中压岸电系统故障点跨步电压研究

杨　锋，罗宁昭，黄　靖，吴本祥，杨东升

（1.海军工程大学，武汉 430 033；2.海军驻南京地区航天机电系统军事代表室，南京 210 006）

中压岸电系统故障点跨步电压研究

杨锋1，罗宁昭1，黄靖1，吴本祥1，杨东升2

（1.海军工程大学，武汉 430 033；2.海军驻南京地区航天机电系统军事代表室，南京 210 006）

本文针对中压岸电系统发生单相接地故障时，码头人员的跨步电压展开了研究。设计实验，测出了接地极到海岸线之间的电阻值和海水的电阻率，依据实验所得到的实验数据建立有限元模型，通过

中压岸电跨步电压有限元电位分布

0　引言

对于中压岸电系统来讲，当发生单相接地故障时故障点经码头、海水或船体与码头上岸电接地极形成回路，这使的在岸上靠近故障接地点的人员存在跨步电压的风险，即地面上水平距离为0.8 m的两点间的电位差，特别是由于海水附近的接地桩被导电性能好的盐水浸泡的土壤包围，当人在接地点附近时的跨步电压非常可观［1-4］。

所以在岸电电网这一特殊的电力系统中，非常有必要对接地点到船体的电位分布进行研究，从而计算出岸上人员的跨步电压和接触电势，保障岸上人员的安全。本章运用有限元仿真软件ANSYS对当中压岸电电力网络发生单相短路故障时的接地点到船体的电位分布，来判断是否会对接地点附近的人员造成接触电势和跨步电压的威胁。

1　有限元仿真模型的建立

1.1接地极到海岸线的电阻测量

接地电阻在接地极和跨步电压、接触电势的研究中是一个非常重要的概念，可以通过接地电阻的大小，来表明当故障点附近产生故障电流或高压接地时，电流疏散的快慢、难易程度。接地电阻不仅和土壤的电阻率有关，和接地装置的铺设方式也是密切相关。

在岸电系统中，接地电阻小说明当系统发生故障时地表电势衰减的快，人员的跨步电压小，而电流大部分流经土壤而非流经人体，人员安全性好［5］。

根据岸上中压岸电配电变压器中性点接地的接地极到岸边海水处的配置，设计的实验方案原理示意图如图1所示：

图1　接地电阻测量实验原理简图

如图中所示，将船用380 V的三相电接到可调式得变压器上，再由变压器接入LC整流桥，将船用380 V交流电变成可调的直流电输出，这就是直流电源部分。岸电箱在码头边，而接地点却在离码头直线距离1000 m外的变电站，如上图所示；在岸电箱附近将直流电源和电阻等串联上岸电箱中的地线以及码头边的海水，由于岸电箱中的地线与1000 m外的岸电接地极由电缆相连，K点经由海水大地也与岸电接地极相连，所以整个实验电路可以看成是一个回路。通过这个回路上测得的电压U（V）、电流I（A），以及已知的分压保护电阻R0，可以简单的通过公式（1），计算出码头到岸电接地极之间的电阻值。

所搭建的实验平台现场图如图2所示，图中将变压器输出的交流电输入到LC整流电路，再将其与保护电阻、电流表串联，并最终连如岸电箱地线，K点接入岸边海水。

实验中主要读取两个数值，一个是电流表的数值，知道回路中的总电流I（A），另一个是用万用表钳住直流电源的正负两极，得知直流电源输出的总电压U（V）。由于可调式变压器加整流桥的输出没有刻度上标明的那么准确，所以需要实时地读取万用表和电流表的读数并记录下来；通过输出电压的不断增加，记录下数据及计算处理的结果如表4.1所示：

由表4.1可知，当第1组数据测出R=9.33欧姆，与其他4组数据的误差较大，可能是因为刚刚开始打开电闸，没有等到整流直流源稳定下来便开始读数，从而造成误差较大，所以第1号组数据弃掉不用。

其余四组数据取平均值，既得

1.2海水电阻率的测量

海水电阻率是研究岸电系统跨步电压和接触电势所需要考虑的特殊问题，接地极地处海边，而导电率高的海水对其接地极土壤部分的电位分布将或多或少存在影响［6-7］，需要通过设计实验实测海水的电阻率。

通过测量固定长度、固定横截面的海水的电阻，计算出海水电阻率，其原理如图3所示：

利用长方形塑料水槽装载一定量的海水模拟电阻块，水槽两边贴上薄铜片作为电极片，使之与直流电源和电流表串联，通过调节直流源，加载不同伏值的电压，读取不同电压下的电流表读数，计算出等体积海水的电阻，再通过电阻率公式（3）算出海水电阻率：

其中R为所测电阻值，S为所测海水的横截面积，L为塑料水槽中两铜片间的距离。

实验实物图，如图4所示：

其中所选取的塑料管测得：

横截面积S=0.05×0.03 m2

长度L=0.09 m

实验读取不同电压下，回路中的电流，并分别计算海水的电阻率如表2所示：

四组数据取平均值得：

1.3有限元模型的建立

中压岸电模型的实体建模较为简单，主要由三个块（Volumes）组成，如图6所示，分别表示码头（近似地看成单层土壤，即其电阻率一致的土壤模块）、海水、船体，其物性参数的设置主要就是电阻率的设置（Resistivity），海水的电阻率由上一章的实验估算而得，为0.3485Ω·m，船体的电阻率即钢的电阻率，取1.5×10-8Ω·m，至于码头（近似成单层土壤）的电阻率，通过测得的接地极至海岸线的电阻推算出为2.35Ω·m；网格划分所用到的单元是三维的电场单元，采取自由（Free）网格划分法，这样划分的好处是在故障点附近的局部网格可以细化，而在距离接地点较远位置，电势较低的地方，不是研究跨步电压的重点范围，则可以用较大的网格进行划分，节省计算时间。

图2　实验平台现场实物图

图3　海水电阻率测量原理图

图4　海水电阻率测量实验图

模型的建立如图5所示：xyz轴坐标两侧蓝色和紫色的块分别为码头和海水，海水上的红色模块为船体。其中海水上的船体块，有一半在水线以下，一半在水线以上，以近似模拟船舶和海水位置的真实关系。

图5　跨步电压仿真模型建立

2　故障点附近地表电位分布仿真

当岸电系统在码头的部分发生单相接地故障时，即岸电码头电缆部分发生单相短路，可以看成在土壤深1 m处［8］，一个极小的球面与土壤发生接触，如图6所示，球面的半径设为为0.1 m［9］，在其表面加载故障时的电压3700 V，将船体的上表面设为零势面。

图中MX点为土壤与故障线路接触点，在地表下一米处，可以从图中看出靠近故障点的电位高越到海水的电位越低，而且故障点远海端的电位等势线要比近海端的电位等势线要稀疏［10-11］，也就是说码头人员在接地故障点与海水之间这段距离所受跨步电压的风险较大，在这段距离地表电势随离开故障点距离增大的衰减曲线见图9 。

表1　接地电阻测量数据及计算处理

表2　海水电阻率测量数据及计算处理

表3　故障点到海岸线地表电位采样表

图6　模拟故障点球面模型

图7　故障点在码头处的跨步电压仿真模型网格划分

模型网格划分图如图7所示。

观察故障点附近的电位分布，如图8所示。

图8　故障点到船体电位分布图

将地表电位衰减的采样数据数据，提取出来，如表3所示，其中S表示采样点据故障点正上方地表的水平距离，E表示采样点的电位值。

图9　故障点附近地表电位衰减曲线图

3　总结

有跨步电压定义可知，在地表0.8 m距离上的电势差为人所承受的电压，可以从表中看出在靠近故障点附近距离0.8 m的电势差最高，约为60 V多一点，而在距故障点5.8469m到6.8214米远大约1m的距离，其电势差为36 V左右，所以可以认为，当人两只脚都在距单相故障接地点6米以外是安全的；否则有可能两只脚所产生的跨步电压大于36 V，出现人员安全的问题。

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Research on Step Voltage near Fault Point of Medium Voltage Shore Power System

Yang Feng，Luo Ningzhao，Huang Jing，Wu Benxiang，Yang Dongsheng
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

The step voltage of the terminal carried on by ports personnel is researched in the article during single-phase grounding fault of medium voltage shore power system occurs. The experiments are designed to measure resistance value from the coastline to the grounding and the resistivity of sea water. According to data obtained from the experiment, the finite element model is established.Through the finite element analysis software ANSYS, the potential distribution from the hull to the fault point is calculated when the single-phase fault of medium voltage shore power system occurs, and the decay of surface potential in the wharf is obtained, especially drop speed near the point of failure is paid close attention, and the safety range of step voltage to terminal staff is obtained.

medium voltage shore power supply; step voltage; finite element; potential distribution

TM81

A

1003-4862（2015）09-0076-05

2015-07-09

杨锋（1977-），男，副教授。研究方向：电力系统安全运行。

ANSYS有限元仿真软件，计算出不同故障下故障点到船壳之间的电位分布，以及码头地表电位衰减情况，特别是故障点附近压降的衰减速度，得出了码头人员的跨步电压安全范围。