船舶交流中压电网中性点高阻接地方式的应用

姚桂灿 陈豪杰

摘    要：本文探讨了中性点高阻接地方式在船舶交流中压电网上的应用，并针对某海工船采用中性点高阻接地方式进行了接地故障电流的计算。通过计算，确定了相应的接地变压器容量和接地电阻值等参数。

关键词：中性点接地;接地故障电流;高阻接地

中图分类号：U665.1                                文献标识码：A

Application and Calculation of Neutral Earthing Through High Resistance

YAO Guican， CHEN Haojie

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： This paper introduces the application of neutral earthing system in marine medium voltage power network， calculates the earth fault current for a certain type of ocean engineering ship which adopts neutral earthing through high resistance. The parameters such as the capacity of the earthing transformer and the earthing resistance are determined by calculation.

Key words： Neutral earthing; Earth fault current; High resistance earthing system

1    概述

目前，船舶吨位与用电负荷越来越大，为满足用电容量并降低工作电流，中压系统在船上的应用非常广泛。对于中压电网系统，选用合适的中性点接地方式是避免接地故障产生弧光过电压而损伤电网或危害人身安全的一种重要方法。中压电网中性点接地方式的选择与电网电压等级、单相接地故障电流大小、过电压水平以及保护装置类型等有密切关系。因此，中压电网中性点接地方式的设计直接影响电网的绝缘水平及供电的可靠性和安全性。

2   中性点接地方式在船舶电网上的应用

常规电力系统中性点接地的种类及方式有很多。通常，根据船级社的规范要求，船舶电网线制多为中性点不接地的三相三线绝缘系统和中性点接地的三相四线系统两种。

船舶低压电力系统中，多采用中性点不接地的三相三线绝缘系统。当中性点不接地系统发生单相接地故障时，相间电压保持对称，对船舶负载继续工作影响不大。同时，由于所述故障产生的电容电流比较小（通常小于10 A）时，一些瞬时性接地故障能够自行消失，这对提高供电可靠性、减少停电事故是非常有效的。此外，由于该运行方式简单、投资少，在船舶低压供电系统中普遍采用。

随着电网电压及电缆线路的增加，电容电流越来越大，此时接地电弧不能可靠熄灭，单相接地电弧会发生间歇性的熄灭与重燃，易产生弧光接地过电压，其幅值可达4U（U为正常相电压峰值）或者更高。接地电弧过电压持续时间越长，对电气设备的绝缘造成的危害就越大，设备就越容易被烧坏;此外，持续电弧会造成空气的离解，破坏周围空气的绝缘，容易发生相间短路。这些后果将严重威胁电网设备的绝缘，危及电网的安全运行。因此，基于中性点接地的三相四线中压电网可采用中性点经高阻接地进行保护，当发生单相接地故障时，在接地电弧熄弧后，系统对地电容中的残荷将通过中性点电阻泄放，减少电弧重燃的可能性，抑制电网过电压的幅值，从而降低弧光接地过电压，提高供电可靠性。

3   某海工船接地电阻计算

按美国IEEE142-2007标准规定，中性点经高电阻接地的运行方式中接地故障电流限制在10 A或以下。该高阻的设计应满足使单相故障时的电阻电流被限制在等于或略大于系统总电容电流，即IR0≥Ic0tot。由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止串联谐振过电压和间歇性电弧接地过电压有很好的抑制作用，因此R0越大则接地故障越少。按单相接地电流选取R0，应保证最大的接地电流满足开断容量的要求且留有一定的裕度，在此模式下，接地电阻的阻值可达到数千欧姆。

在某型船中，中性点保护接地方式采用发电机中性点直接接入高压大电阻的方式，接地电阻为1270 Ω。但是高压大电阻的制作工艺以及成本相对较高，为降低成本及保证电阻元器件的工作可靠性，可将电阻通过接地变压器接入中性点，使中性点接地电阻的初级值增加t2倍（t接地变压器的匝数比），电阻的阻值以及额定电压可大幅度降低，从而降低设备成本并提高设备的可靠性。

3.1  某海工船中压电力系统单线图

我院设计的某海工船的中压电力系统采用了中性点经接地变压器高阻接地的方式。接地變压器初级为星型接法，中性点引出一根电缆直接接地;次级为开口三角形接线，开口处串联接地电阻。

该船中压配电板分成HSB1和HSB2两段，中间有隔离开关进行连接。每段中压配电板分别有两台6.6 Kv / 60 Hz / 2 500 kW柴油发电机组、一台3 700 kW主推进电机、一台735 kW侧推电机、一台1 500 kVA日用变压器与主配电板相连、一台接地变压器高阻接地的方式进行接地。其电力系统单线图，如图1所示。

3.2  中性点经接地变压器高阻接地分析

中压电力系统发生单相接地故障时，电压、电流向量图如图2所示。图中：IR0为发生单相接地故障时的电阻电流;IC0为电容电流;IEF为故障电流，此时

。

正常工作时：接地变压器中性点的电位为零，没有电流流过接地变压器;

当某相（假设W相）发生单相接地故障时：故障电流很小只使三相对地电位发生变化，故障相电压UW fault=0;中性点位移电压升至UW ;另外两相相位差不再是120°，而是60°，电压变为原来正常时电压的  倍。另外，当发生单相接地时仅非故障相对地电压升高，相间电压对称性并未破坏，故不影响用电设备的供电，系统供电可靠性较高。

3.3  电容电流计算

中压配电板的电容电流包括电缆的电容电流和设备的电容电流，分别按以下公式计算：

电缆：                                                                       （1）

設备：                                                                       （2）

式中：Cj——电缆单相对地电容，（F）;

C0——三相对地电容，（F）;

L——电缆长度，（m）;

ω——角频率，ω=2πf，（Hz）;

Un——相电压，（V）。

总的电容电流，等于各电缆电容之和加上各设备电容电流之和。

本船中压电网电压Un=6.6 kV 、电网频率f=60Hz。根据电缆厂家给出的资料，可计算出电容电流IC0值;计算中压配电板各设备电容电流值时，主推进电机及侧推电机均为通过移相变压器与中压配电板相连。由于变压器属于感性负载，其电容电流可以忽略不计，因此设备的电容电流仅需计算发电机组的电容电流值即可。

中压配电板总的三相电容电流，为各电缆及设备的电容电流值之和。经计算， 中压配电板总的三相电容电流Icotot=1.6 A。

3.4  接地变压器容量的计算

根据IEEE142-2007要求限制接地故障电流在10 A或以下，因此取总接地故障电流极限值IEF=10 A进行计算，则接地电阻电流                                                、接地变压器的接地故障容量：Scalc=37.6 kVA。本船实际选用接地变压器规格为三相63 kVA  AC6600 V / 110 V，满足要求。

3.5  接地电阻计算

当发生接地故障时：

（1）接地变压器副边相电压：

（2）接地电阻两端电压：

（3）接地电阻电流：

（4）接地电阻：

为限制接地故障电流在10 A或以下，实际选取的接地电阻阻值R应大于等于理论计算的接地电阻2.9Ω。

为防止串联谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，单相接地故障时电阻电流应大于等于系统总的电容电流，即IR0≥IC0 tot = 1.6 A。

将IR0折算至接地变压器次级侧，可得出：

（1）接地电阻电流：Isec≥18.5 A

（2）接地电阻：R ≤ 17.86 Ω

综上所述，实际选取的接地电阻阻值R应满足 2.9Ω ≤ R ≤ 17.86 Ω。本船选择规格为110 V、10Ω的接地电阻，满足要求。

4   结束语

根据实际选用的变压器及接地电阻的规格进行核算，接地故障电流约为2.3 A，可以保证限制接地故障电流在10 A以下。当系统发生单相接地故障时可不立即清除，继续短时间运行，供电可靠性高：对于用电负载多、电网线路负载的中压系统，中性点经高阻接地保护方式能有效地起到保护的作用。另外，这种接地电流方式与模拟计算软件如ETAP等相比，该方式的计算内容相对简单，可作为船舶设计前期选用电网中性点接地方式以及设备选型提供设计参数。

参考文献

[1] 牟龙华. 高压电网高阻接地方式的分析[J]. 中国矿业大学学报，1994（4）.

[2] 胡志杰. 浅谈10kV电力系统接地系统接地方式[J]. 科技资讯，2017（10）.

[3] 工业与民用配电设计手册第四版[M].. 中国电力出版社，2016（12）.