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港口码头岸电系统设计探讨（郑永高） 供电与配电 AbstractFeaturesofmarinepowersupplying system are presented briefly. Based on anaylysis of current power consumption situation of shore power TN system guarantee marine power IT system，that it is TT system in nature is pointed out. The power-frequeny temporary over-voltage generated in four cases is chief culprit resulting in some fault with unknown cause. In design of shore power system importance shall be paid to protectionaginstpower-frequencytemporaayover- voltage, IT system shall be used for power supplying, shipboard cables shall be designed as per 0. 6 / 1 kV, and step - down transformer, 380 / 220 V, shall be installed for single - phase equipments, in port lighting，safety protection，controlling etc., power supplying. Key wordsShore power supplying systemMarine power supplying systemEarthing type of low-voltage distribution systemIT systemTN systemPower- frequency temporaay over-voltage 港 口 码 头 岸 电 系 统 设 计 探 讨 A Probe into Design of Shore Power Supplying for Ports & Docks 郑永高 （海军后勤部军港机场营房部， 北京市100841） Zheng Yonggao（Port & Airport Barrack Division of Navy Logistics Dept., Beijing 100841，China） 摘要介绍了船舶供电系统的特点， 通过对岸 电TN系统保障船电IT系统用电现状分析， 指出其实 质是TT系统， 四种情形产生的暂时工频过电压是一 些不明原因事故的罪魁祸首， 港口码头岸电设计应重视 暂时工频过电压的防护， 并采用IT系统供电， 船用 电缆应按0. 6 / 1 kV设计， 设置380 / 220 V降压变压 器为港区照明、 安防、 控制等单相设备供电。 关键词岸电船电低压配电系统的接地形式 IT系统TN系统工频暂时过电压 船舶停靠港口码头后， 为减少船上设备的机械磨 损， 给船员提供一个良好的休息环境， 通常需要接用 交流岸电。 目前我国绝大多数港口码头供船舶的岸电 低压配电系统的接地形式采用TN系统。 船舶自带发 电系统接地形式采用IT系统。 由岸电TN系统供船舶 IT系统用电， 引发了一些不明原因的电气事故和设备 绝缘击穿现象。 1船舶电力系统 船舶电力系统由自备发电机组等电源设备、 电力 变换设备、 配电网络及控制设备组成， 它与操舵、 导 航、 通信、 动力、 照明等等众多用电设备共同构成船 舶电气系统。 船舶负荷的特点与民用建筑负荷有很大 不同， 船舶电力系统在电站容量、 联接方式、 电压等 级、 变配电装置等方面与陆域有很大差别。 其主要特 点表现在以下几个方面。 1 1电站容量 船舶电力系统只保障一条船舶的用电需求， 其单 机容量和系统总容量与陆域电力系统容量相比通常要 小得多。 国内船舶电站单机容量很少超过1 000 kW， 系统总装机功率大多不超过5 000 kW。 常用的船舶发 电机组有柴油发电机组、 蒸汽轮发电机组和燃气轮发 电机组。 由于船舶电站容量较小， 遇到大电动机启动 时， 造成的冲击较大， 因此船舶电力系统对稳定性的 要求较高。 1 2发配电装置 从维护管理、 安全及系统容量较小等多方面考 虑， 船舶主要采用400 V电压等级， 三相三线制。 由 于船舶容积限制， 电气设备比较集中， 发电设备和用 电设备间距离较短， 导体大都采用电缆且长度较短， 故障时故障电流相对较大， 上下级保护电器之间很难 满足选择性要求， 因此配电保护和发电保护一般采用 一套保护装置。 1 3工作环境恶劣 船舶电气设备的工作条件比陆域恶劣得多， 环境 条件对电气设备的运行性能和工作寿命影响严重。 如 夏季船舶甲板温度能高到75以上， 会造成电机出 15 15 BUILDING ELECTRICITY 2010年 第1期 Jan. 2010Vol. 29No. 1 力不足， 绝缘加速老化； 相对湿度高， 电气设备易受 潮及变形， 镀层剥落； 海水盐雾的侵袭、 霉菌的生长 和油雾及灰尘粘结， 都会使绝缘下降， 工作性能受到 影响； 此外， 正常航行情况下的倾斜、 摇摆， 特殊情 况下受到的冲击和振动， 都会造成电气设备损坏、 接 触不良或误动作。 1 4基本要求 船舶电力系统必须在各种海况、 工况条件下， 以 规范规定的品质向全船电力负荷供电； 必须确保为保 持船舶处于正常状态， 并满足船员正常生活所需的所 有电气设备的供电， 而不求助于应急电源； 必须确保 在各种紧急情况下， 向确保船舶安全所需要的重要电 气设备供电； 必须确保船员及船舶设备的安全， 免受 电气事故的危害。 为此， 船舶电力系统的安全性、 可 靠性、 耐用性、 环境适应性， 以及使用维护方便等方 面， 都比陆域有更严格的要求。 1 5技术措施 为达到船舶电力系统安全性的要求， 应采取必要 的技术措施， 识别并消除危险， 减少风险， 这些措施 包括： 采用最小风险设计， 配置两个以上电站并前后 分开设置， 满足船在破损进水后仍保持一定的浮性和 稳性， 而不至于沉没和倾覆的性能 （抗沉性） 要求； 电站电源设计采用IT系统， 发生单相接地故障后， 可带故障继续运行； 船舶上的电气设备也需取某一电 位作为保护接地的参考电位， 但船舶是航行的， 不能 取大地电位为参考电位， 而是取船体外壳的电位为参 考电位， 外壳与海水接触再和大地相连， 这样既实现 了等电位联结也实现了保护接地； 装设绝缘监视装置， 自动监测系统绝缘水平险情并及时发出报警信号。 2岸电采用TN系统存在的问题 2 1岸电高压供电系统及接地形式 港口岸基负荷主要有各类装卸机械、 保障设施设 备等， 其种类繁多， 用电容量差别较大。 从港口年货 物吞吐量、 用电容量、 当地电网现状等因素综合考 虑， 一般大型港口中心电站进线电压等级选择110 kV， 中型港口选择35 kV， 小型港口选择10 kV。 为缩短低 压供电距离，10 kV线路宜深入负荷中心， 大中型港 口中心电站经总降压变电所降压至10 kV后配电给码 头分变电所。 我国10 kV配电网系统普遍采用中性点 不接地系统， 当10 kV侧发生单相接地故障时， 故障 电流只能通过另两非故障相的对地电容返回电源， 其 值仅为两非故障相的对地电容电流的向量和。 因线路 对地电容尤其是架空线路的对地电容很小， 容抗很 大， 所以10 kV侧单相接地故障电流很小。 我国电力 部门规范规定， 该故障电流不得大于20 A。10 kV 系统不接地的优点是发生单相接地故障时不必切断 10 kV电源侧断路器， 只需发出故障报警信号， 以便 在尽可能短的时间内排除故障， 避免因断路器跳闸而 导致大面积停电。 自上世纪90年代以来， 我国城市电网负荷急剧 增长。10 kV系统受供电容量和线路走廊限制， 以高 压10 kV埋地电缆取代架空线路供电。 由于电缆对地 电容大， 容抗小， 对地电容电流增大，10 kV电网发 生单相接地时故障电流大大超过20 A的限值， 如笔 者曾接触的某港区总降压变电所该值为83 A。 该种情 况下， 如发生10 kV单相接地故障， 由于电弧电流过 大， 接地故障电弧能量使电缆损坏加剧， 单相接地很 快转换为相间短路， 致使事故扩大， 迫使故障回路电 源端断路器动作切断电源，10 kV不接地系统发生单 相接地后仍保证供电不间断的优点已不复存在。 为 此， 市政电网、 大中型港口总降压变电所内10 kV配 电系统由不接地系统改为经小电阻接地系统， 以降低 对电网绝缘的要求和建设投资。 采用小电阻接地系统 后， 10 kV侧发生单相接地故障， 故障电流经接地小 电阻返回电源， 其值可达数百安甚至近千安。 继电保 护应在以若干毫秒计的时间内迅速切断电源， 防止事 故扩大。 2 2岸电低压配电系统采用TN接地形式的优点 目前我国港口码头岸电设计接地形式普遍采用 TN系统， 一方面是因为TN系统变压器中性点接地， 可限制中性点电位漂移， 方便地引出220 / 380 V电 源， 能满足绝大多数低压负载对电源电压的要求； 另 一方面是因为广大设计人员对TN系统比较熟悉， 一 般民用建筑供电大都采用TN系统 （包括TN - C、 TN - C - S和TN - S系统）， 应用起来得心应手。 港 口码头岸电的主要保障对象是船舶， 对岸电的要求 是交流380 V电源， 不带中性线。 除此之外， 码头 上还有起重装卸机械、 港区路灯、 库房、 码头浴厕、 值班室、 船舶维修等设施设备用电， 不少设备使用单 16 16 供电与配电 港口码头岸电系统设计探讨（郑永高） 相交流220 V电源。 2 3岸电TN系统保障船舶用电存在的问题 2 3 1问题一： 必须解除船舶上的绝缘监视装置 船舶IT系统装有绝缘监视装置， 而岸电采用TN 系统。 用岸电TN系统保障船舶用电， 首先必须解除 船舶上的绝缘监视装置。 因为绝缘监测器只能用来监 测IT系统的绝缘， 不能用来监测TN系统和TT系统 的绝缘， 后两种系统的变压器中性点是直接接地的， 绝缘监测器无法反映整个系统的绝缘水平。 船舶装设 绝缘监测器的目的是自动识别单相对地短路故障， 并 通过继电器作用发出声、 光报警信号， 便于在尽量短 的时间内排除故障并维持供电不间断。 实际上， 船舶 电力系统为提高供电不间断性， 及早消除绝缘隐患， 在电气装置绝缘水平降低到某一定值时即发出报警信 号， 而不是等到第一次接地故障发生以后。 为保障岸 电而解除船舶上设置的绝缘监视装置， 这是岸电TN 系统供船舶用电的安全隐患之一。 2 3 2问题二： 实际是以TT系统供电 船电采用IT系统， 岸电采用TN系统， 岸电保 障船舶供电时， 岸电变压器中性点直接接地， 船舶 上的用电设备通过船体、 海水又与大地连接做保护 接地， 也就是电源侧中性点系统接地和船舶上用电 设备的保护接地是两个分开、 独立的接地装置， 相 互间没有电气联系， 这不是TN系统， 也不是IT系 统， 而是典型的TT系统， 见图1。 由于是TT系统 供电， 正常情况下， 船舶用电设备外壳与供电线路间 的对地绝缘将承受交流220 V。 问题是船电设计为IT系统， 岸电是TN系统， 岸 电同时以TN系统向其他岸基设备供电， 由岸电TN 系统保障船舶用电， 实际又演变为TT系统。 这样不 可避免地会出现一些问题， 埋下了电击、 电气火灾、 设备绝缘击穿等等安全隐患， 而引发事故的原因往往 很难查清。 2 3 3问题三： 以下四种情形下可能产生暂时工频 过电压 2 3 3 1情形1 低压供电线缆不仅回路多、 线路长， 而且用电设 备多样， 敷设条件不一， 受海边高温、 高湿、 高盐雾 恶劣环境影响， 尤其是码头岸电箱至船舶的供电电 缆， 经常在码头曝晒、 冰冻、 拖曳、 船舶摇晃磕碰， 使用日久难免老化、 劣化而出现破损， 容易与正常情 况下不带电的导电物体间 （如电缆沟内架构等） 发生 单相接地故障， 见图2。 单相接地电阻值为RE， 接地 故障电流为Id， 则Id通过RE、RB构成回路， 岸电变 压器中性点电压为Uf= Id RB， 也就是变压器中性 点电位升高Uf， 于是船舶用电设备外壳与供电线路间 的对地绝缘将承受交流220 V + Uf。 当然， 对接地相 而言， 因相位相等其值大于220 V， 对非故障相这个 值是向量叠加值。 2 3 3 2情形2 前面分析过， 通常10 kV电源侧采用不接地系 统， 而10 kV设备外露导电装置必须进行保护接地。 为节约变电所建设投资，10 kV设备保护接地与变压 器中性点系统接地共用接地装置， 见图3。 如发生 10 kV设备绝缘破坏， 泄漏电流为Im， 则Im通过接地 装置和RB流入大地， 再经非故障相对地电容返回电 源， 在RB上产生Um= Im RB， 此时由于所有电站 设备实施了保护接地或等电位联结， 所以对电站设备 和运行人员是安全的， 但是变压器中性点电位升高为 图1岸电TN系统保障船舶供电实际是TT系统 Fig. 1Shore power TN system guarantee marine power supplying systemisTT system in nature 图2低压线路破损发生单相接地故障引起暂时工频过电压 Fig. 2Power-frequency temporary over-voltage due to single- phase earthing fault in case of low-voltage line damaged 17 17 BUILDING ELECTRICITY 2010年 第1期 Jan. 2010Vol. 29No. 1 图410 kV经小电阻接地引起暂时工频过电压 Fig. 4Power-frequency temporary over-voltage due to 10 kV grounded with low-resistance Um， 船舶用电设备外壳与低压供电线路间的对地绝缘 将承受交流220 V + Um。 2 3 3 3情形3 对10 kV中性点不接地系统， 发生单相接地故障 电流Id， 则Id通过RE、RB构成回路， 岸电变压器中 性点电压为Uf= Id RB， 也就是船舶用电设备外壳与 供电线路间电位差变为交流220 V + Uf。 按规范规定 Id最大为20 A， 通常变压器中性点接地电阻值为4 ， 则Uf值最大为80 V。 上述三种情形产生的只是幅值不大的暂时工频过 电压， 我们尚可以不采取措施防范这些过电压的危 害， 而目前市网、 港区中心变电所采取的10 kV小电 阻接地系统， 发生单相接地后引起的暂时工频过电压 必须引起我们的高度重视。 2 3 3 4情形4 对10 kV小电阻接地系统，110 / 10 kV变压器二 次侧绕组通常为三角形接线， 没有中性点。 为实现接 地需在10 kV侧安装一个接地变压器， 见图4， 其一 次侧为有中性点的星形绕组 （图4未表示接地变的二 次绕组）， 这样就获得系统接地所需的人工中性点， 为限制直接接地的故障电流， 此人工中性点经10 左右电阻器R后再接至地下接地极RB接地。 采用小 电阻接地后， 在10 kV侧发生接地故障时， 接地故障 电流Id不再是微小的电容电流， 由于获得了RB、RB 和小电阻R返回电源的通路，Id可达数百甚至上千 安， 岸电变压器中性点电压为Uf= Id RB， 数值为 数百甚至千伏， 致使船舶用电设备外壳与供电线路间 将承受220 V + Uf的暂时工频过电压， 其值远超过船 舶上装备的导航、 通信等弱电信息系统的耐压水平， 结果导致大量信息设备损坏、 绝缘击穿。 虽然在此故 障时， 为保护10 kV线路和设备， 电源侧的继电器和 断路器在毫秒级的时间内迅速切断电源， 但是， 笔 者所掌握的情况是船用电器设备往往是先击穿、 损 毁， 而该故障又随高压侧隐患排除而消失， 下次出现 10 kV侧接地故障时继续发生事故， 以致于事故责任 追究、 隐患的排除不能从根本上解决问题。 2 4暂时工频过电压防护问题 当10 kV变电所与低压用电设备处于同一建筑 物内时， 如民用建筑电气设计， 没有暂时工频过电 图310 kV线路、 设备老化破损引起暂时工频过电压 Fig. 3Power-frequency temporary over-voltage due to 10 kV line & equipment aged and damaged 18 18 供电与配电 港口码头岸电系统设计探讨（郑永高） 压防护问题。 因为在民用建筑电气设计中， 低压系 统要设置两个电气上互不影响的系统接地和保护接 地是难以实现的， 也没有必要， 另外为避免不同接 地装置间的电位差引发的电气事故， 民用建筑也只 能采用共用接地装置， 故通常不采用TT系统， 而是 目前广泛采用的TN系统。 通常做法是， 将10 kV设 备保护接地、 低压系统工作接地及保护接地通过与建 筑物总等电位联结装置连通， 并利用建筑物基础钢 筋、 金属水管和高低压电缆金属外皮等的自然接地而 共用接地装置， 因此它们处于同一电位水平。 当发生 接地故障时， 不论RB上的对地电压升高多大， 由于 总等电位联结的作用， 所有电气装置的电位都上升 同一水平， 建筑物内部并不出现电位差， 因此不可 能发生电击和绝缘击穿事故。 岸基变电所供船舶用电， 实际供电形式是TT系 统， 又没有等电位联结， 所以故障过电压Uf不会传 导到船舶电气装置的外露导电部分而引起电击事故， 但却存在船上电气设备和线路的对地绝缘被此过电压 击穿的危险。 由于该过电压只发生在带电导体与地 间， 而不是在带电导体间， 因此该过电压引发的事故 原因更隐蔽， 各级工程设计部门、 管理使用部门更应 重视该过电压的防护。 3岸电采用IT系统及技术措施 a.综上所述， 岸电采用TN系统，10 kV变电所 内所有电气设备外露导电体的保护接地， 和变压器 中性点工作接地连接在一起， 由于共用同一个接地 极RB， 且RB上的电压降Uf随故障电流Id的增大而 增大， 尤其是对10 kV经小电阻接地系统， 有上千伏 特的故障电压Uf将传导到船电电气设备引起对地大 幅值暂时性过电压， 在船电系统内引发各种事故。 为 避免发生该类事故， 可以将变电所保护接地和变压器 中性点工作接地分开设置， 则故障过电压无法传导到 船电系统， 船电系统不可能出现带电导体的对地过电 压。 或者10 kV变电所内仍采用共用接地装置， 但必 须降低Id和RB值， 使之满足规范切断电源时间大于 5 s，Uf允许的最大值为250 V； 切断电源时间小于或 等于5 s，Uf允许的最大值为1 200 V的规定。 事实 上， 这两条措施在港口工程实践中都无法实现， 尤其 是对孤立设于码头前沿的箱式变电站， 分开设置保护 接地与工作接地是不现实的， 降低Id和RB值使Uf 小于1 200 V也很难实现。 因此， 岸电采用TN系统保障船舶用电是极不安 全的， 应避免采用。 解决对策是， 岸电系统也设计成 IT系统。IT系统的优点是， 变压器低压侧中性点不 接地， 上述分析的四种情形产生的故障过电压就无法 传导到船电系统， 船电系统也不可能出现带电导体的 对地过电压， 因此船上电气设备是安全的。 需要注意 的是， 岸电系统改成IT系统后， 整个系统只配出三 根相线而不配出中性线。 否则， 若中性线绝缘损坏接 地 （低压线缆多且网络复杂， 概率极高）， 船舶上装 设的绝缘监测器对此故障不能及时作出反应，IT系 统实际上又成了TT系统， 而电气管理人员对此并不 知晓， 容易带故障运行。 如果再发生第二次接地故 障， 则将按TT系统的方式切断电源， 就失去了IT 系统供电不间断性高的优势。 b .岸电设计采用IT系统后不配出中性线， 船 舶用电安全性得到了保证， 但同时意味着岸电系统 不能直接提供220 V单相电源， 对港区照明、 警戒警 卫、 特设站装备、 控制等单相用电负荷必须通过 380 / 220 V降压变压器提供。 大型港口在岸电系统设 计时， 也可以在同一变电所内， 单独设1台变压器， 接地形式采用TN系统， 专供空压机、 纯水设备、 照 明等港区陆域用电。 这无疑将带来系统的复杂化， 增 加了投资， 给使用管理带来麻烦， 但与动辄上亿， 少 则几千万的船舶装备安全相比， 还是值得的。 c .对IT系统而言， 发生一相接地后另两相 对地电压将升高为线电压380 V， 因此在进行 线 缆 选 择 时 ， 应 注 意I T系 统 须 采 用 额 定 电 压 为 450 / 750 V以上的四芯或五芯电缆， 笔者建议不论 采用 何 种 接 地 形 式 ， 低 压 电 缆 额 定 电 压 均 选 用 0. 6 / 1 kV， 同理电气设备的绝缘水平和体积也应相 应提高和增大以策安全。 4岸电供电质量问题 为减少电压偏差， 供配电系统设计时， 可通过正 确选择变压器的变压比和电压分接头， 降低系统阻 抗、 采取无功补偿等措施解决。民用建筑电气设计 规范（JGJ 16-2008 ） 第3. 4. 7 条规定，10（6）kV 19 19 BUILDING ELECTRICITY 2010年 第1期 Jan. 2010Vol. 29No. 1 注： 年卷定价(元册)年卷定价(元册) 20012026 . 0020052438 . 00 20022126 . 0020062558 . 00 20032238 . 00200726120 . 00 20042338 . 00200827120 . 00 注： 配电变压器不宜采用有载调压变压器。 港口码头用电 负荷曲线较民用建筑特殊， 船舶停靠码头使用岸电少 则几十kW， 多则数百甚至上千kW， 船舶离港后负荷 又为 零， 负荷容量变化悬殊。 据笔者跟踪了解， 不少 码头船电负荷高峰时岸电电压可低至360 V， 甚至更 低， 负荷低谷时岸电电压可升至440 V， 岸电电压如 此大的波动容易导致船舶控制电源变压器以及电源模 块损坏， 对船舶照明装置寿命影响严重。 岸电变压 器输出电压偏差幅度既不满足船电设备对供电质量 的要求， 也远超出规范对供电电压偏差的规定， 单独 设置调压装置在技术经济上也不合理。 如果不分析用 电负荷性质、 特点， 简单执行规范 “10（6）kV配电 变压器不宜采用有载调压变压器” 进行港口码头岸电 设计， 往往导致供电电压波动偏差过大， 无法满足船 舶对岸电质量的要求。 因此， 码头变电所10 kV变压 器宜选用有载调压变压器。 为避免有载调压变压器分 接开关的响应速度、 同步动作的差异而出现的变压器 间的环流， 有载调压变压器一般不考虑并列运行。 油 浸变压器的维护复杂， 需定期对变压器油进行过滤， 防火能力低， 对于船舶、 港口货场等消防要求较高的 场所， 应避免油浸变压器的使用。 建议港口码头供船 电的变压器选用有载干式调压变压器。 5小结 港口码头岸电建设的主要保障对象是船舶用电， 码头10 kV变电所既是港区中心电站的负荷端， 也是 船电保障的电源端， 应按船电的特点、 使用要求， 在 保证安全性、 可靠性的前提下， 组织岸电设计。 本文 要点概括如下： a .岸电TN系统保障船电， 其实质是TT系统 供电， 高低压侧绝缘破损、 单相短路等故障容易引入 暂时工频过电压， 导致线路绝缘击穿、 设备损坏等事 故隐患， 应注意暂时工频过电压的防护。 同时， 船电 设计者也应提高船舶电气系统及设备的电网适应能 力， 提高耐压水平和抗冲击能力。 b .船电保障电源应按IT系统设计， 船用电缆 应按0. 6 / 1 kV的绝缘水平设计。 c .陆域单相设备用电需设置380 / 220 V降压 变压器， 或单设陆域专用变压器来提供220 V电源。 d .港口岸电供船电的变压器宜选用干式有载 调压变压器。 参 考 文 献 1杨金成， 徐正喜.舰船交流岸电电源剖析.中国造 船， 2005，46（3）：50 - 55. 2王厚余， 低压电气装置的设计安装和检验.北京： 中国电力出版社，2007：95 104. 2009-06-30来稿 2010-01-07修回 配电变压器不宜采用有载调压变压器。 港口码头用电 负荷曲线较民用建筑特殊， 船舶停靠码头使用岸电少 则几十kW， 多则数百甚至上千kW， 船舶离港后负荷 又为 零， 负荷容量变化悬殊。 据笔者跟踪了解， 不少 码头船电负荷高峰时岸电电压可低至360 V， 甚至更 低， 负荷低谷时岸电电压可升至440 V， 岸电电压如 此大的波动容易导致船舶控制电源变压器以及电源模 块损坏， 对船舶照明装置寿命影响严重。 岸电变压 器输出电压偏差幅度既不满足船电设备对供电质量 的要求， 也远超出规范对供电电压偏差的规定， 单独 设置调压装置在技术经济上也不合理。 如果不分析用 电负荷性质、 特点， 简单执行规范 “10（6）kV配电 变压器不宜采用有载调压变压器” 进行港口码头岸电 设计， 往往导致供电电压波动偏