舰船岸电电缆安全性分析

罗宁昭 刘勇 张晓锋

（1. 海军工程大学电气与信息工程学院，武汉430033；

2. 海军驻上海江南造船（集团）有限公司军事代表室，上海201913）

0 引言

大型船舶在到达港口时通常使用重油或柴油发电，来满足船舶停泊时的用电需求。随着低碳减排的呼声越高，已经开始有港口对停靠船舶提供岸电。船舶利用岸电问题是交通运输部拟在“十二五”期间强力推进的节能减排新举措。目标是在“十二五”期间 50%左右的万吨级以上集装箱码头、散货码头和大型邮轮及客运码头、长江旅游客运码头、要具备向靠泊船舶提供岸电的能力，我国内河船舶80%，沿海船舶50%以上具备接用岸电能力[1,2]。

一些大型的船舶需要岸电电力系统提供高达10-20 MW的功率。所需要的电压等级由船主决定，通常情况下大型船舶要求提供6～11 kV，50或60 Hz，三相三线制的交流电[3,4]。按照以往经验，高压岸电电缆是由人工从船舶上拖拽到岸上，并手工连接到岸电配电箱处，船舶离港时同样由人工对电缆进行操作。由于岸电电缆存在较大的分布电容，电缆在断开后仍然对地存在较高的电压，对人员安全构成严重威胁，必须采取措施予以消除。

本文从电缆模型出发，计算系统分布电容及电荷放电时间。通过大量仿真，确定的电缆安全装置的设计原则，为岸电配电装置安全性设计了保证。

1 电缆模型及参数

如图1所示，利用T型电路作为岸电电缆的集中参数等值电路[5]。电缆对地参数等效成一个对地电容Cg和一个对地电阻Rg。

由于岸电电缆需要从船上的岸电箱一直连接到港口上的岸电配电箱，距离较远。当停止岸电供电，将电缆从负载和电源端分断开时，由于对地分布电容Cg的存在，会保存一定能量。这部分电能会对插拔和拖拽电缆的人员造成危害。

图1 电缆等值电路

电缆中残余电荷的释放时间与对地电容和对地电阻密切相关，因此需要估算线路对地电阻和对地电容。

电缆对地电阻计算公式如下所示[6]。式中：Rg为系统对地电容；D为电缆外径；d为电缆内径；L为电缆长度；n为每项并联的导体数；K为绝缘电阻常数。

通常情况下，额定6 kV交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套的电力电缆，在20 ℃条件下，当导体截面积120 ～240 mm2时，绝缘电阻一般不小于500 MΩ/km。

电缆对地电容按照同心圆柱体电容计算公式计算。

式中：Cg为系统对地电容；ε为电缆绝缘材料相对绝缘介电常数；ε0为空气的介电常数。

通常情况下，额定电压6 kV，截面积240 mm2交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套的电力电缆对地电容为 0.4 μF/km[7]。

2 电缆放电

电缆中存储的电荷会通过对地电阻 Rg释放掉，释放时间与电压等级和RC时间常数有关。

假设岸电电缆与电源断开时，其中三相电源中的一相，电压正处于6.3 kV的峰值。

电缆通过对地电阻放电，可以得到电压随时间变化的公式：

假设岸电电缆长度为500 m，根据第二节的计算，电缆对地电阻为1000 MΩ，对地电容为0.2 μF，因此可以计算时间常数得：

利用PSCAD对电缆放电过程进仿真。

图2 仿真原理图

在A相对地电压正向峰值时线缆断开，当开关为理想开关时，放电电压波形如图3所示

图3 放电电压波形图

从图3可以看出900 s后，系统电压才降落到60 V以内，放电速度十分缓慢。电容中存储的能量可以根据式（6）计算

3 人体安全

当人体接触带电体时，人体就被当作电路元件接入回路。人体阻抗通常包括内部阻抗和皮肤阻抗。人体内部阻抗主要以电阻形式存在，同时有少量电容。一般认为干燥的皮肤在低电压下具有相当高的电阻，约为100 kΩ但皮肤电阻取决于电压、频率、接触压力、潮湿程度、温度情况以及皮肤的类型。触电电压高于50 V（50 Hz）时，皮肤电阻迅速下降，高于1000 V时皮肤电阻基本可以忽略不计[8]。

图4 能量时间波形图

根据IEC统计人体触电电压在3000 V以上时，手到脚电阻平均值为1000 Ω。当人体在舰船上触电时，通常为单手触碰带电导体，双脚接地。此时人体电阻约为手到脚总电阻的75%，既在忽略人体内部电容和外部鞋袜、手套的条件下，可以近似认为人体是一个R1=750 Ω的电阻元件。

图5 岸电电缆人体触电示意图

图5为触电示意图，人体在触碰岸电电缆裸露部分时，电缆对地电容会通过人体放电。流经人体电流如图6所示。

图6 流经人体电流

人体在2 ms时触碰岸电电缆裸露部分，由仿真波形可知，流经人体最大电流接近7 A，故障电流作用时间为1 ms。根据电流的生理学作用，流经人体电流大于4 A时，心脏会发生麻痹，电流流过时心脏将停止跳动，短暂电击后可恢复。虽然电流作用时间较短，出现心脏停止跳动的可能性较小，但由于电压较高，接触时容易在电缆和人体之间产生电弧。电弧的高温会对人体皮肤产生严重破坏。

由此可见，为保证岸电操作人员的人身安全，岸电电缆被插拔后，一个可靠的接地放电装置是必要的。

4 放电装置

停止岸电供电需要首先断开船上的岸电开关K2，然后断开码头配电箱中的开关 K1，最后在断开岸电电缆并将电缆收回船上。整个操作过程均由人工完成，操作人员有被电击的可能，需要设计电缆的放电装置。

图7 岸电连接示意图

由断电的操作顺序可知，该放电装置应当位于码头的配电箱处。放电装置与断路器K1联锁，放电工作在对开 K1操作后能自动完成。船员在断开 K1开关后的下一个动作就是拆卸配电箱的电缆接头，因此放电速度要迅速，应在1 s内将电缆电荷释放掉。

与此同时为保证放电装置长期可靠工作，放电电流不宜过大，防止在与电缆的接触面处产生电弧烧蚀，放电电流应控制在1 A以下。

断电的操作由多人配合完成，操作码头配电箱和船舶岸电箱的是两个人。由于配合失误，出现了未断开船舶岸电箱开关之前，就断开码头配电箱开关的事故，岸上人员被船上的电源电击伤。为防止此类事故，放电装置在设有在线警告的功能外，同时当船上发电机在线时，放电电阻应能长时间承受相应的功率。

放电装置示意图如图8所示，额定6.3 kV的岸电系统放电电阻应选取400 kΩ左右，可以保证电容为0.5 μF的电缆在1 s之内电压下降到安全电压之下，同时为保证船上发电机在线时放电电阻不至烧毁，电阻功率应选择在100 W。

电源在线的报警装置连接在放电装置上，当发电机在线时，会发出声光报警，警示操作人员断开船上的岸电开关。整流装置前级应连接分压装置。

图8 放电装置示意图

放电装置A、B、C三个触点应在短路器K1手动断开时自行接触到岸电电缆的界限端子排上，对电缆进行放电，保护操作人员安全。

5 结论

由港口提供岸电将是船舶停泊用电的必然趋势，由于电容的存在，断开的岸电电缆中存储了大量电荷，需要放电装置对电荷进行快速释放，以保护操作人员的安全。

[1]李学文, 孙可平. 船舶接用岸电技术研究[J]. 上海海事大学学报, 2006, 27(3)： 10-14.

[2]张一禾. 我国现阶段船舶利用岸电问题探讨[J].中国水运, 2010, 9： 22-23.

[3]DevPaul,Peniamin R Chavdarian, VahikHaddadian.Cable-Capacitance Discharge Time With and without the Application of Grounding Device[J], 2010

[4]Dev Paul, Peniamin R Chavdarian. System Capacitance and its Effects on Cold Ironing Power System Grounding[J]. 2006.

[5]何仰赞, 温增银. 电力系统分析[M]. 华中科技大学出版社, 2002.

[6]The Okonite Company, Engineering Data for Copper and Aluminum Conductor Electrical Cables[M].Bulletin EHB-98

[7]赵让民, 高庆华等. 煤矿高压电网对地电容电流实用计算方法的研究[J]. 工矿自动化, 2010, 8： 61-64.

[8]IEC 479-1： 1994 Guide to Effect of current on human beings and livestock- Part1： General aspects.