基于船舶高壓電力系統中性點接地運行方式的研究

何首賢，張 晶

（大連海洋大學應用技術學院，遼寧大連 116300）

0 引言

隨著船舶電氣設備自動化程度的提高，特別是船舶電氣負荷急速增加，船舶發電機的功率也隨之大幅度增加。目前就大型船舶電力系統容量設計值已高達15 MVA～20 MVA，大型豪華油輪更高達70 MVA[1]。船舶低壓電力系統已無法滿足現代化大型船舶電力系統容量的要求，采用高壓電力系統已成為大型船舶電力系統的必須選擇。就目前我國船舶高壓電力系統中性點究竟采用何種接地方式，也是我們需要解決的關鍵技術問題。采用船舶高壓電力系統后，船舶電力系統的保護裝置、接地、高壓變壓器、變配電方式、主開關形式、電纜端頭的構造及處理方法，都與船舶低壓電力系統有很大差別。從目前國內外應用來看，船舶高壓電力系統普遍采用高電阻接地運行方式。

1 船舶高壓電力系統中性點接地運行方式

電力系統的中性點是指發動機和變壓器星接的中性點[2]。電力系統中性點接地運行方式是一項綜合性技術問題，是電力系統運行的可靠、安全、經濟及人身安全等因素的保證。目前船舶高壓電力系統中性點運行方式通常采用不接地，即中性點不與大地連接；經消弧線圈接地；直接接地；經電阻接地。中性點經電阻與接地裝置連接，通常采用高電阻接地運行方式。電力系統中性點的運行方式是直接影響系統供電的可靠性和連續性，也影響電網的絕緣水平和電網的造價等，同時還與故障分析、繼電保護配置、絕緣配合等密切相關。

1.1 中性點不接地運行方式

圖1-1(a)所示為中性點不接地的電力系統。電力系統中的三相導線之間和各相導線對地之間都存在著分布電容，因此在導線中就有附加電流，即容性電流的存在。圖中CU、CV、CW分別表示各相導線的對地電容。由于三個相電壓 、是對稱的，所以三相導線對地之間的電容相等，其矢量和為零，中性點沒有容性電流流過，如圖1-1(b)所示。

當中性點不接地運行方式出現任何一相絕緣受到破壞發生單相接地故障時，從圖1-2(b)可以看出，各相對地電壓、對地電容電流都要發生改變。但系統的線電壓仍保持對稱，用電設備的運行不受影響，可繼續供電，這就提高了供電的可靠性[3]。

值得指出的是：這種單相接地運行狀態不允許帶故障長期運行。一旦另一相發生接地故障時，將會形成兩相接地短路故障，在線路中產生很大的短路電流，使線路及其設備受到損壞，另外無故障兩相對地電壓由相電壓升高到線電壓，很容易造成絕緣薄弱處擊穿，也將形成兩相接地短路；此外，較大的接地短路電流會在故障接地點引起電弧，形成過電壓，嚴重威脅電力系統的安全運行。我國電力規程規定，中性點不接地的電力系統發生單相接地故障時可以帶故障繼續運行2小時[4]。船舶低壓電力系統中性點一般采用不接地運行方式。

1.2 中性點經消弧線圈接地運行方式

對于配電線路距離較長、高電壓輸送，發生單相接地故障時，接地電容電流很大，將在接地點產生斷續電弧，將使線路發生諧振過電壓現象。過電壓值可達相電壓3～4倍。此外，當接地電容電流超過一定限度（3 kV～10 kV電網約為30 A，35 kV電網約為10 A）時，電力中性點宜改為經消弧線圈接地的運行方式。如圖1-3所示。

消弧線圈是一個具有鐵心的電感線圈，線圈本身電阻很小，感抗很大。利用電感線圈產生感性電流去補償電網的容性電流，可使接地電流大為減小。當系統正常運行時，三相系統是對稱的，中性點電流為零，消弧線圈中沒有電流。

當系統發生單相接地時，就把相電壓加到了消弧線圈上，消弧線圈就有電感電流。流過接地點的電流是接地電容電流IE和流過消弧線圈電感電流IO之相量和。由于IE超前90°，而IO滯后90°，因此IE和IO在接地點互相補償，補償的方式有三種：1）全補償；2）欠補償；3）過補償。在實際工作中都采用過補償，其目的是防止由全補償引起的諧振過電壓，損壞設備絕緣，欠補償由于部分線路如果斷開將造成全補償所帶來的后果。

中性點經消弧線圈接地的系統，與中性點不接地的系統一樣，當發生單相接地故障時，相間電壓的相位和量值關系均末改變，接地相對地電壓為零，其他兩相對地電壓將升高至倍（線電壓），因此三相設備仍可照常運行。但設備也不能長期的帶故障運行，必須在線路上裝設單相接地保護或絕緣監視裝置，在發生單相接地故障時保護設備發出報警信號或指示，以便工作人員及時處理。

1.3 中性點直接接地運行方式

中性點直接地發方式，即把中性點直接和大地相接，如圖1-4所示。在這種系統中發生單相接地故障時，接地點和中性點通過大地形成回路，產生很大的短路電流，使繼電保護裝置動作或者使熔斷器熔斷，切除故障，無故障部分系統繼續正常運行。這種直接接地方式發生單相接地時不會產生間歇電弧過電壓，非故障相電壓也不能升高。所以供用電設備相絕緣只按相電壓設計。這樣對超高壓系統，可以降低電網造價，具有經濟技術價值。目前110 kV及以上電壓等級的電網中均采用中性點直接接地的運行方式。

1.4 中性點經高電阻接地運行方式

中性點采用電阻接地方式，就是通過接地點與電阻形成回路，通過接地點的流有兩部分，電阻電流和容性電流。使接地電流呈阻容性，從而使接地點的故障電流與電壓的相位角差值減小，當故障點的電流正半周過零電弧熄滅，電弧熄滅后不再重燃。當通過電阻電流足夠大時，電弧將不再發生，因此中性點采用電阻接地可以防止間歇性弧光接地過電壓和諧振過電壓；可以限制單相接地故障電流。如果阻容性電流大于容性電流，零序保護裝置使斷路器跳閘，使零序保護靈敏大大提高。

中性點經高電阻接地，一般阻值500 Ω，當電力系統發生單相接地故障時，同不接地一樣，接地相電壓為零，其他兩相電壓將升高為線電壓，可以繼續帶接地故障運行2小時，但也可以選擇定時或快速跳閘[1]。

2 四種中性點接地方式的性能比較

表1四種接地方式性能比較[5]。

3 船舶高壓電力系統中性點經高電阻接地運行狀況分析

3.1 船舶高壓電力系統接地電流的計算

阻性電流IR的選擇接地的阻性電流：

系統總的電容電流：

式中：UN中性點對地電壓；Ue額定線電壓。接地點阻性電流一般要求大于或等于（1～1.5）倍容性電流，即IR≥（1～1.5）IC，以保證不發生間歇性弧光接地過電壓。系統總的電容電流是每相電纜對地形成的分布電容產生的泄漏電流之和，泄漏電流與電纜的長度及規格有關。

3.2 船舶高壓電力系統接地電阻器阻值的選擇及計算

電阻器的選擇應按系統標稱電壓、最高運行電壓、頻率、電流、阻值、防護等級、冷卻方式、通流時間、絕緣水平等技術條件進行選擇，并按環境條件如環境溫度、相對濕度等校驗[1]。

?

電阻器阻值RN的選擇取決于系統電容電流IC的大小和阻性電流IR的大小，按IR≥IC的原則計算。

考慮安全余量，一般取IR＝1.5IC。則：

4 結語

船舶高壓電力系統中性點接地方式是一個新的技術問題，目前我國還是處于起步階段，將逐漸引起使用者重視。本文就目前船舶高壓電力系統中性點接地問題進行了探討。并對各種中性點接地方式進行比較，并結合目前采用經高電阻接地的運行方式接地電流的計算，接地阻值的選取，并得到了一種計算阻值的比較可靠方法。

[1]吳志良.船舶電站[M].大連：大連海事大學出版社，2012.

[2]楊洋.供配電技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[3]莊福余.船舶供配電技術[M].哈爾濱工程大學出版社，2008.

[4]郭國杰.船舶高壓電力系統接地技術研究[J].電源技術應用,2013,(06):144-147.

[5]仇挺，熊文.基于船舶高壓電力傳統接地方式的研究與分析[J].南通航運職業技術學院學報，2007,6（03）:62-65.