單相接地對高壓電機的危害及應對措施

劉 清，蔡 偉，陳 燕

（1.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川成都 610100；2.西南油氣田公司重慶環境節能監測中心，重慶 400021）

1 現場勘察情況

單相接地故障在10 KV 中性點不接地輸電系統中，非常的常見。如果保護裝置設置不完備，系統長時間帶病運行，極易燒毀配電設施和用電設備。某油田作業區，2016—2018 年，多次發生高壓電機絕緣擊穿現象，經過現場勘察，情況如下。

1.1 供電網絡工況

該作業區位于亞熱帶丘陵地區，空氣濕度大，雨水充沛，山區夏季多雷暴天氣。該作業區的10 kV 供電系統，采用中性點不接地方式，由變電站架空裸線，經過山區至各個平臺。進入各個平臺的入戶開關，多數采用隔離刀閘接入。該電網電壓波動較大，相電壓在平時都有5%以上的不平衡量。架空線路無專人維護，通過線路勘察，發現該作業區10 kV 架空線下多處存在接地隱患（樹木頂部接近或已超過10 kV 架空裸線）。變電站出線綜合保護，設置的單相接地故障保護為報警。

1.2 電機的損壞情況

首先對損壞的電機情況進行勘察，打開機殼通風道蓋板查看，繞組局部表面有輕微變色，并且有明顯絕緣材料被擊穿的刺鼻味道。利用2500 V 兆歐表檢查，接地電阻為0 Ω，利用萬用表測對地電阻：U7.4 Ω，V7.5 Ω 和W1.5 Ω；相間UV7.0 Ω，VW8.1 Ω 和WU8.1 Ω。可以證實該電機已經絕緣擊穿。高壓電機繞組對絕緣要求較高，只能返廠維修。

1.3 操作者的現場描述

電機啟動前，高壓PT 柜內，一支電壓互感器二次線圈端子對地擊穿，已經修復，對繞組進行了絕緣檢測，絕緣合格。電機啟動后，啟動及空載電流都比較正常，并平穩運行約3 min，操作者在觀察到軟啟動柜上W 相電流異常升高后，拍下電機啟動柜的急停按鈕。再次對電機繞組進行檢查，電機絕緣已經擊穿。查看高壓柜儀表，顯示W 相電壓為0 V，而U、V 相電壓分別升高到10.96 kV 和9.56 kV 的異常現象，但很快電壓指示恢復正常。啟動過程中，儀表顯示異常可以對應電力系統W 相單相接地故障。聯系平臺供電的上級變配電負責人，應證了在當日下午，電機發生異常的時間段內，前端變電站隔離刀閘一相確實發生過單相接地事故，隨后修復。翻閱作業區相關的運轉記錄，2017 年該線路曾發生過嚴重的單相接地故障，當時非故障相電壓最高達到15 kV，且當時作業區大部分高壓電機均處于投用狀態，且在該狀況下運行時間超過2 h。

2 原因分析

2.1 單相接地造成非故障相電壓升高

結合本次電機燒毀前的儀表顯示，及箱變內高壓PT 柜，在故障前，出現電壓互感器二次線圈端子對地擊穿的現象。可以初步判斷，該作業區10 kV 供電系統在運行過程中，間歇性存在單相接地故障。當然不排除數次單相接地故障，對電機絕緣的疊加傷害。從10 kV 中性點不接地電力系統單相接地示意圖中，可以從原理對電機燒毀原因進行分析。該10 kV 輸電系統采用的是中性點不接地運行方式，發生單相接地后，線電壓不變，故障相對地電壓降低或者為0，非故障兩相的相電壓升高。W 相完全接地時，該相相電壓為0 V，而U，V 相電壓升高倍，高壓電機是這個系統中，耐壓等級最薄弱的環節，當高壓電機相繞組長時間承受線電壓時，會加速電機的絕緣老化。如果多次沖擊，極容易造成電機絕緣擊穿。

2.2 間歇性弧光接地產生諧振過電壓

在中性點不接地系統中，當系統發生單相接地時，中性點的對地電壓不再為零，而為相電壓，這時，三相對地電容電流之和不再為零，大地中有電流流過，其接地處的電流就為單相接地電流，如中性點不接地系統單相接地電壓矢量圖所示，單相接地電流矢量值等于其余兩相正常電容電流的矢量和，單相接地電流有效值IK等于正常相對地電容電流有效值ICi的3 倍，即IK=3ICi。

采用估算法對現場電力網絡單相接地時，架空線的電容電流進行計算。ICi=KλUNL×10-3，其中，λ 為設備影響修正系數，UN為系統額定電壓（kV），L 為線路長度（km）。根據現場實際運行的架空線情況，取系數K=3.2、λ=1.16，UN=10.5 kV、L=30 km，因此IC1=3.2×1.16×10.5×30×10-3=1.17 A，IC=3IC1=3×1.17=3.51 A。

由于單相接地電容電流達到3.51 A，所以單相接地故障發生后，會發生間歇性弧光接地，間歇性放電又會引起線路電壓振蕩，產生幾倍于正常電壓的諧振過電壓（尖峰幅值30～50 kV），危及變電和用電設備的絕緣，嚴重時使設備絕緣擊穿，造成更大事故。

2.3 真空斷路器斷開時操作過電壓

根據現場情況，高壓電機絕緣擊穿，多發生在啟動過程中。真空斷路器投合、斷開高壓電機時，可以將電機看為感性負載，快速暫態操作過電壓（最高可達到2～4 倍的正常電壓）會沿著傳輸線路以波的形式到達電機端口。

2.4 電機損壞結論

所以可以認定電力系統的多次單相接地故障及間歇性弧光接地故障產生的諧振過電壓，啟動時，真空斷路器投入時產生的操作過電壓，相互疊加。對高壓電機的絕緣造成了沖擊，是造成電機絕緣損壞直接原因。

3 應對措施

3.1 加強線路及供電設備巡視作業

對配電線路定期專人巡視、維護，對配電線路上的絕緣子、分支熔斷器、避雷器等設備應定期進行絕緣測試，不合格的應及時更換。對變配電設施定期進行檢修和預防性試驗，發現問題及時處理。及時清除線路上的單相接地故障隱患點。

3.2 完善電機運行保護裝置

由于采用無人值守的方式，所以要求高壓柜的綜合保護更加完善和靈敏，需要專業人士，針對高壓電機保護，制定專業的保護措施，在于迅速識別故障與異常，更好的保護電機。

在變電所加裝小電流接地自動選線裝置，此裝置與各配出線間隔上的零序電流互感器配合使用，能夠自動選擇出發生單相接地故障線路，時間短，準確率高，提高供電可靠性，防止故障擴大。出現故障，及時拉路查找故障，避免造成電機燒毀。根據零序電壓電流自動選線裝置原理，當發生單相接地故障時，零序電壓和零序電流不再為零，當數值大于選線保護裝置的整定值時，裝置動作，控制繼電保護裝置報警或者斷路器跳閘。

在后續高壓配電柜中，加入專門的絕緣監察裝置，通常采用三相五柱式電壓互感器加上電壓繼電器、信號繼電器及監視儀表構成。網絡中發生非金屬性單相接地時，開口兩端點間同樣感應出電壓，因此，當開口端達到電壓繼電器的動作電壓時，電壓繼電器和信號繼電器均動作，發出音響及燈光信號，并且可以設置為禁止啟動高壓電機。

3.3 強化電機啟動前的檢查作業

應強化維保人員對配電設備的巡視制度，發現設備缺陷和儀表指示異常，應及時報告，排除故障和恢復正常后，所有電氣儀表裝置指示正常，才能啟動高壓電機。在進行試車啟動前，應積極和甲方供電部分和調度室進行協調。在確保外界供電條件滿足運行條件后，才能進行試車。現場調試人員的操作培訓，啟機前應該制定相應的方案和流程，熟悉每一個開關位置及作用、儀表的正常指示狀態。最后還需要有必要的應急方案。

4 建議

在電力系統中，單相接地只是常見故障中的一種。如果沒有先進的技術作為支撐，完善的管理制度作為保障，到一定年限后，高壓電機、變頻器、軟啟動器、配電柜在運行過程中，都會面臨不同層次的問題，故障率也會大副提高，增加維護成本。

4.1 技術層面

改變電力系統的系統中性點的接地方式，使中性點經消弧線圈接地，就可以很好的減小電力系統的對地電容電流，從而把單相接地的故障接地電流限制在可控范圍。同時，系統中安裝消弧、消諧及過電壓保護裝置，在故障產生過電壓時，對設備、設施起到保護作用。

在遠程監控系統中，監控項目中添加電壓、電流、頻率等參數，一方面，有利于現場及時發現電氣參數的波動，如果波動值超出設定值則報警或者遠程停機。另一方面遠程監控系統的數據儲存功能，可以為高壓電機運行狀態及事故分析提供數據支持。在本次事故中，如果能及時發現電壓參數的波動，就能停止啟動作業，從而避免損壞擴大化。

該地區的電力系統不穩定，山地雷暴高發，容易產生大氣過電壓和操作過電壓，而且自然環境潮濕會造成電機絕緣等級降低。建議在后續購買的電機時，要求電機廠家提高一個絕緣等級，確保在發生大氣過電壓和操作過電壓時，能保證電機的可靠運行。對電機定期的檢測，如果發現絕緣降低，必須采用措施，通過電加熱等方式，在電機的絕緣恢復到10 MΩ（考慮安全系數，可以適當提高到50 MΩ），才能啟動電機。同時對所有的箱變設施堅持每兩年進行一次年檢預試，發現設備缺陷，及時處理。

4.2 管理層面

完善高壓電機及配電設施的定期巡視制度，發現異常和缺陷應該及時記錄并報告，及時整改。嚴格執行高壓電機操作規程，高壓電機啟動前，應該進行詳細的檢查，最好以表格的形式來確認所有儀表（包括電氣）裝置是否正常，符合啟動條件。避免因為操作原因，造成設備損壞。

加強操作人員技術練兵，應定期參與對操作人員的技術培訓和考核。不合格，不能上崗操作。