袁立軍，羅寧昭，劉佳，丁洪兵

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艦船中壓電力系統(tǒng)岸電供電系統(tǒng)接地方式研究

袁立軍1，羅寧昭2，劉佳3，丁洪兵4

（1. 海軍駐上海江南造船（集團）公司軍代表室，上海 201913；2. 海軍工程大學，武漢 430033；3. 海軍駐438廠軍代表室，武漢 430000； 4. 海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，上海 200136）

本文根據(jù)國外中壓船舶的發(fā)展現(xiàn)狀，以及軍用中壓電力系統(tǒng)艦船供電特點，給出了一種岸電供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其接地方式。通過仿真驗證，該供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠有效抑制單相間歇性接地故障對系統(tǒng)產(chǎn)生的危害。

中壓 接地 艦船

0 引言

目前，國內(nèi)外大型民用船舶靠港后，船上強大的柴油發(fā)動機必須持續(xù)運行，以保持船舶大功率機泵及其他設(shè)備和支持系統(tǒng)的正常運作[1]。柴油發(fā)電機組供電時，柴油在燃燒過程中產(chǎn)生大量硫化物和氮氧化物，對周邊環(huán)境造成污染。國際海事組織（IMO）數(shù)據(jù)表明：NOx和SOx是主要的污染物，全球以柴油為動力的船舶每年向大氣排放1000萬噸NOx、850萬噸SOx；污染物通過氣候作用可以傳播至1000 km以外的地區(qū)［2］。隨著民用海運業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展，船舶廢棄排放也對環(huán)境污染的控制造成了巨大壓力。港區(qū)要求靠港民用船舶關(guān)閉輔機而使用岸電的呼聲日益強。與此同時，海軍艦艇長期?？炕貢r, 從經(jīng)濟性和設(shè)備維護的角度出發(fā)，艦上的用電也需要依靠基地陸地電網(wǎng)提供[3]。帶有中壓電力系統(tǒng)艦船的服役給港口岸電供電系統(tǒng)帶來了全新的挑戰(zhàn)。無論是在民用還是在軍用領(lǐng)域，中壓岸電系統(tǒng)接地方式研究都剛剛起步，沒有相關(guān)標準作為參考。岸電供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、電網(wǎng)接地方式及相關(guān)標準的研究已經(jīng)成為世界船電界的研究熱點[4-9]。

本文將針對艦船中壓電力系統(tǒng)岸電供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)接地方式進行深入的探討，為艦船岸電供電標準制訂提供理論依據(jù)。

1 民用中壓船舶岸電接地方式

民用港口供電系統(tǒng)接地保護專家Dev Paul P.E經(jīng)過多年研究得到如下結(jié)論[9]：

岸電供電系統(tǒng)分布電容較大，系統(tǒng)不應采用浮地方式運行。如果系統(tǒng)對地電容電流大于10 A，根據(jù)工業(yè)標準，接地系統(tǒng)將采用低電阻接地。由于船只頻繁進出港口，分布電容會隨著船只進出港而發(fā)生改變，因此，為防止高電阻接地方式中電阻值頻繁發(fā)生變化，即使對地電容電流小于10 A，也應采用低電阻接地方式。

為了減小雜散電流，需要測量接地裝置與船殼之間的電阻，如果電阻過大時應當在船殼與大地之間設(shè)置獨立的連接線以降低雜散電流。

接地裝置需要被連續(xù)監(jiān)測，以防止接地裝置發(fā)生斷線或短路，給系統(tǒng)帶來災難性后果。

2 軍用艦船岸電接地方式

軍用艦船靠港時依靠岸電工作，是目前低壓艦船普遍采用的方式。而岸電一般采用中性點直接接地方式，岸電保障艦船供電時，岸電變壓器中性點直接接地，艦船上的用電設(shè)備通過船體，海水又與大地連接做保護接地。多艦同時停靠時，各艦岸電電纜并聯(lián)連接在同一變壓器引出的不同接線樁頭上面。圖1為現(xiàn)階段低壓艦船典型的岸電供電系統(tǒng)圖[5]。

當系統(tǒng)電壓等級升高到6 kV時，原有的岸電電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不再適用。碼頭上變電站變壓器中性點采用直接接地方式。接地故障電流大，容易產(chǎn)生跨步電壓，嚴重危害岸上工作人員安全。

3 軍港岸電供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與接地方式設(shè)計

根據(jù)Dev Paul的研究結(jié)論，雖然高電阻接地方式優(yōu)勢較大，但岸電變壓器不適合與艦上采用相同的高電阻接地方式。主要原因是多艦同時停靠并聯(lián)供電時，各艦船對地電容疊加導致總對地電容過大，而且艦船在靠港和離港時對地電容發(fā)生變化，高電阻接地方式需要頻繁整定[10]。

艦船靠港后，艦員依舊長期工作和生活在艦船上，岸電電纜很容易在拖拽過程中破損，同時艦上進行設(shè)備例行維修也存在著電纜單相接地的風險，岸電變壓器采用低電阻接地方式在發(fā)生接地故障時會導致艦船失電，影響艦員正常工作。另外，低電阻接地方式接地故障發(fā)點電流過大，不但破壞設(shè)備，巨大能量的電弧會對故障點附近的工作人員造成危害。因此必須設(shè)計岸電供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及接地方式，以滿足中壓電力系統(tǒng)艦船靠港需求。

在軍船有關(guān)規(guī)范中有下述規(guī)定：“電力系統(tǒng)的設(shè)計應保證艦船在各種工況下供電的連續(xù)性”[5],能夠保證艦船在各種工況下的供電連續(xù)性的接地方式只有高電阻接地和諧振接地。

岸電電纜長度較短，電纜部分還可認為是架空線，對地電容一般不大。架空線對地電容一般在0.0055 μF/km~0.003 μF/km之間。因此具備采用較為經(jīng)濟、整定簡單的高電阻接地方式的條件。本文針對大型艦船特點，設(shè)計出一種靈活的岸電共電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖3為系統(tǒng)電氣圖，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有以下特點：

1）由于大型艦船電力系統(tǒng)容量較大，靠港時通常分段提供岸電，因此碼頭變電箱設(shè)置為2~4個以上，可以滿足不同型號的艦船同時?？浚冸娤漭敵鰬M量避免并聯(lián)，防止環(huán)流。

2）岸上變電箱內(nèi)的變壓器為△/Y連接，變壓器副邊采用中性點高電阻接地方式，變壓器原副邊隔離,這樣配置有利于多艦同時?？康那闆r。艦船同時靠港時并聯(lián)供電，如果配電箱內(nèi)部未配置獨立的隔離變壓器而通過同一個變壓器輸出，將會把各艦船對地電容并聯(lián)，會超過高電阻接地允許的最大故障電流值。

3）對于對地電容過大的中壓艦船，艦上的諧振接地裝置應當在岸電工作時投入運行，補償過大的電容電流，對艦船電力系統(tǒng)提供有效接地保護。

4）隔離變壓器副邊電阻取值為400 Ω-500 Ω，使得系統(tǒng)接地參數(shù)與使用艦電的情況保持一致。

5）岸電供電時發(fā)電機出口開關(guān)斷開，發(fā)電機中性點接地裝置與電網(wǎng)隔離。

4 岸電系統(tǒng)接地故障仿真及結(jié)果分析

由于采用隔離變壓器，艦船電力系統(tǒng)使用岸電時發(fā)生接地故障情況與使用艦電基本相同?，F(xiàn)對岸電電纜發(fā)生破損后，產(chǎn)生接地故障進行仿真。故障電弧在A相與地之間連續(xù)重燃，重燃時刻為A相電壓波形負半周最低點，0.5周期后電弧熄滅。系統(tǒng)額定電壓為6.3 kV，電弧電阻為0.1歐姆。圖2為變壓器副邊相對地電壓和相間電壓的線電壓仿真波形。從圖中可以看出由于接地裝置設(shè)置得當，使得岸電電纜的接地故障對艦上電源品質(zhì)影響極少。

5 結(jié)論

為保障軍用港口岸電電力系統(tǒng)工作安全穩(wěn)定，應在碼頭設(shè)置多個隔離變壓器，并在隔離變壓器副邊中性點連接高電阻接地裝置，以抑制岸電電纜發(fā)生對地電弧重燃故障時產(chǎn)生的過電壓。該種岸電供電網(wǎng)接地方式可使保護裝置在岸電和艦電供電時保護整定具有一致性，且該接地方式有良好的供電連續(xù)性，同時受艦船分布電容變化影響小，適合在軍港使用。

[1] 李恒煥．大型船舶靠港使用岸電的研究[J]．上海造船，2011, 2:53-54．

[2] 崔亞欣，孫永濤．高壓岸電上船及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．港口裝卸,2012,1:28-31.

[3] 周振南．艦船連接岸電系統(tǒng)簡介[J]．艦船設(shè)計通訊，2007，2：64-66．

[4] 鄭永高．港口碼頭岸電系統(tǒng)設(shè)計探討[J]．建筑電氣，2010，1：15-20．

[5] 孫厚樨．軍船岸電連接電路的合理設(shè)計[J]．船電技術(shù)，2000，3：1-3．

[6] 賈石巖．艦船使用岸電對溫室氣體排放的控制研究[D]. 大連：大連海事大學，2009年．

[7] 譚韻璇。岸電在中國的實現(xiàn)[J]. 世界海運，2010，9：56-59．

[8] 張一禾．我國現(xiàn)階段艦船利用岸電問題探討[J]．中國水運，2010，9：22-23．

[9] 苗鳳娟. 防治到港艦船污染的岸電技術(shù)研究[D]．上海：上海海事大學，2007．

[10] Dev Paul P.E. A closer look at the grounding of shore-to-ship power supply system. industrial & commercial power systems technical conference，2009: 1-7 ．

Research on Grounding of Shore-to-ship Power Supply System

Yuan Lijun1, Luo Ningzhao2, Liu Jia3, Ding Hongbing4

（1. Naval Representatives Office in Jiangnan Shipyard CO., LTD, Shanghai 201913, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. Naval Representatives Office in 438 Factory, Wuhan 430000, China; 4. Navy Equipment Repair room, Shanghai 200136,China）

TM645

A

1003-4862（2013）01-0058-03

2012-05-07

袁立軍(1972-)，男,工程師。研究方向：艦船電氣研究。