船舶中压电力系统接地方式及其原理分析

毛超玉

(中海电信有限公司， 上海 200135)

0 引 言

近年来，随着船上用电设备的不断增加，用电负荷的不断增大，传统的船舶低压电力系统已逐渐无法与船舶用电设备的功率相匹配，船舶的高智能化对电力品质也提出了更高的要求(包括电压幅值和船舶整体的绝缘系统)，因此用船舶中压电力系统代替低压电力系统是值得考虑的。船舶中压电力系统指的是电压等级在1 000～10 000 V的船舶电力系统，若用其代替低压电力系统，由于电压等级升高，电流值会下降，船用电缆会变细，在节约电缆成本的同时，能提升船舶运行的安全性。

对于船舶中压电力系统而言，三相交流电各相电压幅值都在1 000～10 000 V范围内，当中性点不接地时，一旦出现单相接地故障，非故障相电压就会升高约4 000 V，同时当船舶内电压幅值突增时，易使一些配置的电气设备绝缘性能不好的船舶被击穿。船舶与陆地不同，其本身是良好的导体，且船舶中压电力系统的电压升高易引发弧光放电现象。当出现弧光放电现象时，电弧会击穿空气，进而引发安全隐患。若此时不慎有船员经过，很容易导致人员伤亡。此外，若单相接地故障没有被及时发现，电弧电流过大，在击穿空气的同时，易导致相间短路，使事故进一步恶化，因此对船舶中压电力系统中性点接地方式及其原理进行研究很有必要。

1 中性点连接方式

船舶中性点连接方式可分为中性点不接地和中性点接地2种，其中中性点接地又可分为中性点直接接地、中性点经小电阻接地、中性点经大电阻接地和中性点经消弧线圈接地等4种。

1.1 中性点不接地分析

中性点不接地方式示意图见图1。

相电压是指三相交流电中各相相对地的电压值，当中性点不接地，且没有出现单相接地故障时，中性点电压为0，当出现单相接地故障时，中性点的电压变成了-，因此非故障相电压为

=+(-)

(1)

=+(-)

(2)

图2为C相单相接地故障示意图。由图2可知：接地相对地电压为零；非接地相对地电压为线电压；三相线电压对称。在单相接地之后，由于整个电力系统流通的交流电是能通过电容的，且中性点与大地之间存在着分布电容，交流电通过分布电容与中性点连接并形成回路，因此故障点的电流也称为容性电流，根据电流的定义式可算出容性电流有效值为(为角速度；为相电压)，可将故障点d视为一个节点。电流的定义式为

(3)

式(3)中：为流经导体载面的电荷；为时间。根据基尔霍夫定律，由于流过A相的电容电流与流经B相的电容电流均等于，因此d处的容性电流为

=-(+)=3

(4)

故障相对地各点的电容值不同，阻抗值也不同，因此中性点会有电压，原来的中性点电压值不再为零，原中性点也不再是中性点，这就出现了中性点偏移的现象。但是，系统三相电压仍保持对称且大小不变，对接于线电压的用电设备并不受影响。因此，船舶中压电力系统若采用中性点不接地方式，可在短时间内带故障运行，稳定送电。然而，中压电力系统相电压升高的幅值要比低压电力系统相电压升高的幅值大很多，电压高就意味着存在击穿空气的可能，并出现弧光放电现象，弧光放电也会积累大量电荷，导致过电压出现，破坏船舶电气设备。下面对弧光放电进行静态分析。

1.1.1 弧光放电静态分析

当电缆电压升高时，根据电磁感应原理，电缆附近的电场强度随之增强，电缆附近自由运动的电子会在增强的电场强度的影响下加速撞击电缆的原子，将原子中的电子撞出，被撞出的电子又会在电场的影响下加速撞击原子，如此反复，电缆周围就积存了大量的电子和失去了电子的正离子，这些电子与正离子聚在一起就形成了弧光放电，要尽量避免这种现象。

1.1.2 中性点不接地的危害

除了弧光放电以外，船舶中压电力系统在采用中性点不接地方式时还会带来其他问题，具体如下：

1) 当出现单相接地故障时，故障点的对地容性电流为正常相对地容性电流的3倍，根据焦耳定律，电流增大，电阻的热效应会随之增大，易使电缆绝缘皮被熔毁，且船舶不同于陆地，其本身是很好的导体，将3倍于正常电流的电容电流接入船体也容易对船舶电网造成损害。

2) 当系统出现单相接地故障时，电压升高易引发弧光放电，且弧光放电现象并不会自行消失，同时故障点对地电容的电流过大易引起相与相之间短路。在船舶中压电力系统中，相间短路的危害是非常大的，若没有安装漏电保护器，不仅会造成人员伤亡，而且会烧毁用电器，引发火灾，严重时会引起全高压停电，造成无法挽回的经济损失。

3) 电容接地电流相位与正常的相电压相差 90°，当电容接地电流过零时，弧光放电弧隙两端电压达到最大值，造成电弧不易熄灭，形成熄灭与重燃交替的间隙性电弧，间隙性电弧会带来危险的过电压，危及船舶和人身的安全。

4) 若有船员不小心接触到了存在故障的接地相，巨大的电容电流产生的热量会将船员烧伤，从人员安全的角度看，中性点不接地并不可取。

5) 弧光放电类似于大自然中的闪电，会放出光、能量和热，若出现了弧光放电现象，船体内空气中的氮气和氧气会发生化学反应，生成一氧化氮和二氧化氮等氮氧化物，腐蚀船舶电网线路，从而威胁船舶用电的安全性。

6) 当出现弧光放电现象时，在放电情况下会有高频脉冲电流出现，由于弧光放电产生的电流属于高频脉冲电流，会产生强烈的无线电干扰。由于船上的通信主要是靠无线电实现的，因此弧光放电也会影响到船舶通信。

1.2 中性点接地方式

1.2.1 中性点直接接地

在中性点接地方式中，最简单直接的方式是中性点直接接地(见图3)。在采用中性点直接接地方式时，当出现单相接地故障时，由于故障相电荷能直接释放，因此弧光放电现象能得到有效抑制。但是，故障相对地会形成很大的电流，该电流足以使船舶电闸直接断开，引发全船失电，且会对事故现场人员造成很大伤害。因此，这种方式一般只在陆地中高压系统中使用，并不推荐在船舶中压电力系统中使用。

图3 中性点直接接地示意图

1.2.2 中性点经小电阻接地

对于中性点经小电阻接地方式而言，由于中性点与船体之间的回路是由小电阻连成的，因此船舶主电网的过剩电荷可沿小电阻流出，有效抑制过电压的产生。没有了过电压也就没有了过强的电场强度，从而没有了弧光放电现象，同时接地的电流增大，接地的继电器的灵敏度提高，当发电机内部出现故障时能准确动作，瞬时跳闸停机。当出现单相接地故障时，非故障相电压不升高，对船舶的绝缘性要求更低，更加经济，绝缘电压等级可根据相电压选择，同时比较容易检测接地线路。但是，因电阻过小，会产生巨大的电流，船舶电网无法承受如此大的电流，致使发动机和熔断器被烧毁，发电机跳闸，无法保证船舶供电的可持续性和稳定性，给电力系统带来较大的冲击。因此，对于船舶中压电力系统而言，中性点经小电阻接地方式也不适用。

1.2.3 中性点经消弧线圈接地

对于船舶中性点经消弧线圈接地方式而言，由于线圈与电容串联会出现谐振，即当电容与线圈相位相同时，整个电路呈现纯电阻性，且中性点串联消弧线圈接地时产生的谐振为串联谐振，阻抗较小，易产生远高于非故障相电压的过电压，因此这种方式也称为谐振接地。当出现单相接地故障时，在单相接地故障出现瞬间(见图4)，故障点会产生很大的故障电容电流，该电流会经大地流到消弧线圈中。根据线圈的通直阻交原理，消弧线圈附近会产生与中性点电容电流相反的电感电流，该电流会使中性点接地处的电流变小，同时因为是单相接地，三相交流电的平衡性和稳定性都会消失，因此会抑制非故障相电压的升高。消弧线圈通过产生与接地电容电流相反的电感电流，减小接地电容电流，从而使电流的弧光放电现象不会很剧烈，减弱其对船舶绝缘系统的破坏作用，即便是在弧光放电现象消失之后，依然能通过消弧线圈本身的“抑制”作用降低故障相电压的恢复速度，即便是在1个周期之后，弧光放电现象也不会再次出现，可达到自灭的效果。没有电压升高引起的弧光放电现象，也就没有了引发相间短路的因素，同时不用担心相间短路造成巨大危害。因此，采用中性点经消弧线圈接地方式能在保证供电持续性的同时，保证作业人员的安全。但是，在采用消弧线圈时，还需考虑以下问题：

1) 在采用中性点经消弧线圈接地方式时，无法自动测量对地电容电流的大小，无法精确测量中性点偏移量，这2个参数都属于未知参数，只能依靠经验获取，或先人工手动测量电容电流的大小，再选择相应的消弧线圈抑制接地电容电流，若人工判断出错，很容易引发过补偿状况，进而不能很好地减小电容电流，同时会引发弧光放电现象，很难找到最佳补偿点投入相应的消弧线圈。

2) 不同消弧线圈的调节级数不同，虽然船舶中压电网的电压等级也不同，但仍很容易出现消弧线圈与船舶电网中压等级不对应的情况，导致补偿精度较低。

3) 若在使用消弧线圈时出现调谐的情况，船舶只能停电将消弧线圈移出，这会导致全船失电，且在单相接地故障出现的瞬间，接地电容电流很大，而消弧补偿电感电流的速度比较慢，在消弧线圈电感电流从零到逐渐能抑制住电容电流过程中会产生较大的安全隐患，若有船员从中性点接地的地面走过，会引发人员触电事故。若此时又存在船舶电网故障，电容电流较大，电感电流补偿无法抑制电容电流，电容电流过大引起的过电压同样会引发弧光放电现象，造成船舶绝缘受损，导致事故进一步恶化。

4) 消弧线圈的本质作用是抑制而非消除，在出现弧光过电压时只能限制过电压出现的频率和幅值，无法直接消除弧光放电和接地过电压，只能熄灭电弧，而不能将其彻底消除。当出现单相接地故障时，只能补偿接地电容电流，对谐波电流毫无办法。消弧线圈电感电流补偿速度较慢，需要一个启动过程，因此当出现单相接地故障时，并不能减小瞬时接地故障电容电流，接地点电容电流可突变，而消弧线圈的电感电流是逐渐变化的，不能突变，在消弧线圈投入瞬间，交流电的特性导致消弧线圈的阻抗很大，接地电容的特性导致接地电容的阻抗很小，两者不同会引发高频振荡现象，两者不会出现正好相互补偿的情况，无法消除瞬时接地电弧。

5) 运行中的消弧线圈太少，容量不足，长期在欠补偿状态下运行(欠补偿即消弧线圈电感电流小于接地电容电流，缺少补偿电流)，造成依然有残余的电容电流通过故障点。同时，因为采用的是中性点经消弧线圈接地方式，没有额外选择使用阻尼电阻，对地电容与消弧线圈易形成谐振，且是对电网的破坏力最大的串联谐振，若未及时发现单相接地故障，使船舶中压电力系统长期工作在欠补偿状态下，遇到电网故障时又变成全补偿状态，这时的中性点会有一个较大的位移，串联谐振产生的过电压远高于中性点不接地非故障相电压升高的幅值，对船舶绝缘系统的危害更大。

6) 中性点经消弧线圈接地的主要原理是根据线圈的特性，通直流、阻交流，产生一个与接地电容电流方向相反的电感电流补偿电容电流，由此抑制过电压的出现，抑制弧光放电现象。由于没有弧光放电，不会出现相间短路等易造成巨大危害的情况。同时，可通过改变线圈的匝数补偿相应的电容电流，这种方式比较灵活，也不会像直接接地那样出现巨大的接地电流，造成全船停电。但是，该方式因无法完全消除电弧，一旦电网负荷增加，会造成电容电流增大，过补偿就会变为完全补偿，存在风险。此外，该方式还存在经济问题，对整个船舶绝缘系统有较高的要求，会在一定程度上增加航行成本，不适用于所有船舶。

图4 中性点经消弧线圈接地系统示意图

1.2.4 中性点经大电阻接地

随着船舶中压电力系统的应用越来越广泛，中性点如何接地问题出现了较大的争议，因为当出现单相接地故障时，不是全船失电就是弧光放电引发相间故障，这2种故障对船舶的危害都很大，且在单相接地故障出现瞬间，接地电容电流很大，大到消弧线圈难以补偿，因此采用中压电力系统的船舶很多都采用大电阻接地方式，采用这种方式泄放线路上的过剩电荷，进而限制过电压。这种方式在国外已应用很多年，国内部分配电网也曾应用，取得了很好的效果。这种接地方式主要有以下优缺点：

1) 系统单相接地时，非故障相电压不升高或升高的幅度较小，对设备绝缘等级的要求较低，其耐压水平可根据相电压选择;

2) 接地时，由于流过故障线路的电流较大，零序过流保护有较高的灵敏度，比较容易检查接地线路;

3) 由于接地点的电流较大，当零序保护动作不及时或拒动时，会使接地点及其附近的绝缘受到更大危害，导致相间故障发生;

4) 当出现单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均会使线路的跳闸次数大大增加，严重影响用户的正常用电，使供电的可靠性下降。

在选择电阻器时，对其功率有一定的要求，功率过大易导致电阻器受损，且电阻器的损耗需满足单相对地电容中零序无功损耗的原则，因此在确定大电阻的电阻值时也要满足以上原则。在实际应用电阻器过程中有2种方式：一种是直接采用电阻值确定的大电阻器接地，在大电阻器接地的同时，为其配备接地保护装置，并为其串联互感器；另一种是采用配电变压器，在变压器的二次线圈侧接电阻器，实际二次侧选用的电阻值可以很小，当经过变压器传到一次侧之后，即相当于采用大阻值的电阻器。

若接地电阻很大，则接地电阻的电流会被限制在一个很低的水平，通常来说，接地电阻的电流会被限制在10～25 A，欧美国家认为故障电流最大为15 A，若定子绕组在该电流下持续工作，则其必定受损。相较于陆地电网，船舶中压电力系统规模有限，整体的抗损伤能力较弱，对于发电机而言，船舶绝缘的可靠性要求会更高，因此要采取措施降低故障出现的概率。相比之下，中性点经大电阻接地为船舶中压电力系统更合理的选择。船舶电站在采用中性点经小电阻接地方式时，接地故障电流非常大，即使是在故障发生瞬间发电机断开全船失电，依然会给定子铁心带来损害。大电阻接地方式虽然也会增加故障电流，但相较于小电阻接地方式，增加的故障电流较少，在发电机跳闸之后全船失电，大阻值也会将故障电流限制在一个比较小的水平，直到发电机停机，避免发电机灭磁。若采用中性点经小电阻接地方式，当出现单相接地故障时，接地电容电流过大，会对船上的无线电、雷达等通信设备产生干扰。

2 中性点经大电阻接地实例分析

以某海上钻井驳船为例进行分析，该船的发电机组由4台单机发电机并联构成，并入电网，产生的是功率为6.6 kV的三相交流电，频率为60 Hz。电网的另一端是船舶用电设备，其中变压器接地侧采用的是星形接法，即三相四线制，中性点再引出一条线接地。由于发电机产生的电压幅值已达到6.6 kV，因此该船的电力系统属于中压电力系统。由于该船为海工船，船上的重要机器比较多，当出现接地故障时，要尽可能快地将接地故障回路从系统中断开，并保证健全回路的供电。因此，该船的中性点采用接大电阻的方式接地，将一个电阻值为1 320 Ω的电阻器接入回路，而这样会增加船舶的运行成本，因为大电阻虽然能在出现单相故障时对船舶中性点接地起到很好的保护效果，但电阻器属于消耗品，会随着电阻器运行时间的增长而逐渐受损，需经常更换新的电阻器。因此，为降低成本，减轻电阻器的损坏程度，同时保证电阻器能稳定运行，采用通过接地变压器将电阻接入中性点的方式增加电阻的阻值，即上文提到的采用配电变压器的方式，以这种方式接入中性点的电阻的阻值能增加倍(为电阻器接地电压器两端的匝数比)。由此，真正接入中性点的阻值可相对小一些，额定电压会下降，从而有效控制成本，增强系统的稳定性。

该工程船的中压电力系统采用中性点经大电阻接地的方式，电力系统单线图见图5。

图5 中压电力系统单线图

2.1 中性点经大电阻接地方式分析

中压电力系统采用中性点经大电阻接地方式时，发生单相接地故障时电压、电流相量图见图6。

图6 发生单相接地故障时电压、电流相量图

根据基尔霍夫定律，可将单相故障点接地点视为一个节点，根据电流方向，发生单相接地故障时的电阻电流从左向右流入节点，电容电流从右向左流入节点，而接地故障电流从下往上流出节点，电流的矢量图如图6所示，故障电流、电阻电流和电容电流之间的相值应满足

(5)

当没有出现单相接地故障时，由于接地变压器中性点是没有电压的，因此没有电流流过接地变压器。当出现单相接地故障时，由于故障相电压是接地的，因此相电压为零；中性点因有电压而不再是中性点，导致中性点偏移产生电压，非故障相电压的相位差发生变化，不再是120°，而是60°。虽然相位差发生了变化，但依然对称，供电依旧稳定。

此外，该工程船中压电网电压=6.6 kV，电网频率=60 Hz。可据此计算出电容电流的值，当需要计算配电板上各电容的电流值时，由于变压器属于感性负载，可忽略其电容电流，只需计算发电机组的电容电流值。最后经计算，配电板上的电容电流为1.6 A。根据IEEE 142—2007的要求，船舶中压电力系统的接地故障电流需限制在10 A或10 A以下，本文在计算时直接取总接地故障电流为10 A，则计算得到接地故障电流为

(6)

式(6)中：， tot为总的电容电流。

接地变压器的接地故障容量=37.6 kVA。该船实际选用的接地变压器规格为三相 63 kVA、 AC 6 600 V/110 V，满足要求。

2.2 接地电阻、电压计算

当出现单相接地故障时，有:

1) 接地变压器副边相电压为

(7)

2) 故障相电阻两端电压为

(8)

3) 故障相电阻电流为

(9)

4) 故障相电阻为

(10)

由于船舶故障电流要限制在10 A以下，因此选择的电阻的阻值应大于2.9 Ω。同时，为防止谐振导致出现过电压，故障电阻电流要能与电容电流相抵消，即

≥, tot=16 A

(11)

将换算成变压器次级侧，可得出:

1)≥18.5 A；

2)≤17.86 Ω。

综上，选取的电阻应满足2.9 Ω≤≤17.86 Ω。该工程船选用的是规格为110 V、10 Ω的接地电阻，满足要求。

3 结 语

通过对实例计算所得参数进行分析可知，接地故障电流约为2.3 A，能保证限制接地故障电流小于等于10 A。当系统出现单相接地故障时，不必第一时间将其清除，发电机可在短时间内继续运行，供电可靠性能得到保障。对于用电负载较多的中压电力系统而言，采用中性点经大阻接地方式能起到很好的保护作用。因此，船舶中性点经大电阻接地对于船舶中压电力系统而言是比较好的接地方式，虽然在应用过程中存在大电阻器的损耗成本较高的问题，但这能通过配置变压器的方式解决。当前国内对中压电力系统采用大电阻接地方式的研究还比较少，就本文的分析而言，选择接地的位置、电阻器阻值的大小和电阻器的数量等工作都有待完善。