、防静电接地、电缆金属护套接地等。电磁兼容性接地是为保护系统或设备自身不受电磁环境影响，同时也不会对在该环境中的其他事物造成电磁危害的一种接地方式。

电气保护接地是指在船级社规范中明确要求电气带电部件以外的可接近的金属部分应接地(特殊情况除外)，电缆的金属护套作有效接地，并对接地形式和接地导体截面有具体要求，另外在配电板上也要求配置绝缘监测装置。但是，规范并未详细描述这些要求所对应的故障类型，因此本文对在单相接地故障情况下设备外壳接地和电缆金属护套接地这两方面进行简单分析，并结合规范要求，阐述其适用情况。在系统发生单相接地故障时，中性点经高电阻接地方式较中性点绝缘方式情况要复杂，因此针对中性点经高电阻接地方式论述保护接地电气设计要求，讨论设备外壳接地和电缆金属护套接地的要求。

1 设备外壳接地

IT系统发生电气设备单相绝缘损坏或其他原因导致的第1次单相接地故障时，故障点对地电压接近零，当人体接触带电设备外壳时，有微小的电流流过人体，并不会对人身造成伤害。如果发生第2次接地故障或保护接地电缆断开或接地螺栓生锈等情况，当人体接触带电设备外壳时，人体接触的电压超过人体安全电压，将会对人身造成伤害[1]。下面就船舶电力系统发生第1次单相接地故障、保护接地电缆断开、接地螺栓生锈、第2次单相接地故障等情况分别进行讨论。

1.1 第1次单相接地故障

假定电气系统C相发生单相接地故障(仅考虑C相与设备外壳紧密接触的情况)，其他相均正常，如图1所示。

图1 第1次接地故障示例

发生第1次接地故障的等效电路如图2所示(忽略发电机内阻抗和电容电流)。

图2 第1次接地故障等效电路图

当人体未接触外壳时，故障点(设备外壳)对地电压(预期接触电压)为

(1)

当人体接触外壳时，流过人体的电流约为

(2)

由此可见，当IT系统发生第1次接地故障时，由于保护接地电缆电阻远小于人体电阻，流过人体的电流非常小，设备的保护接地能够保护人员安全。此时电压降几乎全部在发电机中性点接地电阻上，单相接地故障电流被限制在较小的范围内(5A左右)从而避免发生火灾等事故。如果电气系统是中性点绝缘的IT系统，则电流会通过其他相的对地电容流通，此时电流将会更小，故障情况没有中性点经电阻接地的方式严重。

由式(1)可以看出，预期接触电压与保护接地电缆电阻成正比，因此保护接地导体应采用铜或导电良好的耐蚀材料制成，必要时应有防止机械损伤及防蚀措施，接地导体的截面积应尽可能大(规则规范有最小截面要求)从而减少保护接地电缆电阻。便携式电气设备的裸露金属部分使用软电缆或软电线中的连续接地导体进行保护接地，由于其保护接地电缆较长，故其截面较固定电气设备的保护接地电缆要求更大。相比陆地项目的保护接地而言，由于船体为钢结构，电气设备的外壳可以很方便地就地接地，大幅缩短了保护接地电缆长度，保护接地电缆电阻值很小，由于人体与保护接地电缆为并联方式，故流经人体的电流很小。

1.2 保护接地电缆断开

当电气系统发生第1次接地故障时，保护接地电缆(PE线)出现意外断开(图2Zpe回路断开)，故障点预期接触电压为

很显然，当保护接地电缆意外断开时，接地故障点预期接触电压均远高于人体安全电压，保护接地电缆应牢固可靠，并有防止松动的措施。

1.3 接地螺栓生锈

当电气系统发生第1次接地故障时，若保护接地电缆接地螺栓处生锈(铜的导电系数是1.72×10-8Ω·m，氧化铜的导电系数是1×10-3Ω·m)，生锈部位接触电阻增大，会影响导电性能。接触部位将发热使接触电阻(图2Zpe串联1个电阻，数值大约为Zpe的100 000倍，Zpe2=355Ω)更大，导电性能更差。此时故障点预期接触电压为

式中：Zpe2//Zf表示PE线电阻与人体电阻并联后的电阻值。

当保护接地电缆接地螺栓处生锈时，接地故障点预期接触电压均远高于人体安全电压，因此不论是专用导体接地或靠设备底座、支架接地，其接触面均应光洁平贴，保证有良好的接触，并应采取防止生锈的措施。

1.4 第2次接地故障

若假定电气系统C相已经发生故障，此时A相也发生故障(第2次故障发生在其他相比发生在C相的情况要严重)，如图3所示。

图3 第2次接地故障示例

系统发生第2次接地故障(A相)的等效电路(忽略发电机内阻抗和电容电流)如图4所示。

图4 第2次接地故障等效电路图

当人体未接触外壳时，故障点(设备外壳)对地电压(预期接触电压)为

当人体接触外壳时，流过人体电流约为

(6)

由此可见，当IT系统发生第2次接地故障时，通过人体电流过大，不能保证人员安全，此时保护电器应在短时间内切断电源。以上分析为两次接地故障均发生人体接触设备外壳带电部位，如仅有一端发生人体接触设备外壳带电部位，则情况与上述基本一致。

IT系统应采用以下措施来保护系统和人身安全[1]：

(1) 绝缘监测：用于监测第1次接地故障，通常当电气设备的绝缘水平降低时发出报警信号。

(2) 过电流保护：用于在发生第2次接地故障时按过电流防护切断电源。

2 电缆金属护套接地

在正常情况下电缆金属护套(铠装或屏蔽)的感应电压很小，不会对人身造成伤害，但是当电缆线路发生故障时，电缆金属护套会产生较大的感应电压。在雷电、过电压引起的绝缘击穿时，电缆金属护套会产生电压，因此应确保金属护套至少有1点可靠接地，保证设备正常运行和人身安全。

2.1 单芯电缆金属护套感应电压

单芯电缆金属护套感应电压的大小与电缆金属护套的平均几何半径r、相间距S、线路长度和负荷电流的大小等因素有关。电缆屏蔽层中相和边相感应电压均随相间距S增大而增大。采用等边三角形排列时，各相感应电压相同，且幅值相对较低，这是船级社规范要求的敷设方式。

当采用等边三角形排列时，交流系统单芯电缆在金属护套上任一点非直接接地处的正常感应电势计算公式[2]为

(7)

式中：E为感应电势，V；ω为角频率，ω=2πf；I为导体正常电流，A;L为电缆金属护套的电气通路上任一部位与其直接接地处的距离，km；S为各电缆相邻之间的中心距，mm；r为电缆金属护套的平均半径，mm。

若导体正常电流I=50A，L=0.1km，S=50mm，r=40mm，此时感应电压E=0.07V。

由此可见，在正常情况下，电缆金属护套感应电压非常小，可以忽略不计。当电缆处于操作过电压或雷击过电压时，在金属护套上会形成很高的感应电压，如金属护套在两端接地，则在金属护套中会产生环流。感应电压形成的环流将会产生热量，从而加速电缆老化，严重时可能破坏电缆绝缘，因此船级社规范明确规定单芯电缆的金属护套只能在1点接地，避免感应电压形成环流[3]。

2.2 控制电缆金属护套感应电压

船舶大部分控制电缆为多芯线，电源与信号使用同一根电缆。在正常情况下，电源芯线的电流很小，电缆长度在几十至两百米左右，信号芯线的感应电压很小，可以忽略不计。当电源芯线的电流不平衡或者电流较大且电缆长度较长时，控制电缆金属护套感应电压将可能达到几十伏，这往往会造成控制开关误动作或不动作，存在很大的安全隐患。例如：金属护套在两端接地，感应电压将会在金属护套中产生环流，同第2.1节所述环流会产生安全隐患，船级社规范明确规定对于控制仪表设备的电缆，由于技术原因，如一端接地较为有利时，则不必两端接地[3]。

2.3 三芯电力电缆金属护套接地

船舶在正常情况下，三相电力负荷平衡，三芯电力电缆的三相电流对称，电缆金属护套感应电压等于零，可以在两端接地，而不会在金属护套中产生环流。

2.4 电缆金属护套与照明系统保护接地线

船舶照明系统(尤其是生活楼区域的照明灯具等设备)一般使用电源电缆中的一芯作为连续保护接地导体，如使用3×2.5或2×2.5+E等形式的电缆，但也有使用电缆金属护套代替电源电缆中的一芯作为连续保护接地导体的做法，在设计过程中并不推荐这种方法。电缆金属护套由于使用非专用的导体类型材料，且截面很小，故其电阻远大于保护接地线的电阻，由第1.3节可以看出，当接地电缆电阻值大幅增大时，预期接触电压将超过人体安全电压，因此金属护套不可代替保护接地线。

3 防静电接地

一些船舶的危险区域的罐、容器、管道系统和设备撬块中液体、气体、蒸气的流体以及用于不导电液体的罐子或管道系统可能产生静电，静电产生的能量虽然很小，但可能产生较高的电位而发生静电放电。导体和非导体之间的放电火花可能点燃易燃物爆炸造成事故。

导体间的静电放电能量可按如下公式[1]计算：

(8)

式中：W为放电能量，J；C为导体间的等效电容，F；V为导体间的电位差，V。

当电容为100pF，静电电压为25kV时，W=31.25mJ，在此种情况下静电放电能量可以点燃一定比例的天然气混合物。

在有可燃气体的危险区域应严格限制静电放电能量(空气混合天然气最小点火能量大约在0.3mJ左右)，避免点燃易燃气体产生爆炸。易燃气体、液体的工艺罐、容器、管道都应接地，使用接地线连接到附近的接地螺栓上。接地点的位置应便于检查维修、清晰可见、不易受机械损伤、便于与船体连接、不妨碍正常操作、尽量避开高电阻率污染物等。由于防静电接地一般处在可能存在可燃气体、液体的环境，因此接地电缆及接地体材质应选用耐腐蚀材料，并确保机械强度。防静电接地电缆不得与其他接地电缆共用。

4 结 语

单相接地故障是一种常见的故障，即带电物体通过金属材料与大地发生的短路故障。接地故障常会引发火灾，且往往伴随着接地故障而发生人身伤害事故，在情况严重时会影响人们的生命财产安全。因此，为了人员的安全，必须严格按照船级社规范要求进行设备外壳保护接地的设计和检验。

在大多数情况下，电缆金属护套会产生较小的感应电压，在一些异常或故障情况下，感应电压将会大幅提高，此时将会对设备运行和人身安全带来负面影响。选择合理的电缆金属护套接地的方式可以将感应电压的影响降至最低，确保设备正常运行和人身安全。

对电气系统发生第1次接地故障、第2次接地故障以及电缆金属护套感应电压出现等情况的分析，使设计人员充分理解保护接地的重要性，在设计过程中应严格遵守船级社规范要求确保项目工程质量。