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超大型FPSO船舶的电力系统设计简介随着人类对石油资源的渴求，海洋石油开发在世界经济中占有重要地位。FPSO是集海洋工程与石油加工处理于一体的综合性高技术、高风险、高附加值、高投入、高回报的系统工程。FPSO浮式生产系统特别适合于远离海岸的中、深海油田，它相对于生产平台而言，具有抗风浪能力强，储油能力大，可以转移和重复使用等优点，浮式生产系统已成为当今海上石油开发的主流方式。现在，人们常将载重量小于10万吨的FPSO，称为常规FPSO；1020万吨，称为大型FPSO；20万吨以上，称为超大型FPSO。FPSO通常是整个海上油田的中心装置，其主电站也往往是整个油田的电源中心，不但要给本FPSO船体供电，还可能要给远处的井口平台等装置供电，所以FPSO的电站容量规模极大。超大型FPSO需要设置高达数十兆瓦乃至上百兆瓦的大型电站，受配电设备短路电流容量的限制，电网设计更有其特殊性。本文将对FPSO的电气系统的主要设计原则，设计方法与思路进行重点和基本的介绍。1. FPSO船舶电气系统主要设计规范与规则FPSO所有电气设备和材料的设计和安装，都必须基于相关的船级社规范、IEC92版船上电气安装和国际通用的有关标准及规则等。1.1 主要船级社规范：世界上主要的入级船级社如下：l CCS（China Classification Society） 中国船级社l DNV（Det Norske Veritas） 挪威船级社l ABS（American Bureau of Shipping） 美国船级社l BV（Bureau Veritas） 法国船级社l LR（Lloyds Register） 英国船级社l GL（Germanischer Lloyd） 德国船级社l NK（Nippon Kaiji Kyokai） 日本船级社1.2 主要的国际通用标准及准则：l International Electrok- technical Commission (IEC，92出版物)国际电工学会（IEC，92号出版物船上电气安装）l National Fire Protection Association (NFPA) 美国消防协会l American National Standards Institute (ANSI) 美国标准协会l National Electric Manufacturers Association (NEMA) 美国电器制造商协会l Institute for Electrical and Electronic Engineers(IEEE) 美国电机电子工程师学会l American Petroleum Institute (API， API14F，APIRP500) 美国石油协会l Underwriters Laboratories (UL) 美国保险安全实验室l International Maritime Organization(IMO)国际海事组织（包括1974年SOLAS约及有关决议和修正案）1.3 其他参考采用的规则：l International Association of Classification Societies (IACS)国际船级社协会l International Association of Independent Tanker Owner (INTERTANKO) 国际油船船东协会2. 船舶设备电力负载计算的内容和方法2.1 船舶电力负载计算概述2.1.1 目的和意义船舶电力负载计算是根据全船用电设备的数量、负载和使用情况进行的，其计算结果是作为选择发电机容量和台数的依据。因此，电力负载计算在整个船舶电气设备系统设计中是一项较重要的工作，如果计算不正确，选择发电机不恰当，必将直接影响全船用电设备的运行，危及船舶运行和人的生命安全。 电力负载计算又是一项较困难的工作，这是因为全船用电设备的实际负载和具体使用工况受多种因素影响，难以准确的定量计算，有些数据是根据统计计算或经验获得的。所以，应该与轮机专业和设备专业等有关专业密切配合，对用电设备负载和使用情况加以全面客观地分析，以获得比较准确的计算结果。2.1.2 计算方法 目前，船舶电力负载计算方法较多，各种方法略有不同；即使是同一方法在不同用途的船舶上使用也有差别。但其基本构思是一样的，即计算船舶各工况下用电设备所需的功率。 目前电力负载常用的计算方法有：l 需要系数法l 三类负载法l 日夜负载法l 概率分析计算法l 算式计算法l 以某项特重负载为基数的计算方法以上方法中，目前应用较多的是需要系数法和三类负载法。经大量实船的计算和实践，如果需要系数、负载系数或同时系数等参数选取恰当，需要系数法、三类负载法均能得到较准确的计算结果。2.1.3 计算工况 在电力负载计算时，通常要考虑船舶运行工况，虽然不同类型及 用途的船舶其运行工况可能略有不同，但基本的运行工况大致相同，基本的工况大致可分为：l 航行满载全速航行l 进出港港内低速航行或机动状态l 压载进出港压载航行状态l 靠离码头 一般考虑起锚和系缆状态（通常该工况可与进出港工况合并为进出港工况）l 停泊停泊码头或系船（无客、无货状态）l 装卸货货船、液货船（油船、液化气船和化学品船）或集装箱船等装货、卸货状态l 作业工程船舶的水上作业或调查船等的海上作业。l 应急 一般考虑主电站失电或船舶失火状态 有时，为了较正确地计算电力负载，根据航区及使用目的，又有热带或寒带航行、装货和不装货、载货和不载货之分；并且还的季节和时间的不同，例如冬天和夏天、白天和黑夜等。 例如，海洋工程船舶渤海期开发项目，蓬莱30万吨“PL193FPSO”（船体部分）的计算工况就分为原油生产、生产和输油、基本负载（ESSENTIAL）、黑暗起动（BLACKOUT START）、应急等工况。 2.1.4 用电设备的分类在对用电设备分类时，航行船舶通常是按系统进行分类，一般的分类为：1.） 动力装置用辅机为主机和主锅炉等服务的辅机，如滑油泵、海水冷却泵、淡水冷却泵和鼓风机等。2.） 甲板机械包括锚机、绞盘、舵机、起货机和舷梯、起艇机等。3.） 舱室辅机包括生活用水泵、消防泵、舱底泵以及为辅锅炉服 务的辅机等。4.） 机修机械包括车床、钻床、电焊机和盘车机等。5.） 冷藏通风包括空调装置、伙食冷库等用辅机和各种舱室的通风机等。6.） 厨房洗衣设备包括电炉、电烤炉等厨房机械辅机和洗衣机等。7.） 照明设备包括机舱照明、住舱照明、甲板照明等照明设备和 航行灯、信号灯等。8.） 通讯导航设备包括无线电、导航和船内通信设备等。9.） 自动化设备及其它例如，自动化装置、蓄电池充电设备、冷藏集装箱和侧推装置以及特种船舶的专用设备等。上述用电设备的分类，随船舶的种类、吨位、和主机形式等不同而有很大差别，在进行电力负载计算时，在直观、明了的前提下，可以增减或合并。例如，在蓬莱30万吨“PL19-3FPSO ”项目中，船体部分（HULL）的用电设备的分类与常规的船舶也有一些差别。1.） 首先按高压（6.3kV）和低压（400V）配电板分成二个大用电设备的分类。2.） 高压配电板系统，按机械设备（分艏部和艉部）直接起动的 高压电动机等、高压变压器（6.3kV/400V）分夏季和冬季及工艺模块供电部分等。3.） 低压配电板系统，按机械设备（分艏部和艉部）、甲板机械、空调及通风（分夏季和冬季）、电气设备（分夏季和冬季）电气设备中包括照明、电伴热、厨房设备、餐厅设备、洗衣设备等。4.） 应急配电板系统，按机械设备（分艏部和艉部）、甲板机械、空调及通风（分夏季和冬季）、工艺模块供电部分、电气设备（分夏季和冬季）包括应急照明、电伴热、厨房及洗衣设备等。2.1.5 连续负载和间接负载顾名思义，连续负载即连续运行的负载，间断负载即间断运行（短时或重复短时运行）的负载。连续使用的大功率辅机对发电机影响较大，所以进行电力负载计算时，对其需要功率的估算应仔细慎重，精度应尽量高。对小容量的辅机也采用大容量辅机的计算方法当然是理想的，但十分繁顼，可以采用实际的平均值，对计算结果不会产生很大的误差。对于频繁波动的负载所需的功率的计算，通常是求其均方根值，而不是按最大值计算。电动机起动时的过电流（或过载），一般也不要在其需要的功率计算上再加算。2.2 需要系数法2.2.1 需要系数负载实际需要的功率是由各设备的种类及其使用方法决定的，其实可用需要系数来计算。需要系数 = 设备的需要功率/设备的定额输入功率100%。设备的额定输入功率，对电动机而言，就是其额定输入功率；对照明和通讯导航设备而言，可采用安装的总工率；对负载随时间上下波动时，一般取其平均功率。需要系数随船舶运行工况不同而不动，对于一般商船，可以取下述各值：l 一般辅机 60 % 95 %l 舵 机 20 % 30%l 电热设备 50 % 100 %l 一般照明 70 % 80 % （航行）60 % 70 % （装卸货）50 % 60% （停泊）l 工作 灯100 % （装卸货）有关负载分类及其常用需要系数K值，参见表1和表2。电动起货机可以看作间断负载，计算其功率实质上就是选择一个合适的同时系数。但实际计算负载时，通常是把这些起货机看作一组连续的负载，也用需要系数来计算，该需要系数与起货机台数有关，用一个概略数值表示，参见表3和表4。发电机电动机系统，以拖动电动机的额定输入功率作为基准；变极式鼠笼电动机，一般以第二档输入功率作为其准；对于甲板起重机，通常以提升和回转同时动作时所需额定输入功率作为基淮。2.2.2 同时系数各间断性负载不会都有在同一时刻使用。所以，在确定的条件下，可能运行的各间断负载的最大需要功率之和，总比所有间断负载所需要的最大功率之和要小。日本海事协会将其称之为不等系数，我国将其倒数称之为同时系数。船舶的不同运行状态，其值也是不同的，同时还受到船舶装载状态、航区和季节等影响，通常根据经验和实际试验结果确定。无精确计算值时，同对系数一般可以选定0.30.5范围内。2.2.3 负载计算表的编制编制全船电力负载计算表（书）时可按下述方法和程序进行：1.） 计算各用电设备的额定输入功率。2.） 选择计算工况，并确定各工况下所需使用的电气设备，并 按连续负载和间断负载加以区分。3.） 确定各用电设备的需要系数。4.） 计算各用电设备的所需功率，并计算出各工况下所需总功率。5.） 选用间断负载的同时系数，计算总需要功率。上述计算可用公式表述：PG = KiPci K2KiPIi 上式中PG 计算总功率； Pci 各连续负载额定输入功率； PIi 各间断负载额定输入功率； Ki 需要系数； K2 同时系数。6.） 考虑5%的网络损失，计算所需要总功率。7.） 根据上述总功率，选择发电机组的容量和台数，并计算各工况下使用发电机的负载率。2.3 主发电机容量和台数的选择为了满足船舶各运行工况的用电，必须正确地选择主发电机的容量和台数。发电机容量的最后确定，应根据电力负载计算书的计算结果决定。实际决定发电机容量时，对交流发电机特别要注意系统的功率因素、发电机的电压波动特性和负载的变化特性。2.3.1 系统功率因素发电机的负载包括有功功率和无功功率，即发电机负载（KVA）= 由于船内大部分负载是感应电动机，含有较大的无功功率，其它负载也有无功功率，所以，航行工况的总功率因素近似于0.8，一般在0.750.9之间。2.3.2 发电机电压的波动特性交流发电机突加大负载时，由于漏抗和电枢反应使发电机端电压急剧下降，这对电网运行是不利的。发电机容量及其电压波动特性必须是在突加预期的负载时，对其它运行中的负载没有任何恶劣影响。自励交流发电机的电压波动特性非常好，所以大功率电动机也可有直接起动的倾向，但必须考虑起动频繁程度和对发电机电压降的影响。 关于直接起动允许的瞬时电压降，各标准不甚统一，现引用日本M公司的规定，列入表5中，供参考。 大功率电动机起动时，其瞬态电压降与发电机的基本参数和电动机基本参数有关。 通常发电机带负载状态起动电动机时瞬态电压降比空载时要小，所以一般都按空载起动状态计算瞬态电压降。 作为一般经验估算，对于自励交流同步发电机来说，相当于发电机额定容量的1/6的鼠笼式电动机可以安全地直接起动。船用自励交流同步发电机可以设计成突加其额定电流的80%负载时，瞬时电压降在15%以内。2.3.3 负载变化特性主要考虑负载变化非常急剧的负载，比如变极电动起货机在工作中的负载变化。如以最大值决定发电机容量安全性最好，但不经济；相反，以最小值决定发电机容量是不安全的。通常采用需要系数法、概率统计法及有关经验公式估算起货机的平均功率和最大功率及概率的置信系数，再确定发电机的容量。 在选择发电机的容量和台数时，除了应根据电力负载计算书的结果以及上述各种方法和可靠性、经济性的分析确定外，还必须遵循下述原则：1.） 发电机及其原动机在不超过额定值而在额定值附近运行时效率最高，通常，应以航行工况所必须的功率为基础。为了使发电机不过载，发电机的额定容量要有适当的储备量。2.） 发电机组的容量和台数，应能在任意一台发电机组停止工作时，仍然能继续对正常推进运行、船舶安全以及重要设备的供电。同时基本生活条件（包括适当的炊事、取暖、食品冷冻、机械通风、卫生和淡水等设备）也应得到保证。3.） 发电机组应能在任一发电机或其原动机不工作时，其余发电机仍然能供应从瘫船状态起动主推进装置所必须的电力。4.） 在交流系统中，当一台发电机停止工作时，其余的机组应有足够的储备容量，以保证最大电动机起动时产生的瞬态电压降不会使任何电动机失速或其它电气设备失效。5.） 当以柴油机作为原动机时，在连续运行条件下，希望柴油机额定输出功率有10%左右的余量；同时，还要注意到，不应使柴油机明显地运行在低负载状态（30%总负载）。6.） 主发电机组至少应为两台。从便于维护和管理，最好选用同类型发电机组。2.4 UPS容量的计算及选择： UPS容量的选择主要有二个方面的考虑：首先是通过UPS的用电设备的所需负载的计算来选择UPS装置的总容量；另一个方面是对UPS需配套的蓄电池组的容量计算来选择UPS配套的蓄电池组容量。2.4.1 UPS装置容量的计算UPS的用电设备容量实质上与应急发电机供电的计算要求是差不多的，都应该确保满足海上人命安全公约（SOLAS）和主管机关的有关规定和要求，并应考虑到这些用电设备可能同时工作。UPS的负载计算方法，原则上以前述电力负载计算是相同的（采用需要系数法）；但需要注意的是，根据负载计算的容量值，还需考虑该UPS的有关技术参数（功率因数等）来最后确定UPS装置的总容量。2.4.2 UPS配套用的蓄电池组容量的确定所谓蓄电池的容量，是指充满电的蓄电池用一定的电流放电至规定放电终止电压的放电量，通常采用如下表示方法：安时容量=放电电流放电时间。所以确定蓄电池组的容量时，应考虑放电电流的大小和放电时间的长短。所谓蓄电池放电率，是指相对于蓄电池容量的放电电流的大小，通常用放电至终止电压时，可维持放电电流的时间表示。用大于标准放电率的电流放电时，蓄电池容量会降低，这可用蓄电池容量系数K来表示。通常使用的圆内Q系列酸性蓄电池容量系数如表6和表7所示： 表6 Q系列蓄电池容量系数（以10h放电率为标准）放电率/h容量系数/%101006865823681420.530表7 Q系列蓄电池容量系数（以20h放电率为标准）放电率/h容量系数/%20100189910935763631390.528蓄电池容量计算公式如下： Pt/UK It/K式中Q所需蓄电池容量（Ah）P负载功率（W）U蓄电池电压 （V）I放电电流 （A）t负载工作时间 （h）蓄电池容量系数（%）不同蓄电池的容量系数是不同的，所以有时为了计算准确，也可由蓄电池制造厂商提供有关蓄电池放电曲线及有关参数。3. 船舶电气系统设计原则、设计方法与思路3.1 船舶电力网设计3.1.1 概述船舶电力网简称为船舶电网，系指介于船舶电源和用电设备之间的传输、分配电能的全部配电装置和网络总称。船舶电网的设计任务是完成全船电能合理分配，即所谓配电。所以其必要的设计条件是：l 船舶电源装置种类和容量已确定；l 各用电设备要求和功率已明确；l 辅机控制线路已基本完成；l 辅机位置已决定；l 总布置、机舱布置等有关专业布置图已提供；船舶电力网的设计内容包括：l 正确选择配电方式；l 正确划分各供电网络负载，绘制全船电力系统图和布置图以及主干电缆走向图；l 正确地选择各保护装置及其整定值；l 正确选择电缆。3.1.2 船舶电力网的分类根据供电电源的不同、负载的性质和用途不同，船舶电网可分为：l 主电网由主发电机通过主配电板供电的网络；l 应急电网由应急发电机通过应急配电板供电、或由蓄电池通过蓄电池充放电板供电的网络；l 临时应急网络由蓄电池通过蓄电池充放电板用以传输、分配临时应急电能的网络；l 一次网络由主配电板直接向区配电板、分配电板和负载供电的网络，亦称为一次系统；l 二次网络由区配电板或分配电板向负载供电的网络，亦称为二次系统；l 动力网络船舶电网中向动力设备供电的网络：l 照明网络船舶电网中向照明设备、电风扇及小容量电热设备供电的网络l 弱电网络船舶电网中向各导航、通讯及无线电设备等供电的网络。在进行全船电力系统设计时，通常按上述网络绘制系统图。3.1.3 船舶电网设计要点及方法1) 船舶电网设计要点简述如下：l 选定配电方式采用馈线式、环路式还是其他配电方式；l 确定主电网确定哪些用电设备由主配电板供电；l 确定应急电网确定哪些用电设备由应急配电板或蓄电池充放电板供电；l 确定临时应急电网确定哪些设备由临时应急蓄电池充放电板供电；l 确定上述各供电系统间的相互联系方式：l 电力系统图设计通常分为一次网络和二次网络设绘系统图：l 选择电缆选择系统中各电缆型号和规格，进行电压降核算；l 电力布置图设计绘制电力设备布置图；l 设计主干电缆走向图。2) 船舶电网设计方法：l 应根据安装位置的环境条件，选择合适的区配电板和配电板、磁力起动器和控制箱结构型式和外壳防护等级；l 区配电板和分配电板应有一定数量的备用路数，备用开关的电流定额应兼顾预期使用的开关电流整定值；l 开关的整定值大小，应根据负载保护要求和系统保护的要求选定，例如容量大于0.5k和所有重要设备电动机，均要求设独立的过载、短路保护等。l 对于交流三线或四线系统，应在最后分路上将用电设备合理组合，以便在正常情况下，使各相负载在区配电板、分配电板以及主配电板处尽可能平衡在其各自额定负载的%以内；l 只有导线截面等于或大于10mm2时，才允许并联使用；l 额定功率等于或大于0.5k的电动机及所有重要用途的电动机，均应由配电板设独立的最后分路供电；l 风机和油泵均要求有应急切断。设计时，通常将这些设备尽量集中在一个或几个分配电板，以便集中控制；l 应注意有关规范和规则对某些设备的特殊要求，如固定式潜水舱底泵、消防泵等。3) 船舶电网绘制原则l 采用标准规定的合适图面尺寸；l 使用国家标准规定的统一的电气图符号、文字代号和电缆编号；l 标明设备大概位置、如注明甲板、舱室或左右舷肋骨号；l 注明设备的型号、规格和数量；l 注明电缆型号、规格、线蕊和截面；l 在二次网络中，应注意标明一次网络的供电电源电缆的型号、规格、线蕊和截面以及与其他网络的联系电缆，诸如遥控、集中指示等导线。3.2 大型电网的系统设计的关键技术简介随着的载重量越来越大，其电站的装机总容量也越来越大（高达数十兆瓦乃至上百兆瓦），配电系统的主汇流排的容量也必然随之增加，受配电设备短路电流容量等因素的限制，FPSO的电力系统的设计更有其特殊性，普通的船舶电网已难以适用。对于大容量电网的电力系统，下面仅就系统设计中几点主要关键技术作一些介绍。3.2.1 电力系统电压等级的选择 决定低压配电系统（400V AC，50Hz或450V AC，60Hz）在船上应用的关键因素是预期流过相关电路的短路电流的大小；用在配电系统中的断路器的分断能力和接通能力必须与预期的短路电流相适应。3.2.1.1 发电机保护用断路器的限制在低压配电板系统中发电机的保护一般采用空气断路器（ACB），它的使用取决于两大条件：其一，是单台发电机的额定工作电流；其二，是其安装点的预期短路电流大小。 目前国际上几个著名的开关设备制造商生产的空气断路器主要性能列于下表：制造商寺崎三菱施耐德ABB型号AH-50CHAH-60CAE6300-SSNW63HzE6V63额定电流In （A）50006000600060006000极限分断能力Icu （kA）135124130150150运行分断能力Icu (kA)135124130150125额定接通能力Ip (kA)310260330330330 从上表可以看出ACB的最大额定电流为6000A，对于440伏的低压配电系统而言，单台发电机的最大输出功率只可达到：60000.451.7320.8 = 3400（kW） 其中考虑到发电机10%的储备系数。 ACB的最大分断能力为150kA，但是该断路器的接通能力仍为330kA；所以对ACB的电气性能的限制实际上大约为交流对称分量130kA，交流非对称峰值电流为310kA。3.2.1.2 主汇流排的容量随着船舶电站装机容量的增加，配电系统的主汇流排的容量也必然随之增加。海事领域几种主流低压配电板的主汇流排极限容量见下表： 项目 品牌低压开关柜主母线额定工作电流 (A)主母线额定短时耐受电流 (kA/1s)GE500085ABB6300100JRCS8000120Schneider6300100目前，GL德国劳氏船级社推荐的极限低压配电系统，发电机的装机总容量约为12MVA，预期的交流短路电流对称分量有效值约为125kA。施耐德公司制造的新型OKKEN低压配电柜，其汇流排水平母线最大容量为7300A，垂直母线为4000A。日本，寺崎公司制造的最大低压配电系统，其汇流排水平母线不超过8000A，预期的短路电流其对称分量有效值为124kA，非对称分量峰值为294kA。3.2.1.3 电力系统电压等级的选择一定的电压等级是由一定的电网容量和供电负荷的大小来决定的，当电力系统的容量达到一定数值以后，采用高压交流电力系统（33.3kV或者66.6kV甚至1011kV）是一个很好的选择，它可以大大减小短路电流的水平，提高系统的安全可靠性，同时还可以节省大量的电缆（粗略估计，高压6.6kA电力系统所使用的电缆长度和重量为低压450V系统的10%左右，相应的电缆成本约为低压系统的20%）。从上述3.2.1.1和3.2.1.2的分析可以看出，由于常规的船用低压配电系统受到配电设备本身电气性能的限制，而有一个极限，其单机保护电流不大于6000A，预期产生的短路电流交流对称分量不大于135kA，交流非对称峰值电流不大于310kA。考虑到配电系统的选择性保护要求，短路的预期产生的短路电流以及配电设备的实验条件，目前国际上生产的最大低压配电系统其电站装机容量为9000kW，汇流排水平母线电流8000A。当电站装机容量小于8MW，其预期的短路电流对称分量不大于100kA，应该采用低压配电系统；当电站装机容量达到810MW，其预期的短路电流对称分量不大于120kA，既可采用低压配电系统，也可采用高压配电系统；当电站装机容量大于10MW，超过了低压配电系统的限制，应采用高压配电系统。高压配电系统尽管在配电系统的设备初投资价格上比低压配电系统较贵，但从整个系统的设备、安装、电缆、维护和安全可靠性方面有它的优点，所以电力系统的电压等级的选择要根据各方面的情况综合考虑来决定。大型FPSO的电站总容量通常在10MW50MW之间甚至更大，其高压的电压不同等级的采用（3kV11kV）也要根据高压开关柜的短路电流容量及额定绝缘等级的不同来综合考虑。例如：蓬莱FPSO船体（HULL）部分高压电气设备包括：3台主电源变压器（10.5/6.3kV，12500kVA），2台基础发电机（6.3KV，3Ph，50Hz，3500kW），4台高低压变压器（6.3kV/400V），1台供TOPSIDE变压器（6.3/3.3kV，4000kVA），1台应急用变压器（6.3kV/400V，2000kVA），以及24台高压马达负载。TOPSIDE的10.5kV的主电源经船体部分（HULL）的3台10.5/6.3kV，12500kVA的降压变压器（其中1台为备用）分段供电，其中A、B段为负载段，C段为备用段；如果在A、B段的任意一段由于变压器或者其他原因故障的情况下，C段可以任意跟其中一段组合；同时在A、B段各有一台基础发电机与之相连。蓬莱30万吨FPSO的船体（HULL）部分的电力系统单线图，参见图1。蓬莱FPSO 6.3kV以上的交流电力系统采用中性点高阻接地方式，低压400V系统采用中性点不接地（中性点绝缘）方式。 图1 蓬莱FPSO HULL的总单线图3.2.2 FPSO高压电力系统中性点接地方式的分析和选择3.2.2.1 概述从上述章节看出，由于大型FPSO的电站容量越来越大，使得原来的低压交流供电和配电系统不再完全适合，考虑采用高压交流电力系统是一个很好的选择，它可以大大降低短路电流的等级，在降低配电设备成本的同时，也节约了大量电缆，提高系统的安全可靠性。通常低压电力系统采用中性点绝缘（即不接地）的系统，但对于中高压系统来说，由于电压等级比较高（达到6.3kV或以上），如果发生短路或者单相接地故障时，由于对地电容中的能量不能释放，从而产生弧光接地过电压或谐振过电压，将对设备及元器件的绝缘造成极大的破坏性。为了保证系统更可靠、安全的运行，以及出于对绝缘成本、人身和设备安全等方面的考虑，中性点接地方式自然而然的成为高压电力系统设计中必须合理解决的问题。中高压电力系统的现状可以根据系统运行的需要将中性点接地方式分为中性点不接地（中性点绝缘）、中性点直接接地、经低电阻器接地（大接地电流接地系统）、经电抗器接地或者经高电阻器接地（小接地电流接地系统）。3.2.2.2 中性点接地方式的分析中性点接地方式是一个涉及电力系统许多方面的综合性问题，在选择中性点接地方式时，必须考虑一系列因素，主要是供电可靠性、电力系统的过电压与绝缘配合、继电保护要求和电气安全性等等。下面简单分析一下几种接地方式及其优缺点：1） 中性点不接地：中性点不接地有它的好处，即运行中可以允许单相接地故障存在一段时间。若是由于雷击等引起的绝缘闪络，则绝缘可能自行恢复；当故障不能消除时，运行人员一般可以在两小时内将故障回路切除，这样，其供电可靠性就很高。同时，中性点不接地运行方式还有一个优点，经济而且工艺简单，不需要在中性点连接任何设备。但是，中性点不接地也有它的缺点。由于大量的高压设备与高压电缆存在对地电容和漏电导，当发生单相接地故障时，故障点会有接地电容电流。当线路不太长时，接地电流很小，不至于形成稳定的电弧，电弧一般能迅速自动熄灭。但是当线路很长，特别是电缆短路时，接地电容电流相当大，接地电弧不但不能自动熄灭，而且会出现电弧接地过电压。电弧接地过电压持续时间长，影响面大，对线路的绝缘薄弱点和带有直配线的发电机绝缘威胁很大。单相接地故障存在时间一长，往往会发展成多相短路事故。2） 中性点直接接地：中性点直接接地方式，即是将中性点直接接入大地。该系统运行中若发生一相接地时，就形成单相短路，其接地电流很大，使断路器跳闸切除故障。这种大电流接地系统，一般不装设绝缘监测装置。中性点直接接地最重要的优点是过电压控制在安全水平和相应的绝缘水平低。系统的标称低压越高，这一优点越显得重要。还有，从继电保护的角度来看，大接地电流无疑也是有利的。直接接地的缺点是：单相接地会引起断路器跳闸，而且单相接地电流很大，有时会超过三相短路电流，因此要影响断路器分段能力的选择。此外，接地短路电流过大，在电气安全方面的问题也比较严重。中性点直接接地系统产生的接地电流大，故对通讯系统的干扰影响也大。当电力线路与通讯线路平行走向时，由于耦合产生感应电压，对通讯造成干扰。3） 中性点经消弧线圈接地：中性点经消弧线圈接地发式，即是在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈。它的优点是：当电网发生单相接地故障时，其接地电流大于30A，产生的电弧往往不能自熄，造成弧光接地过电压概率增大，不利于电网安全运行。为此，利用消弧线圈的电感电流对接地电容电流进行补偿，使通过故障点的综合电流减小10A以下，能自行熄弧。这可使电网持续运行一段时间，相对地提高了供电可靠性。它的缺点是：该接地方式因电网发生单相接地的故障是随机的，造成单相接地保护装置动作情况复杂，寻找发现故障点比较难。消弧线圈本身是感性元件，与对地电容构成谐振回路，在一定条件下能发生谐振过电压。消弧线圈能使单相接地电流得到补偿而变小，这对实现继电保护比较困难。4） 中性点经电阻接地：中性点经电阻接地方式，即是中性点与大地之间接入一定电阻值的电阻。该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优越性。中性点经电阻接地的方式有高电阻接地和低电阻接地的方式：a) 高电阻接地：高电阻接地是这样定义的：电力系统中性点通过一电阻接地，其单相接地故障时的电阻电流被限制到等于或略大于系统的总电容电流，即IRN3ICO，如图2所示： 图2 配电网络中性点经高阻接地原理图图中，RNXCO/3，RN为接地电阻，XCO为系统每相对地容抗，3ICO为总电容电流，IRN为流过电阻器的电流。高阻接地方式一般不要求立即清除接地故障，因为接地故障电流已经被限制到一个极低的数值。这种接地保护采用检测和警告的方式，因为这样比立即跳闸好，可以尽可能保证运行的连续性。一般认为，电网采用高阻接地方式，线对地故障电流不应超过10A。实际工作中，接地电阻值比单相的容抗值更小，以保护电弧过电压在比较安全的数值范围内。例如DNV规范规定，当系统中性点通过一个电阻接地，其电阻值等于或者稍小于一相与地之间容抗值的三分之一，即单相接地故障时电阻电流将等于或者略大于系统总的电容电流。高阻接地方式能较好地限制瞬间电流量到一个安全值，约为正常值的250%以内，并且其接地费用（初始投资）和继电保护方面的优点明显好于低阻接地和经电抗器（消弧线圈）接地；所以，中性点经高阻接地是船舶高压电力系统使用较广泛的一种接地方法。b) 低电阻接地：低电阻接地方式具有立即有选择性的清除线路接地故障的优点，但要求最小接地故障电流足够大，通常在400500A之间，便可以可靠的起动接地故障继电保护装置。但其缺点与前述中性点直接接地相仿。3.2.2.3 中性点接地方法的选择：通常情况下，中性点接地方式的一般选择原则有以下几点：1) 单相接地故障对连续供电影响最小，设备能持续运行较长的时间。2) 单相故障接地时，健全相的过电压倍数比较低，不致破坏系统绝缘水平。3) 发式单相接地故障时，能将故障电流对电机和电缆的危害限制到最低程度，同时又利于实现灵敏而又有选择性的接地保护。4) 尽量减少设备之间的影响。5) 接地设备易于订货，接地保护简单，投资少。除了上述要求之外，电气设备对地电容电流