中壓艦船電力系統(tǒng)分布電容估計(jì)

聶冬，羅寧昭

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中壓艦船電力系統(tǒng)分布電容估計(jì)

聶冬1，羅寧昭2

（1. 海軍駐武漢712所軍代表室，武漢 430068，2. 海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

系統(tǒng)分布電容大小是決定接地方式及接地裝置參數(shù)的重要因素，本文通過(guò)計(jì)算發(fā)電機(jī)、變壓器、母排及電纜的分布電容經(jīng)驗(yàn)公式，得到了無(wú)中壓負(fù)載艦船的分布電容大小，為接地方式的確定提供技術(shù)依據(jù)。

中壓 艦船 分布電容 電力系統(tǒng)

0 引言

隨著艦船電氣化程度進(jìn)一步提高，用電設(shè)備日益增多，用電需求不斷提高，艦船電力系統(tǒng)的容量也不斷增加。目前國(guó)際上具有先進(jìn)水平的援潛救生船均采用電力推進(jìn)技術(shù)，它能有效地保障實(shí)施動(dòng)力定位時(shí)艦船動(dòng)力的快速性和機(jī)動(dòng)性，同時(shí)使日用供電和推進(jìn)供電一體化，實(shí)現(xiàn)能源的綜合利用和統(tǒng)一管理，這也使得整個(gè)電站的功率很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用傳統(tǒng)推進(jìn)方式的艦船。與此同時(shí)，大型艦船的出現(xiàn)，高能武器的應(yīng)用，電磁彈射的興起，都對(duì)艦船電力系統(tǒng)容量提出了非常高的要求。容量的急劇上升給技術(shù)上帶來(lái)如下困難：

1）短路電流過(guò)大，使開(kāi)關(guān)電器與保護(hù)裝置的分?jǐn)嗳萘坎荒軡M足要求；

2）大功率發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)若額定電壓在500 V以下，在技術(shù)上將很難實(shí)現(xiàn)，并且在經(jīng)濟(jì)上也不合理；

3）如果在500 V以下用電纜輸送500 kW以上的功率，將使導(dǎo)電芯線很粗，有時(shí)需多股電纜并聯(lián)，造成布線和安裝的困難。

為此，提高電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)已經(jīng)成為大功率電站必須考慮的問(wèn)題，艦船中壓電力系統(tǒng)由此產(chǎn)生[1-4]。

中壓電力系統(tǒng)需要應(yīng)用接地裝置抑制單相間歇性接地故障時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓。接地方式的選擇及接地裝置的參數(shù)設(shè)定與中壓電力系統(tǒng)的分布電容有密切的關(guān)系。船用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高電阻接地要求故障點(diǎn)電流小于10 A，諧振接地要求故障電流小于200 A，發(fā)電機(jī)安全電流要求故障點(diǎn)電流小于4 A（6 kV發(fā)電機(jī)）。而在確定電力系統(tǒng)中，故障點(diǎn)電流的大小由系統(tǒng)分布電容決定。因此需要對(duì)中壓艦船的系統(tǒng)分布電容進(jìn)行估算，為接地裝置的選擇及參數(shù)設(shè)定提供技術(shù)依據(jù)。

1 分布電容經(jīng)驗(yàn)公式

在設(shè)計(jì)艦船接地方式時(shí)，艦船電力系統(tǒng)往往還沒(méi)有制造成型，所有裝備都還在圖紙上，系統(tǒng)每相對(duì)地電容還無(wú)法實(shí)際測(cè)量，因此只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的電容值。下面將對(duì)系統(tǒng)中主要元件逐一給出對(duì)地電容值的計(jì)算公式[5~6]。

1）發(fā)電機(jī)接地電容

經(jīng)驗(yàn)公式一

式中：為校正系數(shù)，數(shù)值為0.5；為發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)；為定子長(zhǎng)度，單位米；、Δi是槽內(nèi)導(dǎo)線銅的周長(zhǎng)及槽內(nèi)絕緣厚度，單位毫米。

經(jīng)驗(yàn)公式（2）

式中：是發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)；ε為槽相對(duì)介質(zhì)常數(shù)；、h、b是定子鐵芯長(zhǎng)度、槽高、槽寬，單位厘米；為電機(jī)絕緣厚度，單位厘米。

經(jīng)驗(yàn)公式（3）（高速汽輪發(fā)電機(jī)）

式中：S是發(fā)電機(jī)額定容量，單位千伏安；U-是發(fā)電機(jī)額定電壓，單位千伏；為溫度系數(shù)，當(dāng)溫度為15~200 ℃時(shí)取0.0187。

2）變壓器接地電容

與母線相連的降壓變壓器為Y/△接線，母線側(cè)為Y接線，所以低壓側(cè)短路特性電容電流與高壓側(cè)是獨(dú)立的。一般只須計(jì)算便延期高壓線圈對(duì)地電容即可。變壓器高壓線圈的單向?qū)Φ仉娙莨綖椋?/p>

按《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》上所述，變壓器每相對(duì)地電容13.8 kV為0.004~0.01 μF；35 kV為0.003~0.009 μF。

3）母線接地電容

式中FM是封閉母線每相對(duì)地電容，單位微法；為封閉母線長(zhǎng)度，單位米；R、R為封閉母線外殼和導(dǎo)體半徑，單位米；是空氣的介電常數(shù)，=8.86×10-12。

4）電力電纜接地電容

式中：C為電纜電容，單位皮法；是電纜長(zhǎng)度，單位米；r、r是電纜芯線半徑和電纜外皮內(nèi)半徑，單位厘米；ε、是空氣的介電常數(shù)和電纜絕緣材料相對(duì)絕緣介電常數(shù)r=8.86×10-12，=30。

2 分布電容估算

假設(shè)三相中壓電纜總長(zhǎng)度5 000 m，發(fā)電機(jī)1 MW級(jí)10臺(tái)，日用變壓器500 kVA級(jí)10臺(tái)，母排等效長(zhǎng)度100 m。根據(jù)發(fā)電機(jī)接地電容經(jīng)驗(yàn)公式（1）、（2）、（3）進(jìn)行估算，數(shù)值為0.9—1.1 μF；根據(jù)變壓器接地電容經(jīng)驗(yàn)公式（4）進(jìn)行估算，數(shù)值約為0.04 μF；根據(jù)母線接地電容經(jīng)驗(yàn)公式（5）進(jìn)行估算，數(shù)值約為0.07 μF；根據(jù)電力電纜接地電容經(jīng)驗(yàn)公式（6）進(jìn)行估算，數(shù)值為3.5—4.0 μF。因此大型艦船在沒(méi)有大型中壓負(fù)載的情況下系統(tǒng)對(duì)地電容在5 μF左右。

3 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，變壓器及母排并不存在較大的分布電容。發(fā)電機(jī)的總分布電容約為1 μF。系統(tǒng)占比最大的中分布電容由三相電纜產(chǎn)生。

根據(jù)IEEE Std C62.92.1-2000中關(guān)于高電阻接地方式對(duì)過(guò)電壓的抑制試驗(yàn)，如果期望過(guò)電壓水平可以抑制在2.6倍正常值以下，接地電阻的阻值必須小于系統(tǒng)容抗值；同時(shí)為符合電力系統(tǒng)安全接地電流標(biāo)準(zhǔn)，故障電流小于10 A[7]。為符合標(biāo)準(zhǔn)高電阻接地方式需應(yīng)用分布電容電容應(yīng)小于5.9 μF的中壓電力系統(tǒng)中。當(dāng)分布電容大于該數(shù)值時(shí)，接地故障電流將大于10 A，故障電弧不容易熄滅，故障將擴(kuò)大，需要立即切斷故障支路。

通過(guò)估算結(jié)果可以看出，不帶中壓負(fù)載的艦船的分布電容能夠滿足高電阻接地要求。根據(jù)艦用標(biāo)準(zhǔn)要求電力系統(tǒng)設(shè)備對(duì)地電容應(yīng)小于0.1 μF，因此配置大量中壓負(fù)載的大型艦船的分布電容必然超過(guò)高電阻接地裝置的允許值，需要考慮其他的接地方式。

[1] 回志鵬, 陳新剛, 馬守軍．艦船中壓電力系統(tǒng)接地分析[J]．艦電技術(shù), 2007, 27(6): 339-350．

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

[3] 要煥年, 曹月梅．電力系統(tǒng)諧振接地（第二版）[M]．北京: 中國(guó)電力出版社, 2009．

[4] Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems[S]．IEEE Std 142-2007 IEEE．2007．

[5] 劉樹(shù)慰．發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式研究[D]．天津: 天津大學(xué), 2004．

[6] 曹爽. 供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地技術(shù)研究報(bào)告[R]．上海：中國(guó)艦船重工集團(tuán)公司七〇四研究所, 2007．

[7] IEEE Std C62．92．1-2000．IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems[S]．USA：IEEE, 2000．

The Estimation on Distributed Capacitance ofMiddle--voltage Shipboard Power System

Nie Dong1, Luo Ningzhao2

(1. Naval Representatives Office of No. 712 Research Institute, Wuhan 430068, China; 2. Naval University of Engineering,Wuhan 430033, China)

TM74

A

1003-4862（2014）2-0068-03

2013-07-18

聶冬（1983-），男，工程師。主要研究方向：電氣工程。