岸電接地電阻仿真研究

楊鋒，羅寧昭，曹平均，劉佳，丁洪兵

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岸電接地電阻仿真研究

楊鋒1，羅寧昭1，曹平均2，劉佳3，丁洪兵4

（1. 海軍工程大學，武漢 430033；2. 海軍91257部隊，舟山 316041； 3. 海軍駐438廠軍代表室，武漢 430000； 4. 海軍上海地區裝備修理監修室，上海 200136）

本文根據建筑物接地時常用基礎接地極方式減小接地電阻的經驗，提出岸電接地裝置接地極可以采用基礎接地極方式。對基礎接地極電阻進行ANSYS仿真計算，通過與垂直接地極電阻理論計算結果相對比，確定基礎接地方式的可用性，并得到了碼頭接地裝置和船殼之間不需要連接導體的結論。該研究將對碼頭接地裝置接地極設計提供理論依據，為岸電系統運行安全性提供了保證。

中壓 艦船 基礎接地 仿真

0 引言

連接岸電首先應用于有固定停泊基地的海軍。當海軍艦艇長期停靠基地時, 從經濟性和設備維護的角度出發，艦上的用電依靠基地陸地電網提供。無論是在軍用還是在民用領域，對中壓岸電系統接地方式以及接地極的設計的研究都剛剛起步，沒有相關標準作為參考。該領域的研究已經成為世界船電界的研究熱點[1-9]。

中壓艦船岸電供電需要在碼頭設置高電阻接地裝置。為減小岸電發生接地故障時岸上跨步電壓的風險，需要對接地裝置的接地極進行設計，以減小接地極到船殼之間的電阻。在陸電力系統中，為減小接地極電阻會利用建筑物鋼筋混凝土基礎內的鋼筋作為接地極。該種接地方式具有接地電阻小，接地極抗腐蝕能力強等優點。本文在計算圓柱鋼筋直接接地方式的接地電阻基礎上，給出了采用基礎接地方式的接地電阻仿真計算結果。

1 垂直接地極電阻計算

碼頭接地電阻取決于碼頭混凝土電阻率以及接地極的形狀。以常見的圓柱體垂直接地極為例。接地電阻的計算公式為[10]：

假設系統接地極長度5 m，直徑0.02 m，混凝土電阻率為ρ=40 Ωm。碼頭接地電阻通過式(2)計算得：

該接地極電阻計算未考慮周圍海水的影響，但通常情況下，離開接地電極距離為接地電極尺寸10倍以內的土壤對接地電阻起很大的作用，該計算結果也能反映出垂直接地極電阻過大的事實。

2 基礎接地極電阻計算方法

在陸電力系統中，為減小接地極電阻會利用建筑物鋼筋混凝土基礎內的鋼筋作為接地極。該種接地極具有接地電阻小，接地極抗腐蝕能力強等優點。通常情況下，碼頭是由鋼筋組成立方體架子并澆筑混凝土建成。這給中性點采用基礎接地方式提供很好的條件。碼頭變壓器中性點應直接連接在混凝土中的鋼筋上以減小接地電阻，如圖3所示。

3 基礎接地有限元仿真

與陸地電力系統不同，當岸電電纜在艦船上發生單相接地故障時，接地點距離碼頭接地極的距離十分近，巨大的鋼質船體將影響整個電場分布，通常的接地極電阻的計算不能得到較為準確的結果。為了得到接地極與故障點間的準確電阻值，建立了碼頭與艦船的有限元仿真模型，通過ANSYS對接地電阻進行計算。

假設碼頭長L=1000 m，碼頭寬=20 m，碼頭深=10 m。艦船距離碼頭=10 m，船長L=400 m，為方便計算令船吃水深度等于碼頭深度。海水電阻率ρ=0.25 Ωm，由于長期浸泡在海水中，混凝土電阻率取ρ=40 Ωm。鋼筋外圍混凝土厚度為D=1 m。鋼筋半徑=5 mm。同時假設艦船?？吭诖a頭正中間。以高電阻接地為例，流經接地極的電流設為I=10 A。碼頭鋼筋模型如圖2所示，為提高計算速度，將鋼筋間距設為1 m。

接地電流產生的電位分布如圖4所示，通過有限元仿真得到船體與接地極之間的電阻為：

仿真與簡化計算結果之間存在差異的原因主要是在于，理論計算時認為接地極電場近似均勻分布，電流流過全部混凝土殼體。但通過仿真發現，幾乎全部故障電流都是經過距離船體最近的部分混凝土殼體流回接地極。最大電壓梯度位于與艦船臨近的1 m厚混凝土上，方向垂直于碼頭與海水分界面?？绮骄嚯x設為0.8 m，最大跨步電壓及接觸電壓在0.1 V左右，接地性能及安全性能良好。即使采用低電阻接地方式，故障電流增加到200 A，跨步電壓及接觸電壓仍然遠遠小于36 V的安全電壓。

4 接地線的設置

通過對接地極電阻的計算可以看出，利用碼頭中的鋼筋作為接地極可以有效降低接地電阻，艦船與接地極之間的電阻小于10 mΩ。根據IEEE Draft Std P1713標準，電阻接地時接地回路的壓降應小于30 V。利用鋼筋作為接地極的方法完全可以滿足條件，可以將壓降控制在10 V以內。因此不需要在船體和碼頭之間連接接地線，海水和混凝土中的雜散電流不會引起危害人體安全的跨步電壓，同時也節約成本?？梢钥紤]將鋪設岸電電纜的金屬溝槽延伸至海水中，增強回路的導電能力。

5 結論

在碼頭上采用基礎接地方式能有效降低接地裝置的接地電阻，防止發生線纜單項故障時對人員的傷害，該種接地極十分適合在碼頭使用。

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Simulation on Grounding Resistance of Shore Power

Yang Feng1, Luo Ningzhao1, Cao Pingjun2, Liu Jia3, Ding Hongbing4

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. 91257 Navy Unit, Zhoushan 316041, China; 3. Naval Representatives Office in 438 Factory, Wuhan 430000, China; 4. Navy Equipment Repair room, Shanghai 200136,China）

TM249

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1003-4862（2013）01-0015-03

2012-05-14

楊鋒(1977-)，男，副教授。研究方向：電力系統安全運行。