分布电容引起的典型船舶电气故障分析

安连彤，孔建华，赵志强，孙成琪

（广东海洋大学海运学院，湛江 524005）

1 前言

船舶大型化和电气设备的复杂化使船舶供电网中的分布电容不断增加，产生的漏电电流会导致各种类型的电气故障。然而人们对船舶电气系统的分布电容却并未引起足够的重视，甚至很多船舶的电路设计忽略了分布电容的影响。本文通过实例分析由分布电容所引起的典型船舶电气故障和应对措施。

2 分布电容

分布电容是指两个存在压差而又相互绝缘的导体所构成的一种类似电容形态的分布参数。电缆电线与电线之间、电线与电缆屏蔽层之间、电缆与线架、电缆与船体之间都存在着分布电容。例如，一根带屏蔽层的4 芯电缆内部可形成10 个分布电容，如图1 所示。电缆的分布电容，可通过下式计算[1]。

式中：C为电缆单位长度的分布电容（F/m）；λ为电缆总的绞合系数；εr为组合绝缘介质的等效相对介电常数；a为两导线中心距离（mm）；d为线芯直径（mm）；ψ 为由于接地金属屏蔽和邻近导线产生影响而设置的修正系数。

单位长度电缆的分布电容与电缆结构及其绝缘材料有关。对于相同型号的电缆，可以认为分布电容和电缆长度成正比。

图1 分布电容的形成

3 分布电容引起的典型船舶电气故障

3.1 继电器误动作

（1）故障实例

某船液压舱口盖电气系统在甲板各舱盖处设置了7个应急停止按钮，7 个按钮串联在同一线路中，如图2 所示。当按下任意一个按钮时，电路中的继电器失电，其常开触头断开，切断主接触器控制电源使驱动主油泵的电机停转。在实际操作过程中发现，1#到5#按钮运行正常，而按下6#和7#按钮时很多情况下继电器会继续保持吸合状态，无法断开电源。经检查，按钮开关及其周围线路并无故障，初步怀疑故障原因是由于电缆分布电容所引起的。

图2 液压舱口盖电气布置图

搭建试验台测得该继电器的释放电流为1.9 mA，小于6#和7#舱应急停止按钮处的最大漏电电流，所以6#和7#舱应急停止按钮不能可靠工作，偶尔6#和7#舱的应急停止按钮也能正常动作，这可能与船体振动、电网电压波动、电网频率干扰等多种因素有关。

（3）应对措施

① 在继电器两端并联4～8 k的泄放电阻来分流大部分的漏电电流[2]，若泄放电阻再串联一个0.47μF 的电容则效果更佳。但在实船环境下应注意船舶振动可能导致并联电阻脱落；

② 更换线圈功率更大的继电器，即采用与额定工作电压一致而线圈内阻小很多的继电器来替代原来的继电器。该种方法简单有效，实际处理中也是采用这种方法解决了问题。

3.2 LED指示灯故障

（1）故障实例

某船驾控台的应急消防泵运行指示灯在应急消防泵停止状态下出现辉光。出于安全考虑，船舶夜航时驾驶台尽量处于全黑状态，LED指示灯发出的辉光会影响驾驶员的值班瞭望。

（2）故障分析

船用的LED指示灯一般是经过电阻器或阻容耦合器降压后供给LED 使用。普通LED 的最小工作电压为1.2～1.7 V、最小工作电流不到5 mA、启辉电流更是低至1 mA，因此任何原因产生的微弱电流都可能使LED指示灯发出辉光。对电路进行漏电测试发现电路绝缘良好，不存在漏电现象；在断电状态下测量电源两端电压，发现电压值较低，不足以对指示灯产生影响，据此排除了感应电压导致故障的可能性；断开LED 指示灯测量电容值，确定故障是由分布电容引起的。

（3）应对措施

① 采用启辉电流更大的LED 指示灯，或将LED指示灯更换为白炽灯；

② 在LED 指示灯两端并联泄放电阻，消耗漏电电流。实际处理中LED 灯的工作电压为24 V，在其两端并联了800 Ω 的电阻消除了指示灯的故障。

3.3 接地指示灯故障

（1）故障实例

某船在厂调试期间，当阀门遥控控制柜的空气开关合闸时，220V 配电屏上的接地指示灯亮度出现明显偏差，但是实际测试中并没有发现接地故障。

（2）故障分析

根据接地指示灯的工作原理[3]，当三相电缆中某一相上的分布电容大于其它两相时，该相的漏电电流较高，接地指示灯亮度也比较大。阀门遥控控制柜安装在主甲板压载控制室，遥控阀门安装在机舱和管隧中，二者相距较远且每一个遥控阀门都自带一个电动机驱动的油泵。由于全船有多达近百个遥控阀门，因此会产生较高的分布电容。该船在电路设计时忽略了分布电容的影响，仅考虑到整套装置功率很小而使用了单相220V 照明电力系统，该电力系统的电缆在船上分布最广、用量最大，因此也更容易产生分布电容。

（3）应对措施

① 修改电路，使用三相220 V 电力，并注意均匀分配接线长度。实际处理中采用该种方法，经反复的调整接线，使得接地指示灯的亮度恢复一致；

② 通过配电盘上的绝缘表监视电网绝缘值，接地指示灯仅作为绝缘表的后备测量手段；绝缘表在设计时，充分考虑到电缆分布电容的影响，可以消除分布电容给测量带来的误差。

3.4 仪表读数故障

（1）故障实例

当使用兆欧表测量主发电机的绝缘电阻时，兆欧表的读数从零缓慢上升，超过1 分钟后才达到稳定状态。

（2）故障分析

由于主发电机线圈存在较高的分布电容，在测量时兆欧表首先将对该分布电容进行充电，读数随着充电的进行缓慢上升，充电完成后指针才能稳定，此时兆欧表显示的数值才是真实的绝缘值。如果使用机械式兆欧表进行测量，当停止摇动手柄后，兆欧表内的手摇发电机停止发电，表针下方连接的比例线圈的电压线圈失电，而电流线圈受到分布电容放电作用，导致整个比例线圈失衡，因此指针会马上转向最大值，甚至撞击到限位器上。

（3）应对措施

① 在对电力电缆测量时，要将兆欧表保护环接在电缆的绝缘层上以消除误差；

② 在对大功率电机进行测量时，应等指针稳定后再进行读数；测量结束后，应迅速脱开测量夹头，以防分布电容放电损坏仪表；

③ 测量前先用试电笔测试电路是否带电，对于分布电容较小的设备，这种操作相当于对电容进行放电。

4 结论

大多数分布电容导致的故障都是因为在电路设计时忽略了分布电容的影响，因此可以从以下几方面消除分布电容的影响：

（1）优化电路布置。减小交流回路的长度，并尽量选用两芯电缆以及阻抗小、释放电压高的继电器；

（2）采用直流控制代替交流控制。虽然分布电容对于直流控制回路也会有影响，但较交流控制回路影响要少得多；

（3）采用隔离变压器和中间继电器对电路进行分割。可以有效减小单个回路的分布电容，降低其影响；

（4）某些情况下可以将控火改为控零。该方法易于实现但存在安全隐患；

（5）加强对电气设备系统的测试和验收。例如：本文中的第一个案例，在设备厂调试期间，该套设备并未模拟实船环境铺设长电缆，而仅在较短的试验线路上安装应急停止按钮进行测试，所以是不可能测试出故障的；而在船厂测试期间，电源采用的是通过逆变技术得到的岸电，其波形为方波或梯形波而不是正弦波，从而使故障现象不明显。