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再谈港口码头岸电设计

文档作者：郑永高葛福余文档来源：海军后勤部军港机场营房部海军工程设计研究局		点击数：	更新时间： 2021年06月07日
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再谈港口码头岸电设计
郑永高(海军后勤部军港机场营房部，北京市 100841)
葛福余(海军工程设计研究局，北京市 100070)
Further Discussion on Design of Shore Power Supplying for Ports&amp;amp; Docks
Zheng Yonggao(Port&amp;amp;Airport Barrack Division of Naval Logistic Dept．，Beijing 100841，China)
Ge Fuyu(Naval Engineering Design and Research Bureau，Beijing 100070，China)
Abstract Through the analysis on existing
problems and solutions for the IT system adopted for
marine power supplying system ， it is indicated that the
leakage curent between the marine power supplying
system cables and the hull cannot be ignored， and
attention should be paid to the protection against
corosion caused by stray curent； PE conductor cannot
be used as a connection between the ship and the shorebased
dock (not only unsafe，but also may lead to
serious consequences)，and IT system is actually the
only choice for shore power supplying design of the port．
Key words Shore power supplying design
Insulation monitoring Stray current Electrochemical
corrosion
摘 要 通过对船电采用IT系统存在问题及解
决措施的分析．说明船电电缆和船体间存在的泄漏电
流不容忽视．应重视对杂散电流引起的腐蚀进行防
护：船舶与岸基码头间是不能连接PE线的，人为在
码头和船舶间连接PE线不仅不安全， 而且后果极其
严重：港口岸电设计，实际只有IT系统一种可能。
关键词 岸电设计 绝缘监测 杂散电流 电化
学腐蚀
言，每种接地型式有其优点，也有其局限性和适用的
场所， 电气设计必须予以分析、判断、选择，不可一
概而论。拙作《港口码头岸电系统设计探讨》 分析
认为，由岸电TN系统保障船电IT系统，实际演变
成TT系统．需重视工频应力电压的防护，并推荐岸
电设计采用IT系统。该文发表后，引起业界同仁的
关注[2]。为澄清认识误区，笔者不揣浅薄，愿就个人
理解所及，再陈述一些浅见。
1 港口工程
港口工程中最主要的水工建筑物是码头，码头是
供船舶停靠、系泊、补给的设施，码头的建造比较复
杂。码头按平面布置可分为顺岸、突堤和扩岸码头；
按建筑材料可分为木码头、钢码头、砼码头、钢砼码
头和混合材料码头；按结构特点可分为重力式码头、
板桩码头、桩基码头和浮码头。我国部分海域潮差在
6m以上，不适合建造固定码头．只能建随潮位变化
而升降的浮码头。顾名思义，浮码头是漂浮在水面
上的码头，通常由趸船、浮引桥、联桥、撑杆等组
成，其自重和竖向载荷由趸船浮力承担。通过锚系固
定。因此，浮码头不具备电气专业要求的接地桩设置
条件。
2 船电系统
就低压配电系统的TN、TT、IT三种接地型式而 各个国家的船舶电制存在差异。 我国采用
作者信息
郑永高，男，海军后勤部军港机场营房部，高级工程师。
葛福余，男，海军工程设计研究局，高级工程师， 电气总工程师，正军职技术将军。
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AC 220／380 V、50 Hz。欧美以AC 450 V、60 Hz为
主，大型集装箱船电力系统采用中压6 kV、10 kV。
为便于理解，本文仅分析由AC 220／380V、50Hz岸
电保障的船电系统。
2．1 船舶电制
我国船舶上一般有4种电源，分别为：三相交流
380 V、50 Hz电源供电力设备； 单相交流220 V、
5O Hz电源供正常照明系统：直流220 V电源供应急
照明系统， 以及直流24V的应急电源。．船舶电站操
作电源也有采用直流24 V的．此直流24 V电源和作
为应急电源的直流24V电源，是分开、独立的两个系
统。此外，部分船舶还需交流400 Hz电源供特种设
备(如高频通讯设备、技侦设备及水下探测设备)。
以上各类电源，均由船用发电机经专用变电设备供
电。船舶上采用交流三相三线绝缘制、单相双线绝缘
制、直流双线绝缘制。船舶对供电可靠性的要求非常
高，船上用电设备按中断供电可能造成的损失分成6类，
远洋运输船舶必须配备3台以上的船用发电机组。
2．2 船电形式
船舶采用三相三线制电源端不接地的IT系统，
因为这种方式安全可靠。照明系统由AC 380 V主电
网经380／220V隔离变压器供电． 因此照明系统与
主电网间是电磁联系，没有电气的直接联系，相互影
响小。IT系统除具有发生单相接地故障后仍可维持
电气设备短时工作的优点外．还避免了船用发电机组
并联运行时产生3次谐波环流，和3次谐波对通信的
干扰问题。
如果船舶采用中性点接地的系统，当发生单相接
地故障时，有使重要用电设备如舵机电源、服务于主
机的机舱辅机等断电的危险，因而船舶上较少采用。
2．3 系统分析
船舶供电系统需满足几种工况的运行条件：
a． 海上航行期间的自我保障：
b． 停泊状态下的岸电保障：
c． 非正常情况下向友船或岸基反供电：
d． 故障状态下分区灵活供电。
英国某驱逐舰配电系统见图1。为满足上述功
能和自身抗沉要求，一般船舶分设前、后两个电站，
在左、右舷分别设置前后电站间联络线，确保任何
1台发电机组工作只需通过简单开关操作即可向全船
任何部位供电。
2．4 船舶接地
船舶接地是确保船员人身安全和设备正常工作的
重要技术措施，即船舶电气设备的金属外壳、支架和
电缆的护套等与金属船壳所作的永久性的良好的电气
连接。船舶接地主要有保护接地和屏蔽接地。凡电压
在36 V以上的船上电气设备和电缆金属护套均须进
行保护接地，做法是在设备就近的船体金属构件上烧
焊接地螺钉，用导电良好的耐蚀导体与需接地的电气
设备专用接地螺栓相连。现代船舶为防止电磁干扰．
在屏蔽体与地或干扰源的金属机壳之间所作的永久良
好的电气连接，是屏蔽接地。内燃机的点火系统和启
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图1 英国某驱逐舰配电系统图
Fig．1 Overview diagram of distribution system of certain British destroyer
动装置、无线电通信设备、电航仪器等设备，必须屏
蔽接地。此外，供无线电设备的分配电箱和无线电助
航仪器分配电箱的汇流排上，应设置抑制无线电干扰
的电容器。
3 存在问题及措施
船舶配电系统采用IT系统，虽然解决了供电可
靠性及船用发电机组并联运行时的3次谐波环流，和
3次谐波对通信的干扰问题，但是也存在3个问题：
a． 船舶电力系统绝缘监测问题：
b． 船舶电网相线和船体间产生了电气联系出
现的电化学腐蚀问题：
C． 在故障状态和线路合闸瞬间可产生2～5倍
额定电压的过电压，使现代船舶上广泛使用的计算
机、集中控制台和测量仪表等受到损坏。
鉴于过电压问题由工业部门在电气设备选型和电
气设计时会采取防护措施。下面笔者仅就船舶配电采
用IT系统时的绝缘监测和电化学腐蚀问题展开讨论。
3．1 绝缘监测
绝缘电阻过低造成漏电、接地和短路是船上电器
发生故障的重要原因。安装、运行环境恶劣，机舱灰
尘和污垢、油泥太多，海洋潮湿、高温、盐雾侵蚀等
常导致电器设备绝缘破损、受潮、发霉，难于保证一
般电器设备和线路绝缘电阻不小于5 Mn的要求。
船舶一般采取主动和被动两种方式防范设备和线
路绝缘电阻过低：
a． 主动在厨房、洗衣间、电热压力水柜、电热
沸水器的电源线路上设置了数10台隔离变压器， 以
减小低绝缘电阻设备对主电网的影响：
b． 装用了大量的单相接地故障监视及绝缘检测
设备。笔者掌握．每条船至少装用以下三种设备实现
接地故障监视及绝缘检测。
3．1．1 单相接地故障监视
单相接地故障对IT系统而言，是一种潜伏性的
事故状态。必须及时发现并排除。为此，在船舶的总
配电箱和照明分配电箱均装有“地气灯”来监视系统
接地，见图2。
当系统正常时，A、B、C三灯构成一星形联接
的对称三相负载，D 点为人工中性点．此时三灯所
承受的电压都为相电压，所以三灯亮度相同。若L。
相在D点发生单相接地，则A灯被短接，0 点电位
与 接近，而B、C两灯电压升至线电压，故A灯
将暗下来或熄灭，B、C两灯将特别亮，从而提示值
班人员L 相有故障隐患，需即刻排除。值班人员可
通过分区域断电检查，分级逐路检查直至找到故障点
并排除故障。
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图2 “地气灯”原理图
Fig．2 Schematic diagram of “gas lamp’’
3．1．2 高阻表
通常在船舶总配电柜上还装有高阻表， 以便在线
及时掌握船舶电力系统绝缘情况。高阻表由广角度磁
电系仪表测量机构MQ和附加装置FY组成，原理接
线如图3所示。
附加装置FY内有一降压变压器，经桥式整流和
滤波后提供一直流电压。尺 、凡：、凡 分别为系统
各相对地绝缘电阻。正常时系统R 、凰：、 为若
干MQ。装置内直流电流， 值极小。如果系统内任
一相(譬如L 相)绝缘损坏，则如，值大幅下降，
由于电感元件对直流而言近乎短路。导致直流电流
，：值剧增，该电流穿越变压器绕组，经测量机构Mn
返回附加装置FY的直流负极，高阻表 偏转，提
示系统出现故障。需说明的是，高阻表指针偏转角
与系统绝缘电阻尺 成反比。
3．1．3 智能型绝缘监测装置
对一条中型以上海运船舶来说．电力系统网络分
布全船每个部位，查找故障点工作量巨大，费时费
力。为此，船舶上还需装设智能型绝缘监测装置，实
现三种功能：
a． 实时在线测量船电系统在工作状态下的绝缘
电阻，并显示测量结果；
b． 当系统绝缘电阻低于报警预设值时，装置以
声、光两种方式报警，同时自动启动故障定位系统，
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图3 高阻表原理接线图
Fig．3 Wiring diagram of principle of megameter
查出低绝缘电阻发生的支路，并给出故障支路绝缘
电阻值和支路编号：
c． 装置具有自检、消音和保护功能。实际应
用中的绝缘监测装置可对／7,条支路同时进行在线
监测
为确保船电系统安全，船上主配电箱和各分区配
电箱内分别设有一套绝缘监测装置，当绝缘值低于规
定值时，该装置能自动判断出绝缘电阻低的支路，并
发出报警信号，同时将报警信号发送至电站监控台报
警；每个主配电箱除设有绝缘监测装置外，还设有一
个绝缘监测仪，绝缘监测仪与绝缘监测装置联锁．当
绝缘监测装置发生故障或不工作时，可转换成绝缘监
测仪工作。每个照明和日用电器区配电箱、充放电板
上均设有绝缘监测仪，当绝缘值低于设定值时，发出
声光报警并将报警信号发送至损管台报警．用以监测
照明、El用电器和直流系统的绝缘状况．防止低绝缘
电阻引起事故和火灾。
需特别说明的是，船舶上设置的各类接地故障监
视及绝缘检测设备有上百台之多。
3．2 电化学腐蚀
随着现代船舶向大型化、自动化方向发展， 电气
设备大量增多，电缆根数、长度及其截面的增加， 以
及防无线电干扰电容的广泛应用．使船舶电力系统对
船壳电容大为增加，从而使系统相线和船体之间通过
电容耦合产生了电气联系，特别是采用高电压和中频
电源的船舶，尤为突出。一条现代船舶，至少有上百
个配电回路、数百至上千km的电缆，见图4。
虽然船舶设计研究院采取了对50 Hz的电气设备
每根相线对地电容不大于0．1 F，对400 Hz的电气
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设备每根相线对地电容不大于0．02 F的限制，以及
配电线路原则上不用接地滤波电容器等等措施，但每
个回路、每条电缆正常工作时的对船体泄漏电流累加
后仍不容忽视。
图4 韩国某舰船船舱一角的电缆
Fig．4 The cables in the corner at cabin of certain Korean ship
为避免过量泄漏电流的侵害。船舶在指控室、计
算机室、前后报务室、译电室等屏蔽舱室的电源线路
上设置了噪声抑制变压器。以降低电源线路的传导干
扰，满足电磁兼容要求。同时，采用牺牲阳极或外加
电流阴极保护装置来进行船体防腐保护。外加电流阴
极保护装置能根据外界条件的变化自动调节保护电流
以使船舶始终处于最佳保护电位范围内，一般在船的
艉部、舯部设置辅助阳极。并通过设于阴极保护室的
磁饱和恒电位仪进行控制；对主机轴系、舵板、减摇
鳍等水下转动部件均与金属船体做可靠连接。使其与
船体具有相同的电位。
4 岸电PE线连至船舶的严重后果
船舶靠泊码头期间，为给船员提供一个良好的休
息环境，减少船上设备的机械磨损，确保船用发电辅
机与其它船舶装备寿命匹配，避免辅机发电污染港口
环境，实现减排目标，船舶停泊状态应接用岸基电
源。岸基向船舶只提供三相三线AC 380V电源，码
头不设置接地桩，船舶与码头间也不连接PE线。若
人为在码头和船舶间连接PE线，不仅损害船舶自
身，而且还将危害邻船和码头港工设施，后果极其严
重。应重视并预防该种情况的发生。也就是说，不接
PE线是安全的，接了PE线后反而是不安全的。
4．1 杂散电流引起的腐蚀
船舶与海洋工程领域常出现杂散电流引起的腐蚀
问题．该问题是长期困扰国内外海洋工程界的一个共
同难题．无论是造船业比较先进的日本、欧洲，还是
其它国家，杂散电流引起的腐蚀都造成了巨大的经济
损失。由于该腐蚀受许多因素影响， 目前尚未找到彻
底的解决方法。
港El工程与普通民用建筑明显的不同点是，港工
构筑物包括码头、护岸和防波堤，基础除承载在土壤
持力层上外，还直接与海水接触。年长Et久，海水中
的Cl一离子经混凝土毛细孔渗透，包裹在金属物体周
围。海水本身就是很好的电解质溶液，与建造港工设
施的不同金属导体，比如起重桁吊轨道、港区专用铁
路、港区油管、纯水用不锈钢管、高压空气铜管、结
构钢筋、电气镀锌接地极、自来水管、路灯基础等等
发生化学电离反应(即电化学腐蚀)，导致各类管道
腐蚀，结构钢筋鼓包，混凝土开裂，结构强度降低。
清朝北洋水师建造的旅顺东港、刘公岛港现仍完好，
不影响使用：而改革开放后建造的部分港工设施已经
破损影响使用，根本区别是，100年前建造码头用的
是石头，而现在建造材料已改成了钢筋混凝土。
第3章已经分析过，船电采用IT系统后系统相
线和船体之间产生了电气联系，存在过大的泄漏电流，
据笔者掌握的情况，大型船舶该泄漏电流可达2A
以上。有关文献介绍，杂散电流引起的腐蚀具有强度
高、危害大、范围广、随机性强等特点，一年中有
1 A杂散电流流过，就有9 kg铁发生电化学溶解。
正常时．船舶壳体经海水和大地相连，因为船
上装有牺牲阳极或外加电流阴极保护装置，所以船体
是安全的。
接用岸电时。如果人为又连接了1根PE线，此
时情况发生了很大改变。船体经海水和大地间的接地
电阻远远大于码头上接地桩(如有)的电阻，致使泄
漏电流经码头接地装置流入自然大地，问题是这个泄
漏电流经码头接地桩后可能通过不期望的码头金属导
电回路流人大地，经各种通路最后返回岸基供电变压
器的中性点． 如此把各类港工设施置于杂散电流与
Cl一共存的环境之中。
此二者都能够加速结构中钢筋的腐蚀，与单一因
素相比．二者对混凝土中钢筋的腐蚀并不是简单的叠
加，而是具有相互促进的作用，使混凝土的劣化机理
比单一因素更为复杂。其后果是，港工主体结构中的
钢筋发生电化学腐蚀，使港工主体结构的强度和耐久
性大大降低，各类金属管道因腐蚀而穿孔泄漏，使用
寿命大大缩短．被迫提前更换等等。
一条船尚且如此，港区靠泊若干条船以后，情况
更为复杂，后果将不堪设想，甚至是灾难。
4．2 TN系统PE线传导故障电压
当采用TN系统配电时。因同一电源配电范围内
的所有PE线、PEN线是连通的，电源侧因种种原因
产生的故障电压可沿PE线、PEN线传导至与之相连
的电气设备外壳，从而引发电气事故。当用电设备位
于建筑物内时，由于实施了等电位联结，使得故障时
各点电位同时升高，不会出现电位差，建筑物内人员
和设备是安全的。
港口工程岸线少则数百m，多则数十km， 又
位于户外开敞场地。不可能依托等电位来防范故障
电压。
类似情况有户外路灯回路，为避免发生该种情
形．干脆就不配出PE线，而是采用TT系统加剩余
电流保护器来防止PE线传导故障电压。
对停靠船舶而言，人为连接岸船间PE线后，
电源侧出现的故障电压会传导到船上，使造价高昂
的上万台各类电子设备外壳带上故障电压。后果不
堪设想。
4．3 水下电压梯度危害
岸船间人为连接PE线后，对船体而言存在两个
接地极，一是船壳经海水与自然大地形成的接地极，
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二是码头设置的人工接地极(如有)。由于这两个接
地极接地电阻不同，加之上述分析的泄漏电流以及
PE线可能传导的故障电压，该杂散电流形成一个杂
散电磁场。致使两个接地极间存在电位差，相当于两
个接地极就是一个电池的两个极，在水中随距离、水
深变化形成不规则的电压梯度
众所周知，为了解掌握水工构筑物技术状态变
化，需潜水员定期到码头下水探摸。潜水员入水后，
人体电阻急剧下降， 由于存在水下电压梯度，潜水员
不同部位将接触不同电压，例如脸部与脑后部电位不
同，电流可直接流过潜水员大脑。非正常情况下，水
下电压梯度对潜水员的电击伤害。比心室纤维颤动更
为严重。
4．4 雷电流危害
港口建于户外敞开场所，港区周围一般没有高耸
建筑物。船舶靠泊码头后，其雷达、通信天线桅杆高
达数十m，是港区内的制高点，具备潮湿、高耸、突
出等易受雷击特征。当岸船间没有连接PE线时。雷
电流经船壳(相当于等电位联结的法拉第笼)与海
水、大地自然接地而泄放雷电流，实践证明雷击不会
对船体及船上人员设备构成危险。岸船间连接PE线
后， 由于人工接地电阻值远小于船壳、海水、大地自
然接地电阻值，雷电流主要通过PE线和码头接地
桩泄放。雷击瞬间，数kA雷电流不仅可损毁岸船间
PE线， 即使没有损毁PE线， 由雷电流di／dt产生
的雷击过电压将沿PE线侵入整个岸电系统及与其连
接的邻船，其危害难测。
所以，IEC 60364—7—709《建筑物电气装置第
7部分：特殊装置或场所的要求第709节：游艇码
头和游艇》一再强调：游艇上的任何连接不应与岸上
配电的保护线相连接。鉴于此．在钢筋混凝土码头上
也没有必要设置电气专业用的接地桩。
5 小结
综上所述，岸基变电所变压器中性点如直接接地
(即TN、TT系统)，由于船舶和岸基码头间不得将保
护PE线直接相连，文献⋯ 已分析过，该种情况由岸
电保障船电IT系统，实际演变成TT系统，存在安全
隐患，必须重视工频应力电压的防护。因此．就岸电
系统供电方式，实际只有IT系统是唯一选择。本文
18
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要点概括如下：
a． 对港口工程而言，在浮码头上不具备设置接
地桩的条件，在固定码头上没有必要设置接地桩。
b． 船电采用IT系统，固然解决了供电可靠性
以及3次谐波问题，但也存在几个问题，必须采取相
关技术措施予以防范。船舶自身采取了主动和被动两
种方式防范电气线路和设备绝缘电阻过低。船舶通过
装用地气灯、高阻表、智能型绝缘监测装置和绝缘监
测仪4种方式，实现船电系统的绝缘状况监测，防止
低绝缘电阻引起事故和火灾
c． 现代船舶船壳PE线存在过大泄漏电流不容
忽视，船电系统相线和船体问存在电气联系，船体通
过牺牲阳极或外加电流阴极保护装置实现电化学腐蚀
防护。
d． 船舶与码头间不连接PE线是安全的，接了
PE线后反而是不安全的。若人为强制在码头和船舶
间连接PE线，不仅损害船舶自身．而且还将危害邻
船和码头港工设施，后果极其严重．应重视并预防该
种情况的发生。
6 结语
港工构筑物处于户外敞开场所且常年浸泡于海水
中，又无法实现等电位联结；岸电建设的主要保障对
象是船舶用电，应按港工和船电的特点、使用要求，
在保证安全性、可靠性的前提下，组织岸电设计．确
保船舶电气设备安全可靠、稳定发挥效能。
笔者不揣浅薄，期望本文能起到抛砖引玉的
作用， 文中观点如有不妥， 还望广大同行不吝
赐教。
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[1] 郑永高． 港口码头岸电系统设计探讨[J]． 建筑
电气，2010，29 (1)：15—20．
[2] 李研，丁建兴，李晓艳． 舰船岸电低压配电系统
接地型式分析[J]． 建筑电气，2011，30(10)：30—36．
[3] 全国建筑物电气装置标准化技术委员会，编． 建
筑物电气装置标准相关规定汇编『M]． 北京： 中国电力出
版社。2003：428—440．
2011—12—27来稿
2012—04—26修回

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