（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著對(duì)海洋石油的不斷開發(fā)，為彌補(bǔ)海上油氣開發(fā)設(shè)施不斷加大的供電缺口，建設(shè)海上浮動(dòng)核電站為采油設(shè)施提供源源不斷的電能是目前較為經(jīng)濟(jì)有效的方法。

海上浮動(dòng)核電站往往采用35 kV以上高壓輸電方式向數(shù)公里外的多個(gè)采油設(shè)施高效輸電。為保證高壓遠(yuǎn)距離輸電的安全性和可靠性，高壓系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選取尤為關(guān)鍵。目前，在船電領(lǐng)域鮮有該電壓等級(jí)的中性點(diǎn)接地技術(shù)研究。因此，設(shè)計(jì)出一種既能在瞬時(shí)性故障時(shí)保障系統(tǒng)可靠供電，又能在永久性故障時(shí)保障供電系統(tǒng)安全的船用高壓系統(tǒng)中性點(diǎn)接地系統(tǒng)十分必要。

1 中性點(diǎn)接地方式

電力系統(tǒng)常用的接地方式有四種：1）中性點(diǎn)不接地；2）中性點(diǎn)直接接地；3）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地；4）中性點(diǎn)經(jīng)電阻器接地[1]。

1.1 中性點(diǎn)不接地

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)如果出現(xiàn)單相接地故障，其它兩相對(duì)地電壓將變?yōu)樵瓉淼?3倍，容易造成絕緣薄弱處擊穿，形成兩相接地短路。一旦另一相發(fā)生接地故障，將會(huì)形成兩相接地短路，在線路中產(chǎn)生很大的短路電流，可能在故障點(diǎn)處形成穩(wěn)定的或間歇性電弧，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。但是，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，電氣設(shè)備的工作電壓保持不變，仍可正常運(yùn)行，因此其供電可靠性較高。傳統(tǒng)的船舶低壓電力系統(tǒng)中，綜合考慮供電可靠性和安全性，一般采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。

1.2 中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)

中性點(diǎn)直接接地就是將中性點(diǎn)直接接入大地[2]。在發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，中性點(diǎn)直接接地的電力系統(tǒng)將產(chǎn)生很大的單相短路電流，使繼電保護(hù)器動(dòng)作，從而防止單相接地故障時(shí)產(chǎn)生弧光接地過電壓的可能。該接地方式供電可靠性相對(duì)較低，適用于110 kV及以上的單相接地故障相對(duì)較少的陸地高壓電力系統(tǒng)。

1.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式

當(dāng)采用電纜輸電且輸電距離較長(zhǎng)、輸電電壓較高的系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電容電流很大，接地電弧難以自行熄滅，容易產(chǎn)生間歇性電弧，從而引起弧光接地過電壓，甚至?xí)l(fā)展成為多相短路。為了克服這一問題，可將電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。如圖 1所示，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于消弧線圈與接地故障相構(gòu)成了另一個(gè)回路，此時(shí)，正常相的容性電流方向與故障相中的感性電流方向正好相反，兩者相互補(bǔ)償，可使故障相中的接地電流減小，使電弧容易自行熄滅，從而提高供電可靠性[3]。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式適用于對(duì)供電可靠性要求較高且瞬時(shí)性單相接地故障較多的系統(tǒng)。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障

在陸地城市電網(wǎng)中，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)因?yàn)楣╇姷母呖煽啃远玫綇V泛采用。但近年來，隨著城網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，需要補(bǔ)償?shù)碾娙蓦娏饕苍絹碓酱螅【€圈接地系統(tǒng)的成本也越來越高，而且該系統(tǒng)容易產(chǎn)生線路諧振，可能造成更大的損失。此外，消弧線圈接地系統(tǒng)會(huì)使線路繼電保護(hù)不敏感，導(dǎo)致對(duì)永久性故障切除不及時(shí)，因此，這種系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越少。

1.4 中性點(diǎn)經(jīng)電阻器接地

當(dāng)系統(tǒng)接地電容電流超過允許值時(shí)，也可以采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的方式。中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地可以降低中性點(diǎn)電位、減少電弧重燃的可能性、抑制電網(wǎng)的過電壓幅值。電阻接地系統(tǒng)按照電阻值的不同可以分為高電阻接地系統(tǒng)和低電阻接地系統(tǒng)，簡(jiǎn)要介紹如下：

1）高電阻接地系統(tǒng)：阻值＞500 ?，接地故障電流＜10 A。高阻接地方式一般不要求立即清除接地故障，因?yàn)榻拥毓收想娏饕呀?jīng)被限制到一個(gè)較低的值。這種方式通常用于檢測(cè)和報(bào)警。按規(guī)程有2小時(shí)的故障處理時(shí)間，從而可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。高電阻接地系統(tǒng)主要用于大型發(fā)電機(jī)回路和某些3 kV～66 kV配電網(wǎng)。

2）低電阻接地系統(tǒng)：阻值＜500 ?，接地故障電流＞100 A。低電阻接地系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置有選擇性的、可立即切除接地故障線路的保護(hù)裝置。為滿足保護(hù)的選擇性與靈敏度，電阻應(yīng)為保護(hù)裝置提供足夠大的電流。從安全性的角度考慮，電阻選取越大越好。低電阻接地系統(tǒng)以保護(hù)動(dòng)作優(yōu)先滿足單相故障時(shí)對(duì)設(shè)備損害小為目標(biāo)，對(duì)供電的連續(xù)性則采用雙回路、重合閘、備自投等方式來滿足。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地適用于瞬間性單相接地故障較少的電力電纜線路。

2 船用高壓中性點(diǎn)接地系統(tǒng)

海上浮動(dòng)式核電站35 kV高壓輸電系統(tǒng)基本采用電纜輸電，系統(tǒng)電容電流比較大，采用消弧線圈自動(dòng)補(bǔ)償接地方式能有效降低單相接地故障時(shí)的故障電流值，使系統(tǒng)免于發(fā)生弧光接地過電壓。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)性接地故障時(shí)，能保證系統(tǒng)不發(fā)生跳閘停電事故，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。但是采用經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，由于故障選線困難，故障檢修時(shí)難以判斷故障相，而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生永久性接地故障時(shí)，考慮到系統(tǒng)的海洋高電壓使用環(huán)境以及更高的絕緣和更好的安全性要求，必須在發(fā)生永久性故障時(shí)迅速跳閘切除故障。小電阻接地一方面具備繼電保護(hù)的靈敏性，同時(shí)也具備降低系統(tǒng)弧光接地過電壓的能力，但是小電阻接地會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)性故障頻繁跳閘切除故障，供電可靠性得不到保證。

將這兩種接地方式進(jìn)行并聯(lián)綜合運(yùn)用，則剛好可以揚(yáng)長(zhǎng)避短。出現(xiàn)瞬時(shí)性故障時(shí)，由消弧線圈滅弧保障系統(tǒng)供電可靠性；出現(xiàn)永久性故障時(shí)，由小電阻接地配合二次繼電保護(hù)跳閘保障系統(tǒng)安全。相較于目前應(yīng)用于海上船舶中高壓系統(tǒng)的中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地或不接地方式，兩種接地方式并聯(lián)運(yùn)用能提供更好的供電可靠性和安全性。

在圖 2所示的船用高壓中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中，小電阻支路由一個(gè)由控制系統(tǒng)控制開合的真空開關(guān)和一個(gè)接地電阻串聯(lián)組成，接地電阻值為0＜R＜500 ?，接地故障電流大于100 A；消弧線圈支路由消弧線圈串聯(lián)阻尼電阻組成。

圖2 船用高壓中性點(diǎn)接地系統(tǒng)

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，小電阻支路真空開關(guān)斷開，接地小電阻不投入系統(tǒng)，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈支路接地。控制器根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)電容電流調(diào)節(jié)二次側(cè)電容的容量，保證接地后的殘流小于3 A，整個(gè)過程中，系統(tǒng)不會(huì)跳閘停電。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在消弧線圈滅弧的作用下可使故障消除，系統(tǒng)仍可安全運(yùn)行。若系統(tǒng)發(fā)生永久性接地故障，在故障發(fā)生開始時(shí)，系統(tǒng)仍由消弧線圈接地，經(jīng)過一段時(shí)間的延時(shí)后，故障仍然存在，則由控制器發(fā)出指令，閉合小電阻支路真空開關(guān)，投入小電阻支路。此時(shí)，小電阻支路上產(chǎn)生較大的有功電流流過接地點(diǎn)和接地線路，該接地電流經(jīng)電流互感器送入接地繼電器，接地繼電器動(dòng)作跳開接地線路，從而切斷故障。

3 結(jié)論

本文就目前電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行了探討，綜合考慮供電可靠性和供電安全性，提出了適用于海上浮動(dòng)核電站35 kV高壓系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)。

目前，海上浮動(dòng)核電站涉及到的海上高壓輸電技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，對(duì)海上高壓系統(tǒng)中性點(diǎn)接地系統(tǒng)還有很多研究工作要做。就本文而言，在接地電阻的選擇和消弧線圈的配置上，還有很多深入的工作可以開展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王良秀, 唐石青, 李冬麗. 船舶電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式研究[J]. 船電技術(shù), 2006, 26(5): 41-44.

[2] 王鵬. 船舶中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式研究[J].船舶, 2007(3): 49-54.

[3] 王燕. 船舶中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地與過電壓研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2010.