楊 典， 陸春霞

(惠生(南通)重工有限公司， 江蘇 南通226009)

0 引 言

一般在鋼質(zhì)船舶或海洋工程平臺電氣中的接地方式大致分為功能接地、保護(hù)接地、電磁兼容性接地。功能接地主要是指根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要進(jìn)行的接地，例如發(fā)電機(jī)或變壓器中性點(diǎn)接地等。在常規(guī)情況下，船舶或海洋工程項(xiàng)目高壓系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式，低壓系統(tǒng)為發(fā)電機(jī)或變壓器中性點(diǎn)絕緣方式(即IT系統(tǒng))。保護(hù)接地是為防止電氣裝置的金屬外殼、配電裝置的構(gòu)架等帶電可能危及人身和設(shè)備安全而進(jìn)行的接地，通常是將系統(tǒng)、設(shè)備、電纜的一點(diǎn)或多點(diǎn)接地。將在正常運(yùn)行情況下不帶電，而在絕緣損壞后或其他情況下可能帶電的電器金屬部分(即與帶電部分相絕緣的金屬結(jié)構(gòu)部分)用導(dǎo)線與接地體可靠連接起來的保護(hù)接地方式主要包括設(shè)備外殼接地、防雷接地、防靜電接地、電纜金屬護(hù)套接地等。電磁兼容性接地是為保護(hù)系統(tǒng)或設(shè)備自身不受電磁環(huán)境影響，同時(shí)也不會對在該環(huán)境中的其他事物造成電磁危害的一種接地方式。

電氣保護(hù)接地是指在船級社規(guī)范中明確要求電氣帶電部件以外的可接近的金屬部分應(yīng)接地(特殊情況除外)，電纜的金屬護(hù)套作有效接地，并對接地形式和接地導(dǎo)體截面有具體要求，另外在配電板上也要求配置絕緣監(jiān)測裝置。但是，規(guī)范并未詳細(xì)描述這些要求所對應(yīng)的故障類型，因此本文對在單相接地故障情況下設(shè)備外殼接地和電纜金屬護(hù)套接地這兩方面進(jìn)行簡單分析，并結(jié)合規(guī)范要求，闡述其適用情況。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式較中性點(diǎn)絕緣方式情況要復(fù)雜，因此針對中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式論述保護(hù)接地電氣設(shè)計(jì)要求，討論設(shè)備外殼接地和電纜金屬護(hù)套接地的要求。

1 設(shè)備外殼接地

IT系統(tǒng)發(fā)生電氣設(shè)備單相絕緣損壞或其他原因?qū)е碌牡?次單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)對地電壓接近零，當(dāng)人體接觸帶電設(shè)備外殼時(shí)，有微小的電流流過人體，并不會對人身造成傷害。如果發(fā)生第2次接地故障或保護(hù)接地電纜斷開或接地螺栓生銹等情況，當(dāng)人體接觸帶電設(shè)備外殼時(shí)，人體接觸的電壓超過人體安全電壓，將會對人身造成傷害[1]。下面就船舶電力系統(tǒng)發(fā)生第1次單相接地故障、保護(hù)接地電纜斷開、接地螺栓生銹、第2次單相接地故障等情況分別進(jìn)行討論。

1.1 第1次單相接地故障

假定電氣系統(tǒng)C相發(fā)生單相接地故障(僅考慮C相與設(shè)備外殼緊密接觸的情況)，其他相均正常，如圖1所示。

圖1 第1次接地故障示例

發(fā)生第1次接地故障的等效電路如圖2所示(忽略發(fā)電機(jī)內(nèi)阻抗和電容電流)。

圖2 第1次接地故障等效電路圖

當(dāng)人體未接觸外殼時(shí)，故障點(diǎn)(設(shè)備外殼)對地電壓(預(yù)期接觸電壓)為

(1)

當(dāng)人體接觸外殼時(shí)，流過人體的電流約為

(2)

由此可見，當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生第1次接地故障時(shí)，由于保護(hù)接地電纜電阻遠(yuǎn)小于人體電阻，流過人體的電流非常小，設(shè)備的保護(hù)接地能夠保護(hù)人員安全。此時(shí)電壓降幾乎全部在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻上，單相接地故障電流被限制在較小的范圍內(nèi)(5A左右)從而避免發(fā)生火災(zāi)等事故。如果電氣系統(tǒng)是中性點(diǎn)絕緣的IT系統(tǒng)，則電流會通過其他相的對地電容流通，此時(shí)電流將會更小，故障情況沒有中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的方式嚴(yán)重。

由式(1)可以看出，預(yù)期接觸電壓與保護(hù)接地電纜電阻成正比，因此保護(hù)接地導(dǎo)體應(yīng)采用銅或?qū)щ娏己玫哪臀g材料制成，必要時(shí)應(yīng)有防止機(jī)械損傷及防蝕措施，接地導(dǎo)體的截面積應(yīng)盡可能大(規(guī)則規(guī)范有最小截面要求)從而減少保護(hù)接地電纜電阻。便攜式電氣設(shè)備的裸露金屬部分使用軟電纜或軟電線中的連續(xù)接地導(dǎo)體進(jìn)行保護(hù)接地，由于其保護(hù)接地電纜較長，故其截面較固定電氣設(shè)備的保護(hù)接地電纜要求更大。相比陸地項(xiàng)目的保護(hù)接地而言，由于船體為鋼結(jié)構(gòu)，電氣設(shè)備的外殼可以很方便地就地接地，大幅縮短了保護(hù)接地電纜長度，保護(hù)接地電纜電阻值很小，由于人體與保護(hù)接地電纜為并聯(lián)方式，故流經(jīng)人體的電流很小。

1.2 保護(hù)接地電纜斷開

當(dāng)電氣系統(tǒng)發(fā)生第1次接地故障時(shí)，保護(hù)接地電纜(PE線)出現(xiàn)意外斷開(圖2Zpe回路斷開)，故障點(diǎn)預(yù)期接觸電壓為

很顯然，當(dāng)保護(hù)接地電纜意外斷開時(shí)，接地故障點(diǎn)預(yù)期接觸電壓均遠(yuǎn)高于人體安全電壓，保護(hù)接地電纜應(yīng)牢固可靠，并有防止松動的措施。

1.3 接地螺栓生銹

當(dāng)電氣系統(tǒng)發(fā)生第1次接地故障時(shí)，若保護(hù)接地電纜接地螺栓處生銹(銅的導(dǎo)電系數(shù)是1.72×10-8Ω·m，氧化銅的導(dǎo)電系數(shù)是1×10-3Ω·m)，生銹部位接觸電阻增大，會影響導(dǎo)電性能。接觸部位將發(fā)熱使接觸電阻(圖2Zpe串聯(lián)1個(gè)電阻，數(shù)值大約為Zpe的100 000倍，Zpe2=355Ω)更大，導(dǎo)電性能更差。此時(shí)故障點(diǎn)預(yù)期接觸電壓為

式中：Zpe2//Zf表示PE線電阻與人體電阻并聯(lián)后的電阻值。

當(dāng)保護(hù)接地電纜接地螺栓處生銹時(shí)，接地故障點(diǎn)預(yù)期接觸電壓均遠(yuǎn)高于人體安全電壓，因此不論是專用導(dǎo)體接地或靠設(shè)備底座、支架接地，其接觸面均應(yīng)光潔平貼，保證有良好的接觸，并應(yīng)采取防止生銹的措施。

1.4 第2次接地故障

若假定電氣系統(tǒng)C相已經(jīng)發(fā)生故障，此時(shí)A相也發(fā)生故障(第2次故障發(fā)生在其他相比發(fā)生在C相的情況要嚴(yán)重)，如圖3所示。

圖3 第2次接地故障示例

系統(tǒng)發(fā)生第2次接地故障(A相)的等效電路(忽略發(fā)電機(jī)內(nèi)阻抗和電容電流)如圖4所示。

圖4 第2次接地故障等效電路圖

當(dāng)人體未接觸外殼時(shí)，故障點(diǎn)(設(shè)備外殼)對地電壓(預(yù)期接觸電壓)為

當(dāng)人體接觸外殼時(shí)，流過人體電流約為

(6)

由此可見，當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生第2次接地故障時(shí)，通過人體電流過大，不能保證人員安全，此時(shí)保護(hù)電器應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)切斷電源。以上分析為兩次接地故障均發(fā)生人體接觸設(shè)備外殼帶電部位，如僅有一端發(fā)生人體接觸設(shè)備外殼帶電部位，則情況與上述基本一致。

IT系統(tǒng)應(yīng)采用以下措施來保護(hù)系統(tǒng)和人身安全[1]：

(1) 絕緣監(jiān)測：用于監(jiān)測第1次接地故障，通常當(dāng)電氣設(shè)備的絕緣水平降低時(shí)發(fā)出報(bào)警信號。

(2) 過電流保護(hù)：用于在發(fā)生第2次接地故障時(shí)按過電流防護(hù)切斷電源。

2 電纜金屬護(hù)套接地

在正常情況下電纜金屬護(hù)套(鎧裝或屏蔽)的感應(yīng)電壓很小，不會對人身造成傷害，但是當(dāng)電纜線路發(fā)生故障時(shí)，電纜金屬護(hù)套會產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。在雷電、過電壓引起的絕緣擊穿時(shí)，電纜金屬護(hù)套會產(chǎn)生電壓，因此應(yīng)確保金屬護(hù)套至少有1點(diǎn)可靠接地，保證設(shè)備正常運(yùn)行和人身安全。

2.1 單芯電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓

單芯電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓的大小與電纜金屬護(hù)套的平均幾何半徑r、相間距S、線路長度和負(fù)荷電流的大小等因素有關(guān)。電纜屏蔽層中相和邊相感應(yīng)電壓均隨相間距S增大而增大。采用等邊三角形排列時(shí)，各相感應(yīng)電壓相同，且幅值相對較低，這是船級社規(guī)范要求的敷設(shè)方式。

當(dāng)采用等邊三角形排列時(shí)，交流系統(tǒng)單芯電纜在金屬護(hù)套上任一點(diǎn)非直接接地處的正常感應(yīng)電勢計(jì)算公式[2]為

(7)

式中：E為感應(yīng)電勢，V；ω為角頻率，ω=2πf；I為導(dǎo)體正常電流，A;L為電纜金屬護(hù)套的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離，km；S為各電纜相鄰之間的中心距，mm；r為電纜金屬護(hù)套的平均半徑，mm。

若導(dǎo)體正常電流I=50A，L=0.1km，S=50mm，r=40mm，此時(shí)感應(yīng)電壓E=0.07V。

由此可見，在正常情況下，電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓非常小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)電纜處于操作過電壓或雷擊過電壓時(shí)，在金屬護(hù)套上會形成很高的感應(yīng)電壓，如金屬護(hù)套在兩端接地，則在金屬護(hù)套中會產(chǎn)生環(huán)流。感應(yīng)電壓形成的環(huán)流將會產(chǎn)生熱量，從而加速電纜老化，嚴(yán)重時(shí)可能破壞電纜絕緣，因此船級社規(guī)范明確規(guī)定單芯電纜的金屬護(hù)套只能在1點(diǎn)接地，避免感應(yīng)電壓形成環(huán)流[3]。

2.2 控制電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓

船舶大部分控制電纜為多芯線，電源與信號使用同一根電纜。在正常情況下，電源芯線的電流很小，電纜長度在幾十至兩百米左右，信號芯線的感應(yīng)電壓很小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)電源芯線的電流不平衡或者電流較大且電纜長度較長時(shí)，控制電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓將可能達(dá)到幾十伏，這往往會造成控制開關(guān)誤動作或不動作，存在很大的安全隱患。例如：金屬護(hù)套在兩端接地，感應(yīng)電壓將會在金屬護(hù)套中產(chǎn)生環(huán)流，同第2.1節(jié)所述環(huán)流會產(chǎn)生安全隱患，船級社規(guī)范明確規(guī)定對于控制儀表設(shè)備的電纜，由于技術(shù)原因，如一端接地較為有利時(shí)，則不必兩端接地[3]。

2.3 三芯電力電纜金屬護(hù)套接地

船舶在正常情況下，三相電力負(fù)荷平衡，三芯電力電纜的三相電流對稱，電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓等于零，可以在兩端接地，而不會在金屬護(hù)套中產(chǎn)生環(huán)流。

2.4 電纜金屬護(hù)套與照明系統(tǒng)保護(hù)接地線

船舶照明系統(tǒng)(尤其是生活樓區(qū)域的照明燈具等設(shè)備)一般使用電源電纜中的一芯作為連續(xù)保護(hù)接地導(dǎo)體，如使用3×2.5或2×2.5+E等形式的電纜，但也有使用電纜金屬護(hù)套代替電源電纜中的一芯作為連續(xù)保護(hù)接地導(dǎo)體的做法，在設(shè)計(jì)過程中并不推薦這種方法。電纜金屬護(hù)套由于使用非專用的導(dǎo)體類型材料，且截面很小，故其電阻遠(yuǎn)大于保護(hù)接地線的電阻，由第1.3節(jié)可以看出，當(dāng)接地電纜電阻值大幅增大時(shí)，預(yù)期接觸電壓將超過人體安全電壓，因此金屬護(hù)套不可代替保護(hù)接地線。

3 防靜電接地

一些船舶的危險(xiǎn)區(qū)域的罐、容器、管道系統(tǒng)和設(shè)備撬塊中液體、氣體、蒸氣的流體以及用于不導(dǎo)電液體的罐子或管道系統(tǒng)可能產(chǎn)生靜電，靜電產(chǎn)生的能量雖然很小，但可能產(chǎn)生較高的電位而發(fā)生靜電放電。導(dǎo)體和非導(dǎo)體之間的放電火花可能點(diǎn)燃易燃物爆炸造成事故。

導(dǎo)體間的靜電放電能量可按如下公式[1]計(jì)算：

(8)

式中：W為放電能量，J；C為導(dǎo)體間的等效電容，F(xiàn)；V為導(dǎo)體間的電位差，V。

當(dāng)電容為100pF，靜電電壓為25kV時(shí)，W=31.25mJ，在此種情況下靜電放電能量可以點(diǎn)燃一定比例的天然氣混合物。

在有可燃?xì)怏w的危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)嚴(yán)格限制靜電放電能量(空氣混合天然氣最小點(diǎn)火能量大約在0.3mJ左右)，避免點(diǎn)燃易燃?xì)怏w產(chǎn)生爆炸。易燃?xì)怏w、液體的工藝罐、容器、管道都應(yīng)接地，使用接地線連接到附近的接地螺栓上。接地點(diǎn)的位置應(yīng)便于檢查維修、清晰可見、不易受機(jī)械損傷、便于與船體連接、不妨礙正常操作、盡量避開高電阻率污染物等。由于防靜電接地一般處在可能存在可燃?xì)怏w、液體的環(huán)境，因此接地電纜及接地體材質(zhì)應(yīng)選用耐腐蝕材料，并確保機(jī)械強(qiáng)度。防靜電接地電纜不得與其他接地電纜共用。

4 結(jié) 語

單相接地故障是一種常見的故障，即帶電物體通過金屬材料與大地發(fā)生的短路故障。接地故障常會引發(fā)火災(zāi)，且往往伴隨著接地故障而發(fā)生人身傷害事故，在情況嚴(yán)重時(shí)會影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，為了人員的安全，必須嚴(yán)格按照船級社規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)備外殼保護(hù)接地的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。

在大多數(shù)情況下，電纜金屬護(hù)套會產(chǎn)生較小的感應(yīng)電壓，在一些異?；蚬收锨闆r下，感應(yīng)電壓將會大幅提高，此時(shí)將會對設(shè)備運(yùn)行和人身安全帶來負(fù)面影響。選擇合理的電纜金屬護(hù)套接地的方式可以將感應(yīng)電壓的影響降至最低，確保設(shè)備正常運(yùn)行和人身安全。

對電氣系統(tǒng)發(fā)生第1次接地故障、第2次接地故障以及電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓出現(xiàn)等情況的分析，使設(shè)計(jì)人員充分理解保護(hù)接地的重要性，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守船級社規(guī)范要求確保項(xiàng)目工程質(zhì)量。