船用保護(hù)接地線電阻分析

盧軍軍 ， 王志榮 ， 高銘晶

(1.中天科技專網(wǎng)事業(yè)部，江蘇 南通 226010；2.中天科技裝備電纜有限公司，江蘇 南通 226010)

船用保護(hù)接地線電阻分析

盧軍軍1， 王志榮2， 高銘晶2

(1.中天科技專網(wǎng)事業(yè)部，江蘇 南通 226010；2.中天科技裝備電纜有限公司，江蘇 南通 226010)

基于國(guó)際電工委員會(huì)( IEC標(biāo)準(zhǔn))未對(duì)船舶電氣設(shè)備的接地線電阻提出明確要求，通過(guò)人體觸電模型及設(shè)備對(duì)地短路對(duì)船用電氣設(shè)備接地電阻的取值進(jìn)行了探討。首先，介紹了IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接地線導(dǎo)體截面積的要求；其次，結(jié)合人體允許電流閾值以及設(shè)備對(duì)地故障電流分析等對(duì)電氣設(shè)備的接地電阻進(jìn)行分析；最后，對(duì)某船舶消防泵的接地電阻進(jìn)行分析，得出根據(jù)IEC 60092-352要求的截面積選取的接地線可防止人員觸電危險(xiǎn)。

船用電纜；保護(hù)接地；電阻

0 引言

隨著船舶行業(yè)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多大功率的電氣設(shè)備應(yīng)用于船舶。由于絕緣的損壞或老化會(huì)使得電氣設(shè)備的金屬外殼存在帶電的風(fēng)險(xiǎn)，因此為了避免設(shè)備外殼帶電對(duì)人身安全造成傷害，必須將正常情況下不帶電的金屬外殼或構(gòu)架與船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行電氣連接。如何科學(xué)地選擇導(dǎo)體的截面積以及進(jìn)行接地以滿足安全需求是值得探討的。

1 規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求

接地線導(dǎo)體截面積是影響接地效果的一個(gè)重要因素，IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此有著嚴(yán)格的要求。

1.1 IEC 60364標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接地線要求

接地線導(dǎo)體截面積的確定需分析故障電流產(chǎn)生有害的熱能、機(jī)械應(yīng)力和電應(yīng)力造成的危害。IEC 60364-5-54:2011中對(duì)接地保護(hù)導(dǎo)體的截面積選擇規(guī)定為[1]：保護(hù)導(dǎo)體的截面積不應(yīng)該小于由如下兩者之一所確定的值

①按IEC 60949；

②或僅對(duì)短路時(shí)間不超過(guò)5 s時(shí)，可按式(1)所確定：

(1)

式中：S為接地線導(dǎo)體截面積，mm2；I為通過(guò)保護(hù)電器的阻抗可忽略的故障產(chǎn)生的預(yù)期故障電流交流有效值，A；t為保護(hù)電器自動(dòng)切斷時(shí)的動(dòng)作時(shí)間，s；k為由保護(hù)導(dǎo)體、絕緣和其他部分的材料以及初始和最終溫度決定的系數(shù)，系數(shù)k的計(jì)算見式(2)：

(2)

式中：ρ20為導(dǎo)體材料在20 ℃的電阻率，Ω·mm；β為導(dǎo)體在0 ℃的電阻率溫度系數(shù)的倒數(shù)，℃;QC為導(dǎo)體材料在20 ℃的體積比熱，J/(kg·℃)；θI為導(dǎo)體的初始溫度，℃；θF為導(dǎo)體的最終溫度，℃。

1.2 IEC 60092-352標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接地線要求

IEC 60092-352標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船舶電氣設(shè)備中接地線導(dǎo)體截面積的要求見表1。表中，Q為船舶主電網(wǎng)電纜單芯截面積，mm2。

表1 IEC 60092-352對(duì)船舶設(shè)備接地線導(dǎo)體截面積的要求

從上述兩方面可知，IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接地線導(dǎo)體截面積都有著明確或間接的要求，但是對(duì)影響接地效果的接地線導(dǎo)體的電阻的要求并不明確。本文將通過(guò)人體觸電模型及設(shè)備對(duì)地短路電流對(duì)船用電氣設(shè)備接地導(dǎo)體的電阻的取值進(jìn)行探討。

2 建模分析

2.1 人體觸電模型

船舶電氣設(shè)備的金屬外殼短路帶電是一種對(duì)操作人員的人身安全具有較大安全威脅的故障。船用大功率設(shè)備大都配置保護(hù)裝置，當(dāng)船用電氣設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)保護(hù)裝置自動(dòng)切斷電源。然而保護(hù)裝置一般會(huì)設(shè)定一定的延時(shí)動(dòng)作時(shí)間。假如此時(shí)工作人員觸碰到帶電的金屬外殼，就有可能發(fā)生觸電的危險(xiǎn)。觸電事故通常發(fā)生在手到腳之間，其人體觸電模型如圖1所示。假設(shè)圖1中的故障電流為It，接地線導(dǎo)體的電阻為R1，人體電阻為R2，接地線中通過(guò)電流為I1，人體中通過(guò)的電流為I2，則人體觸電模型可以簡(jiǎn)化為圖2所示的電路圖。

根據(jù)圖2由基爾霍夫定律可知,人體中通過(guò)電流用式(3)表示為：

(3)

接地線導(dǎo)體電阻R1可用式(4)表示為：

(4)

式中：It為故障電流，A；I2為人體可通過(guò)的電流閾值,A；R1為接地電阻，Ω；R2為人體電阻，隨著電源電壓的升高而降低，且與環(huán)境有關(guān)，可選1 000 Ω。

2.2 人體可通過(guò)電流閾值

根據(jù)GB/T 13870.1—2008可知，人體通過(guò)電流的可擺脫閾值為5 mA，人體可承受的交流電流大小與電流的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，其關(guān)系圖如圖3所示，表2為圖3的解釋。由圖表可知，人體可通過(guò)電流大小與電流持續(xù)時(shí)間有關(guān)，時(shí)間越短，人體可承受的電流值越大。

區(qū)域范圍生理效應(yīng)AC?10．5mA的曲線a的左側(cè)有感知的可能性，但通常沒(méi)有被“嚇一跳”的反應(yīng)AC?2曲線a至曲線b可能有感知和不自主地肌肉收縮，但通常沒(méi)有有害的電生理學(xué)效應(yīng)AC?3曲線b至曲線c有強(qiáng)烈的不由自主的肌肉收縮，呼吸困難?？赡嫘缘男呐K功能障礙?；顒?dòng)抑制可能出現(xiàn)。隨著電流幅度而加劇，通常沒(méi)有預(yù)期的器官破壞AC?4曲線C1以上可能發(fā)生病理?生理學(xué)效應(yīng)，如心博停止，呼吸停止以及燒傷或其他細(xì)胞的破壞。心室纖維性的顫動(dòng)概率隨著電流幅度和時(shí)間增加曲線C1?C2AC?4．1心室纖維性顫動(dòng)的概率增大到約5%曲線C3?C4AC?4．2心室纖維性顫動(dòng)的概率增大到約50%曲線C3的右側(cè)AC?4．3心室纖維性顫動(dòng)的概率增大到約50%以上電流的持續(xù)時(shí)間在200ms以下，如果相關(guān)閾值被超過(guò)，心室纖維性顫動(dòng)只有在易損期內(nèi)才能被激發(fā)。關(guān)于心室纖維性顫動(dòng)，與在從雙手到雙腳的路徑中流通的電流效應(yīng)相關(guān)，對(duì)其他電流路徑，應(yīng)考慮心臟電流系數(shù)

2.3 保護(hù)裝置的設(shè)定

假設(shè)某設(shè)備短路延時(shí)保護(hù)設(shè)定值為1 000 A,設(shè)定時(shí)間為500 ms，根據(jù)圖3可知在500 ms內(nèi)人體可通過(guò)電流為20 mA，400 V時(shí)人體手到手之間的阻值約為1 250 Ω,到腳之間的阻值R2約為1 000 Ω，則R2取1 000 Ω，It取1 000 A，I2取20 mA。

由式(4)可知，接地導(dǎo)體電阻上限值為：

由于船舶大功率電氣設(shè)備的使用，有可能產(chǎn)生較大的預(yù)期故障電流，因此需分析大故障電流時(shí)接地線的電阻上限值。

Icu為電氣設(shè)備短路故障電流。假設(shè)預(yù)期故障電流It=Icu=36 000 mA，取I2為人體可擺脫閾值5 mA，則

通過(guò)上述計(jì)算可知，在選擇船用電纜的接地線時(shí)還要考慮接地線應(yīng)該與設(shè)備的保護(hù)裝置相匹配。設(shè)備保護(hù)裝置設(shè)定的開關(guān)保護(hù)動(dòng)作值越大，則設(shè)備與地之間的接地電阻值應(yīng)該越小。

3 實(shí)例分析

3.1 船舶配電線路與地之間的電容與容抗

船舶常采用中性點(diǎn)對(duì)地絕緣系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)備外殼帶電時(shí)候，由于配電線路與地之間存在著分布電容C，人體與系統(tǒng)構(gòu)成交流回路，因而當(dāng)人體接觸到帶電的金屬外殼時(shí)就會(huì)發(fā)生觸電事故，其觸電電路圖如圖4所示。

若設(shè)備有接地線導(dǎo)體電阻R1,人體電阻R2與接地線電阻并聯(lián)，由于接地線導(dǎo)體電阻遠(yuǎn)小于人體電阻，則通過(guò)人體中的電流就接近于0，從而就有效防止了觸電事故的產(chǎn)生，其保護(hù)電路圖如圖5所示。

船舶電氣設(shè)備常用的接地方式是就近接地。某船采用三相三線制絕緣系統(tǒng)，電網(wǎng)參數(shù)為440 V、60 Hz，電力電纜長(zhǎng)度為12.8 km，一般電纜的單位電容Cu為400 pF/m，則船舶電網(wǎng)與地之間的分布電容可按式(5)估算為：

C=LCu

(5)

式中：C為船舶電網(wǎng)與地之間的分布電容，F(xiàn)；Cu為電纜的單位電容，Cu=400 pF/m；L為電纜長(zhǎng)度，L=12.8 km。

經(jīng)計(jì)算，C=5.12×10-6F

船舶電網(wǎng)與地之間的容抗按式(6)計(jì)算：

(6)

式中：Xc為船舶電網(wǎng)與地之間的容抗，Ω；f為船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率，f=60 Hz。

經(jīng)計(jì)算，Xc=518.08 Ω。

正是由于上述船舶配電線路與地之間電容及容抗的存在，所以在人體接觸到電網(wǎng)中帶電設(shè)備的金屬外殼時(shí)候，斷電保護(hù)裝置尚有延遲時(shí)間，在該延遲時(shí)間段內(nèi)就會(huì)發(fā)生觸電事故。

3.2 以船舶消防用泵為例的接地線電阻分析

選擇上述船舶某消防用泵為例進(jìn)行接地線電阻分析，其設(shè)備及電纜參數(shù)分別表3、表4。

表3 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

表4 電纜參數(shù)

消防用泵阻抗為：

(7)

(8)

(9)

式中：XM為電動(dòng)機(jī)阻抗，mΩ；RS為電動(dòng)機(jī)電阻，mΩ；RR為電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)電阻，mΩ；ηM為電動(dòng)機(jī)效率；cosφM為電動(dòng)機(jī)額定功率因素，通常ηMcosφM值取0.76。

經(jīng)計(jì)算，XM=167.2 mΩ，RS=37.9 mΩ，RR=23.4 mΩ。

電動(dòng)機(jī)至主匯流排連接電纜阻抗為：

(10)

(11)

式中：Re為并聯(lián)電纜系統(tǒng)電阻，mΩ；Xe為并聯(lián)電纜系統(tǒng)阻抗，mΩ；r為電纜單位長(zhǎng)度電阻，mΩ/m；L′為并聯(lián)電纜系統(tǒng)長(zhǎng)度，L′=54m；X為電纜單位長(zhǎng)度電抗，X=0.098 5mΩ/m；a為并聯(lián)電纜系統(tǒng)電纜根數(shù)，a=2。

經(jīng)計(jì)算，Re=8.019mΩ，Xe=2.659mΩ。

則總阻抗Rt為：

取人體電阻R2為1 000 Ω，由于接地電阻R1遠(yuǎn)小于Rt，因此，近似地有：

取人體安全電流5 mA，則根據(jù)式(4)，接地電阻Rt上限值為：

根據(jù)規(guī)范可知，該設(shè)備應(yīng)選取的電纜接地線導(dǎo)體截面積為70 mm2，導(dǎo)體電阻r1為0.297 Ω/m，則接地線電纜長(zhǎng)度l的上限值為：

通常情況下就近接地形式的接地線較短，因此按照IEC 60092-352要求的導(dǎo)體截面積選取的接地線，可以防止人員觸電危險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的分析可知，用于設(shè)備保護(hù)接地的導(dǎo)體的選擇主要與設(shè)備預(yù)期接地故障電流的大小有關(guān)。隨著船舶功率越來(lái)越大，船舶電網(wǎng)的復(fù)雜程度增加，電網(wǎng)與地之間的分布電容將隨著電纜的增多而增大，從而可能引起設(shè)備對(duì)地故障電流的增大。因此，對(duì)于大功率的船舶而言，除按照IEC標(biāo)準(zhǔn)要求選擇接地線導(dǎo)體的截面積外，還應(yīng)該對(duì)設(shè)備接地線導(dǎo)體的長(zhǎng)度進(jìn)行理論分析。由于接地電容難以精確估算，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可以挑選典型設(shè)備，通過(guò)實(shí)測(cè)接地故障電流，從而精確計(jì)算出船用電纜接地線電阻的上限值，并選擇合適的接地線導(dǎo)體的截面積。

[1] 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：電氣分冊(cè)[M]. 3版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社出版，2013.

2016-06-01

盧軍軍(1988—)，男，助理工程師,從事船舶及海洋鉆井平臺(tái)用電線電纜研究。

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