船舶闭合母排中压电站接地保护整定方法

张本伟，夏天，冯珂，张宁

(1.哈尔滨工程大学 智能科学与工程学院，哈尔滨 150001；2.中国船级社，北京 100007;3.上海船舶工艺研究所，上海 200030)

单相接地故障特征和中性点接地方式密切相关，相同的故障条件但不同的中性点接地方式所表现出来的故障特征、后果和危害完全不同，所需要采用的保护策略也完全不同。根据美国电气电子工程师协会(IEEE)的相关标准，中性点接地方式主要包括不接地、小电阻接地[1]、高阻接地[2]、直接接地和经消弧线圈接地[3]。在我国，陆地上35 kV及以下配电系统主要采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，统称为非有效接地系统。

常见的船舶与海上设施基于闭合母排的中压电站组成及型式见图1，系统由星型绕组发电机组、母排、母联、负载、电缆、变压器/变频器、断路器/保护装置等组成[4]。

图1 船舶中压配电系统

发电机组发出电能，通过进线开关与中压母排连接。每组发电机组对应1段母排，同1冗余组内的发电机母排之间可以通过联络开关或者母联连接。不同冗余组之间的母排通过母联连接，母联通常设置有2个断路器，1主1副，通过设置短路、接地、相不平衡等保护，实施不同冗余组之间的保护。整个母排通过母联连接，形成环状中压母排电站。各段母排分别向推进器、作业负荷、生活用电等负载供电，这些负载的馈电开关一般带有过载、短路、接地、欠压等保护。基于闭环母排的中压电站，可以依据整个电站功率需求，实时调整最小在线发电机数量，从而减小排放，节省燃油，使电站更加绿色经济。但是受制于冗余动力定位电站要求，对于闭环母排电站最小在线发电机数量要求为2台。

对于孤岛性的船舶基于闭环母排的中压电站，必须要采用精准可靠的保护，保证单个故障不影响超出1个冗余组的母排电站正常使用，避免引起推进等重要负荷过载、脱扣或者全船失电。通常，单个故障包括短路、接地、相不平衡、频率/电压突变，其中接地故障是常见且重要的故障模式。

电站接地发生之后，通常会有发电机、电缆、配电板、负载等带有容性电阻引起的容性电流，以及这些通过这些产生的阻性电流。电站发生单相接地之后，会造成电站不稳，对人员造成危害，产生间断的弧光接地，线路短路等，必须选取合适的接地电阻，限制接地之后的接地电流，避免对电站和人员造成危害，同时采取保护动作，保证电站安全。

对船舶孤岛性中压闭环电站，其容量比较大，发电机、电缆、负载等的容性电阻引起的容性电流必须结合阻性电阻的电流一起考虑，设计合理可靠的接地电阻及保护设置，避免中压接地系统的接触不良以及单相接地引起局部高压对接地系统及人员造成的危害，同时也使某点单相接地之后该点对地电流限制到合理的范围，不会对电网造成瞬间冲击。

综上所述，如果选用中性点不接地或者消弧线圈接地，受制于其接地电阻小或者不灵敏等因素影响，不能保证船舶电站及时发现接地故障并采取保护措施隔离或者分断故障，严重威胁电站的可靠性和稳定性，因此船舶中压闭环电网系统通常采用高阻接地，通过计算选取合适的接地电阻，并据此整定接地保护，一旦发生电站任何地方发生接地故障之后，都能进行准确监测和动作，保证系统的安全可靠。

在中压配电系统中，某点接地一般是指中压配电系统中某单相接地，其中2相或3相接地一般当做短路处理。这里只分析单相中压配电线接地。

如图2所示，当某点单相接地之后，接地点通过在线星型绕组发电机的中性点接地电阻，导致每台在线发电机都形成回路，形成接地电流。对地回路产生的对地电流包括组性电流和容性电流。其容性电流由发电机组、电缆等贡献，与接地点形成回路，有电流产生。这时对接地点期望产生的电流特性有[5]：①电流应该尽可能小，以便不会对电网产生瞬时冲击和影响；②电压尽可能低，防止产生瞬时高压，对周围设备和人身造成危害。

图2 接地回路示意

满足①就是要选定发电机接地电阻尽可能大，电网承受时间尽可能长，这就要求满足电阻要足够大，但是如果电阻过大，电流太小，不利于保护设定，承受时间长则意味着对电网设备性能要求高，满足②需要阻性电阻大于容性电阻，防止容性成分过大，瞬间电压过高。为此，考虑通过计算选取合适的接地高电阻。

1 中性点接地电阻的选取

对于中压电站，为了减小容性电流带来的影响，通常要求阻性电流大于容性电流[6]。

IR0≥IC0=3×IC0J

(1)

式中：IR0为三相对地阻性电流，A；IC0为三相对地容性电流，A；IC0J为单相对地容性电流，A。

依据电力行业通常做法，计算电网中的容性电流(IC0)。

1)电缆。

(2)

2)机械设备。

(3)

式中：Cj为电缆每相对地容性电阻；C0为整个绕组每相容性电阻；l为电缆长度, m；ω为2πf，Un为相电压,V。

2 实例计算

以某海洋平台中压电站的模型为例，该平台中压电站为闭环母排(同图1)，且设计最小发电机(星型绕组)台数为2台，中压电站额定电压为6.6 kV，频率为50 Hz，有3个冗余组，3段母排，每段母排上有2台发电机，共计配置6台发电机。

电站中产生容性电流的设备主要包含发电机、电缆、变压器及变频器因为感性器件不予考虑。

围绕各段母排，发电机进线、负载馈线等电缆的不同型号电缆容性参数详见表1，相关电缆容性电流计算见表2及表3。

表1 不同编号电缆对应容性参数

电缆作为容性电流源，参照式(2)，目标海洋平台中压电站在闭合母排工况下，相关电缆产生容性电流的计算结果见表2。因为2号和3号中压配电板上电缆的容性电流计算方法和步骤与1号中压配电板相同，所以对2号和3号中压配电板上电缆的容性电流计算按照实际配置进行计算，这里只列出来计算结果。

表2 目标海洋平台各母排上的电缆的容性电流计算

发电机作为容性电流源，参照式(3)，目标海洋平台中压电站发电机产生容性电流的计算结果见表3。因为2号和3号中压配电板上发电机的容性电流计算方法和步骤与1号中压配电板上的发电机相同，所以对2号和3号中压配电板上发电机的容性电流计算按照实际进行计算，结果见表3。

表3 目标海洋平台各母排上的发电机的容性电流计算

综合表1～3，每一段母排上的总的容性电流计算结果见表4。

表4 目标海洋平台各母排上的容性电流计算 A

考虑最小在线发电机台数为2台，闭环母排下，2台发电机在线时，总容性电流应为6台发电机减去4台发电机。

IC0=5.5-0.37×4=4.02 A

依据式(1)，总阻性电流IR0可以选为6 A，某点接地时单个发电机的阻性电流应为3 A，单台发电机接地电阻R为1 270 Ω。

3 中性点接地保护分析与整定

如图3所示，中压电站的单相接地点可能发生在发电机出线端处，进线开关到母排之间，母排上或者母联电缆上。各类接地故障发生之后，因为有发电机高阻接地系统，保护分析及整定的方法和原理相同。

图3 发电机进线接地示意

以BUS-A 1号发电机出线端发生接地为例进行分析。

当BUS-A 1号发电机出线端发生单相接地之后，在线发电机高阻接地段接地，发电机出线端单相接地，形成闭合接地回路。针对在线发电机的接地回路有1号发电机高阻接地点与发电机出线端接地点电位相同，形成的1号回路；BUS-B 或BUS-C上发电机高阻接地点与1号发电机出线端接地点电位相同而形成的2号或3号回路(因为假设闭环母排电站上只有2台发电机在线)，因为采用高阻接地，单台发电机接地电流均为3 A。

依据相关行业标准的要求[7]，对于中压电站中性点接地保护，应该设有一层保护和二层保护，确保电站接地故障的安全隔离，保证电网安全。

依据文献[4]推荐的做法，保护整定值为

Iset≤IR0/3

(4)

以BUS-A 1号发电机进线端接地故障为例。整个电网为闭环电网，假设最小有2台发电机在线，保护整定分析过程如下。

3.1 一次保护，1号发电机进线开关

BUS-A 1号发电机出线端接地故障发生之后，形成回路1和回路2或者回路3三个接地回路，1号回路上1号发电机的阻性电流为3 A，未穿过进线开关，但是回路2或者回路3的接地故障电流为3 A，流过1号发电机的进线开关。依据式(4)，发电机进线开关整定为1 A，该电流通过进线开关零序电流互感器进行测量，副边侧电流作为控制输入到综保，在设定时间内执行保护动作。

3.2 二次保护，BUS-A母联开关

BUS-A 1号发电机进线端接地故障发生之后，2号或3号回路上的另1台发电机(非A排上)阻性电流为3 A，其穿过母联及发电机进线开关。依据式(4)，发电机进线开关整定为1 A(也可以整定到母联上)，该电流通过母联电缆零序电流互感器进行测量，副边侧电流作为控制输入到综保，在设定时间内执行保护动作。

3.3 备用保护

当出现某相接地之后，将导致1号发电机出线端开口三角形电压不为零，这时原边相电压经过电压互感器绕组，变成保护输入值，通过综保在设定时间内触发1号发电机进线开关动作，实施保护。整定公式如下[8]。

(5)

式中：U为保护输入值；Un为线电压；μ为开口三角形电压整定系数；n为电压互感器变比。因为电压容易受到影响，所以一般开口三角形电压只作为备用保护。

以发电机进线端接地为例，整定结果见表5。

表5 目标海洋平台BUS-A发电机进线接地保护整定

因为单台发电机接地电阻选取的原因，单台发电机最大接地电流为3 A，如果在线发电机台数比较多时，依据接地故障点的位置不同，穿过发电机进线开关或母联开关的接地电流可能为3的倍数，均可通过零序电流互感器，但是整定电流应依据电站可能的在线发电机最小台数进行最终整定选取，这里因为考虑到是闭环母排中压电站，最小在线台数为2台。

4 结论

船舶与海上设施上的孤岛性中压电站采用高阻接地时，中性点接地电阻的计算选取十分重要。在闭环母排下，至少两台发电机在线的工况下，可计算确定接地高阻接地电阻。并分析了这种工况下电站发生接地故障之后接地点的接地电流，后依据行业标准对中压闭环母排接地保护的要求，对发电机出线端发生接地故障之后的一次保护、二次保护和后备保护的整定过程进行了详细分析，可以做为船舶闭合母排中压电站采用高阻接地时接地保护整定的参考方法。

如果电站存在单台发电机在线工作的情况下时(非闭环母排)，这时还需要进行计算，比较得出最小保护整定值，写入综保，保证电站的接地保护适用于所有电站工况，及时实施接地保护，确保中压电站的运行安全。

船舶孤岛性电站对安全性和稳定性要求比较高，在实际工程项目中，还需要对接地保护整定值进行实船实效试验验证。