船舶交流電網(wǎng)中線連接系統(tǒng)的研究

焦勇

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，葫蘆島 125005）

1 引言

船舶交流電網(wǎng)為船舶電力拖動，電力操舵，導(dǎo)航，內(nèi)部通訊和照明等電路提供電能。電力拖動系統(tǒng)包括電動機(jī)裝置和控制裝置，其中電動機(jī)起著原動力的作用，它的功能是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電力操舵裝置系統(tǒng)控制著船舶的方向。導(dǎo)航系統(tǒng)是船舶的耳朵和眼睛。內(nèi)部通訊包括電話，廣播，電信傳令鐘及電信號，是船舶的神經(jīng)。船舶的照明包括艙室照明，甲板照明，探照燈，航行燈，信號燈和低壓提燈，是全體船員做好工作的保障。

隨著造船技術(shù)的迅速發(fā)展，電在船上的用途也越來越大。說的生動點(diǎn)，我們完全可以說船舶電網(wǎng)系統(tǒng)是船的血管和神經(jīng)細(xì)胞。而交流系統(tǒng)是船舶的中樞神經(jīng)。因此交流系統(tǒng)的中線連接方法是一個重要的問題[1]。

2 船舶交流電網(wǎng)中線絕緣系統(tǒng)與中線接地系統(tǒng)的分析

在船舶交流電網(wǎng)中，中線連接系統(tǒng)主要有兩種：一是采用中線接地系統(tǒng)，二是采用中線絕緣系統(tǒng)。筆者通過對兩個系統(tǒng)的深入考察和分析研究認(rèn)為，在船舶交流電網(wǎng)中，中線絕緣系統(tǒng)優(yōu)于中線接地系統(tǒng)。

2.1 中線接地系統(tǒng)

我們都知道，陸地上交流電網(wǎng)大多數(shù)采用中線接地系統(tǒng)。交流電網(wǎng)采用中線接地時，由于中線的接地電阻很小，因此中線與地間的電位差接近于零，相當(dāng)于中性點(diǎn)直接接地。中線接地系統(tǒng)有以下特點(diǎn)[2]：

（1）在中線接地系統(tǒng)中，當(dāng)其中一相出現(xiàn)短路等故障時（例如圖1中A相短路），其它兩相B、C對地電壓基本不變，接近于相電壓Up，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，防止系統(tǒng)振蕩。而在中線絕緣系統(tǒng)中 B、C兩相對地電壓等于線電壓Ul（Ul=Up）。但是，通常情況下在中線接地系統(tǒng)中某相出現(xiàn)短路故障時，保護(hù)裝置會切斷該相電源。

圖1 三相四線制電路

（2）在中線接地系統(tǒng)中，電氣設(shè)備和線路只需按相電壓來考慮其絕緣水平，可降低電氣設(shè)備的制造成本和線路的建設(shè)費(fèi)用。

（3）在中線接地系統(tǒng)中，將電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時不帶電的金屬導(dǎo)體部分與接地極之間作良好的金屬連接，可在一定程度上保護(hù)人身的安全，降低人體遭受電擊的危險(xiǎn)。

2.2 中線絕緣系統(tǒng)

中線接地系統(tǒng)固然有許多優(yōu)點(diǎn)。但是就目前來看，筆者研究發(fā)現(xiàn)，除個別情況外，船舶交流電網(wǎng)中一般采用中線絕緣系統(tǒng)，這與陸地上交流系統(tǒng)大多數(shù)采用中線接地的情況正好相反。船舶采用的中線絕緣系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)為，在該系統(tǒng)中，其中一相短路接地不會使電源切斷，而是發(fā)出警報(bào)（在接地檢測系統(tǒng)中一般要安裝警報(bào)器），有時間尋找并排除故障，這一點(diǎn)對船舶的航行安全是非常重要的，對于船舶因斷電造成的重要設(shè)備失靈的危險(xiǎn)是不能接受的。

但正如前面所述，中線絕緣系統(tǒng)在一相出現(xiàn)故障時會使另兩相電壓升高（另兩相對地電壓等于線電壓Ul），這增加了人體觸電危險(xiǎn)的可能性，并提高對用電器絕緣水平的要求。

2.3 在船舶交流電網(wǎng)中使用中線絕緣系統(tǒng)的原因

在船舶上的考察，分析，研究表明，在船舶環(huán)境下，中線絕緣系統(tǒng)有其不可替代的優(yōu)越性。

使用中線絕緣系統(tǒng)的原因之一。船舶交流電網(wǎng)若采用中線接地方法，一旦發(fā)生接地故障，電網(wǎng)斷電會導(dǎo)致諸如舵機(jī)（船舶航行的主機(jī)）和重要的機(jī)艙輔機(jī)等重要航行設(shè)備（如導(dǎo)航設(shè)備，通訊設(shè)備）失靈，造成船舶癱瘓，甚至出現(xiàn)重大危險(xiǎn)。在船舶環(huán)境下，對于三相交流電網(wǎng)中出現(xiàn)低阻抗（如過載，電器設(shè)備短路），從而導(dǎo)致保護(hù)熔斷器及斷路器的動作，嚴(yán)重時能使電源切斷。這不僅影響電動機(jī)正常工作，還波及其它設(shè)備（如照明，通訊）。此外三相電路中的某相因故斷路，在缺相狀態(tài)下運(yùn)行，可以造成短時間內(nèi)燒壞重要設(shè)備（如發(fā)電機(jī)）的重大危險(xiǎn)。反之，如采用絕緣系統(tǒng)，其中一相短路接地不會使電源切斷，而只會使另兩相電壓升高并發(fā)出警報(bào)，這不僅有利于故障的排除，而且對于船舶安全也具有重大意義[3]。

原因之二，觸電危險(xiǎn)對中線接地和中線絕緣兩種系統(tǒng)來說，是一樣危險(xiǎn)的。一種系統(tǒng)不比另一種系統(tǒng)更安全。對于中線絕緣系統(tǒng)，其遍及電網(wǎng)的對地額定漏電流是由于電容、設(shè)備表面漏電流以及可能發(fā)生的故障等原因造成的，因此，假設(shè)有人體觸及電網(wǎng)，就會發(fā)生觸電危險(xiǎn)。對于接地系統(tǒng)，在船舶環(huán)境下，電壓不論是380 V還是220 V都有致命的危險(xiǎn)，因此它并不比絕緣系統(tǒng)更安全。根據(jù)近年來的大量實(shí)踐表明，在所有的環(huán)境下，高于55 V的交流電壓都被認(rèn)為是不安全的[4]。

原因之三，電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，兩種中線系統(tǒng)都很難因電壓浪涌而造成設(shè)備擊穿。中線接地系統(tǒng)在這一點(diǎn)上也并非更優(yōu)越。反對采用絕緣系統(tǒng)的主要論點(diǎn)是：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，或者當(dāng)接通、斷開開關(guān)時，會出現(xiàn)電流浪涌。這二種情況都會造成過電壓浪涌，當(dāng)電壓浪涌過高，會造成電動機(jī)等電器設(shè)備擊穿，從而發(fā)生危險(xiǎn)。一個在電網(wǎng)分析器上實(shí)現(xiàn)的440 V三相絕緣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究表明，一相接地的電感性負(fù)載發(fā)生故障，所產(chǎn)生的過電壓為額定電壓的 3.5至 4.5倍。如果故障是斷續(xù)的，所產(chǎn)生的過電壓為額定電壓的4至5倍。另外開關(guān)的電流浪涌，對任何一種系統(tǒng)都將產(chǎn)生過電壓浪涌，大約是額定相電壓的 2至3倍。而在出廠前，一個裝置中的各個部件都有嚴(yán)格的出廠試驗(yàn)。大多數(shù)的出廠試驗(yàn)，是用兩倍工作電壓加1000 V（最低2000 V）進(jìn)行高壓絕緣試驗(yàn)。對于設(shè)計(jì)的額定電壓為440 V的裝置，考慮到在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的偶然過電壓，2000 V的最低極限電壓也可提供較充裕的保護(hù)。況且更有實(shí)驗(yàn)表明電動機(jī)及控制設(shè)備等，在20000 V電壓下（遠(yuǎn)高于浪涌電壓），都有良好的絕緣性能。雖然在這種條件下的試驗(yàn)并不具有可重復(fù)性，但這仍可說明過電壓造成絕緣擊穿從而導(dǎo)致嚴(yán)重事故的可能性微乎其微。此外，目前船舶系統(tǒng)普遍使用整流器及二極管來保護(hù)設(shè)備。例如在計(jì)算機(jī)集控及儀表裝置中，設(shè)計(jì)過程中會進(jìn)一步考慮過電壓浪涌的易損性問題等等[5]。

另外，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，常由于附加負(fù)荷增加而過載。對于中線絕緣系統(tǒng)的電路過載問題，今天船用電站常采用自動卸載的方法予與解決。其方法是，由晶體管回路和繼電器組成自動卸載電路。一些次要的電器設(shè)備通過不同級自動卸載，以保證其他主要電器設(shè)備的供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

對于船舶系統(tǒng)來說，接地故障會使重要設(shè)備失靈，而過電壓造成故障的損害相比于斷電的損害，通常來說還是比較輕的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，船上最頻繁的故障就是接地故障。若采用接地系統(tǒng)，就會使船舶系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大，船舶安全得不到保障。而采用絕緣系統(tǒng)則可使其安全性大大增加。因此，在船舶交流電網(wǎng)中，中線絕緣系統(tǒng)是更優(yōu)化的選擇。

[1] 林華峰. 船舶電站. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2005.3.

[2] 華南工學(xué)院船舶船廠電氣自動化教研組編. 船舶電力系統(tǒng). 北京：國防工業(yè)出版社, 1982.6.

[3] 王鵬. 船舶電力系統(tǒng)短路電流. 船舶，2005（1）.

[4] 阮紅軍. 11000 kW海洋拖船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì). 船舶設(shè)計(jì)通訊, 2005（2）.

[5] 郝琇, 趙玉成. 船舶電力系統(tǒng)短路的試驗(yàn)研究. 船電技術(shù), 2001（1）.