船舶中压交流综合电力推进系统接地故障分析

蒋 炜，殷进军，夏星煜



船舶中压交流综合电力推进系统接地故障分析

蒋 炜，殷进军，夏星煜

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

为避免因接地故障而引起的电力系统过电压、设备损坏，需要对接地系统进行合理设计，设定合适的接地电流保护阈值。本文对船舶中压交流综合电力推进系统接地故障模式进行了分析，以实船为例，完成了中性点高阻接地装置的选型分析计算和验证。

船舶电力推进系统 中性点高阻接地

0 引言

综合电力推进系统采用电力推进技术，将船舶电站统一管理，合理分配全船电能，具有设备布置灵活、公共电站复用、机动性好等优点，特别适用于挖泥船、起重船、海洋平台、破冰船、豪华邮轮等船舶。

随着现代船舶大型化和电力推进技术的发展，船上用电设备越来越多，功率需求越来越大，船舶电站的容量也不断增加。低压电力推进系统已经不能满足需求。考虑到低压设备体积大、电缆较多、系统短路保护的实际设备水平等因素，低压电力推进系统已经不能满足需求中压电力推进系统成为必然选择。

船舶低压电力推进系统都是采用中性点不接地的三相三线制绝缘系统。在发生单相接地时不会产生电路电流而跳闸，也不影响三个线电压的对称关系，能最大限度保持连续供电。而对船舶中压电力推进系统中性点不接地而言。当一相发生金属性接地故障时，接地相对地电位为零，其他两相对地电位比接地前升高2-3倍，可能产生弧光放电和电荷积累，导致过电压破坏设备绝缘，对电网造成很大危害。

本文旨在对船舶中压交流综合电力推进系统接地故障模式进行分析，提供中性点高阻接地装置的分析计算和选型方法。

1 中性点接地方式

电力系统常用的接地方式有四种：中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻器接地、中性点不接地。其中，中性点经电阻接地，按节点电流大小又分为高阻接地和低阻接地。对于船舶中压交流电力系统来说，为了限制间歇性电弧接地过电压，同时考虑到与系统对地电容为并联管理，一般选择中性点经高阻接地的方式。

中性点阻抗接地方式（Neutral Resistance Earthing）的基本原理如图1所示。

图1 中性点阻抗接地原理图

其特点是：

1）发电机中性点通过电阻接地，可检测出该电阻上流过的接地电流。

2）关于节点电流，通过发电机中性点所接电阻的阻值来调节接地有效电流的大小。一般来说，将接地电流最大限制在30 A以下。故障时，可以实现选择性保护，以保证供电的连续性。

2 接地故障分析

对于船舶电力系统而言，所谓接地，就是与船体连接。一般情况下，主要针对三相系统中的一相接地进行故障分析。

在中性点高阻接地的中压电网中，当出现接地故障时，系统最大容性电流出现在：所有发电机与母排相连；中压配电板母排开关闭合；变压器与电机均与母排相连；

由于在系统接地故障发生时，变压器贡献的容性电流分量远远小于发电机和电缆贡献的容性分量，因此在计算中忽略变压器对地电容。

一般情况下，综合电力推进系统采用不控整流型式的电压源变频器，由于整流二极管是单向元件，其直流侧的支撑电容无法对交流电网提供容性电流。而且为了减小电网谐波，往往采用移相变压器将变频支路组成12脉冲或24脉冲整流。因此，在中压电力推进系统接地故障分析时，对于变频支路，可以仅考虑电缆贡献的容性分量。

利用如下公式计算系统各设备提供的容性电流：

图2 中性点高阻接地等效示意图

接地系统设计主要用于分析接地电阻总故障电流值，要求其高于最恶劣工况下对地电容对配电板贡献的电流值，这里须考虑连接于配电板的在网的各设备和电缆对地电容值。

每个接地系统的整定值应能满足所有连接于配电板的设备和电缆的总接地电流值，这样当其中一个接地系统发生故障而退出运行时系统仍能够正常运行，保证接地系统退出运行的配电板与带有非故障接地系统的配电板相连。

3 实例分析

现针对某型中压交流电力推进船舶进行接地故障分析计算。

该船为采用综合电力推进系统的自航耙吸式挖泥船。全船电站电制6600 V/50 Hz，3台4224 kW主柴油发电机组和1台1500 kW辅柴油发电机组，2台主推进电机采用变频驱动，额定功率为5000 kW。2台高压冲水泵电机采用变频驱动，额定功率为1000 kW。2台4000 kW舱内泥泵电机和2台1700 kW水下泥泵电机为复用方式，由变频器驱动。2台侧推电机采用软起驱动，额定功率为450 kW。2台1800 kVA的电力变压器为400 V配电板供电。

1）进出港工况

2台主柴油发电机在网，主要负载为侧推和日用变。

总接地系统数=2

2）全速航行工况

3台主柴油发电机在网，主要负载为主推和日用变。

总接地系统数=3

3）挖泥（舱内泥泵）工况

3台主柴油发电机在网，主要负载为主推、高压冲水泵、舱内泥泵和日用变。

总接地系统数=3

4）挖泥（水下泥泵）工况

3台主柴油发电机在网，主要负载为主推、高压冲水泵、水下泥泵和日用变。

总接地系统数=3

5）挖泥（排岸）工况

3台主柴油发电机在网，主要负载为主推、 高压冲水泵、水下泥泵和日用变。

总接地系统数=3

基于以上计算分析，综合考虑系统的保护策略，每台发电机高阻接地系统设计选型如下：

1）高阻接地系统总接地故障电流值

2）接地保护整定电流值

3）接地电阻值

4）接地电阻功率

4 结论

本文通过船舶中压交流综合电力推进系统中性点高阻接地故障分析，进行了中性点高阻接线方式下的接地电流计算。在采用中压电力推进系统的自航耙吸式挖泥船上验证了该算法的正确性。为接地装置选型计算提供了依据，并且可以作为系统接地故障选择性分析的数据基础。

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Analysis of the Grounding Fault of the Medium Voltage Electric Propulsion System of Ship

Jiang Wei, Yin Jinjun, Xia Xingyu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion)

TM664.14

A

1003-4862（2019）03-0007-03

2018-10-15

蒋炜（1981-），男，高级工程师。研究方向：舰船综合电力推进系统。E-mail: weijiang712@163.com