艦船中壓電力系統岸電供電系統接地方式研究

袁立軍，羅寧昭，劉佳，丁洪兵

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艦船中壓電力系統岸電供電系統接地方式研究

袁立軍1，羅寧昭2，劉佳3，丁洪兵4

（1. 海軍駐上海江南造船（集團）公司軍代表室，上海 201913；2. 海軍工程大學，武漢 430033；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）

本文根據國外中壓船舶的發展現狀，以及軍用中壓電力系統艦船供電特點，給出了一種岸電供電網絡結構及其接地方式。通過仿真驗證，該供電網絡結構能夠有效抑制單相間歇性接地故障對系統產生的危害。

中壓 接地 艦船

0 引言

目前，國內外大型民用船舶靠港后，船上強大的柴油發動機必須持續運行，以保持船舶大功率機泵及其他設備和支持系統的正常運作[1]。柴油發電機組供電時，柴油在燃燒過程中產生大量硫化物和氮氧化物，對周邊環境造成污染。國際海事組織（IMO）數據表明：NOx和SOx是主要的污染物，全球以柴油為動力的船舶每年向大氣排放1000萬噸NOx、850萬噸SOx；污染物通過氣候作用可以傳播至1000 km以外的地區［2］。隨著民用海運業務迅猛發展，船舶廢棄排放也對環境污染的控制造成了巨大壓力。港區要求靠港民用船舶關閉輔機而使用岸電的呼聲日益強。與此同時，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，艦上的用電也需要依靠基地陸地電網提供[3]。帶有中壓電力系統艦船的服役給港口岸電供電系統帶來了全新的挑戰。無論是在民用還是在軍用領域，中壓岸電系統接地方式研究都剛剛起步，沒有相關標準作為參考。岸電供電網絡架構、電網接地方式及相關標準的研究已經成為世界船電界的研究熱點[4-9]。

本文將針對艦船中壓電力系統岸電供電網絡結構，電網接地方式進行深入的探討，為艦船岸電供電標準制訂提供理論依據。

1 民用中壓船舶岸電接地方式

民用港口供電系統接地保護專家Dev Paul P.E經過多年研究得到如下結論[9]：

岸電供電系統分布電容較大，系統不應采用浮地方式運行。如果系統對地電容電流大于10 A，根據工業標準，接地系統將采用低電阻接地。由于船只頻繁進出港口，分布電容會隨著船只進出港而發生改變，因此，為防止高電阻接地方式中電阻值頻繁發生變化，即使對地電容電流小于10 A，也應采用低電阻接地方式。

為了減小雜散電流，需要測量接地裝置與船殼之間的電阻，如果電阻過大時應當在船殼與大地之間設置獨立的連接線以降低雜散電流。

接地裝置需要被連續監測，以防止接地裝置發生斷線或短路，給系統帶來災難性后果。

2 軍用艦船岸電接地方式

軍用艦船靠港時依靠岸電工作，是目前低壓艦船普遍采用的方式。而岸電一般采用中性點直接接地方式，岸電保障艦船供電時，岸電變壓器中性點直接接地，艦船上的用電設備通過船體，海水又與大地連接做保護接地。多艦同時停靠時，各艦岸電電纜并聯連接在同一變壓器引出的不同接線樁頭上面。圖1為現階段低壓艦船典型的岸電供電系統圖[5]。

當系統電壓等級升高到6 kV時，原有的岸電電力系統結構不再適用。碼頭上變電站變壓器中性點采用直接接地方式。接地故障電流大，容易產生跨步電壓，嚴重危害岸上工作人員安全。

3 軍港岸電供電網絡結構與接地方式設計

根據Dev Paul的研究結論，雖然高電阻接地方式優勢較大，但岸電變壓器不適合與艦上采用相同的高電阻接地方式。主要原因是多艦同時停靠并聯供電時，各艦船對地電容疊加導致總對地電容過大，而且艦船在靠港和離港時對地電容發生變化，高電阻接地方式需要頻繁整定[10]。

艦船靠港后，艦員依舊長期工作和生活在艦船上，岸電電纜很容易在拖拽過程中破損，同時艦上進行設備例行維修也存在著電纜單相接地的風險，岸電變壓器采用低電阻接地方式在發生接地故障時會導致艦船失電，影響艦員正常工作。另外，低電阻接地方式接地故障發點電流過大，不但破壞設備，巨大能量的電弧會對故障點附近的工作人員造成危害。因此必須設計岸電供電網絡結構以及接地方式，以滿足中壓電力系統艦船靠港需求。

在軍船有關規范中有下述規定：“電力系統的設計應保證艦船在各種工況下供電的連續性”[5],能夠保證艦船在各種工況下的供電連續性的接地方式只有高電阻接地和諧振接地。

岸電電纜長度較短，電纜部分還可認為是架空線，對地電容一般不大。架空線對地電容一般在0.0055 μF/km~0.003 μF/km之間。因此具備采用較為經濟、整定簡單的高電阻接地方式的條件。本文針對大型艦船特點，設計出一種靈活的岸電共電網絡結構。圖3為系統電氣圖，該系統結構具有以下特點：

1）由于大型艦船電力系統容量較大，靠港時通常分段提供岸電，因此碼頭變電箱設置為2~4個以上，可以滿足不同型號的艦船同時停靠，變電箱輸出應盡量避免并聯，防止環流。

2）岸上變電箱內的變壓器為△/Y連接，變壓器副邊采用中性點高電阻接地方式，變壓器原副邊隔離,這樣配置有利于多艦同時停靠的情況。艦船同時靠港時并聯供電，如果配電箱內部未配置獨立的隔離變壓器而通過同一個變壓器輸出，將會把各艦船對地電容并聯，會超過高電阻接地允許的最大故障電流值。

3）對于對地電容過大的中壓艦船，艦上的諧振接地裝置應當在岸電工作時投入運行，補償過大的電容電流，對艦船電力系統提供有效接地保護。

4）隔離變壓器副邊電阻取值為400 Ω-500 Ω，使得系統接地參數與使用艦電的情況保持一致。

5）岸電供電時發電機出口開關斷開，發電機中性點接地裝置與電網隔離。

4 岸電系統接地故障仿真及結果分析

由于采用隔離變壓器，艦船電力系統使用岸電時發生接地故障情況與使用艦電基本相同。現對岸電電纜發生破損后，產生接地故障進行仿真。故障電弧在A相與地之間連續重燃，重燃時刻為A相電壓波形負半周最低點，0.5周期后電弧熄滅。系統額定電壓為6.3 kV，電弧電阻為0.1歐姆。圖2為變壓器副邊相對地電壓和相間電壓的線電壓仿真波形。從圖中可以看出由于接地裝置設置得當，使得岸電電纜的接地故障對艦上電源品質影響極少。

5 結論

為保障軍用港口岸電電力系統工作安全穩定，應在碼頭設置多個隔離變壓器，并在隔離變壓器副邊中性點連接高電阻接地裝置，以抑制岸電電纜發生對地電弧重燃故障時產生的過電壓。該種岸電供電網接地方式可使保護裝置在岸電和艦電供電時保護整定具有一致性，且該接地方式有良好的供電連續性，同時受艦船分布電容變化影響小，適合在軍港使用。

[1] 李恒煥．大型船舶靠港使用岸電的研究[J]．上海造船，2011, 2:53-54．

[2] 崔亞欣，孫永濤．高壓岸電上船及其關鍵技術研究[J]．港口裝卸,2012,1:28-31.

[3] 周振南．艦船連接岸電系統簡介[J]．艦船設計通訊，2007，2：64-66．

[4] 鄭永高．港口碼頭岸電系統設計探討[J]．建筑電氣，2010，1：15-20．

[5] 孫厚樨．軍船岸電連接電路的合理設計[J]．船電技術，2000，3：1-3．

[6] 賈石巖．艦船使用岸電對溫室氣體排放的控制研究[D]. 大連：大連海事大學，2009年．

[7] 譚韻璇。岸電在中國的實現[J]. 世界海運，2010，9：56-59．

[8] 張一禾．我國現階段艦船利用岸電問題探討[J]．中國水運，2010，9：22-23．

[9] 苗鳳娟. 防治到港艦船污染的岸電技術研究[D]．上海：上海海事大學，2007．

[10] Dev Paul P.E. A closer look at the grounding of shore-to-ship power supply system. industrial & commercial power systems technical conference，2009: 1-7 ．

Research on Grounding of Shore-to-ship Power Supply System

Yuan Lijun1, Luo Ningzhao2, Liu Jia3, Ding Hongbing4

（1. Naval Representatives Office in Jiangnan Shipyard CO., LTD, Shanghai 201913, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. Naval Representatives Office in 438 Factory, Wuhan 430000, China; 4. Navy Equipment Repair room, Shanghai 200136,China）

TM645

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1003-4862（2013）01-0058-03

2012-05-07

袁立軍(1972-)，男,工程師。研究方向：艦船電氣研究。