多機共母系統單相接地故障保護模式應用分析

梁新蘭

(中國石油工程項目管理公司天津設計院，天津 300457)

0 引 言

海油平臺電力系統與陸地電力系統相比，有其獨有的特點，主要有以下幾點：①由于海洋平臺距陸地距離較遠，海油平臺需設置獨立電站，海油平臺電力系統集發電、變電、輸電、配電和用電于一體，自成體系，與陸地電網無聯系[1]；②多發電機共用母線，不同于陸地上發電機多為發電機變壓器組單元接線方式，海油平臺電力系統均為多臺發電機直接連接至公共母排，接入中壓系統；③直配電纜線路多，通常發電機出口中壓公共母排通過降壓變壓器為低壓負荷供電，同時還直接為中壓電動機配電或通過中壓電纜為其他平臺或模塊供電[2-3]；④海上運行環境惡劣，需考慮鹽霧、潮濕、霉菌、油污、傾斜、搖擺、振動和沖擊等對電氣設備運行和操作的影響，電氣設備多選用船用型，且須滿足船級社的相關要求。

海油平臺電力系統可于陸地大電網之外獨立運行，自給自足，適用于離岸或已建電網較遠的需自發電的場合，如邊際油田、海油平臺和船舶等，有廣泛的適應性。

1 發電機接地故障保護

1.1 國家標準要求

根據現行國家標準GB/T 50062—2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》，發電機定子繞組單相接地故障電流允許值應采用制造廠的規定值，如無制造廠規定值，10.5 kV發電機定子繞組單相接地故障電流允許值為3 A。

(1) 對直接接于母線的發電機，當定子繞組單相接地故障電流(不計消弧線圈的補償作用)大于允許值時，應裝設有選擇性的接地保護裝置，其出口應動作于信號。但當消弧線圈退出運行或其他原因導致上述故障電流大于允許值時，應動作于停機。

(2) 未裝設接地保護時，應在發電機電壓母線上裝設接地監視裝置，其出口應動作于信號。

保護裝置或接地監視裝置應能監視發電機零序電壓值。

1.2 海油平臺現狀

以往海油平臺電力系統中，發電機出口中壓系統總的單相接地故障電流未超出允許值。中壓系統中性點不接地，單相接地故障保護由零序電壓保護實現，配置絕緣監測裝置，中壓系統發生單相接地故障時監測裝置報警，系統可帶故障運行2 h，期間人為逐一排查故障點[4-5]。

隨著海油平臺電力系統規模的發展，發電機單機容量、總裝機容量和直配電纜線路越來越多，考慮發電機定子繞組、發電機引出電纜及各饋出線電纜的電容效應，發電機出口中壓系統總的單相接地故障電流值越來越大，部分項目中其數值已經超過發電機定子繞組能夠承受的限值。

1.3 電容電流的計算

以某海洋平臺為例，該平臺設有5臺發電機，額定電壓10.5 kV，額定容量10 500 kW。單臺發電機定子繞組電容為0.14 μF，電容電流約為0.8 A；單臺發電機引出電纜長度約400 m，電容電流約為0.58 A；單臺發電機回路電容電流約為1.38 A。

中壓系統饋出線電纜總長度約4.5 km，電容電流約為6.5 A。5臺發電機同時投入運行時中壓系統最大電容電流約為13.4 A，遠遠超過了規范的允許值。

2 接地方式及保護方案比較

原來的中性點不接地和零序電壓單相接地保護方式(絕緣監測)已不能滿足要求，為避免發電機定子繞組因單相接地而燒損，盡量減小對檢修和生產的影響，更快地排查故障點，需考慮改變中性點接地方式及單相接地故障保護方式。表1為各種不同接地方式對比情況。

表1 各種不同接地方式對比

如果發電機定子繞組單相接地故障，故障電流會破壞定子鐵心和繞組，危害較大，需要繼電保護快速動作保護發電機設備。經消弧線圈接地時，由于感性電流的補償作用，單相接地故障電流可降到很小，系統可帶故障運行，給故障排查留出時間，同時要求設備和電纜等要有更高的絕緣性能。綜合考慮過電壓、繼電保護動作性能方面的因素，建議選擇中性點經電阻接地方式。

表2對比了三種中性點經電阻的不同接地方式。這三種中性點經電阻接地方式通過合理選擇接地電阻可以使單相接地故障電流一致，但是由于接地位置不同，會對繼電保護的配置和運行靈活性帶來影響。

表2 中性點經電阻接地的不同方式對比

經過表2的對比，綜合考慮運行的可靠性和方案實施的簡便性，選擇方式3，即中壓母排經接地變壓器/接地電阻接地。

3 電阻接地計算驗證

該平臺5臺發電機并聯直接接于10.5 kV母線上。機端母線經接地變壓器/接地電阻。為限制單相接地故障時內部過電壓，電阻電流與電容電流的比值一般取1.1～1.5。此處取1.5進行分析計算，電阻電流取20 A。兩端母線各設一套接地變壓器/接地電阻，每套裝置電阻電流限制在10 A。

選擇性單相接地故障保護方案：采用零序過流保護，在多機共母系統發生單相接地故障時，快速準確判斷故障點，將故障切除。保護定值考慮發電機出口斷路器與饋出線斷路器的保護配合。在發電機機端安裝穿心式零序CT，在本機區外接地時本發電機定子接地保護不動作，在本機區內接地時本發電機定子接地保護動作，以實現保護的選擇性。該保護應用的條件：區內和區外接地故障時，流過機端零序CT電流的大小和方向有明顯的區別，且保護裝置能準確測量到該電氣特征。

4 區內外故障接地零序電流分析

由于饋出線電纜投運數量與發電機投入臺數和實際運行工況有關，為便于分析，不考慮饋出線電纜的電容電流。分析時不考慮過渡電阻的影響，均按金屬性接地考慮。每臺發電機的電容電流為1.38 A，電阻電流為20 A，相位相差90°。

4.1 區內單相接地故障分析

如圖1所示，1號機機端發生區內金屬性定子單相接地。在機端零序電流CT上流過的接地電流為：

圖1 區內單相接地等效電路圖

In0=Irm+Ig2+Ig3+Ig4+Ig5=20.75 A

(1)

式中：In0為故障發電機機端零序CT上流過的電流；Irm為接地電阻上流過的電流；Ig2、Ig3、Ig4和Ig5分別為非故障發電機上的電容電流。

當母線上只有2臺機組運行時，

In0=Irm+Ig2=20.05 A

(2)

當母線上只有1臺機組運行時，

In0=Irm=20 A

(3)

U0大小和接地位置相關，當接地位置在靠近中性點繞組側時，接地電流會相應減小；接地零序電流保護一般整定為保護80%～90%定子繞組，故區內接地時電流最小可能為2 A，如果選擇20 A/1 A的零序CT，則要求微機保護能檢測到100 mA的電流并可靠動作。從裝置的工程應用經驗看，100 mA的電流可以準確檢測。

4.2 區外單相接地故障分析

如圖2所示，1號機發生區外金屬性定子單相接地。

圖2 區外單相接地等效電路圖

在機端零序電流CT上流過的接地電流為：

In0=Ig1=1.38 A

(4)

區外接地時會流過1.38 A的電流，傳變到二次側達到69 mA，低于100 mA。發電機定子繞組接地故障保護范圍仍可達到90%以上。

5 結束語

綜合以上分析：在本機區外金屬性接地時，機端零序CT上流過電流為1.38 A；本機區內機端金屬性接地時，接地電流大小和母線上運行機組臺數相關，最大為20.75 A，最小為20 A；區內外接地時零序電流的方向相反。

根據計算結果可知，在區內和區外金屬性接地時，流過機端零序CT的電流有明顯差異，且區內接地時電流傳變到二次側時，裝置仍能識別。以上分析未考慮饋出線電纜的電容電流，計及其影響，接地零序電流幅值將更大。

機端穿心式零序CT的二次不平衡零序電流在正常運行時須限制在100 mA以下，抬高零序電流定值，則保護范圍會縮小。這對于CT的制造和安裝提出了較高的要求。發電機機端引出電纜應嚴格按空間磁平衡排布，以減小機端零序電壓互感器不平衡電流的影響。這樣造成電纜緊密排布，電纜間距減小，需注意散熱不足對設備運行產生的安全隱患。