船舶閉合母排中壓電站接地保護整定方法

張本偉，夏天，馮珂，張寧

(1.哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院，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接地方式密切相關，相同的故障條件但不同的中性點接地方式所表現出來的故障特征、后果和危害完全不同，所需要采用的保護策略也完全不同。根據美國電氣電子工程師協會(IEEE)的相關標準，中性點接地方式主要包括不接地、小電阻接地[1]、高阻接地[2]、直接接地和經消弧線圈接地[3]。在我國，陸地上35 kV及以下配電系統主要采用中性點不接地或經消弧線圈接地方式，統稱為非有效接地系統。

常見的船舶與海上設施基于閉合母排的中壓電站組成及型式見圖1，系統由星型繞組發電機組、母排、母聯、負載、電纜、變壓器/變頻器、斷路器/保護裝置等組成[4]。

圖1 船舶中壓配電系統

發電機組發出電能，通過進線開關與中壓母排連接。每組發電機組對應1段母排，同1冗余組內的發電機母排之間可以通過聯絡開關或者母聯連接。不同冗余組之間的母排通過母聯連接，母聯通常設置有2個斷路器，1主1副，通過設置短路、接地、相不平衡等保護，實施不同冗余組之間的保護。整個母排通過母聯連接，形成環狀中壓母排電站。各段母排分別向推進器、作業負荷、生活用電等負載供電，這些負載的饋電開關一般帶有過載、短路、接地、欠壓等保護?；陂]環母排的中壓電站，可以依據整個電站功率需求，實時調整最小在線發電機數量，從而減小排放，節省燃油，使電站更加綠色經濟。但是受制于冗余動力定位電站要求，對于閉環母排電站最小在線發電機數量要求為2臺。

對于孤島性的船舶基于閉環母排的中壓電站，必須要采用精準可靠的保護，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，避免引起推進等重要負荷過載、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。

電站接地發生之后，通常會有發電機、電纜、配電板、負載等帶有容性電阻引起的容性電流，以及這些通過這些產生的阻性電流。電站發生單相接地之后，會造成電站不穩，對人員造成危害，產生間斷的弧光接地，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，同時采取保護動作，保證電站安全。

對船舶孤島性中壓閉環電站，其容量比較大，發電機、電纜、負載等的容性電阻引起的容性電流必須結合阻性電阻的電流一起考慮，設計合理可靠的接地電阻及保護設置，避免中壓接地系統的接觸不良以及單相接地引起局部高壓對接地系統及人員造成的危害，同時也使某點單相接地之后該點對地電流限制到合理的范圍，不會對電網造成瞬間沖擊。

綜上所述，如果選用中性點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現接地故障并采取保護措施隔離或者分斷故障，嚴重威脅電站的可靠性和穩定性，因此船舶中壓閉環電網系統通常采用高阻接地，通過計算選取合適的接地電阻，并據此整定接地保護，一旦發生電站任何地方發生接地故障之后，都能進行準確監測和動作，保證系統的安全可靠。

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

如圖2所示，當某點單相接地之后，接地點通過在線星型繞組發電機的中性點接地電阻，導致每臺在線發電機都形成回路，形成接地電流。對地回路產生的對地電流包括組性電流和容性電流。其容性電流由發電機組、電纜等貢獻，與接地點形成回路，有電流產生。這時對接地點期望產生的電流特性有[5]：①電流應該盡可能小，以便不會對電網產生瞬時沖擊和影響；②電壓盡可能低，防止產生瞬時高壓，對周圍設備和人身造成危害。

圖2 接地回路示意

滿足①就是要選定發電機接地電阻盡可能大，電網承受時間盡可能長，這就要求滿足電阻要足夠大，但是如果電阻過大，電流太小，不利于保護設定，承受時間長則意味著對電網設備性能要求高，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。

依據電力行業通常做法，計算電網中的容性電流(IC0)。

1)電纜。

(2)

2)機械設備。

(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母排(同圖1)，且設計最小發電機(星型繞組)臺數為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臺發電機，共計配置6臺發電機。

電站中產生容性電流的設備主要包含發電機、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，發電機進線、負載饋線等電纜的不同型號電纜容性參數詳見表1，相關電纜容性電流計算見表2及表3。

表1 不同編號電纜對應容性參數

電纜作為容性電流源，參照式(2)，目標海洋平臺中壓電站在閉合母排工況下，相關電纜產生容性電流的計算結果見表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行計算，這里只列出來計算結果。

表2 目標海洋平臺各母排上的電纜的容性電流計算

發電機作為容性電流源，參照式(3)，目標海洋平臺中壓電站發電機產生容性電流的計算結果見表3。因為2號和3號中壓配電板上發電機的容性電流計算方法和步驟與1號中壓配電板上的發電機相同，所以對2號和3號中壓配電板上發電機的容性電流計算按照實際進行計算，結果見表3。

表3 目標海洋平臺各母排上的發電機的容性電流計算

綜合表1～3，每一段母排上的總的容性電流計算結果見表4。

表4 目標海洋平臺各母排上的容性電流計算 A

考慮最小在線發電機臺數為2臺，閉環母排下，2臺發電機在線時，總容性電流應為6臺發電機減去4臺發電機。

IC0=5.5-0.37×4=4.02 A

依據式(1)，總阻性電流IR0可以選為6 A，某點接地時單個發電機的阻性電流應為3 A，單臺發電機接地電阻R為1 270 Ω。

3 中性點接地保護分析與整定

如圖3所示，中壓電站的單相接地點可能發生在發電機出線端處，進線開關到母排之間，母排上或者母聯電纜上。各類接地故障發生之后，因為有發電機高阻接地系統，保護分析及整定的方法和原理相同。

圖3 發電機進線接地示意

以BUS-A 1號發電機出線端發生接地為例進行分析。

當BUS-A 1號發電機出線端發生單相接地之后，在線發電機高阻接地段接地，發電機出線端單相接地，形成閉合接地回路。針對在線發電機的接地回路有1號發電機高阻接地點與發電機出線端接地點電位相同，形成的1號回路；BUS-B 或BUS-C上發電機高阻接地點與1號發電機出線端接地點電位相同而形成的2號或3號回路(因為假設閉環母排電站上只有2臺發電機在線)，因為采用高阻接地，單臺發電機接地電流均為3 A。

依據相關行業標準的要求[7]，對于中壓電站中性點接地保護，應該設有一層保護和二層保護，確保電站接地故障的安全隔離，保證電網安全。

依據文獻[4]推薦的做法，保護整定值為

Iset≤IR0/3

(4)

以BUS-A 1號發電機進線端接地故障為例。整個電網為閉環電網，假設最小有2臺發電機在線，保護整定分析過程如下。

3.1 一次保護，1號發電機進線開關

BUS-A 1號發電機出線端接地故障發生之后，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號發電機的阻性電流為3 A，未穿過進線開關，但是回路2或者回路3的接地故障電流為3 A，流過1號發電機的進線開關。依據式(4)，發電機進線開關整定為1 A，該電流通過進線開關零序電流互感器進行測量，副邊側電流作為控制輸入到綜保，在設定時間內執行保護動作。

3.2 二次保護，BUS-A母聯開關

BUS-A 1號發電機進線端接地故障發生之后，2號或3號回路上的另1臺發電機(非A排上)阻性電流為3 A，其穿過母聯及發電機進線開關。依據式(4)，發電機進線開關整定為1 A(也可以整定到母聯上)，該電流通過母聯電纜零序電流互感器進行測量，副邊側電流作為控制輸入到綜保，在設定時間內執行保護動作。

3.3 備用保護

當出現某相接地之后，將導致1號發電機出線端開口三角形電壓不為零，這時原邊相電壓經過電壓互感器繞組，變成保護輸入值，通過綜保在設定時間內觸發1號發電機進線開關動作，實施保護。整定公式如下[8]。

(5)

式中：U為保護輸入值；Un為線電壓；μ為開口三角形電壓整定系數；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。

以發電機進線端接地為例，整定結果見表5。

表5 目標海洋平臺BUS-A發電機進線接地保護整定

因為單臺發電機接地電阻選取的原因，單臺發電機最大接地電流為3 A，如果在線發電機臺數比較多時，依據接地故障點的位置不同，穿過發電機進線開關或母聯開關的接地電流可能為3的倍數，均可通過零序電流互感器，但是整定電流應依據電站可能的在線發電機最小臺數進行最終整定選取，這里因為考慮到是閉環母排中壓電站，最小在線臺數為2臺。

4 結論

船舶與海上設施上的孤島性中壓電站采用高阻接地時，中性點接地電阻的計算選取十分重要。在閉環母排下，至少兩臺發電機在線的工況下，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生接地故障之后接地點的接地電流，后依據行業標準對中壓閉環母排接地保護的要求，對發電機出線端發生接地故障之后的一次保護、二次保護和后備保護的整定過程進行了詳細分析，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整定的參考方法。

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

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