羅寧昭 劉勇 張曉鋒

（1. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢430033；

2. 海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海201913）

0 引言

大型船舶在到達(dá)港口時(shí)通常使用重油或柴油發(fā)電，來(lái)滿足船舶停泊時(shí)的用電需求。隨著低碳減排的呼聲越高，已經(jīng)開(kāi)始有港口對(duì)停靠船舶提供岸電。船舶利用岸電問(wèn)題是交通運(yùn)輸部擬在“十二五”期間強(qiáng)力推進(jìn)的節(jié)能減排新舉措。目標(biāo)是在“十二五”期間 50%左右的萬(wàn)噸級(jí)以上集裝箱碼頭、散貨碼頭和大型郵輪及客運(yùn)碼頭、長(zhǎng)江旅游客運(yùn)碼頭、要具備向靠泊船舶提供岸電的能力，我國(guó)內(nèi)河船舶80%，沿海船舶50%以上具備接用岸電能力[1,2]。

一些大型的船舶需要岸電電力系統(tǒng)提供高達(dá)10-20 MW的功率。所需要的電壓等級(jí)由船主決定，通常情況下大型船舶要求提供6～11 kV，50或60 Hz，三相三線制的交流電[3,4]。按照以往經(jīng)驗(yàn)，高壓岸電電纜是由人工從船舶上拖拽到岸上，并手工連接到岸電配電箱處，船舶離港時(shí)同樣由人工對(duì)電纜進(jìn)行操作。由于岸電電纜存在較大的分布電容，電纜在斷開(kāi)后仍然對(duì)地存在較高的電壓，對(duì)人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，必須采取措施予以消除。

本文從電纜模型出發(fā)，計(jì)算系統(tǒng)分布電容及電荷放電時(shí)間。通過(guò)大量仿真，確定的電纜安全裝置的設(shè)計(jì)原則，為岸電配電裝置安全性設(shè)計(jì)了保證。

1 電纜模型及參數(shù)

如圖1所示，利用T型電路作為岸電電纜的集中參數(shù)等值電路[5]。電纜對(duì)地參數(shù)等效成一個(gè)對(duì)地電容Cg和一個(gè)對(duì)地電阻Rg。

由于岸電電纜需要從船上的岸電箱一直連接到港口上的岸電配電箱，距離較遠(yuǎn)。當(dāng)停止岸電供電，將電纜從負(fù)載和電源端分?jǐn)嚅_(kāi)時(shí)，由于對(duì)地分布電容Cg的存在，會(huì)保存一定能量。這部分電能會(huì)對(duì)插拔和拖拽電纜的人員造成危害。

圖1 電纜等值電路

電纜中殘余電荷的釋放時(shí)間與對(duì)地電容和對(duì)地電阻密切相關(guān)，因此需要估算線路對(duì)地電阻和對(duì)地電容。

電纜對(duì)地電阻計(jì)算公式如下所示[6]。式中：Rg為系統(tǒng)對(duì)地電容；D為電纜外徑；d為電纜內(nèi)徑；L為電纜長(zhǎng)度；n為每項(xiàng)并聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)；K為絕緣電阻常數(shù)。

通常情況下，額定6 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套的電力電纜，在20 ℃條件下，當(dāng)導(dǎo)體截面積120 ～240 mm2時(shí)，絕緣電阻一般不小于500 MΩ/km。

電纜對(duì)地電容按照同心圓柱體電容計(jì)算公式計(jì)算。

式中：Cg為系統(tǒng)對(duì)地電容；ε為電纜絕緣材料相對(duì)絕緣介電常數(shù)；ε0為空氣的介電常數(shù)。

通常情況下，額定電壓6 kV，截面積240 mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套的電力電纜對(duì)地電容為 0.4 μF/km[7]。

2 電纜放電

電纜中存儲(chǔ)的電荷會(huì)通過(guò)對(duì)地電阻 Rg釋放掉，釋放時(shí)間與電壓等級(jí)和RC時(shí)間常數(shù)有關(guān)。

假設(shè)岸電電纜與電源斷開(kāi)時(shí)，其中三相電源中的一相，電壓正處于6.3 kV的峰值。

電纜通過(guò)對(duì)地電阻放電，可以得到電壓隨時(shí)間變化的公式：

假設(shè)岸電電纜長(zhǎng)度為500 m，根據(jù)第二節(jié)的計(jì)算，電纜對(duì)地電阻為1000 MΩ，對(duì)地電容為0.2 μF，因此可以計(jì)算時(shí)間常數(shù)得：

利用PSCAD對(duì)電纜放電過(guò)程進(jìn)仿真。

圖2 仿真原理圖

在A相對(duì)地電壓正向峰值時(shí)線纜斷開(kāi)，當(dāng)開(kāi)關(guān)為理想開(kāi)關(guān)時(shí)，放電電壓波形如圖3所示

圖3 放電電壓波形圖

從圖3可以看出900 s后，系統(tǒng)電壓才降落到60 V以?xún)?nèi)，放電速度十分緩慢。電容中存儲(chǔ)的能量可以根據(jù)式（6）計(jì)算

3 人體安全

當(dāng)人體接觸帶電體時(shí)，人體就被當(dāng)作電路元件接入回路。人體阻抗通常包括內(nèi)部阻抗和皮膚阻抗。人體內(nèi)部阻抗主要以電阻形式存在，同時(shí)有少量電容。一般認(rèn)為干燥的皮膚在低電壓下具有相當(dāng)高的電阻，約為100 kΩ但皮膚電阻取決于電壓、頻率、接觸壓力、潮濕程度、溫度情況以及皮膚的類(lèi)型。觸電電壓高于50 V（50 Hz）時(shí)，皮膚電阻迅速下降，高于1000 V時(shí)皮膚電阻基本可以忽略不計(jì)[8]。

圖4 能量時(shí)間波形圖

根據(jù)IEC統(tǒng)計(jì)人體觸電電壓在3000 V以上時(shí)，手到腳電阻平均值為1000 Ω。當(dāng)人體在艦船上觸電時(shí)，通常為單手觸碰帶電導(dǎo)體，雙腳接地。此時(shí)人體電阻約為手到腳總電阻的75%，既在忽略人體內(nèi)部電容和外部鞋襪、手套的條件下，可以近似認(rèn)為人體是一個(gè)R1=750 Ω的電阻元件。

圖5 岸電電纜人體觸電示意圖

圖5為觸電示意圖，人體在觸碰岸電電纜裸露部分時(shí)，電纜對(duì)地電容會(huì)通過(guò)人體放電。流經(jīng)人體電流如圖6所示。

圖6 流經(jīng)人體電流

人體在2 ms時(shí)觸碰岸電電纜裸露部分，由仿真波形可知，流經(jīng)人體最大電流接近7 A，故障電流作用時(shí)間為1 ms。根據(jù)電流的生理學(xué)作用，流經(jīng)人體電流大于4 A時(shí)，心臟會(huì)發(fā)生麻痹，電流流過(guò)時(shí)心臟將停止跳動(dòng)，短暫電擊后可恢復(fù)。雖然電流作用時(shí)間較短，出現(xiàn)心臟停止跳動(dòng)的可能性較小，但由于電壓較高，接觸時(shí)容易在電纜和人體之間產(chǎn)生電弧。電弧的高溫會(huì)對(duì)人體皮膚產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

由此可見(jiàn)，為保證岸電操作人員的人身安全，岸電電纜被插拔后，一個(gè)可靠的接地放電裝置是必要的。

4 放電裝置

停止岸電供電需要首先斷開(kāi)船上的岸電開(kāi)關(guān)K2，然后斷開(kāi)碼頭配電箱中的開(kāi)關(guān) K1，最后在斷開(kāi)岸電電纜并將電纜收回船上。整個(gè)操作過(guò)程均由人工完成，操作人員有被電擊的可能，需要設(shè)計(jì)電纜的放電裝置。

圖7 岸電連接示意圖

由斷電的操作順序可知，該放電裝置應(yīng)當(dāng)位于碼頭的配電箱處。放電裝置與斷路器K1聯(lián)鎖，放電工作在對(duì)開(kāi) K1操作后能自動(dòng)完成。船員在斷開(kāi) K1開(kāi)關(guān)后的下一個(gè)動(dòng)作就是拆卸配電箱的電纜接頭，因此放電速度要迅速，應(yīng)在1 s內(nèi)將電纜電荷釋放掉。

與此同時(shí)為保證放電裝置長(zhǎng)期可靠工作，放電電流不宜過(guò)大，防止在與電纜的接觸面處產(chǎn)生電弧燒蝕，放電電流應(yīng)控制在1 A以下。

斷電的操作由多人配合完成，操作碼頭配電箱和船舶岸電箱的是兩個(gè)人。由于配合失誤，出現(xiàn)了未斷開(kāi)船舶岸電箱開(kāi)關(guān)之前，就斷開(kāi)碼頭配電箱開(kāi)關(guān)的事故，岸上人員被船上的電源電擊傷。為防止此類(lèi)事故，放電裝置在設(shè)有在線警告的功能外，同時(shí)當(dāng)船上發(fā)電機(jī)在線時(shí)，放電電阻應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間承受相應(yīng)的功率。

放電裝置示意圖如圖8所示，額定6.3 kV的岸電系統(tǒng)放電電阻應(yīng)選取400 kΩ左右，可以保證電容為0.5 μF的電纜在1 s之內(nèi)電壓下降到安全電壓之下，同時(shí)為保證船上發(fā)電機(jī)在線時(shí)放電電阻不至燒毀，電阻功率應(yīng)選擇在100 W。

電源在線的報(bào)警裝置連接在放電裝置上，當(dāng)發(fā)電機(jī)在線時(shí)，會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，警示操作人員斷開(kāi)船上的岸電開(kāi)關(guān)。整流裝置前級(jí)應(yīng)連接分壓裝置。

圖8 放電裝置示意圖

放電裝置A、B、C三個(gè)觸點(diǎn)應(yīng)在短路器K1手動(dòng)斷開(kāi)時(shí)自行接觸到岸電電纜的界限端子排上，對(duì)電纜進(jìn)行放電，保護(hù)操作人員安全。

5 結(jié)論

由港口提供岸電將是船舶停泊用電的必然趨勢(shì)，由于電容的存在，斷開(kāi)的岸電電纜中存儲(chǔ)了大量電荷，需要放電裝置對(duì)電荷進(jìn)行快速釋放，以保護(hù)操作人員的安全。

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[2]張一禾. 我國(guó)現(xiàn)階段船舶利用岸電問(wèn)題探討[J].中國(guó)水運(yùn), 2010, 9： 22-23.

[3]DevPaul,Peniamin R Chavdarian, VahikHaddadian.Cable-Capacitance Discharge Time With and without the Application of Grounding Device[J], 2010

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[5]何仰贊, 溫增銀. 電力系統(tǒng)分析[M]. 華中科技大學(xué)出版社, 2002.

[6]The Okonite Company, Engineering Data for Copper and Aluminum Conductor Electrical Cables[M].Bulletin EHB-98

[7]趙讓民, 高慶華等. 煤礦高壓電網(wǎng)對(duì)地電容電流實(shí)用計(jì)算方法的研究[J]. 工礦自動(dòng)化, 2010, 8： 61-64.

[8]IEC 479-1： 1994 Guide to Effect of current on human beings and livestock- Part1： General aspects.