張本偉，夏天，馮珂，張寧

(1.哈爾濱工程大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中國船級社，北京 100007;3.上海船舶工藝研究所，上海 200030)

單相接地故障特征和中性點(diǎn)接地方式密切相關(guān)，相同的故障條件但不同的中性點(diǎn)接地方式所表現(xiàn)出來的故障特征、后果和危害完全不同，所需要采用的保護(hù)策略也完全不同。根據(jù)美國電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，中性點(diǎn)接地方式主要包括不接地、小電阻接地[1]、高阻接地[2]、直接接地和經(jīng)消弧線圈接地[3]。在我國，陸地上35 kV及以下配電系統(tǒng)主要采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，統(tǒng)稱為非有效接地系統(tǒng)。

常見的船舶與海上設(shè)施基于閉合母排的中壓電站組成及型式見圖1，系統(tǒng)由星型繞組發(fā)電機(jī)組、母排、母聯(lián)、負(fù)載、電纜、變壓器/變頻器、斷路器/保護(hù)裝置等組成[4]。

圖1 船舶中壓配電系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)組發(fā)出電能，通過進(jìn)線開關(guān)與中壓母排連接。每組發(fā)電機(jī)組對應(yīng)1段母排，同1冗余組內(nèi)的發(fā)電機(jī)母排之間可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)或者母聯(lián)連接。不同冗余組之間的母排通過母聯(lián)連接，母聯(lián)通常設(shè)置有2個斷路器，1主1副，通過設(shè)置短路、接地、相不平衡等保護(hù)，實施不同冗余組之間的保護(hù)。整個母排通過母聯(lián)連接，形成環(huán)狀中壓母排電站。各段母排分別向推進(jìn)器、作業(yè)負(fù)荷、生活用電等負(fù)載供電，這些負(fù)載的饋電開關(guān)一般帶有過載、短路、接地、欠壓等保護(hù)?；陂]環(huán)母排的中壓電站，可以依據(jù)整個電站功率需求，實時調(diào)整最小在線發(fā)電機(jī)數(shù)量，從而減小排放，節(jié)省燃油，使電站更加綠色經(jīng)濟(jì)。但是受制于冗余動力定位電站要求，對于閉環(huán)母排電站最小在線發(fā)電機(jī)數(shù)量要求為2臺。

對于孤島性的船舶基于閉環(huán)母排的中壓電站，必須要采用精準(zhǔn)可靠的保護(hù)，保證單個故障不影響超出1個冗余組的母排電站正常使用，避免引起推進(jìn)等重要負(fù)荷過載、脫扣或者全船失電。通常，單個故障包括短路、接地、相不平衡、頻率/電壓突變，其中接地故障是常見且重要的故障模式。

電站接地發(fā)生之后，通常會有發(fā)電機(jī)、電纜、配電板、負(fù)載等帶有容性電阻引起的容性電流，以及這些通過這些產(chǎn)生的阻性電流。電站發(fā)生單相接地之后，會造成電站不穩(wěn)，對人員造成危害，產(chǎn)生間斷的弧光接地，線路短路等，必須選取合適的接地電阻，限制接地之后的接地電流，避免對電站和人員造成危害，同時采取保護(hù)動作，保證電站安全。

對船舶孤島性中壓閉環(huán)電站，其容量比較大，發(fā)電機(jī)、電纜、負(fù)載等的容性電阻引起的容性電流必須結(jié)合阻性電阻的電流一起考慮，設(shè)計合理可靠的接地電阻及保護(hù)設(shè)置，避免中壓接地系統(tǒng)的接觸不良以及單相接地引起局部高壓對接地系統(tǒng)及人員造成的危害，同時也使某點(diǎn)單相接地之后該點(diǎn)對地電流限制到合理的范圍，不會對電網(wǎng)造成瞬間沖擊。

綜上所述，如果選用中性點(diǎn)不接地或者消弧線圈接地，受制于其接地電阻小或者不靈敏等因素影響，不能保證船舶電站及時發(fā)現(xiàn)接地故障并采取保護(hù)措施隔離或者分?jǐn)喙收?，?yán)重威脅電站的可靠性和穩(wěn)定性，因此船舶中壓閉環(huán)電網(wǎng)系統(tǒng)通常采用高阻接地，通過計算選取合適的接地電阻，并據(jù)此整定接地保護(hù)，一旦發(fā)生電站任何地方發(fā)生接地故障之后，都能進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測和動作，保證系統(tǒng)的安全可靠。

在中壓配電系統(tǒng)中，某點(diǎn)接地一般是指中壓配電系統(tǒng)中某單相接地，其中2相或3相接地一般當(dāng)做短路處理。這里只分析單相中壓配電線接地。

如圖2所示，當(dāng)某點(diǎn)單相接地之后，接地點(diǎn)通過在線星型繞組發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地電阻，導(dǎo)致每臺在線發(fā)電機(jī)都形成回路，形成接地電流。對地回路產(chǎn)生的對地電流包括組性電流和容性電流。其容性電流由發(fā)電機(jī)組、電纜等貢獻(xiàn)，與接地點(diǎn)形成回路，有電流產(chǎn)生。這時對接地點(diǎn)期望產(chǎn)生的電流特性有[5]：①電流應(yīng)該盡可能小，以便不會對電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時沖擊和影響；②電壓盡可能低，防止產(chǎn)生瞬時高壓，對周圍設(shè)備和人身造成危害。

圖2 接地回路示意

滿足①就是要選定發(fā)電機(jī)接地電阻盡可能大，電網(wǎng)承受時間盡可能長，這就要求滿足電阻要足夠大，但是如果電阻過大，電流太小，不利于保護(hù)設(shè)定，承受時間長則意味著對電網(wǎng)設(shè)備性能要求高，滿足②需要阻性電阻大于容性電阻，防止容性成分過大，瞬間電壓過高。為此，考慮通過計算選取合適的接地高電阻。

1 中性點(diǎn)接地電阻的選取

對于中壓電站，為了減小容性電流帶來的影響，通常要求阻性電流大于容性電流[6]。

IR0≥IC0=3×IC0J

(1)

式中：IR0為三相對地阻性電流，A；IC0為三相對地容性電流，A；IC0J為單相對地容性電流，A。

依據(jù)電力行業(yè)通常做法，計算電網(wǎng)中的容性電流(IC0)。

1)電纜。

(2)

2)機(jī)械設(shè)備。

(3)

式中：Cj為電纜每相對地容性電阻；C0為整個繞組每相容性電阻；l為電纜長度, m；ω為2πf，Un為相電壓,V。

2 實例計算

以某海洋平臺中壓電站的模型為例，該平臺中壓電站為閉環(huán)母排(同圖1)，且設(shè)計最小發(fā)電機(jī)(星型繞組)臺數(shù)為2臺，中壓電站額定電壓為6.6 kV，頻率為50 Hz，有3個冗余組，3段母排，每段母排上有2臺發(fā)電機(jī)，共計配置6臺發(fā)電機(jī)。

電站中產(chǎn)生容性電流的設(shè)備主要包含發(fā)電機(jī)、電纜、變壓器及變頻器因為感性器件不予考慮。

圍繞各段母排，發(fā)電機(jī)進(jìn)線、負(fù)載饋線等電纜的不同型號電纜容性參數(shù)詳見表1，相關(guān)電纜容性電流計算見表2及表3。

表1 不同編號電纜對應(yīng)容性參數(shù)

電纜作為容性電流源，參照式(2)，目標(biāo)海洋平臺中壓電站在閉合母排工況下，相關(guān)電纜產(chǎn)生容性電流的計算結(jié)果見表2。因為2號和3號中壓配電板上電纜的容性電流計算方法和步驟與1號中壓配電板相同，所以對2號和3號中壓配電板上電纜的容性電流計算按照實際配置進(jìn)行計算，這里只列出來計算結(jié)果。

表2 目標(biāo)海洋平臺各母排上的電纜的容性電流計算

發(fā)電機(jī)作為容性電流源，參照式(3)，目標(biāo)海洋平臺中壓電站發(fā)電機(jī)產(chǎn)生容性電流的計算結(jié)果見表3。因為2號和3號中壓配電板上發(fā)電機(jī)的容性電流計算方法和步驟與1號中壓配電板上的發(fā)電機(jī)相同，所以對2號和3號中壓配電板上發(fā)電機(jī)的容性電流計算按照實際進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。

表3 目標(biāo)海洋平臺各母排上的發(fā)電機(jī)的容性電流計算

綜合表1～3，每一段母排上的總的容性電流計算結(jié)果見表4。

表4 目標(biāo)海洋平臺各母排上的容性電流計算 A

考慮最小在線發(fā)電機(jī)臺數(shù)為2臺，閉環(huán)母排下，2臺發(fā)電機(jī)在線時，總?cè)菪噪娏鲬?yīng)為6臺發(fā)電機(jī)減去4臺發(fā)電機(jī)。

IC0=5.5-0.37×4=4.02 A

依據(jù)式(1)，總阻性電流IR0可以選為6 A，某點(diǎn)接地時單個發(fā)電機(jī)的阻性電流應(yīng)為3 A，單臺發(fā)電機(jī)接地電阻R為1 270 Ω。

3 中性點(diǎn)接地保護(hù)分析與整定

如圖3所示，中壓電站的單相接地點(diǎn)可能發(fā)生在發(fā)電機(jī)出線端處，進(jìn)線開關(guān)到母排之間，母排上或者母聯(lián)電纜上。各類接地故障發(fā)生之后，因為有發(fā)電機(jī)高阻接地系統(tǒng)，保護(hù)分析及整定的方法和原理相同。

圖3 發(fā)電機(jī)進(jìn)線接地示意

以BUS-A 1號發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生接地為例進(jìn)行分析。

當(dāng)BUS-A 1號發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生單相接地之后，在線發(fā)電機(jī)高阻接地段接地，發(fā)電機(jī)出線端單相接地，形成閉合接地回路。針對在線發(fā)電機(jī)的接地回路有1號發(fā)電機(jī)高阻接地點(diǎn)與發(fā)電機(jī)出線端接地點(diǎn)電位相同，形成的1號回路；BUS-B 或BUS-C上發(fā)電機(jī)高阻接地點(diǎn)與1號發(fā)電機(jī)出線端接地點(diǎn)電位相同而形成的2號或3號回路(因為假設(shè)閉環(huán)母排電站上只有2臺發(fā)電機(jī)在線)，因為采用高阻接地，單臺發(fā)電機(jī)接地電流均為3 A。

依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求[7]，對于中壓電站中性點(diǎn)接地保護(hù)，應(yīng)該設(shè)有一層保護(hù)和二層保護(hù)，確保電站接地故障的安全隔離，保證電網(wǎng)安全。

依據(jù)文獻(xiàn)[4]推薦的做法，保護(hù)整定值為

Iset≤IR0/3

(4)

以BUS-A 1號發(fā)電機(jī)進(jìn)線端接地故障為例。整個電網(wǎng)為閉環(huán)電網(wǎng)，假設(shè)最小有2臺發(fā)電機(jī)在線，保護(hù)整定分析過程如下。

3.1 一次保護(hù)，1號發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)

BUS-A 1號發(fā)電機(jī)出線端接地故障發(fā)生之后，形成回路1和回路2或者回路3三個接地回路，1號回路上1號發(fā)電機(jī)的阻性電流為3 A，未穿過進(jìn)線開關(guān)，但是回路2或者回路3的接地故障電流為3 A，流過1號發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)。依據(jù)式(4)，發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)整定為1 A，該電流通過進(jìn)線開關(guān)零序電流互感器進(jìn)行測量，副邊側(cè)電流作為控制輸入到綜保，在設(shè)定時間內(nèi)執(zhí)行保護(hù)動作。

3.2 二次保護(hù)，BUS-A母聯(lián)開關(guān)

BUS-A 1號發(fā)電機(jī)進(jìn)線端接地故障發(fā)生之后，2號或3號回路上的另1臺發(fā)電機(jī)(非A排上)阻性電流為3 A，其穿過母聯(lián)及發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)。依據(jù)式(4)，發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)整定為1 A(也可以整定到母聯(lián)上)，該電流通過母聯(lián)電纜零序電流互感器進(jìn)行測量，副邊側(cè)電流作為控制輸入到綜保，在設(shè)定時間內(nèi)執(zhí)行保護(hù)動作。

3.3 備用保護(hù)

當(dāng)出現(xiàn)某相接地之后，將導(dǎo)致1號發(fā)電機(jī)出線端開口三角形電壓不為零，這時原邊相電壓經(jīng)過電壓互感器繞組，變成保護(hù)輸入值，通過綜保在設(shè)定時間內(nèi)觸發(fā)1號發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)動作，實施保護(hù)。整定公式如下[8]。

(5)

式中：U為保護(hù)輸入值；Un為線電壓；μ為開口三角形電壓整定系數(shù)；n為電壓互感器變比。因為電壓容易受到影響，所以一般開口三角形電壓只作為備用保護(hù)。

以發(fā)電機(jī)進(jìn)線端接地為例，整定結(jié)果見表5。

表5 目標(biāo)海洋平臺BUS-A發(fā)電機(jī)進(jìn)線接地保護(hù)整定

因為單臺發(fā)電機(jī)接地電阻選取的原因，單臺發(fā)電機(jī)最大接地電流為3 A，如果在線發(fā)電機(jī)臺數(shù)比較多時，依據(jù)接地故障點(diǎn)的位置不同，穿過發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)的接地電流可能為3的倍數(shù)，均可通過零序電流互感器，但是整定電流應(yīng)依據(jù)電站可能的在線發(fā)電機(jī)最小臺數(shù)進(jìn)行最終整定選取，這里因為考慮到是閉環(huán)母排中壓電站，最小在線臺數(shù)為2臺。

4 結(jié)論

船舶與海上設(shè)施上的孤島性中壓電站采用高阻接地時，中性點(diǎn)接地電阻的計算選取十分重要。在閉環(huán)母排下，至少兩臺發(fā)電機(jī)在線的工況下，可計算確定接地高阻接地電阻。并分析了這種工況下電站發(fā)生接地故障之后接地點(diǎn)的接地電流，后依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對中壓閉環(huán)母排接地保護(hù)的要求，對發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生接地故障之后的一次保護(hù)、二次保護(hù)和后備保護(hù)的整定過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，可以做為船舶閉合母排中壓電站采用高阻接地時接地保護(hù)整定的參考方法。

如果電站存在單臺發(fā)電機(jī)在線工作的情況下時(非閉環(huán)母排)，這時還需要進(jìn)行計算，比較得出最小保護(hù)整定值，寫入綜保，保證電站的接地保護(hù)適用于所有電站工況，及時實施接地保護(hù)，確保中壓電站的運(yùn)行安全。

船舶孤島性電站對安全性和穩(wěn)定性要求比較高，在實際工程項目中，還需要對接地保護(hù)整定值進(jìn)行實船實效試驗驗證。