分布電容對(duì)艦船電力系統(tǒng)接地方式選擇的影響

趙 楠，聶 冬，羅寧昭

(1. 海裝綜合計(jì)劃部，北京 100000；2. 海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，武漢 430064；3.海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

分布電容對(duì)艦船電力系統(tǒng)接地方式選擇的影響

趙 楠1，聶 冬2，羅寧昭3

(1. 海裝綜合計(jì)劃部，北京 100000；2. 海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，武漢 430064；3.海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

本文主要討論分布電容對(duì)艦船電力系統(tǒng)接地方式選擇的影響，分析了艦船電力系統(tǒng)在高電阻接地和諧振接地的方式下分布電容對(duì)系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)在中壓系統(tǒng)中大分布電容的情況下，采用高電阻接地會(huì)產(chǎn)生超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的故障電流。在諧振接地的情況下，需要合理的配置消弧線圈來產(chǎn)生感性電流來抵消系統(tǒng)對(duì)地電容產(chǎn)生的容性殘流。同時(shí)依據(jù)具體數(shù)據(jù)，利用高斯定理對(duì)電纜電容進(jìn)行了估算，與實(shí)際結(jié)果相吻合。

分布電容 電力系統(tǒng) 接地方式

0 引言

接地方式的選擇與艦船電力系統(tǒng)的對(duì)地電容密切相關(guān)，高電阻接地要求故障點(diǎn)電流小于10 A，發(fā)電機(jī)安全電流要求故障點(diǎn)電流小于4 A（6 kV發(fā)電機(jī)）。而關(guān)于故障點(diǎn)電流的要求，都是與系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)分布電容相關(guān)。在艦船電源電壓等級(jí)被確定的情況下，故障點(diǎn)電流的決定因素是系統(tǒng)中的分布電容。同時(shí)，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生弧光接地時(shí)，系統(tǒng)中的分布電容大小也將間接決定著電弧的強(qiáng)弱[1～3]。

1 分布電容對(duì)高電阻接地的影響分析

圖1 單相接地故障示意圖

艦船電力系統(tǒng)的單相接地故障示意圖，如圖

. 1所示，其中短路故障電流Ig的成分如公式（1）所示：

式(6)為高電阻接地方式的限制條件，即整個(gè)中壓系統(tǒng)中單相接地電容應(yīng)小于5.9 μF。當(dāng)接地電容大于該數(shù)值時(shí)，接地故障電流將大于10 A，故障電弧不容易熄滅，故障可能擴(kuò)大，因此需要立即切斷故障支路。

根據(jù)國標(biāo)要求，高電阻接地方式要求系統(tǒng)電容小于2.4 μF。由于艦船系統(tǒng)分布電容很難在2.4 μF以下，并且故障電流基本不能滿足發(fā)電機(jī)安全要求，因此一旦發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障，綜保裝置應(yīng)立即將發(fā)電機(jī)出口端開關(guān)斷開并進(jìn)行滅磁，保證發(fā)電機(jī)定子鐵芯不被故障電弧燒毀。

通過計(jì)算可以看出，某些艦船的對(duì)地電容能夠滿足高電阻接地要求，但帶中壓負(fù)載的大型艦船的對(duì)地電容必然超過高電阻接地裝置的允許值，因此需要考慮其他的接地方式。

2 分布電容對(duì)諧振接地影響分析

經(jīng)消弧線圈接地的岸電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的簡化圖如圖2所示：

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的等值電路圖

圖2中，當(dāng)系統(tǒng)在k點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可以把電網(wǎng)與大地看成一個(gè)流經(jīng)故障點(diǎn)的簡單回路，便于計(jì)算故障電流，如圖3。

圖3 計(jì)算故障電流等值電路圖

依據(jù)此圖可以通過支路電流之和得出故障電流I˙δ的計(jì)算式：

式中：rL近似為消弧線圈并聯(lián)接地的電阻，其主要目的是為了抑制過電壓。L為消弧線圈電感，由失諧度的公式（8），可以推導(dǎo)出消弧線圈的計(jì)算公式（9），其只與分布電容和電感失諧度有關(guān)：

由此可見，系統(tǒng)對(duì)地電容大的話將使得諧振接地故障殘流中的感性電流增大，從而消弧線圈需要更大的電感來產(chǎn)生感性電流來補(bǔ)償分布電容所帶來的容性電流。

3 電纜電容的估算

在中壓的艦船電力系統(tǒng)中，電纜電容將是系統(tǒng)分布電容的主要部分，本文主要介紹電纜電容的估算方法[4～6]。

為了方便計(jì)算我們單獨(dú)計(jì)算每一根導(dǎo)線芯電容，電纜外徑約33.3 mm，絕緣厚度約3.1 mm。并且等效如圖4所示。可通過橫截面積估算得，c=3.1 mm，r=5.5 mm。

圖4 電纜對(duì)船體電容等效計(jì)算圖

其中PE絕緣的相對(duì)介電常數(shù)取ε=7，真空介電常數(shù)，0ε=8.86×10-12F/m。

從式（5）和式（7）可以看出，估算值與實(shí)測值接近。

實(shí)際電纜單相對(duì)地電容為：

4 小結(jié)

本文主要分析了艦船電力系統(tǒng)的分布電容對(duì)系統(tǒng)接地方式選擇的影響，發(fā)現(xiàn)在中壓系統(tǒng)中大分布電容的情況下，采用高電阻接地會(huì)產(chǎn)生超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的故障電流。在諧振接地的情況下，需要合理的配置消弧線圈來產(chǎn)生感性電流來抵消系統(tǒng)對(duì)地電容產(chǎn)生的容性殘流。

同時(shí)依據(jù)具體數(shù)據(jù)，利用高斯定理對(duì)電纜電容進(jìn)行了估算，與實(shí)際結(jié)果相吻合。

[1] 回志澎, 陳新剛, 馬守軍. 艦船中壓電力系統(tǒng)接地分析[J]. 船電技術(shù), 2007, (06).

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The Impact of Distributed Capacitance on the Choose of Grounding Mode of Shipboard Power System

Zhao Nan1, Nie Dong2, Luo Ningzhao2
(1. Comprehensive Planning Department of Naval Armaments Department, Beijing 100000, China; 2. Military Representative Office of Naval Armaments Department in Wuhan, Wuhan 430064, China; 3. Naval University of Engineering, Wuhan 430064, China)

The impact of distributed capacitance on the choice of grounding mode of shipboard power system is discussed. The impact of distributed capacitance to the system in high resistance grounding and resonant capacitance is analyzed. It is found that under the condition of large distributed capacitance in medium-voltage system, adopting high resistance grounding will produce excess fault current. In the case of resonant grounding, arc suppression coil is equipped to produce reactive current to counteract capacitive residues of ground capacitance. According to specific data, using the gauss theorem, the estimate to cable capacitance is meet actual results.

distributed capacitance; power system; grounding mode

TM76

A

1003-4862（2015）06-0051-03

2015-03-10

趙楠(1982-)，碩士。研究方向：電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。