船舶交流電網中線連接系統的研究

焦勇

（渤海船舶職業學院，葫蘆島 125005）

1 引言

船舶交流電網為船舶電力拖動，電力操舵，導航，內部通訊和照明等電路提供電能。電力拖動系統包括電動機裝置和控制裝置，其中電動機起著原動力的作用，它的功能是把電能轉化為機械能。電力操舵裝置系統控制著船舶的方向。導航系統是船舶的耳朵和眼睛。內部通訊包括電話，廣播，電信傳令鐘及電信號，是船舶的神經。船舶的照明包括艙室照明，甲板照明，探照燈，航行燈，信號燈和低壓提燈，是全體船員做好工作的保障。

隨著造船技術的迅速發展，電在船上的用途也越來越大。說的生動點，我們完全可以說船舶電網系統是船的血管和神經細胞。而交流系統是船舶的中樞神經。因此交流系統的中線連接方法是一個重要的問題[1]。

2 船舶交流電網中線絕緣系統與中線接地系統的分析

在船舶交流電網中，中線連接系統主要有兩種：一是采用中線接地系統，二是采用中線絕緣系統。筆者通過對兩個系統的深入考察和分析研究認為，在船舶交流電網中，中線絕緣系統優于中線接地系統。

2.1 中線接地系統

我們都知道，陸地上交流電網大多數采用中線接地系統。交流電網采用中線接地時，由于中線的接地電阻很小，因此中線與地間的電位差接近于零，相當于中性點直接接地。中線接地系統有以下特點[2]：

（1）在中線接地系統中，當其中一相出現短路等故障時（例如圖1中A相短路），其它兩相B、C對地電壓基本不變，接近于相電壓Up，有利于系統的穩定運行，防止系統振蕩。而在中線絕緣系統中 B、C兩相對地電壓等于線電壓Ul（Ul=Up）。但是，通常情況下在中線接地系統中某相出現短路故障時，保護裝置會切斷該相電源。

圖1 三相四線制電路

（2）在中線接地系統中，電氣設備和線路只需按相電壓來考慮其絕緣水平，可降低電氣設備的制造成本和線路的建設費用。

（3）在中線接地系統中，將電氣設備在正常運行時不帶電的金屬導體部分與接地極之間作良好的金屬連接，可在一定程度上保護人身的安全，降低人體遭受電擊的危險。

2.2 中線絕緣系統

中線接地系統固然有許多優點。但是就目前來看，筆者研究發現，除個別情況外，船舶交流電網中一般采用中線絕緣系統，這與陸地上交流系統大多數采用中線接地的情況正好相反。船舶采用的中線絕緣系統，其優點主要體現為，在該系統中，其中一相短路接地不會使電源切斷，而是發出警報（在接地檢測系統中一般要安裝警報器），有時間尋找并排除故障，這一點對船舶的航行安全是非常重要的，對于船舶因斷電造成的重要設備失靈的危險是不能接受的。

但正如前面所述，中線絕緣系統在一相出現故障時會使另兩相電壓升高（另兩相對地電壓等于線電壓Ul），這增加了人體觸電危險的可能性，并提高對用電器絕緣水平的要求。

2.3 在船舶交流電網中使用中線絕緣系統的原因

在船舶上的考察，分析，研究表明，在船舶環境下，中線絕緣系統有其不可替代的優越性。

使用中線絕緣系統的原因之一。船舶交流電網若采用中線接地方法，一旦發生接地故障，電網斷電會導致諸如舵機（船舶航行的主機）和重要的機艙輔機等重要航行設備（如導航設備，通訊設備）失靈，造成船舶癱瘓，甚至出現重大危險。在船舶環境下，對于三相交流電網中出現低阻抗（如過載，電器設備短路），從而導致保護熔斷器及斷路器的動作，嚴重時能使電源切斷。這不僅影響電動機正常工作，還波及其它設備（如照明，通訊）。此外三相電路中的某相因故斷路，在缺相狀態下運行，可以造成短時間內燒壞重要設備（如發電機）的重大危險。反之，如采用絕緣系統，其中一相短路接地不會使電源切斷，而只會使另兩相電壓升高并發出警報，這不僅有利于故障的排除，而且對于船舶安全也具有重大意義[3]。

原因之二，觸電危險對中線接地和中線絕緣兩種系統來說，是一樣危險的。一種系統不比另一種系統更安全。對于中線絕緣系統，其遍及電網的對地額定漏電流是由于電容、設備表面漏電流以及可能發生的故障等原因造成的，因此，假設有人體觸及電網，就會發生觸電危險。對于接地系統，在船舶環境下，電壓不論是380 V還是220 V都有致命的危險，因此它并不比絕緣系統更安全。根據近年來的大量實踐表明，在所有的環境下，高于55 V的交流電壓都被認為是不安全的[4]。

原因之三，電力系統發生故障時，兩種中線系統都很難因電壓浪涌而造成設備擊穿。中線接地系統在這一點上也并非更優越。反對采用絕緣系統的主要論點是：當電力系統發生故障，或者當接通、斷開開關時，會出現電流浪涌。這二種情況都會造成過電壓浪涌，當電壓浪涌過高，會造成電動機等電器設備擊穿，從而發生危險。一個在電網分析器上實現的440 V三相絕緣系統的實驗研究表明，一相接地的電感性負載發生故障，所產生的過電壓為額定電壓的 3.5至 4.5倍。如果故障是斷續的，所產生的過電壓為額定電壓的4至5倍。另外開關的電流浪涌，對任何一種系統都將產生過電壓浪涌，大約是額定相電壓的 2至3倍。而在出廠前，一個裝置中的各個部件都有嚴格的出廠試驗。大多數的出廠試驗，是用兩倍工作電壓加1000 V（最低2000 V）進行高壓絕緣試驗。對于設計的額定電壓為440 V的裝置，考慮到在運行中可能出現的偶然過電壓，2000 V的最低極限電壓也可提供較充裕的保護。況且更有實驗表明電動機及控制設備等，在20000 V電壓下（遠高于浪涌電壓），都有良好的絕緣性能。雖然在這種條件下的試驗并不具有可重復性，但這仍可說明過電壓造成絕緣擊穿從而導致嚴重事故的可能性微乎其微。此外，目前船舶系統普遍使用整流器及二極管來保護設備。例如在計算機集控及儀表裝置中，設計過程中會進一步考慮過電壓浪涌的易損性問題等等[5]。

另外，發電機運行時，常由于附加負荷增加而過載。對于中線絕緣系統的電路過載問題，今天船用電站常采用自動卸載的方法予與解決。其方法是，由晶體管回路和繼電器組成自動卸載電路。一些次要的電器設備通過不同級自動卸載，以保證其他主要電器設備的供電的連續性和穩定性。

3 結束語

對于船舶系統來說，接地故障會使重要設備失靈，而過電壓造成故障的損害相比于斷電的損害，通常來說還是比較輕的。據統計，船上最頻繁的故障就是接地故障。若采用接地系統，就會使船舶系統運行風險加大，船舶安全得不到保障。而采用絕緣系統則可使其安全性大大增加。因此，在船舶交流電網中，中線絕緣系統是更優化的選擇。

[1] 林華峰. 船舶電站. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社,2005.3.

[2] 華南工學院船舶船廠電氣自動化教研組編. 船舶電力系統. 北京：國防工業出版社, 1982.6.

[3] 王鵬. 船舶電力系統短路電流. 船舶，2005（1）.

[4] 阮紅軍. 11000 kW海洋拖船電力系統設計. 船舶設計通訊, 2005（2）.

[5] 郝琇, 趙玉成. 船舶電力系統短路的試驗研究. 船電技術, 2001（1）.