船舶低压岸电系统等电位保护技术的制作方法

本发明涉及一种船舶低压岸电系统等电位保护技术，属于船舶安全技术领域。

背景技术：

我国交通运输部于2018年12月10日公布了《船舶大气污染物排放控制区实施方案》(交海发〔2018〕168号)，要求船舶靠港应使用岸电。

当前，船舶电力系统的电压等级多为低压，在船舶靠港所需要接用的岸电一般也为低压，尤其中小型船舶和内河船舶，基本上都是需要接用交流低压岸电。

我国国家电网公司发布的《港口岸电设备技术规范》(q/gdw11468—2016)，要求“接地故障不应在岸侧到船侧的任何位置产生超过0.03kv的跨步电压或接触电压”。

中华人民共和国海事局2018年发布的《船舶与海上设施法定检验规则内河船舶法定检验技术规则2018年修改通报》，要求“船舶应设有将船体与岸地(或趸船上接地装置)进行等电位连接的设施”。

针对上述要求，研究船舶低压岸电系统等电位保护技术以及研制船舶低压岸电系统等电位保护装置，解决现有船舶无低压岸电系统等电位保护的问题，以保护船舶及人员安全具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种船舶低压岸电系统等电位保护技术，解决现有技术无低压岸电系统等电位保护装置，造成船舶使用低压岸电系统供电时，因接地故障在岸侧到船侧产生跨步电压或接触电压，危及船舶及人员安全的问题。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种船舶低压岸电系统等电位保护装置，包括齐纳二极管1v、齐纳二极管2v、齐纳二极管3v、齐纳二极管4v、交流中间继电器1ka、直流中间继电器2ka、保险丝接线端子x1、自锁型按钮s、led指示灯h，所述齐纳二极管1v、齐纳二极管2v反向串联成第一电路1，齐纳二极管3v、齐纳二极管4v反向串联成第二电路2，第一电路1与第二电路2并联，并联电路的一端与岸电箱的e端相连，并联电路的另一端串联交流中间继电器1ka线圈、交流中间继电器1ka的一对常开触点后接岸电箱的n端，直流中间继电器2ka的一对常开触点与所述交流中间继电器1ka的一对常开触点并联，所述直流中间继电器2ka的线圈的一端经保险丝接线端子x1接船电dc24v的一端，直流中间继电器2ka的线圈另一端经自锁型按钮s的常闭触点后接交流中间继电器1ka的常闭触点的一端，交流中间继电器1ka常闭触点的另一端接船电dc24v的另一端，所述led指示灯h的两端接于直流中间继电器2ka线圈两端，直流中间继电器2ka的一对常闭触点两端接等电位报警回路，驱动等电位报警回路工作；交流中间继电器1ka的一对常闭触点和直流中间继电器2ka的一对常开触点串联后接入岸电主开关电动合闸回路，交流中间继电器1ka的另一对常闭触点和直流中间继电器2ka的另一对常开触点串联后接入岸电主开关欠压脱扣回路。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述船舶低压岸电系统等电位保护装置，其中齐纳二极管1v、齐纳二极管2v、齐纳二极管3v、齐纳二极管4v的稳定电压≤24v，稳定电流≥1a，动态电阻≤5ω。

前述船舶低压岸电系统等电位保护装置，其中交流中间继电器1ka的线圈额定电压≤24v，额定工作电流为5a。

前述船舶低压岸电系统等电位保护装置，其中直流中间继电器2ka的线圈额定电压为dc24v，额定工作电流为5a。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在三相交流或单相交流系统中通用，在不同低压交流岸电电压等级(220v-1000v)和不同频率(50hz或60hz)中通用，齐纳管反向串联检测岸基与船地之间的电位差(跨步电压或接触电压)，齐纳管检测回路只短暂接通，可避免当电位差过高时损坏器件；船岸电位差≥24v时，自动切断岸电断路器，且岸电断路器无法自动合闸，岸电断路器因电位不等自动分闸后，必须经人工复位，断路器才能再次合闸；本发明保护灵敏性、可靠性高，适用于单相直接接地或非直接接地故障；本发明所采用的电气电子元器件均为国际、国内标准的通用件，易于选用，维护量少，备件统一，成本低廉；本发明用途广泛，可用于不同类型船舶的低压岸电系统。

附图说明

图1是有等电位连接时发生单相接地故障示意图；

图2是无等电位连接时发生单相直接接地故障示意图；

图3是无等电位连接时发生单相通过阻抗z接地故障示意图；

图4是等电位保护技术原理说明图；

图5是本发明实施例电路原理图。

具体实施方式

本发明的设计依据与原理如下：

1.新标准要求岸电电源需具有n线和e线

iec60309—2012《工业用插头、插座和耦合器》、iec/pas80005-3-2014《实用的连接端口-第3部分：低电压岸接头(lvsc)系统一般要求》等国际标准及我国gb/t11918《工业用插头、插座和耦合器》等标准，规定船舶接用岸电时，单相岸电为相线l，中线n，地线e；三相岸电为相线l1、l2、l3，中线n，地线e。上述要求与我国交流低压三相配系统的型式相符合，相线与中线属于岸电电源的工作回路，e是从岸上的接地系统引出的地线(即gb50065中的pe)，属于岸电电源的安全保护回路。

2.岸电系统的pe导体与n导体有接地联结

gb50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中规定“低压系统接地的型式可分为tn、tt、it等3种”，“单电源系统，tn电源系统在电源处应有一点直接接地，装置的外露可导电部分应经pe接到接地点”，由此表明，无论电源(变压器或发电机)的绕组是星形还是三角形接法，也无论是三相还是单相配电系统，都具有保护导体protectiveconductor(pe)输出，向用电装置提供接地保护。所以，船舶的钢质或其它金属船壳应经pe接到接地点。

3.低压岸电电源是三相四线制系统

gb50065-2011规范提出的三相四线制系统中，“全系统将n与pe分开的tn-s系统”、“在装置非受电点的某处将pen分离成pe和n的3相4线制的tn-c-s系统”、“在装置的受电点将pen分离成pe和n的3相4线制的tn-c-s系统”、“在装置的受电点将pen分离成pe和n的单相2线制的tn-c-s系统”，“对用电设备采用单独的pe和n的多电源tn-c-s系统”、“全部装置都采用分开的中性导体和保护导体的tt系统”，都配出了船舶接取低压岸电电源所需要的n导体和pe导体；gb50065-2011规范提出n导体和pe导体“在电源处的接地与在配电系统中的接地，可通过一个或多个接地极来实现”，即n导体和pe导体在电源处和在配电系统中已进行系统接地联结。

4.中华人民共和国海事局2018年发布的《船舶与海上设施法定检验规则内河船舶法定检验技术规则2018年修改通报》中的“等电位连接是使船载装置和岸基装置导电部件之间电位基本相等的电气连接”，要求岸电箱应具有“用于连接柔性电缆的合适的插座(旅游船)或接线柱(除旅游船以外的其他船舶)和将船体与地(岸地或零线)相连的接地接线柱”，要求“船舶应设有将船体与岸地(或趸船上接地装置)进行等电位连接的设施”。所以，船舶靠港接用岸电时，必须将船地与岸地相连接实现等电位，即必须将金属船壳(船地e)和岸上的保护导体(岸地pe)相连接。

5.单相接地状况分析：

当船舶靠港接用岸电时，船舶电力系统中发生单相接地是造成船地与岸地电位不等的原因。

(1)有等电位连接时发生单相接地：当发生单相直接接地时，若船壳(船地e)已和岸上的保护导体(岸地pe)相连接，如图1所示，因船地e的电位等于岸地pe的电位都为0，而安全标准规定接地电阻应≤4ω，此时单相接地短路电流id很大，断路器将自动跳闸，以保障人体不受跨步电压或接触电压的伤害。这便是从2019年1月1日开始执行的《船舶与海上设施法定检验规则内河船舶法定检验技术规则2018年修改通报》和最新船舶建造规范要求船舶靠港接用岸电时，船地和岸地必须建立等电位连接的原因。

(2)无等电位连接时发生单相接地的几种状况：

当发生单相直接接地时，若船壳(船地e)未和岸上的保护导体(岸地pe)相连接，如图2所示，因线路容抗xc很大，故接地电流ic很小可忽略不计，断路器不会自动跳闸，此时船地e电位基本上等于发生接地故障相l2的电位，因岸基pe导体和n导体在电源处已同时进行系统接地联结，pe的电位为0，船壳与岸基之间的跨步电压等于船地e的电位与岸地pe的0电位之差，跨步电压或接触电压等于相电压，远远超过安全标准的规定(≯30v)，严重影响人命安全。

当发生单相通过阻抗z接地时，如果接地电流id尚未达到断路器自动跳闸的动作电流，此时船地e电位与岸基pe的0电位之差仍旧很高，跨步电压或接触电压基本上等于发生单相接地故障相l3的相电压，严重影响人命安全，如图3所示。

本发明等电位保护技术的原理如下：

本发明采用稳定电压≤24v的齐纳二极管检测船地e和岸基中线n之间的电位差，选择稳定电压为≤24v的原因是确保船壳与岸基之间的跨步电压不超过30v。

因发生故障时船地e与岸基pe线未连接，船地e与岸基pe产生的电位差为交流电，故采用2只齐纳二极管反向串联与交流中间继电器组成检测电路，例如用2只齐纳管，齐纳管的稳定电压为12v，当船舶靠港接用岸电发生任何状况的单相接地时，造成船地e和岸基中线n之间电位差une≥12v，2只反向串联的齐纳二极管，分别在交流电的正、负半周被击穿，如图4所示斜线部分，从而产生正、负两波脉冲加在交流中间继电器1ka上，其阈值为12v，当une＜12v，交流中间继电器1ka上电压为零，1ka不动作；当une≥12v，交流中间继电器1ka吸合。

2组齐纳二极管的稳定电压(1v/2v和3v/4v)的稳定电压可在24v及以下选择，采用2组反向串联的齐纳二极管同时检测以提高可靠性；交流中间继电器1ka的动作电压应≤齐纳二极管的稳定电压，以提高灵敏性。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图5所示是本发明实施例电路原理图，本发明船舶低压岸电系统等电位保护装置，包括齐纳二极管1v、齐纳二极管2v、齐纳二极管3v、齐纳二极管4v、交流中间继电器1ka、直流中间继电器2ka、保险丝接线端子x1、自锁型按钮s、led指示灯h，所述齐纳二极管1v、齐纳二极管2v反向串联成第一电路1，齐纳二极管3v、齐纳二极管4v反向串联成第二电路2，第一电路1与第二电路2并联，并联电路的一端与岸电箱的e端相连，并联电路的另一端串联交流中间继电器1ka线圈、交流中间继电器1ka的一对常开触点后接岸电箱的n端，直流中间继电器2ka的一对常开触点与所述交流中间继电器1ka的一对常开触点并联，所述直流中间继电器2ka的线圈的一端经保险丝接线端子x1接船电dc24v的一端，直流中间继电器2ka的线圈另一端经自锁型按钮s的常闭触点后接交流中间继电器1ka的常闭触点的一端，交流中间继电器1ka常闭触点的另一端接船电dc24v的另一端，所述led指示灯h的两端接于直流中间继电器2ka线圈两端，直流中间继电器2ka的一对常闭触点两端接等电位报警回路，驱动等电位报警回路工作；交流中间继电器1ka的一对常闭触点和直流中间继电器2ka的一对常开触点串联后接入岸电主开关电动合闸回路，交流中间继电器1ka的另一对常闭触点和直流中间继电器2ka的另一对常开触点串联后接入岸电主开关欠压脱扣回路。

为方便接线，本装置与断岸电主开关、岸电箱、等电位报警回路之间的连线可通过普通接线端子x2连线。等电位报警回路可使用声光报警器等产品。

上述实施例中，齐纳二极管1v、齐纳二极管2v、齐纳二极管3v、齐纳二极管4v的稳定电压≤24v，稳定电流≥1a，动态电阻≤5ω。交流中间继电器1ka的线圈额定电压≤24v，额定工作电流为5a。直流中间继电器2ka的线圈额定电压为dc24v，额定工作电流为5a。

图5中的1ka触头为1常开、3常闭,2ka触头为3常开、1常闭。保险丝接线端子x1，1f、2f额定电压≥250v，额定电流6a，2节；普通接线端子x2，额定电压≥250v，额定电流≥6a，8节；自锁型按钮s，额定电压≥250v，额定电流≥5a，1常开、1常闭；led指示灯h，额定电压24v，白色。

如单相接地状况分析，当岸基地(pe)与船地(e)之间电气连接良好时，岸基地(pe)与船地(e)之间电位相等，即跨步电压或接触电压une＝0；当岸基地(pe)与船地(e)之间电气连接失效时，岸基地(pe)与船地(e)之间电位不等。

图5中直流中间继电器2ka采用开路原则与1ka同时进行保护，2ka的工作电源由船舶应急直流电源dc24v提供。

船电dc24v接通后，led指示灯h亮，2ka吸合，其3对动合触头分别接通1ka线圈回路、接通主开关合闸回路、接通主开关欠压脱扣回路，使等电位保护进入监测状态，同时允许被控岸电主开关合闸，2ka的动断触头断开报警回路。

当船地(pe)与船地(e)之间电位差大于设定值(即齐纳管1v/2v或3v/4v的稳定电压值)时，1ka吸合并自保持，其3对动断触头分别切断2ka线圈回路、切断主开关合闸回路、切断主开关欠压回路；2ka复位后，其3对动合触头断开，并切断主开关合闸回路、切断主开关欠压回路，2ka动断触头复位接通输出报警信号。

岸电主开关分闸切断岸电后，船地(pe)与船地(e)之间电位差即消除，1ka自动复位，其3对动断触头复位接通，2ka再次吸合，等电位保护重新进入监测状态。

岸电主开关分闸后，如果船地(pe)与船地(e)之间电位差仍超过设定值，岸电主开关无法合闸。

将自锁型按钮s断开，2ka复位，其3对动合触头全部断开，等电位保护功能被取消，岸电主开关被紧急切断或无法合闸。

本发明利用两组齐纳管的稳定电压值作为岸基地与船地之间的电位差(跨步电压或接触电压)限值；用两组反向串联的齐纳管组和交流中间继电器组成电位差检测回路；用直流中间继电器2ka与交流中间继电器1ka实行双重保护，只要有其中一个动作，都使岸电主开关瞬时自动分闸。

等电位监测电路在检测到电位差超标时，1ka吸合并自保持，提高了保护的可靠性，保护动作于岸电主开关分闸后，因岸地与船地电位差消除，1ka自动复位，确保检测回路器件仅短暂通电，提高了保护的安全性。

当船岸电位差≥24v时，岸电主开关无法合闸；断开dc24v电源，等电位保护被取消时，岸电主开关也无法合闸或被分闸。

可利用断开自锁型按钮s，满足规范要求紧急切断岸电主开关的功能。

通过对齐纳管的稳定电压和交流中间继电器的线圈电压进行选择，可满是不同类型船舶所要求的电位差限值进行保护。

本发明可以制造成船舶低压岸电系统等电位保护装置，也可以将本发明的技术应用在岸电箱、开关箱(柜)的电路中进行船舶低压岸电系统等电位保护。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。