船舶高压电力系统常见中性点接地法的辨析

船舶高压电力系统常见中性点接地法的辨析摘要船舶电力系统中性点接地方式的分析是一个综合性的课题，正确的接地方式的选择具有越来越重要的意义，能够直接影响到供电可靠性、线路与设备的绝缘水平、继电保护等方面。随着船舶电气设备自动化程度的不断提高，船员生活和工作条件的逐步改善，船舶的电气负荷迅速增加，相应的船舶发电机的功率也大幅增加。目前，大型船舶电力系统的设计能力已达到15MVA至20MVA，大型豪华游轮的设计能力高达70MVA。半个多世纪以来，船舶的低压电力系统已经不能满足现代大型船舶电力系统的容量要求。船舶高压电力系统有增长的趋势，这将给船舶电力系统带来一系列新的变化。船舶高压电力系统中性点接地方式主要有：中性点不接地、中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地。从这几个接地方式的适用范围、经济性、安全性、绝缘性等方面综合比较，并且通过对不同接地方式接地电流、单相接地电流以及对接地电阻器阻值的计算进而比较分析。结合数据得出结论中性点经高电阻接地方式适用于船舶高压电力系统。该接地方式可以将故障电流控制在允许的范围内，并且能有效地将事故可能造成的损失降低到最小的程度，保证供电可靠性，是较理想的中性点接地运行方式。关键词：高压电力系统，中性点接地，电弧线圈，经电阻接地AbstractTheanalysisofneutralgroundingmodeinshippowersystemisacomprehensivesubject.Theselectionofcorrectgroundingmodeisofmoreandmoreimportantsignificance,whichcandirectlyaffectthereliabilityofpowersupplyandtheinsulationleveloflineandequipment.Relayprotectionandotheraspects.Withthecontinuousimprovementofthedegreeofautomationoftheship'selectricalequipmentandthegradualimprovementofthelivingandworkingconditionsofthecrew,theelectricalloadoftheshipincreasesrapidly,andthepowerofthecorrespondingmarinegeneratorisalsogreatlyincreased.Atpresent,thedesigncapacityoflargeshippowersystemhasreached15mvato20mva,andthedesigncapacityoflargeluxurycruiseshipisashighas70mva..Formorethanhalfacentury,thelowvoltagepowersystemofshipshasbeenunabletomeetthecapacityrequirementsofmodernlargeshippowersystems.Shiphighvoltagepowersystemhasanincreasingtrend,whichwillbringaseriesofnew changestoshippowersystem.Theneutralgroundingmodeofshiphighvoltagepowersystemisasfollows:neutralpointisnotgrounding,neutralpointisdirectlygrounding,neutralpointisgroundingbyarcsuppressioncoil,neutralpointisgroundingbyresistance.Theapplicablerange,economy,safetyandinsulationofthesegroundingmodesarecomprehensivelycompared,andthegroundingcurrent,single-phasegroundingcurrentandresistancevalueofgroundingresistorarecomparedandanalyzedthroughthecalculationofgroundingcurrent,single-phasegroundingcurrentandresistancevalueofgroundingresistor.Combinedwiththedata,itisconcludedthattheneutralgroundingmodethroughhighresistanceissuitableforshiphighvoltagepowersystem.Thisgroundingmodecancontrolthefaultcurrentwithintheallowablerange,andcaneffectivelyreducethepossiblelosscausedbytheaccidenttoaminimum,ensurethereliabilityofpowersupply,andisanidealneutralgroundingoperationmode.Keywords：Highvoltagepowersystem，neutral-pointearthing，Arccoil，resistancegrounded目录TOC\o"1-5"\h\z前言 1\o"CurrentDocument"船舶高压电力系统及接地方式简介 3\o"CurrentDocument"船舶高压电力系统简介 3船舶高压电力系统的电压等级 3船舶高压电力系统的主接线图 3船舶高压电力系统的保护 5\o"CurrentDocument"中性点接地方式简介 6中性点不接地方式 6中性点直接接地方式 8中性点经消弧线圈接地方式 8中性点经电阻接地方式 10\o"CurrentDocument"船舶高压电力系统不同中性点接地方式的计算 13\o"CurrentDocument"船舶高压电力系统不同中性点接地方式单相接地电流的计算 13\o"CurrentDocument"船舶高压电力系统经高电阻接地电流的计算 15\o"CurrentDocument"船舶高压电力系统接地电阻器阻值的选择和计算 15\o"CurrentDocument"基于MATLAB的接地方式仿真 17\o"CurrentDocument"3.1中性点不接地方式单相接地故障仿真 17\o"CurrentDocument"3.2中性点经消弧线圈接地方式单相接地故障仿真 18\o"CurrentDocument"3.3中性点经高电阻接地方式单相接地故障仿真 18\o"CurrentDocument"船舶高压电力系统中性点接地方式的综合比较 20结论 22致谢 23\o"CurrentDocument"参考文献 24\o"CurrentDocument"附录A附录内容名称 25前言随着船舶设备功率的增加，低压电站的容量已不能满足船舶总功率增加的需要，从而提高了船舶电力系统的电压水平。6600伏中压电力系统越来越多地用于船舶。电力系统电压水平的提高有利于降低电气设备的重量、体积和经济指标。与低压电力系统相比，高压电力系统在发电机组、电网保护、电缆选择和敷设等方面有一些特殊要求。电力系统中性点接地方式关系到系统的运行方式和运行中的安全问题。长期以来，中性点不接地。中性点不接地系统的特点是当系统发生单相接地时，允许继续运行2h。电源可靠性高，这是这种接地方式经久耐用的主要原因。然而，当中性点不接地系统发生单相接地故障时，接地电流可能在故障处产生间歇性或稳定电弧。当接地电流大于30A时，会形成稳定的电弧并成为连续的电弧接地，这可能导致多相相间短路，甚至烧毁电气设备。当接地电流小于30A但大于5~10A时，电力系统中的电容和电感将形成谐振电路，导致间歇性电弧。间歇性电弧容易引起电弧接地过电压，其幅值可达（2.5-3）U,危及整个电网的绝缘安全。中性点接地方式涉及单相接地（短路）电流的大小和设备的绝缘水平，而解决单相接地（短路）电流的大小也涉及设备的绝缘水平。这些问题都反映了过压问题。电力系统过电压可分为雷电过电压和内部过电压。雷电过电压与雷电活动强度直接相关，与设备电压水平无关。船舶的电力系统相当特殊。它的接地实际上是连接到船体上的，船体是钢结构和良导体。设计不当可能导致人员伤亡和设备损坏。陆地电力系统接地方式的研究相对成熟。10KV中压配电网与船舶中压电力系统相似，可供参考。然而，由于船舶的特殊性，如海水和全年袭击船舶的风暴，线路更容易腐蚀，因此应更加注意绝缘。在高压电力系统中，大部分都是通过小电流接地，即中性点不接地或通过消弧线圈或电阻接地。在我国，船舶高压电力系统中性点不接地。这种接地方式的最大优点是可以在故障情况下运行两个小时，保证电网供电的连续性。然而，随着船舶负荷的增加，接地电流明显增加，内部过电压增加，电弧接地过电压的可能性增加，电网供电的可靠性不再依赖于故障运行的时间，而是集中在电网的保护上。中性点经电阻接地广泛应用于船舶高压电力系统。中性点通过电阻接地分为小电阻接地和高阻接地。中性点通过小电阻接地，对故障很敏感。一旦发生单相故障，保护装置将迅速切断故障线路。中性点高阻接地能有效抑制电弧接地过电压和铁磁谐振过电压。从各方面考虑，中性点经高阻接地更适合船舶高压电力系统。中性点经电阻接地广泛用于船舶高压电力系统。中性点经电阻接地分为经小电阻接地和经高阻接地。中性点经小电阻接地，对故障比较敏感，一旦发生单相故障，保护装置会迅速动作，切断故障线路。中性点经高电阻接地可以有效地抑制弧光接地过电压和铁磁谐振过电压。综合各个方面考虑，中性点经高阻接地更适用于船舶中压电力系统。一些国家，主要是美国，采用中性点分布电阻接地方式来协调国防线上的过量电荷，以限制电弧接地过电压。单相接地时，通过检测流经接地点的电流启动零序保护动作，并切断故障线路。德国、前苏联等国家早就采用消弧线圈中性点接地。简而言之，消弧线圈实际上是一个带有气隙铁芯的电抗器。当单相接地故障发生时，消弧线圈和接地故障相形成另一个回路，感应电流加到接地电流上。安装有消弧线圈的容性电流和感性电流方向相反，相互补偿，故障电流减小，电弧容易自行熄灭，提高了供电的可靠性，避免了由此带来的各种危害。1船舶高压电力系统及接地方式简介船舶高压电力系统简介随着船舶电气设备自动化程度的不断提高以及船员生活、工作条件的逐步改善，船舶电气负荷急速增加，相应的船舶发电机的功率也随之大幅度增加。目前大型船舶电力系统容量设计值已高达15MVA-20MVA,大型豪华游轮更高达70MVA。已经被广泛采用近半个多世纪的船舶低压电力系统已经无法满足现代化大型船舶电力系统容量的要求，船舶高压电力系统有不断增加的趋势,这将给船舶电力系统带来一系列新的变化。船舶高压电力系统的电压等级不同国家和不同应用领域的电力系统电压等级的标准并不完全一致。美国电气和电子工程师协会IEEE标准规定,额定电压大于1KV且小于10KV的电力系统是中压交流电力系统。其中常用的有3.3KV/3.0KV、6.6KV/6.0KV、11KV/10.0KV三个等级，上述等级中分子和分母分别表示额定频率为60HZ、50HZ的电力系统所对应的额定电压。在中压电压等级之上，IEEE标准还有咼压和超咼压电压等级。中国船级社《钢质海船入级规范2009》对船舶低压和船舶高压系统的定义是：低压系统系指工作于额定频率为50Hz或60Hz、最高电压不超过1000V的交流系统，或在额定工作条件下最高瞬时电压不超过1500V的直流系统。高压系统系指额定电压大于1KV但不超过15KV,额定功率为50Hz或60Hz的交流系统，或在额定工作条件下最高瞬时电压超过1500V的直流系统。目前，船用低压工频发电机的设计容量上限为2.5MW，超过该上限的发电机在技术上难以设计，从经济角度看，也难以实现。目前，许多大型船舶的电站容量已经达到10兆瓦以上，甚至几十兆瓦。根据这种情况，采用常规船用低压发电机，一艘船将安装十几台或更多的发电机组。这显然是不合理的，不可能在真正的船上实现。随着船舶电站容量的增加，当船舶电力系统发生短路故障时，短路电流也会大大增加。如果采用低电压等级的船舶电力系统，大幅度增加的短路电流已经使目前可以生产的开关电器和保护装置的截止容量不能满足要求。如果大功率电能传输仍处于低电压水平，船舶电缆的横截面将非常厚，多股电缆将并联，导致电缆发热增加，线路传输损耗严重，布线和安装更加困难。随着电压水平的提高，用于传输相同功率的电缆的规格和数量可以大大减少。在船舶电缆的选择中，采用高压等级的优势最为明显。船舶高压电力系统的主接线图

3390KVA

6600V

50HZMSB400V.50HZMBF40HV,50HZ3390KVA6600V3390KVA6600VI6600/400V20DDKVA6600/400V2DD0KVA'6600V/2x725VMSB400V.50HZMBF40HV,50HZ3390KVA6600V3390KVA6600VI6600/400V20DDKVA6600/400V2DD0KVA'6600V/2x725V2600KVA3390KVA6600V图1.1船舶高压电力系统的主接线图Fig.1.1Mainwiringdiagramofhigh-voltagepowersystemofship66O0V/2）（725V2600KVA该船舶高压电力系统采用4台3390KVA,6.6KV ,50Hz,296A的高压主发电机DG1、DG2、DG3、DG4,各台高压主发电机可以单独也可以并联向高压电网供电。高压汇流排由两台高压母联断路器HBUSTIE1和HBUSTIE2分为左、右舷两段，2台主发电机与左舷高压汇流排HBBA直接相连，另2台主发电机与右舷高压汇流排HBBB直接相连，船舶高压电站主接线形式是单母线分段式。左舷高压汇流排HBBA与右舷高压汇流排HBBB分别通过高压变压器TR1、TR2将6.6KV高电压转变为400V的低电压，向400V的低压汇流排MBB供电。左舷高压汇流排HBBA与右舷高压汇流排HBBB分别向左右舷各一台推进高压变压器PTR1、PTR2供电，再由PTR1、PTR2向船舶主推进电机供电。01--04为高压隔离开关，是具有可见断开点的开关，可将对应的高压主开关与高压汇流排断开，有利于检修对应的高压主开关及高压发电机。05--06为高压接地开关，在停电维修对应的高压汇流排时，应合.上相应的接地开关，以保证被维修高压汇流排可靠接地，防止高压汇流排上积累的电荷对维修操作人员的影响。低压汇流排由低压母联断路器MBUSTIE1分为两段，低压汇流排也是单母线分段式。低压汇流排除由高压汇流排供电外，还可由1台低压辅助发电机DG5供电。船舶高压电力系统的保护船舶高压电气设备的外壳防护等级均应与其安装场所相适应，除至少应符合外壳级的最低要求外，还应满足下列要求:（1） 旋转电机的外壳防护等级至少应为IP23,其接线盒的防护等级至少应为IP44.安装在非专职人员可以到达处所的电动机，其外壳防护等级至少为IP4X,以防止人员接近或触乃电机的带电或转动部分。（2） 变压器的外壳防护等级至少应为IP23，如安装在非专职人员可以到达的处所时则其外壳防护等级至少为IP4X。（3） 具有金属外壳的控制设备、配电设备组件和静止变换器的外壳防护等级至少应为IP32,如安装在非专职人员可以到达的处所时，则其外壳防护等级至少为IP4X。（4） 由于功率大,损耗的绝对值也大,加上机舱压力水雾灭火系统对船舶发电机防护性能的要求，所以船舶高压发电机绝大多数采用空气水冷却方式，其防护等级一般为IP54以上，可满足IP44的最低要求。至于冷却水用淡水还是海水视具体船舶设计而定,但不论何种水质,空气一水冷却器均应做成双管式，具有泄漏传感器报警装置。当船舶行驶在海上时，由于环境恶劣的特点，相比于陆地电力系统更容易发生绝缘电缆损坏，机械损伤。船舶电力系统的供配电系统也有可能发生各种各样的故障，比如短路，单相接地，过载等。而船舶高压电力系统与传统的低中压电力系统的电压等级相差几倍甚至几十倍，所以对船舶高压电力系统的可靠性和安全性要求也就更高了。（1） 高压发电机的绕组、轴承及相应的冷却系统都应该配有用于报警或检测的温度传感器。应设有高压发电机灭磁保护装置，当高压发电机与主配电板之间的连接电缆发生相间短路故障或高压发电机内部绕组发生短路故障时，保护装置应能使发电机断路器脱扣跳闸，并自动而且快速的对发电机灭磁。（2） 系统中任何接地故障应有视觉和听觉报警。中性点经高电阻接地系统设备的绝缘应根据线电压来进行设计。（3） 电力变压器应设有过载和短路保护。如变压器需并联运行，则其初级侧保护电器的脱扣应能同时自动分断连接于次级侧的开关。（4） 电压互感器在次级侧应设置过载和短路保护。（5） 不能用熔断器作过载保护。（6） 通过变压器从高压系统获得供电的低压系统应设有过电压保护。中性点接地方式简介电力系统的中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点。这些中性点的接地方式涉及到系统绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、保护整定、电压等级以及电力网结构等方面，是一个综合性的复杂问题。中压船舶电力系统对绝缘的要求非常高，出于对绝缘成本、人身和设备安全等方面的考虑，要求其中性点必须是接地的，这和以往的船舶低压电力系统不同。而且，随着船舶电力系统结构的日趋复杂，发生接地故障的可能性也越来越大，所以中性点的接入方式选择至关重要。目前，船舶高压电力系统在国内尚处于起步阶段。特别是随着船舶高压电力系统的推广应用，中性点接地技术越来越引起船舶设计者的广泛重视。中性点采用何种接地方式是船舶高压电力系统需要解决的关键技术、热点问题。通常中性点接地方式分为四种：中性点不接地方式，又称中性点绝缘；中性点直接接地方式，中性点直接与接地装置连接；中性点经消弧线圈接地方式，中性点经电抗器（称消弧线圈）与接地装置连接；中性点经电阻接地方式，中性点经过电阻与接地装置连接，根据阻值大小可分为低电阻接地、中电阻接地、高电阻接地方式，通常采用高电阻接地方式。1.2.1中性点不接地方式中性点不接地方式在船舶电力系统中也称为三相绝缘系统。指中性点不与地面或船体相连。然而，事实上，这个系统的中性点通过大气与地面相连。如果接地时电源没有立即受到影响，它可以继续工作一段时间。然而，系统在接地条件下长时间运行是不可行的。这时，正常相电压会增加，一些薄弱绝缘点击穿的可能性会变大，这将导致系统中更严重的两相接地短路，从而威胁电气设备的安全。船舶高压电力系统采用中性点不接地技术。当由于三相导体的一相故障而发生接地时，尽管原始中性点电位值从原始零增加到相电压值，并且每个相导体上的相电压值增加到线电压值，但是每个相之间的线电压在值或相位上都没有改变。因此，电力设备可以保持工作2小时的短时间，这被认为提高了供电的可靠性。另一方面，由于接地电流、接触电压和阶跃电压小，低压电网的影响和对通信系统的干扰得到了很大改善。从经济效益来看，中性点不接地技术的采用降低了船舶高压电力系统的投资成本，也降低了对接地设备的需求。

UUVW*LUU图1.2中性点对地绝缘系统Fig.1.2NeutralpointtogroundinsulationsystemI:UUVW*LUU图1.2中性点对地绝缘系统Fig.1.2NeutralpointtogroundinsulationsystemI:图1.3单相金属性接地时的中性点不接地系统Fig1.3Neutral-pointungroundedsystemforsingle-phasemetallicgrounding但是中性点不接地的方式也有其缺点，如图1.2电路图所示为中性点不接地的电力系统。电力系统中的各相导线对地之间和三相导线之间都有分布电容，所以在每个导线中就有附加电流，也就是容性电流。图中的5、cr、cn分别是各相导线的对地电容，因为三个相电压是互相对称的，所以三相导线的各个对地电容是相等的，矢量和为零，而中性点是没有容性电流流过的，如图1.2矢量图所示。当任意一相出现绝缘受到破坏而发生单相接地故障时，从图1.3矢量图可以看出，各相的对地电压、对地电容和电流都要发生改变，但是仍能继续供电的原因是系统的线电压任然能保持对称，使得用电设备的运行不受影响。这就提高了供电的可靠性。一旦另一相也出现接地故障时，将会在线路中产生很大的短路电流，是的设备及线路出现损坏；如果没有接地故障的两相对地电压从相电压升高变成线电压，很容易造成绝缘层击穿，也会形成两相接地短路的状况。上述两种情况都会故障接地点形成过电压，能够对电网及设备产生恶劣的影响甚至产生重大事故。虽然一相接地其零序电流相对来说算是比较小的，但是它也会在故障点处产生间歇的或者是稳定的电弧。稳定的电弧还算好，但是对于高电压配电线路，致使中性点不接地技术一相导线接地时，其接地电容电流过大，这样产生间歇的电弧引起的过电压来说，它的电压幅值能够达到相电压的两三倍，这么高的电压会对船舶高压电力系统以及用电设备产生恶劣的影响，例如可能击穿用电装置的绝缘，造成两相导线绝缘等级下降击穿短路构成回路，高电流被产生从而对船舶耗电设备造成恶劣影响。为避免发生间歇电弧•要求3-10KV电网单相接地电流小于30A,35KV以土电网单相接地电流小于10A。一般情况下，传统的船舶低压电力系统综合考虑安全性和可靠性，还是会选用中性点不接地运行的方式，但对于船舶高压电力系统来说，这种接地方式根本是不合适的。1.2.2中性点直接接地方式中性点直接接地指的是中性点直接连接到地面或船体。中性点直接接地的特点是中性点的电位在系统任何工作情况下都是保持不变的，一直为0。在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，要想实现接地保护是比较困难的，因为单相接地电流比正常电流小很多，但是这个问题在中性点直接接地系统中就可以得到相对比较简单的解决，接地电流较大，使继电保护切除故障线路更加地迅速而准确。图1.4中性点直接接地的三相交流系统Fig1.4Three-phaseACsystemwithDirectgroundingofNeutralPoint如图1.4所示，在这种系统中一旦发生单相接地故障时，中性点和接地点通过大地形成回路，进而产生非常大的短路电流，使得熔断器熔断或者是继电保护装置动作，进而切除故障，但是其他两相对地电压不会升高，也不会产生间歇电弧，进而也就不存在过电压的危险了。因此供电设备相绝缘按相电压设计，这样就大大降低了电网的造价。中性点接地系统单相接地时，短路电流很大，可以使保护装置动作快速准确，提高保护的可靠性。然而，由于短路电流大，需要选择大容量的开关和设备，这具有造成系统不稳定和对通信线路干扰大的缺点。中性点经消弧线圈接地方式中性点经电抗器（消弧线圈）接地技术组成的船舶高压电力系统与中性点不接地技术的主要区别就是在中性点不接地法的基础上，将中性点处连接一个电抗器（消弧线圈）然后再与大地相连。消弧线圈接地方式是利用电抗器的感性电流补偿电网的容性电流，可使接地电流大为减少。中性点采用电抗器（消弧线圈）接地技术在发生故障而被导致单相接地时，各相导线中的相电压变化和采用中性点不接地技术构成的船舶高压电力系统时是大体一样的，都是故障点处的对地电位变为0V；而无故障的两相导线的相电压值提高到了线电压值，中性点处的对地电位被提高到相电压，各相之间的线电压和其相位关系没有发生任何改变。一旦发生单相接地故障，故障处的电弧一般是不能自己熄灭的，使过电压生成的概率变大，对安全运行造成很大的威胁。所以需要消弧线圈的电感电流，电感电流可以接地电容电流补偿，减小故障点的电流，使其降低到能自熄的范围内。这样，一段时间内电网仍然可以带故障继续工作，提高了电网的供电可靠性。中性点经消弧线圈接地中消弧线圈主要由气隙铁芯和铁芯绕组两部分构成，主要放置在变压器油箱内，中性点经消弧线圈运用过程中可以通过改变绕组的匝数实现对消弧线圈电感的调节，从而提升中性点经消弧线圈接地的控制效益,降低系统中可能出现的谐振，提升系统的安全性和可靠性UWUar% ◎UWUar% ◎图1.5中性点经消弧线圈接地方式Fig1.5Neutralgroundingmodethrougharcsuppressioncoil如图1.5所示，当系统发生单相接地时，就把相电压加到了消弧线圈上，消弧线圈就有电感电流。流过接地点的电流是接地电容电流IE和流过消弧线圈电感电流10之相量和。由于IE超前U090°，而10滞后U090°，因此IE和10在接地点互相补偿，补偿的方式有三种:（1）全补偿；（2）欠补偿；（3）过补偿。在实际工作中都采用过补偿，其目的是防止由全补偿引起的谐报过电压，损坏设备绝缘，欠补偿由于部分线路如果断开将造成全补偿所带来的后果。中性点经消弧线圈接地的系统，与中性点不接地的系统一样，当发生单相接地故障时，相间电压的相位和量值关系均末改变，接地相对地电压为零，其他两相对地电压将升高至V3倍(线电压),因此三相设备仍可照常运行。但设备也不能长期的带故障运行，必须在线路上装设单相接地保护或绝缘监视装置，在发生单相接地故障时保护设备发出报警信号或指示，以便工作人员及时处理。中性点经电阻接地方式这种中性点接地技术的目的是通过在船舶高压电力系统中性点不接地技术的基础上将中性点通过一个电阻与大地连接，当发生单相故障接地时不至于产生间歇地电弧来对船舶电力系统构成威胁。电阻接地方式从阻值上可以分为:低电阻接地、中电阻接地、高阻接地，其阻值范围如表2.1所示。表2.1电阻接地的阻值Table2.1Resistancetogroundingresistance阻值类型 高电阻 中电阻 低电阻电阻值(Q) 数百-数千 20-100 <20单相故障接地时电流(A) <10 30-300 600-1000当船舶高压电力系统正常运行时，三相导线上的相电压是对称的。当发生一相接地故障时，在接地点处不但有容性电流而且也存在阻性电流。这两种电流构成阻容性电流，使接地点处的电流超前电压的相位差减小，在接地点处形成的间歇性电弧熄灭后再复燃的重燃率大幅度降低。而且当回路中的阻性电流达到足够的电流值时，间歇性电弧将不再产生。从而有效地防止间歇性电弧导致的过电压影响。选择合适的接地电阻能在发生单相接地故障时，使容性电流小于阻容性电流，从而提高了零序保护的灵敏度，使保护装置迅速跳闸，提高了保护的能力。低电阻接地系统中性点直接接地和经消弧线圈接地这两种方式，随着电网的不断发展，电缆的广泛使用，单相故障接地过电压的危害性越来越大。现在的中性点接地方式不能完全满足电网运行安全可靠要求。低电阻接地方式已经逐渐被广泛的使用：低电阻接地的优点是：可以使用流量大，残留压力低的MOA作为电网过电压保护装置；自行消除接地故障，操作更加简单，维护更加方便；减弱设备老化速度，延长设备使用时间，增大设备的可靠性、安全性；电力网络内过电压可减少火灾事故的可能；接地处故障电流高，所以继电装置迅速动作，线路选择没有问题；消弭五次谐波电压下的电弧地，避免事件扩大到短路。故障接地点可迅速被清除，过电压值低，可消除谐振过电压现象。可降低电缆绝缘等级的要求，也可降低电气设备的绝缘等级要求。但由于电力系统的中性点由小电阻接地而接地电阻很小，故障电流可达数百数千，乃至更高，远远的大于所允许的安全值，所以也会给电力系统带来很多困难，如故障时接地电流太大，容易扩大事故。当电力电缆发生单相接地故障时，超弧可能危及相邻电缆，数百安培的接地电流将引起电位升高，远高于安全的允许值，给低电压设备、通信路线、电子设备的人身安全带来风险，电流过大时，因为电阻产生的热容与地电流的平方成正比，会造成困难(制造电阻器)，对操作也造成不便。中电阻接地系统中电阻接地系统克服了中性点经低电阻接地方法的缺点，同时拥有着它的优点。在原理上，中电阻接地基本上与小电阻接地相同，界线之间没有严格的区别，在许多区域这两种接地方法统称为小电阻接地，然而，接地电阻的有大有小，接地故障电流也有高有低。对于中性点接地系统：接地阻值选择的时候，要保证电阻的接地电流Ir=Y1〜1.5YIC，将过压幅度限定在小于正常相电压的2.6倍(该值是高压电机可承受的最大过电压倍数)[1]。从人员设备安全来看，接地故障电流不能过大，应该控制在100A左右。当电网电流大于100A时，需要采取措施，使其降低到100A以下。虽然中性点经中电阻接地方法的故障接地电流小于小电阻接地方式的故障接地电流，但是依然存在不足。由于中电阻接地系统的IC和IR相差不大，继电器保护会受到影响。高电阻接地系统采用中性点经小电阻或者中电阻接地法，当一相发生故障接地后由于接地的阻容性电流在几百安以上，从而使保护装置能够迅速跳闸，提高了保护装置的动作灵活度和选择性；另一方面，采用中性点经小电阻或者中电阻接地法能够降低电力系统的绝缘老化现象，从而提高了电力系统以及用电设备的可靠性；此外这种方式还能消除间歇性电弧引起的过电压现象。该接地方式适用于以电缆线路为主，不容易发生瞬时性单相接地故障且系统电容电流比较大的城市配电网、发电厂厂用电系统及工矿企业配电系统。在船舶高压电力系统中，正是因为高压电力系统，所以一旦一相发生故障而导致接地后就会产生超高的接地电流。这种情况下由于保护设备过于灵敏，所以在某种程度上容易使船舶发生事故；另一方面，产生过高的接地电流容易对船上的人身安全产生巨大威胁，并且对船上的用电设备损害也不小。提高接地电阻的阻值，使单相接地故障时的接地故障电流小于10A，由于故障电流较小，系统将允许带故障运行2小时，提高了供电可靠性，又由于电阻既是耗能元件，又是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，因此，中性点经高电阻接地方式能防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，减少电弧接地过电压的危险性，并使接地故障选线装置变得简单而有效，对临近通信线路的干扰也较弱。高电阻接地的主要优点是：在使用中性点经高电阻接地技术时，当一相导线产生故障而导致接地后能够使单相接地的故障电流被控制在小于10A左右，所以在船舶高压电力系统中面对高电压，一旦发生单相接地事故不至于接地电流过大对船员人身安全以及船舶设备产生过大的影响。此外，通过调节高电阻使其电容电流小于容阻性电流不但能使保护装置的灵敏度和选择性得到提高，而且还能带故障运行两个小时左右提高了运行可靠性而不像采用中小电阻那样使保护装置过于敏感，一旦故障立马跳闸。另一方面采用高电阻和采用中小电阻一样能够消除间歇性电弧引起的过电压和谐振过电压。对于中性点经高电阻接地法的缺点就是由于其本身的某些特性致使这种中性点接地技术的推广受到限制，在本文中将不再给出解释。对于船舶高压电力系统来说，中性点经高电阻接地技术既能够保证高压电力系统正常工作状态下的供电连续性，又能够很好的解决船舶上设备保护以及船员人身安全等一系列问题。2船舶高压电力系统不同中性点接地方式的计算2.1船舶高压电力系统不同中性点接地方式单相接地电流的计算为了讨论电力系统各种接地方式下的单相接地电流，现假设电力系统中性点通过电阻和电感并连接地，电力系统各相对地分布电容为C。以A相为接地参考相，发生接地时，接地处有接地电阻Rd，中性点接地电阻RN，中性点接地电感LN,如图所示。图2.5图2.5电力系统单相接地电流示意图Fig.2.5Single-phasegroundingcurrentdiagramofpowersystem设接地前三相电压对称，接地后中性点对地出现电压UN,此时三相对地电压为:UAUA=UNU=Un+a2EUc=Un+aE式子中:a=ejl20。 a2=ej240。式子中:，。根据基尔霍夫电流定律，以大地为一节点，则流过大地的电流关系为:U(gj+(UN+E)(gd+ +(UN+a2E)•M+(UN+aE)•M=0b式子中:中性点接地电纳N中性点接地电导1g-接地点的电导dRd。因此，中性点对地电压-Egd-TOC\o"1-5"\h\z(g+g)+(j3®C-jb)dN N流过接地点的电流：=(UNEgg+j3①C-jb=Eg N N——dg+g+j3①C-jbNd N流过接地点的电流公式是各种接地方式下的接地电流通用计算式，下面分别加以讨论。（1） 中性点不接地方式发生单相金属性接地时，gn,gN=0,bN=0流过接地点的接地电流：Id二Ej3oC接地电流仅包括分布电容电流，且该电容电流超前接地相电压90°（2） 中性点经消弧线圈接地方式发生单相金属性接地时，gn，gN=0流过接地点的电流：TOC\o"1-5"\h\z.1 .Id-j(3①C- )Ed ①LN接地电流包括容性电流和感性电流两部分，利用电抗器的感性电流补偿电网的容性13①C二——电流，可使接地电流大为减少。如果合理选择消弧线圈使 °Ln，则【d=0，可达到完全补偿，这种完全补偿对熄灭接地电弧非常有利。（3）中性点经电阻接地方式发生单相金属性接地时，gdN，bN=0流过接地点的电流：...1Id二E（g+j3oC）二E（+j3oC）d N RN接地电流包括阻性电流和容性电流两部分，使接地故障电流呈阻容性质，这样可以减小接地故障电流与电压的相位差角。显然，阻性电流与中性点接地电阻RN有关，RN

越大，阻性电流越小，反之亦然。船舶高压电力系统经高电阻接地电流的计算船舶高压电力系统中性点接地方式普遍采用经高电阻接地方式，接地高电阻一般大于500Q。(1)阻性电流IR的选择设计原则接地电阻性电流要求大于或等于(1~1.5)倍容性电流，即IR±(1~1.5)IC,以保证不发生间歇性弧光接地过电压。这样，过电压一般不超过2.6倍相电压，这也是发电机能够承受的过电压。一般船舶交流发电机耐压标准为额定线电压的1.5倍，即2.6倍相电压。这样低于2.6倍相电压的接地过电压被认为是安全的，也就是作用于船舶交流发电机的过电压不宜超过2.倍相电压。IC是系统总的电容电流，电容电流是高压系统所有高压电缆对地形成的分布电容所形成的泄漏电流之和，所以与电缆的规格与长度有关，可以从有关手册中得到单位长度的电容值或电容电流，再乘以具体船舶电缆的长度就能算出总的电容电流。接地点阻性电流I二UnI二UnRRUN系统总的电容电流I二3®CC v'3式子中：UN为中性点对地电压Ue为额定线电压单相接地故障总电流Id±3A，以保证发电机接地保护的灵敏度由于RN的接入，将使单相接地故障总电流Id增大・2倍或更大，并且由容性电流合成为阻容性电流，单相接地故障总电流仃—Itr+tcIdW(10~15)A,以减轻发电电机定子绕组单相接地故障时对发电机贴心的烧损程度。按照中国船级社《钢质海船入级规范2009》要求：当采用中性点接地系统时，接地故障电流既不大于配电盘上或配电盘分段上最大1台发电机的满载电流，又不小于I<2其接地故障保护电器最小动作电流的3倍。这样可以确定基地故障电流动作值动作3。船舶高压电力系统接地电阻器阻值的选择和计算

电阻器的选择应按系统标称电压、最高运行电压、频率、电流、阻值、防护等级、冷却方式、通流时间、绝缘水平等技术条件进行选择，并按环境条件如环境温度、相对湿度等校验。另外，实船上船舶高压电力系统接地电阻一般为独立的接地电阻箱，并且要求设置手动隔离开关以便在发电机维修时能断开接地电阻。以下重点介绍电阻器阻值的选择与计算。电阻器阻值RN的选择取决于系统电容电流IC的大小和阻性电流IR的选择，按IR三IC原则计算。即：>3®CUeJ3则：R<——N3®C考虑安全余量，一般取IR=1.5IC。则:1_11.5•3®C-9f电弧接地时，在电弧点燃熄灭过程中，船舶高压电力系统积累多余的电荷，是震荡过程加剧，从而产生很高的过电压。若能使这些电荷在从电弧熄灭到重燃前的一段时间（对应半个工频周期）内通过中性点电阻器泄放掉，过电压就能大大降低。船舶高压电力系统的高压电缆线路对地电容向中性点接地电阻RN放电遵循指数函数/规律。13®C时，放电时间常数二3RC二丄N®t_1当t为半个工频周期 2/时，/0_"二e"_0.04，说明半个工频周期内，高压电缆线路上的电荷由1降至0.04，也就是有96%的电荷已泄放掉，因此基本不会再产生很高的振荡过电压。1_1_11.5•3®C_9f时,T_3RC_丄放电时间常数N 彳吋，/C）_e-〃T_e-1.5沢_0.009，说明半个工频周期内，高压电缆线路上的电荷由1降至0.009,可以说多于99%的电荷已泄放掉，不会再产生很高的振荡过电压。

3基于MATLAB的接地方式仿真为了能更好地了解中性点经高电阻接地方式的优缺点，并且比较直观的了解3种小电流接地方式在单相接地故障情况下的运行特点，在Simulink内搭建配电网的模型,主要涉及的模块有无穷大功率电源、三相变压器、接地变压器、示波器、电力线路模型、接地故障模型、电力系统图形用户界面等。配电网仿真模型如图3.1所示。Fig.3.1distributionnetworksimulationmodel3.1中性点不接地方式单相接地故障仿真在未发生故障时，系统可以正常运行，三相电压波形为规则的正弦波。在线路L的A相发生单相接地故障时，系统中故障相电压变为0,非故障相电压升高为相电压的倍。从图2可以看出，在未发生单相接地故障时，系统中不存在零序电压和电流，在0.IS是线路1的A相发生单相接地故障，系统中开始出现零序电压和零序电流，且故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流相比较要大，两者的相位也相反。图3.2故障点接地电流波形示意图Fig.3.2Schematicdiagramofgroundingcurrentwaveformatfaultpoint3.2中性点经消弧线圈接地方式单相接地故障仿真中性点经消弧线圈接地系统线路L的A相发生单相接地故障时，与中性点不接地系统发生单相接地故障情况相同。系统中线路L非故障相相电压都升高为线电压，故障相电压变为0，但三相导线之间的线电压仍然平衡。通过与中性点不接地方式比较发现在单相接地故障的暂态过程结束后，故障点的接地电流变得较小，说明消弧线圈的补偿作用是十分明显的。图3.3故障点接地电流波形示意图Fig.3.3Schematicdiagramofgroundingcurrentwaveformatfaultpoint3.3中性点经高电阻接地方式单相接地故障仿真在线路L发生A相接地故障时，与中性点不接地系统发生单相接地故障情况相同。通过图2、图3和图4的对比，发现经高电阻接地方式的故障点接地电流要比消弧线圈接地方式大，比不接地方式小，因为其故障点接地电流中不仅有电容电流而且有较大的电阻电流，但经高电阻接地方式可以减少接地电流和零序电流暂态过程的时间。由于经高电阻接地方式的故障点接地电流较大，容易对电气设备造成危害，所以它常用于电容电流较小的系统，还会用于选择性的继电保护和选线。图3.4故障点接地电流波形示意图Fig.3.4Schematicdiagramofgroundingcurrentwaveformatfaultpoint4船舶高压电力系统中性点接地方式的综合比较电网中性点接地方式的选取是一个涉及到电力系统许多方面的综合性课题。继电保护的选择性和灵敏性、对通信系统的干扰、电气设备和线路的绝缘水平、供电的可靠性等因素，在选择中性点接地方式时是必须要考虑的。根据不同接地方式对电网运行的影响以及其利弊，可按如下原则选取电网中性点接地方式:供电的可靠性和故障范围。当系统发生单相接地故障时，中性点有效接地的系统中，故障相接地电流较大。相对于中性点非有效接地的系统来说供电的可靠性不强，当发生单相接地故障时，必须将线路切断。即便在系统中使用了自动重合闸装置，供电线路仍有可能有较长时间的中断。因为故障相的接地流大，由此而产生的热效应与力效应相对来说也较大，那么这就可能造成设备的损坏和故障范围的扩大。另外，断路器的频繁动作，也为其设备维护的工作量也有所增加。继电保护的可靠性。在中性点非有效接地系统中，比如中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，正常负荷电流往往比单相接地电流大很多，难以实现有选择性的接地保护。电气设备的绝缘水平。电网的过电压绝缘水平与中性点接地方式密切相关。如在110KV电网中，采用中性点直接接地方式时，设备的造价经费减少很多，因为其绝缘水平与变压器的造价约呈比