一种适用于船舶高压系统的中性点接地系统

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

0 引言

随着对海洋石油的不断开发，为弥补海上油气开发设施不断加大的供电缺口，建设海上浮动核电站为采油设施提供源源不断的电能是目前较为经济有效的方法。

海上浮动核电站往往采用35 kV以上高压输电方式向数公里外的多个采油设施高效输电。为保证高压远距离输电的安全性和可靠性，高压系统中性点接地方式的选取尤为关键。目前，在船电领域鲜有该电压等级的中性点接地技术研究。因此，设计出一种既能在瞬时性故障时保障系统可靠供电，又能在永久性故障时保障供电系统安全的船用高压系统中性点接地系统十分必要。

1 中性点接地方式

电力系统常用的接地方式有四种：1）中性点不接地；2）中性点直接接地；3）中性点经消弧线圈接地；4）中性点经电阻器接地[1]。

1.1 中性点不接地

中性点不接地系统如果出现单相接地故障，其它两相对地电压将变为原来的 3倍，容易造成绝缘薄弱处击穿，形成两相接地短路。一旦另一相发生接地故障，将会形成两相接地短路，在线路中产生很大的短路电流，可能在故障点处形成稳定的或间歇性电弧，严重威胁电力系统的安全稳定运行。但是，中性点不接地系统在发生单相接地故障时，电气设备的工作电压保持不变，仍可正常运行，因此其供电可靠性较高。传统的船舶低压电力系统中，综合考虑供电可靠性和安全性，一般采用中性点不接地运行方式。

1.2 中性点直接接地系统

中性点直接接地就是将中性点直接接入大地[2]。在发生单相接地短路故障时，中性点直接接地的电力系统将产生很大的单相短路电流，使继电保护器动作，从而防止单相接地故障时产生弧光接地过电压的可能。该接地方式供电可靠性相对较低，适用于110 kV及以上的单相接地故障相对较少的陆地高压电力系统。

1.3 中性点经消弧线圈接地方式

当采用电缆输电且输电距离较长、输电电压较高的系统发生单相接地故障时，接地电容电流很大，接地电弧难以自行熄灭，容易产生间歇性电弧，从而引起弧光接地过电压，甚至会发展成为多相短路。为了克服这一问题，可将电力系统的中性点经消弧线圈接地。如图 1所示，当发生单相接地故障时，由于消弧线圈与接地故障相构成了另一个回路，此时，正常相的容性电流方向与故障相中的感性电流方向正好相反，两者相互补偿，可使故障相中的接地电流减小，使电弧容易自行熄灭，从而提高供电可靠性[3]。中性点经消弧线圈接地方式适用于对供电可靠性要求较高且瞬时性单相接地故障较多的系统。

图1 中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障

在陆地城市电网中，中性点经消弧线圈接地系统因为供电的高可靠性而得到广泛采用。但近年来，随着城网规模不断扩大，需要补偿的电容电流也越来越大，消弧线圈接地系统的成本也越来越高，而且该系统容易产生线路谐振，可能造成更大的损失。此外，消弧线圈接地系统会使线路继电保护不敏感，导致对永久性故障切除不及时，因此，这种系统的应用也越来越少。

1.4 中性点经电阻器接地

当系统接地电容电流超过允许值时，也可以采用中性点经电阻接地的方式。中性点经电阻接地可以降低中性点电位、减少电弧重燃的可能性、抑制电网的过电压幅值。电阻接地系统按照电阻值的不同可以分为高电阻接地系统和低电阻接地系统，简要介绍如下：

1）高电阻接地系统：阻值＞500 Ω，接地故障电流＜10 A。高阻接地方式一般不要求立即清除接地故障，因为接地故障电流已经被限制到一个较低的值。这种方式通常用于检测和报警。按规程有2小时的故障处理时间，从而可以提高系统运行的可靠性。高电阻接地系统主要用于大型发电机回路和某些3 kV～66 kV配电网。

2）低电阻接地系统：阻值＜500 Ω，接地故障电流＞100 A。低电阻接地系统应设置有选择性的、可立即切除接地故障线路的保护装置。为满足保护的选择性与灵敏度，电阻应为保护装置提供足够大的电流。从安全性的角度考虑，电阻选取越大越好。低电阻接地系统以保护动作优先满足单相故障时对设备损害小为目标，对供电的连续性则采用双回路、重合闸、备自投等方式来满足。中性点经小电阻接地适用于瞬间性单相接地故障较少的电力电缆线路。

2 船用高压中性点接地系统

海上浮动式核电站35 kV高压输电系统基本采用电缆输电，系统电容电流比较大，采用消弧线圈自动补偿接地方式能有效降低单相接地故障时的故障电流值，使系统免于发生弧光接地过电压。当系统发生瞬时性接地故障时，能保证系统不发生跳闸停电事故，提高了系统运行的可靠性。但是采用经消弧线圈接地时，由于故障选线困难，故障检修时难以判断故障相，而当系统发生永久性接地故障时，考虑到系统的海洋高电压使用环境以及更高的绝缘和更好的安全性要求，必须在发生永久性故障时迅速跳闸切除故障。小电阻接地一方面具备继电保护的灵敏性，同时也具备降低系统弧光接地过电压的能力，但是小电阻接地会导致瞬时性故障频繁跳闸切除故障，供电可靠性得不到保证。

将这两种接地方式进行并联综合运用，则刚好可以扬长避短。出现瞬时性故障时，由消弧线圈灭弧保障系统供电可靠性；出现永久性故障时，由小电阻接地配合二次继电保护跳闸保障系统安全。相较于目前应用于海上船舶中高压系统的中性点经高阻接地或不接地方式，两种接地方式并联运用能提供更好的供电可靠性和安全性。

在图 2所示的船用高压中性点接地系统中，小电阻支路由一个由控制系统控制开合的真空开关和一个接地电阻串联组成，接地电阻值为0＜R＜500 Ω，接地故障电流大于100 A；消弧线圈支路由消弧线圈串联阻尼电阻组成。

图2 船用高压中性点接地系统

系统正常运行时，小电阻支路真空开关断开，接地小电阻不投入系统，中性点经消弧线圈支路接地。控制器根据测量系统电容电流调节二次侧电容的容量，保证接地后的残流小于3 A，整个过程中，系统不会跳闸停电。

当系统发生单相接地故障时，在消弧线圈灭弧的作用下可使故障消除，系统仍可安全运行。若系统发生永久性接地故障，在故障发生开始时，系统仍由消弧线圈接地，经过一段时间的延时后，故障仍然存在，则由控制器发出指令，闭合小电阻支路真空开关，投入小电阻支路。此时，小电阻支路上产生较大的有功电流流过接地点和接地线路，该接地电流经电流互感器送入接地继电器，接地继电器动作跳开接地线路，从而切断故障。

3 结论

本文就目前电力系统中性点接地方式进行了探讨，综合考虑供电可靠性和供电安全性，提出了适用于海上浮动核电站35 kV高压系统的中性点接地系统。

目前，海上浮动核电站涉及到的海上高压输电技术在国内尚处于起步阶段，对海上高压系统中性点接地系统还有很多研究工作要做。就本文而言，在接地电阻的选择和消弧线圈的配置上，还有很多深入的工作可以开展。

参考文献：

[1] 王良秀, 唐石青, 李冬丽. 船舶电力系统中性点接地方式研究[J]. 船电技术, 2006, 26(5): 41-44.

[2] 王鹏. 船舶中压电力系统中性点接地方式研究[J].船舶, 2007(3): 49-54.

[3] 王燕. 船舶中压电力系统中性点接地与过电压研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2010.