塔木察格油田電網(wǎng)10kV系統(tǒng)接地故障危害及預(yù)防處理措施

中國石油集團(tuán)電能有限公司電力技術(shù)服務(wù)公司 柳會(huì)彬

1 概述

電力系統(tǒng)可以被劃分為大電流接地系統(tǒng)（包括直接接地、經(jīng)電抗接地和低阻接地）、小電流接地系統(tǒng)（包括高阻接地，消弧線圈接地和不接地）。在國內(nèi)，3～66kV 電網(wǎng)中，一般都是不接地或通過消弧線圈接地，這是一種小電流接地系統(tǒng)。塔木察格油田10kV 供電系統(tǒng)，即為不接地供電模式。塔木察格油田的電網(wǎng)位于蒙古國大草原的中心地帶，是一塊巨大的油氣田。屬典型的中溫帶季風(fēng)氣候，年平均風(fēng)速在3m/s以上，冬季長并常伴有大風(fēng)雪，有上百種鳥類在草原上繁衍生息，鳥類在電桿棲息覓食經(jīng)常會(huì)引發(fā)線路故障，這些都給油田電網(wǎng)的運(yùn)行帶來了風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

單相接地是小電流接地系統(tǒng)中最容易發(fā)生的故障之一。在實(shí)際運(yùn)行過程中，10kV 配電線路經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)單相接地故障，在發(fā)生單相接地后，故障的相對地電壓會(huì)降低，非故障兩相的相電壓會(huì)上升，但線電壓卻會(huì)保持對稱，因此不會(huì)影響到對用戶的連續(xù)供電，規(guī)程規(guī)定系統(tǒng)可運(yùn)行1～2h，這也就是小電流接地系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)。然而，在電網(wǎng)長時(shí)間運(yùn)行發(fā)生單相接地故障的時(shí)候，非故障的兩相對地電壓上升到相電壓的3倍以上，就有可能造成絕緣的薄弱環(huán)節(jié)被擊穿，從而發(fā)展成相間短路，使事故擴(kuò)大，對用戶的正常用電產(chǎn)生影響，還有可能使電壓互感器鐵芯嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致電壓互感器嚴(yán)重過負(fù)荷而燒毀。弧光接地還可能導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的過電壓，從而對電網(wǎng)的設(shè)備造成損害，危及電網(wǎng)的安全性。為此，在10kV 電力系統(tǒng)中，一方面要加強(qiáng)對接地故障的處置，一旦出現(xiàn)了單相接地故障，要及時(shí)定位并切斷故障點(diǎn)；另一方面在運(yùn)行中采取必要的預(yù)防措施，最大限度地減少10kV 系統(tǒng)接地事故的發(fā)生。

2 塔木察格油田電網(wǎng)10kV 系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

塔木察格油田電網(wǎng)始建于2010年，2011年投產(chǎn)運(yùn)行，塔木察格電網(wǎng)電源引自蒙古國東方省喬巴山電廠，為單電源供電方式，10kV 母線為I 段母線帶II 段母線運(yùn)行，實(shí)際相當(dāng)于單母線運(yùn)行。現(xiàn)在運(yùn)10kV 線路全長479.3km，所帶負(fù)荷多為油井、水井，線路分支繁多，負(fù)荷分布分散。電網(wǎng)設(shè)備投運(yùn)后未進(jìn)行過升級改造，部分設(shè)備出現(xiàn)老化，近年來由于鳥害、雷擊過電壓、設(shè)備絕緣部件老化等原因造成設(shè)備絕緣擊穿引發(fā)的10kV 系統(tǒng)接地故障呈上升趨勢。這些原因造成的結(jié)果就是接地故障處理不及時(shí)，接地時(shí)間延長，往往都嚴(yán)重超出了規(guī)程規(guī)定的2h 的時(shí)間限制，這對油田電力系統(tǒng)的安全和可靠性提出了很高的要求。塔木察格油田電網(wǎng)近2年接地故障見表1。

表1 塔木察格油田電網(wǎng)近2年來接地故障統(tǒng)計(jì)表

3 油田電網(wǎng)10kV 系統(tǒng)發(fā)生單相接地的原因

第一，外力破壞造成導(dǎo)線斷線落地或搭在橫擔(dān)上。例如一些蒙古司機(jī)安全意識(shí)不強(qiáng)，駕車穿越線路時(shí)不注意觀察，以往發(fā)生過多起車輛撞桿和掛碰導(dǎo)線事故。

第二，因風(fēng)力過大造成絕緣子綁扎線脫落或固定不牢，導(dǎo)線脫落掉到橫擔(dān)或地上。第三，大風(fēng)天氣造成配電變壓器高壓引下線斷線。草原春秋兩季大風(fēng)天氣居多，時(shí)常會(huì)發(fā)生配電變壓器高壓引下線斷線抽簽等問題。第四，配電變壓器臺(tái)上的10kV避雷器或10kV 熔斷器絕緣擊穿。塔木察格電網(wǎng)運(yùn)行十多年，一些環(huán)氧樹脂絕緣材質(zhì)的刀閘支持立瓶或熔斷器底座由于老化等原因發(fā)生擊穿故障。第五，配電變壓器高壓繞組單相絕緣擊穿或接地。塔木察格電網(wǎng)有10kV 配電變壓器850多臺(tái)，過去發(fā)生過3起變壓器高壓繞著絕緣擊穿接地事故。第六，線路落雷雷擊過電壓造成絕緣子擊穿。10kV 線路由于沒有避雷線、避雷針保護(hù)，夏季草原上沒有其他比線路電桿更高的建筑物，因此雷雨季節(jié)線路落雷頻繁，經(jīng)常造成絕緣子被擊傷擊穿的接地和跳閘事故。第七，線路施工使用的絕緣子質(zhì)量不合格造成絕緣子擊穿接地短路。油田每年都有新的油井投產(chǎn)，線路分支逐年增加，一些新投運(yùn)的線路分支由于使用了不合格的絕緣子，造成絕緣擊穿接地事故。第八，同桿架設(shè)導(dǎo)線上層橫擔(dān)的拉線一端脫落，搭在下排導(dǎo)線上。第九，線路掛異物或鳥害造成線路單相接地短路；根據(jù)近年來運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，塔木察格油田10kV 線路每年因大風(fēng)和鳥害造成的線路跳閘事故占線路故障總數(shù)的70%左右[1]。

4 10kV 系統(tǒng)接地危害分析

第一，系統(tǒng)單相接地嚴(yán)重威脅電網(wǎng)運(yùn)行安全。10kV 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，正常運(yùn)行情況下，三相電壓相量圖如圖1（a）所示，假設(shè)A 相發(fā)生接地故障，考慮金屬性接地，則三相電壓相量如圖1（b）所示。由圖可知當(dāng)單相接地故障發(fā)生時(shí)，由于兩個(gè)非故障側(cè)的相對地電壓上升到線路電壓，在長期的接地過程中，會(huì)導(dǎo)致另兩相絕緣中較弱的部分被擊穿，進(jìn)而發(fā)展為相間短路，從而增大了故障范圍。

圖1 三相電壓相量圖

第二，容易造成變電所電壓互感器燒毀事故。10kV 配電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障，會(huì)造成流入的電流增加，這時(shí)，電壓互感器會(huì)產(chǎn)生非常高的電壓，使得電壓互感器的鐵芯出現(xiàn)過飽和，從而在一定程度上提高了勵(lì)磁電流。若電力設(shè)備在此時(shí)仍然長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，就會(huì)導(dǎo)致電壓互感器因嚴(yán)重過負(fù)荷而燒毀。

第三，單相接地故障還會(huì)造成間斷的弧光接地現(xiàn)象，與此同時(shí)，諧振過電壓會(huì)擊穿絕緣保護(hù)層，造成線路的短路事故，出現(xiàn)配電變壓器燒毀，線路上的避雷器、熔斷器絕緣擊穿、燒毀，發(fā)生電氣火災(zāi)事故。

第四，系統(tǒng)接地的查找和處理影響油田負(fù)荷正常供電。我國電業(yè)規(guī)程對單相接地故障以及停電供電作出了明確規(guī)定，電網(wǎng)線路若有一點(diǎn)發(fā)生接地，其運(yùn)行時(shí)間不得超過2h。若發(fā)生永久性的接地故障時(shí)，由于油田電網(wǎng)系統(tǒng)線路具有線路長、分支多特點(diǎn)，加之受草原天氣及環(huán)境影響，要找到故障點(diǎn)需要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)甚至十幾個(gè)小時(shí)，為了保障該期間的用電安全，有時(shí)不得不人工拉閘查找故障線路，造成線路無法正常供電，影響油田生產(chǎn)[2]。

第五，系統(tǒng)接地容易造成人員、牲畜觸點(diǎn)事故。設(shè)備絕緣擊穿或?qū)Ь€落地等情況造成的10kV 系統(tǒng)接地，線路巡線人員（尤其是夜間的線路檢查人員）及周圍居民、牲畜等如果在此時(shí)靠近接地點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生跨步電壓，從而極有可能發(fā)生跨步電壓的電擊事故。

第六，系統(tǒng)接地會(huì)造成很大程度上的電能浪費(fèi)。10kV 配電線路中的單相接電故障，其中的配電線路中接地會(huì)產(chǎn)生大量對地放電現(xiàn)象，這種大量的放電屬于一種直接的電能損耗，會(huì)造成大量的電能浪費(fèi)。

5 預(yù)防和處理措施

第一，提高值班人員對10kV 系統(tǒng)接地的判斷準(zhǔn)確性并熟練掌握相應(yīng)的處理流程。

值班人員應(yīng)能根據(jù)接地后變電所表計(jì)及信號(hào)變化準(zhǔn)確判斷出是不是系統(tǒng)接地，當(dāng)A 相完全接地時(shí)，故障相的電壓會(huì)降到0，非故障相的電壓會(huì)上升到線電壓，這時(shí)在電壓互感器開口三角處會(huì)出現(xiàn)100V 電壓，電壓繼電器會(huì)動(dòng)作，發(fā)出接地信號(hào)。

要能夠正確區(qū)分母線電壓互感器一相斷線或一次保險(xiǎn)熔斷，電壓互感器二次保險(xiǎn)熔斷、系統(tǒng)諧振及絕緣監(jiān)察裝置故障誤發(fā)信號(hào)等與系統(tǒng)接地的區(qū)別，避免造成誤判。

第二，提高小電流接地選線裝置的使用率及準(zhǔn)確率，對淘汰落后的選線裝置進(jìn)行升級更換。為了提高塔木察格10kV 系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時(shí)選線的準(zhǔn)確性及有效縮短接地時(shí)間，已在2022年設(shè)備改造申請中對小電流接地選線裝置提出更換申請。

第三，加強(qiáng)10kV 配網(wǎng)線路設(shè)備的驗(yàn)收、維護(hù)和管理。

加強(qiáng)線路絕緣設(shè)備的驗(yàn)收把關(guān)，確保線路擴(kuò)建施工使用的絕緣子、避雷器等質(zhì)量合格滿足10kV線路運(yùn)行的絕緣強(qiáng)度要求，2017年，塔木察格電網(wǎng)擴(kuò)建由于使用了部分質(zhì)量存在問題的盤式絕緣子為之后兩年的電網(wǎng)運(yùn)行埋下了很多隱患，2018—2019年塔木察格電網(wǎng)共計(jì)發(fā)生25次絕緣子擊穿事故，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

加強(qiáng)雷電活動(dòng)頻繁區(qū)域線路的絕緣水平和防雷措施，例如10kV 3號(hào)線106分支地勢較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年雷雨季節(jié)該分支線路落雷次數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他線路，2021年，該分支線路同一天有3個(gè)絕緣子被擊穿，造成導(dǎo)線落地接地形成短路，因此建議將這種落雷比較頻繁的10kV 線路絕緣子更換為15kV 電壓等級的絕緣子。同時(shí)對線路避雷器及接地電阻進(jìn)行檢查測試，確保線路避雷器接地良好，能夠有效地對雷電流進(jìn)行泄放。

加強(qiáng)線路鳥害治理，減少因鳥類活動(dòng)造成的線路接地事故。根據(jù)歷年線路事故統(tǒng)計(jì)，鳥害造成的線路跳閘事故占塔木察格電網(wǎng)線路故障總數(shù)的50%左右。一方面要加強(qiáng)線路鳥巢的清除，對線路周邊雜物進(jìn)行清理。另一方面要改進(jìn)驅(qū)鳥設(shè)施，原本線路裝設(shè)的鳥刺防鳥效果不盡人意，建議更換為風(fēng)力太陽能反光型驅(qū)鳥器。

加強(qiáng)10kV 線路季節(jié)性異常天氣特巡巡線。蒙古草原春秋兩季大風(fēng)天氣極易造成導(dǎo)線綁線斷裂以及配電變壓器高壓引線抽簽等引發(fā)的接地事故，因此在春秋兩季大風(fēng)天氣過后要加強(qiáng)線路巡線，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)綁線松動(dòng)、導(dǎo)線抽簽、風(fēng)掛異物等隱患并及時(shí)進(jìn)行處理。

6 結(jié)語

塔木察格油田電網(wǎng)10kV 系統(tǒng)是油田電網(wǎng)的重要組成部分，10kV 系統(tǒng)運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)受到線路設(shè)備質(zhì)量、季節(jié)、外部環(huán)境的影響而出現(xiàn)接地故障，出現(xiàn)的這些故障會(huì)對輸電、變電、配電設(shè)備及人身造成很大程度的威脅，因此，必須加強(qiáng)對這些故障的預(yù)防和處理，采取相應(yīng)的措施來減少故障對設(shè)備與人們的傷害，進(jìn)而保障配電線路的正常運(yùn)行，確保油田電網(wǎng)的安全可靠供電。