10 kV 電力系統接地引起索拉機組故障停機的應對策略

鄒建鵬

（中石化西北油田分公司工服中心電力工程管理部，新疆 巴音郭楞蒙古自治州841600）

1 某油田10 kV 電力網目前存在的問題

在歐美國家，電力系統如果發生單相接地事故，根據他們的行業規定，發生事故的機組必須立即從電網中隔離開。索拉公司為了保護發電機組不遭受沖擊，采用反時限零序過流保護。所謂反時限零序過流保護，是指保護裝置的動作時間與短路電流的大小成反比。當流過繼電器的電流越大時，其動作時間就越短；反之，動作時間越長。這種動作時限方式稱為反時限，具有這一特性的繼電器稱為反時限過流繼電器。一旦零序保護繼電器動作，整個發電機立即停機，以確保機組完好無損。

該油田整體電力網的設計完全按照中國電力行業的設計安裝規范進行設計建造。根據電力行業統計，在電力系統中，系統單相接地故障發生率占整個系統故障的70%以上，而在某油田，由于存在施工建造質量問題、電網設計混亂以及其他外部原因的多重作用和影響，近兩三年的故障統計顯示，整個電網單相接地故障率占油田電網總故障率的80%以上。由于發電機組采用標準與塔河電力網規范不完全相同，因此在實際運行中，經常出現當10 kV 線路發生單相接地故障時，發電機組立即遭受沖擊，進而觸發發電機保護裝置，并導致索拉機組零序保護停機，整個油田的供電可靠性因此而降低，依靠油田供電系統的生產作業及生活用電都受到極大影響。

2 詳細研究內容

某油田10 kV 系統中性點采用了經消弧線圈接地，如圖1 所示，消弧線圈是一個安裝有鐵心的可調電感線圈，消弧線圈安裝在變壓器中性點與地面之間，當電網發生單相接地故障時，如圖2 所示，接地電流通過消弧線圈時表現為電感電流，其特性與電容電流相反。此時，消弧線圈消除了接地處的電弧以及由此引起的各種危害，另外，消弧線圈尚可減小故障相電壓的恢復速度，從而降低了電弧重燃的可能性，有利于單相接地故障的消除。

2.1 對某油田10 kV 系統中性點正常運行和發生接地故障的分析

2.1.1 10 kV 系統正常運行情況分析

在正常運行狀態下，如圖1 所示，流過中性點的電流為I0=Ia+Ib+Ic，如果電力系統三相平衡，則I0=0；如果系統三相不平衡，I0不為0，此時的電流為系統三相不平衡電流，該電流的值比較小，對系統影響不大。

圖1 10 kV 系統中性點經小電阻接地正常運行時示意

2.1.2 10 kV 系統C 相接地故障分析

如圖2 所示，當其中一相（以C 相為例）發生接地后，在接地點，所有流過接地點的電流為Ia+Ib，A、B 兩相對地升高為線電壓，通過接地點的電流為接地電容電流Ic與通過消弧線圈L 的電感IL 之和。由于Ic超前UC90°，而IL滯后UC90°，因此IL與Ic在接地點相互補償。當IL與Ic的量值差小于發生電弧的最小電流時，電弧不會產生，也就不會出現諧振過電壓。中國電力行業規定中性點經消弧線圈接地系統的三相系統中，在系統發生單相接地時，允許短時間（2 h）繼續運行，但應有保護裝置在接地故障發生時及時發出報警信號。運行人員應抓緊時間積極查找故障，并予以消除。

2.2 索拉停機事例

2007-02-12T11：06，瓦克夏高壓室10 kV1＃油田2＃線1014 開關B 相接地。引起1#索拉發電機保護裝置動作停機，報警條為“CN_Switchgear_Malfunction”和“FL_Differential_Ground_Fault”，M-3425 發電機保護裝置報警“51N，反時限零序過電流”。

圖2 10 kV 系統中性點經小電阻接地發生單相接地時示意

經供電隊巡視發現，在T9-氣2 支115 支925-030＃桿下，挖掘機施工碰觸B 相線接地。事故發生時現場施工的挖掘機如圖3 所示。事故發生時挖掘機碰觸B 相導線的痕跡如圖4 所示。事故發生時挖掘機碰觸B 相導線機體留下的痕跡如圖5 所示。

圖3 事故發生時現場施工挖的掘機

圖4 事故發生時挖掘機碰觸B 相導線的痕跡

圖5 事故發生時挖掘機碰觸B 相導線機體留下的痕跡

站內故障錄波和消弧線圈裝置顯示方面，消弧線圈運行狀態如表1 所示。

表1 消弧線圈運行狀態

故障錄波顯示10 kV 系統B 相接地如圖6 所示。

消弧線圈補償信息如表2 所示。

如圖2 所示，在發生單相接地故障時，非故障相對地電壓由6 kV 升高為線電壓（10.5 kV），此時要求系統內設備或電纜絕緣等級相應提高，而索拉機組發電機定子線圈的絕緣耐壓為7 kV ，不能滿足要求，機組根據其設定的零序保護（1 A）動作停機。

圖6 故障錄波顯示10 kV 系統B 相接地

表2 消弧線圈補償信息

結合機組和電力網現狀，目前提出的解決方法有兩種：①改造發電機，通過對發電機的改造，提高發電機定子線圈絕緣等級，將發電機的中性點改成不接地或通過大電阻接地；②通過外部改造，使零序電流不能影響到發電機組。通過對兩種方法的考察發現，第一種方法投資較大，而且要改造機組本體，難度較大。第二種方法投資少，而且不需要改造機組本體，難度較小。因此本次改造采用第二種方法，也就是在發電機斷路器出口加裝隔離變壓器。

2.3 擬采用的研究思路和技術手段

索拉機組與外部10 kV線路構成的整個電力系統可以簡化成圖7 所示的模型示意圖，R 是索拉發電機組中性點接地小電阻。因此，索拉發電機組與整個油田10 kV 線路就構成了一個中性點經小電阻接地系統。根據上述分析可知，當系統正常運行時，如圖1 所示，流過發電機中性點接地電阻的電流為I0=Ia+Ib+Ic，如果系統三相對地電容相等，則I0=0，即流過電阻R的電流為0；如果系統三相對地電容不相等，則流過電阻R的電流為三相不平衡電容電流，該電流比較小，不足以對發電機造成損害。當外部10 kV 線路發生單相接地故障后（C 相接地），如圖2 所示，流過發電機組中性點的電流則將變為I0=Ia+Ib，此時該電流較大，對發電機沖擊也相對變大，此時發電機零序保護裝置就會對發電機組進行保護停機。

由于單相接地故障經常發生在10 kV 線路上，而索拉發電機組與油田10 kV 系統直接相連，根據上述分析可知，外線路一旦發生單相接地故障，在索拉發電機組的中性點就會產生接地短路電流，同時，發電機另外兩相的電壓還會升高為線電壓，導致機組零序保護。因此，要想解決發電機中性點零序電流不受外部10 kV 系統的影響，只有將發電機組與外部10 kV 線路隔離開，如圖7 所示，在索拉機組出口處安裝一臺隔離變壓器，這樣當10 kV系統發生單相接地故障后，由于使用隔離變壓器，故障零序電流不會流過發電機的中性點，從而避免了對機組的影響。工作原理是：通過隔離變將10 kV 系統分為兩個系統，避免供電線路對機組產生影響。

圖7 索拉機組出口安裝隔離變壓器系統接地示意圖

安裝隔離變壓器后，當外部10 kV 線路發生單相接地故障后，隔離變壓器二次側的運行情況與圖7 所示的狀況相同，即在接地點產生極大的接地電流，由于加裝了隔離變壓器，在變壓器一次與二次繞組之間，只有磁路上的聯系，而無電路上的聯系，故該電流只存在于二次側，隔離變壓器一次側只有電容電流，沒有零序電流流過，從而將外部線路產生的零序電流進行了可靠的隔離，這樣流過發電機組中性點的電流將只是三相不平衡電流，這一數值比較小，完全滿足發電機正常工作需求。

3 預期成果及其技術指標

安裝完畢索拉電站兩臺隔離變壓器之后，其技術指標應滿足：當外部10 kV 線路發生單相接地之后，隔離變壓器應該完全將外部零序電流與發電機組隔離開來，不影響發電機組正常運行，發電機組不會因為零序保護使整個機組停機。

結論：由于該油田10 kV 線路單相接地故障較多，2 臺隔離變壓器安裝完成后，將會使因為零序保護而導致的發電機組停機故障減少95%以上，從而使該油田用電的可靠性得到進一步提升，確保該油田電網的安全，經濟效果非常可觀。