船用保护接地线电阻分析

卢军军 ， 王志荣 ， 高铭晶

(1.中天科技专网事业部，江苏 南通 226010；2.中天科技装备电缆有限公司，江苏 南通 226010)

船用保护接地线电阻分析

卢军军1， 王志荣2， 高铭晶2

(1.中天科技专网事业部，江苏 南通 226010；2.中天科技装备电缆有限公司，江苏 南通 226010)

基于国际电工委员会( IEC标准)未对船舶电气设备的接地线电阻提出明确要求，通过人体触电模型及设备对地短路对船用电气设备接地电阻的取值进行了探讨。首先，介绍了IEC标准对接地线导体截面积的要求；其次，结合人体允许电流阈值以及设备对地故障电流分析等对电气设备的接地电阻进行分析；最后，对某船舶消防泵的接地电阻进行分析，得出根据IEC 60092-352要求的截面积选取的接地线可防止人员触电危险。

船用电缆；保护接地；电阻

0 引言

随着船舶行业的迅速发展，越来越多大功率的电气设备应用于船舶。由于绝缘的损坏或老化会使得电气设备的金属外壳存在带电的风险，因此为了避免设备外壳带电对人身安全造成伤害，必须将正常情况下不带电的金属外壳或构架与船体结构进行电气连接。如何科学地选择导体的截面积以及进行接地以满足安全需求是值得探讨的。

1 规范及标准要求

接地线导体截面积是影响接地效果的一个重要因素，IEC标准对此有着严格的要求。

1.1 IEC 60364标准对接地线要求

接地线导体截面积的确定需分析故障电流产生有害的热能、机械应力和电应力造成的危害。IEC 60364-5-54:2011中对接地保护导体的截面积选择规定为[1]：保护导体的截面积不应该小于由如下两者之一所确定的值

①按IEC 60949；

②或仅对短路时间不超过5 s时，可按式(1)所确定：

(1)

式中：S为接地线导体截面积，mm2；I为通过保护电器的阻抗可忽略的故障产生的预期故障电流交流有效值，A；t为保护电器自动切断时的动作时间，s；k为由保护导体、绝缘和其他部分的材料以及初始和最终温度决定的系数，系数k的计算见式(2)：

(2)

式中：ρ20为导体材料在20 ℃的电阻率，Ω·mm；β为导体在0 ℃的电阻率温度系数的倒数，℃;QC为导体材料在20 ℃的体积比热，J/(kg·℃)；θI为导体的初始温度，℃；θF为导体的最终温度，℃。

1.2 IEC 60092-352标准对接地线要求

IEC 60092-352标准对船舶电气设备中接地线导体截面积的要求见表1。表中，Q为船舶主电网电缆单芯截面积，mm2。

表1 IEC 60092-352对船舶设备接地线导体截面积的要求

从上述两方面可知，IEC标准对接地线导体截面积都有着明确或间接的要求，但是对影响接地效果的接地线导体的电阻的要求并不明确。本文将通过人体触电模型及设备对地短路电流对船用电气设备接地导体的电阻的取值进行探讨。

2 建模分析

2.1 人体触电模型

船舶电气设备的金属外壳短路带电是一种对操作人员的人身安全具有较大安全威胁的故障。船用大功率设备大都配置保护装置，当船用电气设备发生短路故障时保护装置自动切断电源。然而保护装置一般会设定一定的延时动作时间。假如此时工作人员触碰到带电的金属外壳，就有可能发生触电的危险。触电事故通常发生在手到脚之间，其人体触电模型如图1所示。假设图1中的故障电流为It，接地线导体的电阻为R1，人体电阻为R2，接地线中通过电流为I1，人体中通过的电流为I2，则人体触电模型可以简化为图2所示的电路图。

根据图2由基尔霍夫定律可知,人体中通过电流用式(3)表示为：

(3)

接地线导体电阻R1可用式(4)表示为：

(4)

式中：It为故障电流，A；I2为人体可通过的电流阈值,A；R1为接地电阻，Ω；R2为人体电阻，随着电源电压的升高而降低，且与环境有关，可选1 000 Ω。

2.2 人体可通过电流阈值

根据GB/T 13870.1—2008可知，人体通过电流的可摆脱阈值为5 mA，人体可承受的交流电流大小与电流的持续时间有关，其关系图如图3所示，表2为图3的解释。由图表可知，人体可通过电流大小与电流持续时间有关，时间越短，人体可承受的电流值越大。

区域范围生理效应AC⁃10．5mA的曲线a的左侧有感知的可能性，但通常没有被“吓一跳”的反应AC⁃2曲线a至曲线b可能有感知和不自主地肌肉收缩，但通常没有有害的电生理学效应AC⁃3曲线b至曲线c有强烈的不由自主的肌肉收缩，呼吸困难。可逆性的心脏功能障碍。活动抑制可能出现。随着电流幅度而加剧，通常没有预期的器官破坏AC⁃4曲线C1以上可能发生病理⁃生理学效应，如心博停止，呼吸停止以及烧伤或其他细胞的破坏。心室纤维性的颤动概率随着电流幅度和时间增加曲线C1⁃C2AC⁃4．1心室纤维性颤动的概率增大到约5%曲线C3⁃C4AC⁃4．2心室纤维性颤动的概率增大到约50%曲线C3的右侧AC⁃4．3心室纤维性颤动的概率增大到约50%以上电流的持续时间在200ms以下，如果相关阈值被超过，心室纤维性颤动只有在易损期内才能被激发。关于心室纤维性颤动，与在从双手到双脚的路径中流通的电流效应相关，对其他电流路径，应考虑心脏电流系数

2.3 保护装置的设定

假设某设备短路延时保护设定值为1 000 A,设定时间为500 ms，根据图3可知在500 ms内人体可通过电流为20 mA，400 V时人体手到手之间的阻值约为1 250 Ω,到脚之间的阻值R2约为1 000 Ω，则R2取1 000 Ω，It取1 000 A，I2取20 mA。

由式(4)可知，接地导体电阻上限值为：

由于船舶大功率电气设备的使用，有可能产生较大的预期故障电流，因此需分析大故障电流时接地线的电阻上限值。

Icu为电气设备短路故障电流。假设预期故障电流It=Icu=36 000 mA，取I2为人体可摆脱阈值5 mA，则

通过上述计算可知，在选择船用电缆的接地线时还要考虑接地线应该与设备的保护装置相匹配。设备保护装置设定的开关保护动作值越大，则设备与地之间的接地电阻值应该越小。

3 实例分析

3.1 船舶配电线路与地之间的电容与容抗

船舶常采用中性点对地绝缘系统。当设备外壳带电时候，由于配电线路与地之间存在着分布电容C，人体与系统构成交流回路，因而当人体接触到带电的金属外壳时就会发生触电事故，其触电电路图如图4所示。

若设备有接地线导体电阻R1,人体电阻R2与接地线电阻并联，由于接地线导体电阻远小于人体电阻，则通过人体中的电流就接近于0，从而就有效防止了触电事故的产生，其保护电路图如图5所示。

船舶电气设备常用的接地方式是就近接地。某船采用三相三线制绝缘系统，电网参数为440 V、60 Hz，电力电缆长度为12.8 km，一般电缆的单位电容Cu为400 pF/m，则船舶电网与地之间的分布电容可按式(5)估算为：

C=LCu

(5)

式中：C为船舶电网与地之间的分布电容，F；Cu为电缆的单位电容，Cu=400 pF/m；L为电缆长度，L=12.8 km。

经计算，C=5.12×10-6F

船舶电网与地之间的容抗按式(6)计算：

(6)

式中：Xc为船舶电网与地之间的容抗，Ω；f为船舶电网系统的频率，f=60 Hz。

经计算，Xc=518.08 Ω。

正是由于上述船舶配电线路与地之间电容及容抗的存在，所以在人体接触到电网中带电设备的金属外壳时候，断电保护装置尚有延迟时间，在该延迟时间段内就会发生触电事故。

3.2 以船舶消防用泵为例的接地线电阻分析

选择上述船舶某消防用泵为例进行接地线电阻分析，其设备及电缆参数分别表3、表4。

表3 电动机参数

表4 电缆参数

消防用泵阻抗为：

(7)

(8)

(9)

式中：XM为电动机阻抗，mΩ；RS为电动机电阻，mΩ；RR为电动机瞬态电阻，mΩ；ηM为电动机效率；cosφM为电动机额定功率因素，通常ηMcosφM值取0.76。

经计算，XM=167.2 mΩ，RS=37.9 mΩ，RR=23.4 mΩ。

电动机至主汇流排连接电缆阻抗为：

(10)

(11)

式中：Re为并联电缆系统电阻，mΩ；Xe为并联电缆系统阻抗，mΩ；r为电缆单位长度电阻，mΩ/m；L′为并联电缆系统长度，L′=54m；X为电缆单位长度电抗，X=0.098 5mΩ/m；a为并联电缆系统电缆根数，a=2。

经计算，Re=8.019mΩ，Xe=2.659mΩ。

则总阻抗Rt为：

取人体电阻R2为1 000 Ω，由于接地电阻R1远小于Rt，因此，近似地有：

取人体安全电流5 mA，则根据式(4)，接地电阻Rt上限值为：

根据规范可知，该设备应选取的电缆接地线导体截面积为70 mm2，导体电阻r1为0.297 Ω/m，则接地线电缆长度l的上限值为：

通常情况下就近接地形式的接地线较短，因此按照IEC 60092-352要求的导体截面积选取的接地线，可以防止人员触电危险。

4 结语

通过本文的分析可知，用于设备保护接地的导体的选择主要与设备预期接地故障电流的大小有关。随着船舶功率越来越大，船舶电网的复杂程度增加，电网与地之间的分布电容将随着电缆的增多而增大，从而可能引起设备对地故障电流的增大。因此，对于大功率的船舶而言，除按照IEC标准要求选择接地线导体的截面积外，还应该对设备接地线导体的长度进行理论分析。由于接地电容难以精确估算，在实际应用时也可以挑选典型设备，通过实测接地故障电流，从而精确计算出船用电缆接地线电阻的上限值，并选择合适的接地线导体的截面积。

[1] 中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司.船舶设计实用手册：电气分册[M]. 3版.北京：国防工业出版社出版，2013.

2016-06-01

卢军军(1988—)，男，助理工程师,从事船舶及海洋钻井平台用电线电缆研究。

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