岸电接地电阻仿真研究

杨锋，罗宁昭，曹平均，刘佳，丁洪兵



岸电接地电阻仿真研究

杨锋1，罗宁昭1，曹平均2，刘佳3，丁洪兵4

（1. 海军工程大学，武汉 430033；2. 海军91257部队，舟山 316041； 3. 海军驻438厂军代表室，武汉 430000； 4. 海军上海地区装备修理监修室，上海 200136）

本文根据建筑物接地时常用基础接地极方式减小接地电阻的经验，提出岸电接地装置接地极可以采用基础接地极方式。对基础接地极电阻进行ANSYS仿真计算，通过与垂直接地极电阻理论计算结果相对比，确定基础接地方式的可用性，并得到了码头接地装置和船壳之间不需要连接导体的结论。该研究将对码头接地装置接地极设计提供理论依据，为岸电系统运行安全性提供了保证。

中压 舰船 基础接地 仿真

0 引言

连接岸电首先应用于有固定停泊基地的海军。当海军舰艇长期停靠基地时, 从经济性和设备维护的角度出发，舰上的用电依靠基地陆地电网提供。无论是在军用还是在民用领域，对中压岸电系统接地方式以及接地极的设计的研究都刚刚起步，没有相关标准作为参考。该领域的研究已经成为世界船电界的研究热点[1-9]。

中压舰船岸电供电需要在码头设置高电阻接地装置。为减小岸电发生接地故障时岸上跨步电压的风险，需要对接地装置的接地极进行设计，以减小接地极到船壳之间的电阻。在陆电力系统中，为减小接地极电阻会利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋作为接地极。该种接地方式具有接地电阻小，接地极抗腐蚀能力强等优点。本文在计算圆柱钢筋直接接地方式的接地电阻基础上，给出了采用基础接地方式的接地电阻仿真计算结果。

1 垂直接地极电阻计算

码头接地电阻取决于码头混凝土电阻率以及接地极的形状。以常见的圆柱体垂直接地极为例。接地电阻的计算公式为[10]：

假设系统接地极长度5 m，直径0.02 m，混凝土电阻率为ρ=40 Ωm。码头接地电阻通过式(2)计算得：

该接地极电阻计算未考虑周围海水的影响，但通常情况下，离开接地电极距离为接地电极尺寸10倍以内的土壤对接地电阻起很大的作用，该计算结果也能反映出垂直接地极电阻过大的事实。

2 基础接地极电阻计算方法

在陆电力系统中，为减小接地极电阻会利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋作为接地极。该种接地极具有接地电阻小，接地极抗腐蚀能力强等优点。通常情况下，码头是由钢筋组成立方体架子并浇筑混凝土建成。这给中性点采用基础接地方式提供很好的条件。码头变压器中性点应直接连接在混凝土中的钢筋上以减小接地电阻，如图3所示。

3 基础接地有限元仿真

与陆地电力系统不同，当岸电电缆在舰船上发生单相接地故障时，接地点距离码头接地极的距离十分近，巨大的钢质船体将影响整个电场分布，通常的接地极电阻的计算不能得到较为准确的结果。为了得到接地极与故障点间的准确电阻值，建立了码头与舰船的有限元仿真模型，通过ANSYS对接地电阻进行计算。

假设码头长L=1000 m，码头宽=20 m，码头深=10 m。舰船距离码头=10 m，船长L=400 m，为方便计算令船吃水深度等于码头深度。海水电阻率ρ=0.25 Ωm，由于长期浸泡在海水中，混凝土电阻率取ρ=40 Ωm。钢筋外围混凝土厚度为D=1 m。钢筋半径=5 mm。同时假设舰船停靠在码头正中间。以高电阻接地为例，流经接地极的电流设为I=10 A。码头钢筋模型如图2所示，为提高计算速度，将钢筋间距设为1 m。

接地电流产生的电位分布如图4所示，通过有限元仿真得到船体与接地极之间的电阻为：

仿真与简化计算结果之间存在差异的原因主要是在于，理论计算时认为接地极电场近似均匀分布，电流流过全部混凝土壳体。但通过仿真发现，几乎全部故障电流都是经过距离船体最近的部分混凝土壳体流回接地极。最大电压梯度位于与舰船临近的1 m厚混凝土上，方向垂直于码头与海水分界面。跨步距离设为0.8 m，最大跨步电压及接触电压在0.1 V左右，接地性能及安全性能良好。即使采用低电阻接地方式，故障电流增加到200 A，跨步电压及接触电压仍然远远小于36 V的安全电压。

4 接地线的设置

通过对接地极电阻的计算可以看出，利用码头中的钢筋作为接地极可以有效降低接地电阻，舰船与接地极之间的电阻小于10 mΩ。根据IEEE Draft Std P1713标准，电阻接地时接地回路的压降应小于30 V。利用钢筋作为接地极的方法完全可以满足条件，可以将压降控制在10 V以内。因此不需要在船体和码头之间连接接地线，海水和混凝土中的杂散电流不会引起危害人体安全的跨步电压，同时也节约成本。可以考虑将铺设岸电电缆的金属沟槽延伸至海水中，增强回路的导电能力。

5 结论

在码头上采用基础接地方式能有效降低接地装置的接地电阻，防止发生线缆单项故障时对人员的伤害，该种接地极十分适合在码头使用。

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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

杨锋(1977-)，男，副教授。研究方向：电力系统安全运行。