楊鋒，羅寧昭，曹平均，劉佳，丁洪兵

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岸電接地電阻仿真研究

楊鋒1，羅寧昭1，曹平均2，劉佳3，丁洪兵4

（1. 海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2. 海軍91257部隊，舟山 316041； 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)建筑物接地時常用基礎(chǔ)接地極方式減小接地電阻的經(jīng)驗，提出岸電接地裝置接地極可以采用基礎(chǔ)接地極方式。對基礎(chǔ)接地極電阻進行ANSYS仿真計算，通過與垂直接地極電阻理論計算結(jié)果相對比，確定基礎(chǔ)接地方式的可用性，并得到了碼頭接地裝置和船殼之間不需要連接導(dǎo)體的結(jié)論。該研究將對碼頭接地裝置接地極設(shè)計提供理論依據(jù)，為岸電系統(tǒng)運行安全性提供了保證。

中壓 艦船 基礎(chǔ)接地 仿真

0 引言

連接岸電首先應(yīng)用于有固定停泊基地的海軍。當(dāng)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)，艦上的用電依靠基地陸地電網(wǎng)提供。無論是在軍用還是在民用領(lǐng)域，對中壓岸電系統(tǒng)接地方式以及接地極的設(shè)計的研究都剛剛起步，沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為參考。該領(lǐng)域的研究已經(jīng)成為世界船電界的研究熱點[1-9]。

中壓艦船岸電供電需要在碼頭設(shè)置高電阻接地裝置。為減小岸電發(fā)生接地故障時岸上跨步電壓的風(fēng)險，需要對接地裝置的接地極進行設(shè)計，以減小接地極到船殼之間的電阻。在陸電力系統(tǒng)中，為減小接地極電阻會利用建筑物鋼筋混凝土基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為接地極。該種接地方式具有接地電阻小，接地極抗腐蝕能力強等優(yōu)點。本文在計算圓柱鋼筋直接接地方式的接地電阻基礎(chǔ)上，給出了采用基礎(chǔ)接地方式的接地電阻仿真計算結(jié)果。

1 垂直接地極電阻計算

碼頭接地電阻取決于碼頭混凝土電阻率以及接地極的形狀。以常見的圓柱體垂直接地極為例。接地電阻的計算公式為[10]：

假設(shè)系統(tǒng)接地極長度5 m，直徑0.02 m，混凝土電阻率為ρ=40 Ωm。碼頭接地電阻通過式(2)計算得：

該接地極電阻計算未考慮周圍海水的影響，但通常情況下，離開接地電極距離為接地電極尺寸10倍以內(nèi)的土壤對接地電阻起很大的作用，該計算結(jié)果也能反映出垂直接地極電阻過大的事實。

2 基礎(chǔ)接地極電阻計算方法

在陸電力系統(tǒng)中，為減小接地極電阻會利用建筑物鋼筋混凝土基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為接地極。該種接地極具有接地電阻小，接地極抗腐蝕能力強等優(yōu)點。通常情況下，碼頭是由鋼筋組成立方體架子并澆筑混凝土建成。這給中性點采用基礎(chǔ)接地方式提供很好的條件。碼頭變壓器中性點應(yīng)直接連接在混凝土中的鋼筋上以減小接地電阻，如圖3所示。

3 基礎(chǔ)接地有限元仿真

與陸地電力系統(tǒng)不同，當(dāng)岸電電纜在艦船上發(fā)生單相接地故障時，接地點距離碼頭接地極的距離十分近，巨大的鋼質(zhì)船體將影響整個電場分布，通常的接地極電阻的計算不能得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。為了得到接地極與故障點間的準(zhǔn)確電阻值，建立了碼頭與艦船的有限元仿真模型，通過ANSYS對接地電阻進行計算。

假設(shè)碼頭長L=1000 m，碼頭寬=20 m，碼頭深=10 m。艦船距離碼頭=10 m，船長L=400 m，為方便計算令船吃水深度等于碼頭深度。海水電阻率ρ=0.25 Ωm，由于長期浸泡在海水中，混凝土電阻率取ρ=40 Ωm。鋼筋外圍混凝土厚度為D=1 m。鋼筋半徑=5 mm。同時假設(shè)艦船停靠在碼頭正中間。以高電阻接地為例，流經(jīng)接地極的電流設(shè)為I=10 A。碼頭鋼筋模型如圖2所示，為提高計算速度，將鋼筋間距設(shè)為1 m。

接地電流產(chǎn)生的電位分布如圖4所示，通過有限元仿真得到船體與接地極之間的電阻為：

仿真與簡化計算結(jié)果之間存在差異的原因主要是在于，理論計算時認(rèn)為接地極電場近似均勻分布，電流流過全部混凝土殼體。但通過仿真發(fā)現(xiàn)，幾乎全部故障電流都是經(jīng)過距離船體最近的部分混凝土殼體流回接地極。最大電壓梯度位于與艦船臨近的1 m厚混凝土上，方向垂直于碼頭與海水分界面。跨步距離設(shè)為0.8 m，最大跨步電壓及接觸電壓在0.1 V左右，接地性能及安全性能良好。即使采用低電阻接地方式，故障電流增加到200 A，跨步電壓及接觸電壓仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于36 V的安全電壓。

4 接地線的設(shè)置

通過對接地極電阻的計算可以看出，利用碼頭中的鋼筋作為接地極可以有效降低接地電阻，艦船與接地極之間的電阻小于10 mΩ。根據(jù)IEEE Draft Std P1713標(biāo)準(zhǔn)，電阻接地時接地回路的壓降應(yīng)小于30 V。利用鋼筋作為接地極的方法完全可以滿足條件，可以將壓降控制在10 V以內(nèi)。因此不需要在船體和碼頭之間連接接地線，海水和混凝土中的雜散電流不會引起危害人體安全的跨步電壓，同時也節(jié)約成本?？梢钥紤]將鋪設(shè)岸電電纜的金屬溝槽延伸至海水中，增強回路的導(dǎo)電能力。

5 結(jié)論

在碼頭上采用基礎(chǔ)接地方式能有效降低接地裝置的接地電阻，防止發(fā)生線纜單項故障時對人員的傷害，該種接地極十分適合在碼頭使用。

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Simulation on Grounding Resistance of Shore Power

Yang Feng1, Luo Ningzhao1, Cao Pingjun2, Liu Jia3, Ding Hongbing4

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. 91257 Navy Unit, Zhoushan 316041, China; 3. Naval Representatives Office in 438 Factory, Wuhan 430000, China; 4. Navy Equipment Repair room, Shanghai 200136,China）

TM249

A

1003-4862（2013）01-0015-03

2012-05-14

楊鋒(1977-)，男，副教授。研究方向：電力系統(tǒng)安全運行。