高電阻接地系統(tǒng)在海洋石油平臺上的應(yīng)用

石作鋒 隨賀 賈常亮

摘 要：電氣系統(tǒng)的系統(tǒng)接地是確保電力系統(tǒng)配電設(shè)備和用電設(shè)備正常運行以及安全的一種有效手段。不同的接地選取方案需要根據(jù)實際的系統(tǒng)環(huán)境進行選取，需要考慮的因素包含供電連續(xù)性、安全性、可靠性和絕緣水平等。高電阻中性點接地系統(tǒng)以其安全性高、連續(xù)供電性好在海洋石油平臺上得到了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：中性點接地；高電阻；電氣

中圖分類號：TM64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）20-0049-02

1 系統(tǒng)接地方式的選取原則

中性點接地方式主要分為中性點不接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地、中性點經(jīng)電阻接地以及中性點直接接地。

中性點不接地方式在線路發(fā)生單相對地故障時線電壓仍保持對稱不變，使得用電設(shè)備供電不會受到影響，由于海上石油平臺要求的供電穩(wěn)定性特別高，所以，不接地系統(tǒng)成為海上石油平臺低壓配電最常用的接地方式。

但當(dāng)電力網(wǎng)的電壓較高、電纜較長時，特別是隨著近年來石油平臺電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，系統(tǒng)對地的電容電流也越來越大。

若此時發(fā)生單相接地故障，接地電弧無法自行熄滅，仍需跳閘，供電連續(xù)可靠的優(yōu)點就不存在了，為此應(yīng)考慮采用其他接地方式。

中性點直接接地在發(fā)生單相短路故障時，中性點電位仍為零，線路上會流過較大的單相接地短路電流。從而使保護裝置動作切斷供電，對供電可靠連續(xù)造成影響。

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中消弧線圈可有效減少單相接地電流，迅速熄滅故障電弧。進而提高供電連續(xù)和可靠性。但其和不接地電網(wǎng)一樣，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，非故障相的對地電壓將升高√3倍，盡管可以繼續(xù)工作，也需要在較短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并消除故障。

中性點經(jīng)電阻接地還可分為經(jīng)高電阻和經(jīng)低電阻接地。經(jīng)低電阻接地時接地故障電流較大。高電阻則可以限制故障電流，不致設(shè)備受到嚴(yán)重損壞。另外高阻接地比低阻接地還可以更好的排除殘余電荷，提供更充足的零序電壓電流，使保護裝置更加靈敏有效。

綜合以上幾種接地系統(tǒng)的特點，在某海上石油生產(chǎn)平臺的系統(tǒng)接地解決方案中我們采用了高電阻接地系統(tǒng)。

2 項目概況

該平臺位于南海東部海域，由6臺10.5 kV發(fā)電機作為電力來源，通過海底電纜向其他裝置輸送電力。電容電流主要來源于發(fā)電機和長度較長的海底電纜，另外，平臺共有10 000 kVA變壓器4臺，6 300 kVA變壓器2臺，3 150 kVA變壓器2臺，2 500 kVA變壓器2臺。

3 平臺電容電流計算

3.1 對電力電纜容性電流的估算

對于電力電纜容性電流可以用下式估算：

IS=[（95+1.44 S）/（2 200+0.23S）]Un×L

式中：

Un為線路的額定電壓，單位：kV；

L為電纜線路長度，單位：km；

S為電纜截面積，單位：mm2；

平臺電纜長度為1.66 km，截面積為120 mm2，計算如下：

IS=[（95+1.44×120）/（2 200+0.23×120）]×10.5×1.66=2.1 A

（1）

3.2 對發(fā)電機容性電流的計算

對于發(fā)電機容性電流可以用下式計算：

IG=U/Z=2 πfCU（2）

式中：

U為加在電容上的電壓，V；

f為電壓的頻率，Hz；

C為電容量，F(xiàn)。

根據(jù)平臺發(fā)電機參數(shù)可知每臺發(fā)電機主機電容為0.14 uF，6臺發(fā)電機容流計算如下：

IG=6×2 πfCU

=6×2×3.14×50×0.14×10.5×1.732/1 000=4.8 A（3）

3.3 變壓器對地電容電流根據(jù)廠家資料的估算

變壓器對地電容電流根據(jù)廠家資料估算如下：

10 000 kVA及6 300 kVA變壓器估算變壓器按0.2 A估算，3 150 kVA及2 500 kVA變壓器估算變壓器按0.1 A估算，單相接地電流為：

IT=6×0.2+4×0.1=1.6 A

系統(tǒng)總的容流等于以上（1）、（2）、（3）相加，可得下式：

IC=IS+IG+IT=2.1+4.8+1.6=8.5 A

4 接地方案的選擇

根據(jù)GBT 50064-2014交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合規(guī)定之說明。6 kV到35 kV主要由電纜線路構(gòu)成的配電系統(tǒng)，發(fā)電廠廠用系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電廠集電系統(tǒng)和除礦井的工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流較大時，可采用中性點低電阻接地方式。另外根據(jù)電纜特性說明，當(dāng)交聯(lián)聚乙烯電纜的容流大于10 A時，其單相接地故障的電弧便不能自行熄滅。而計算結(jié)果8.5 A電容電流只是主要設(shè)備及海纜的電容電流，若考慮配電站及其他小設(shè)備，可有可能在發(fā)生單相接地故障時，電纜電弧自行熄滅困難。

美國IEEE 142標(biāo)準(zhǔn)中對高電阻接地也做出了如下定義：高電阻接地是為了限制接地故障電流，在發(fā)生單相接地故障時，不至于使設(shè)備遭受嚴(yán)重破壞，另外經(jīng)高電阻接地比經(jīng)低電阻接地能夠更好的排除殘余電荷，并且還可以供給足夠的零序電壓和電流，使檢測保護裝置更加靈敏。

另一方面采用經(jīng)電阻接地，亦可便于系統(tǒng)后期擴容。綜上原因，最終該項目平臺采用中性點經(jīng)電阻接地的方式，而不采用其它接地方式。

對于本項目而言，由于主變壓器一次側(cè)（10.5 kV側(cè)）為三角形連接，無法引出抽頭，故無法在主變壓器上對其進行接地。另外，平臺空間也比較有限，針對母排進行接地也可以減少接地柜的數(shù)量。

結(jié)合以上原因，接地方案將針對母排進行。通過母排連接接地變壓器模擬出中性點（平臺電網(wǎng)系統(tǒng)為三相三線無中性點），再通過接地變壓器中性點經(jīng)電阻接地的方式。事實上，即使是在有中性點（如三相四線制）系統(tǒng)中，也需要電阻經(jīng)變壓器接地。

因為若在10.5 kV系統(tǒng)中電阻直接經(jīng)中性點接地，接地裝置就需要承受數(shù)千伏的電壓，針對接地裝置的制造、維護、檢修及故障信號的輸出都帶來一系列的困難。

由于是變壓器模擬中性點，此接地變壓器的一次側(cè)需為星形連接。給接地故障電流一定的余量，取15 A電流值為一次側(cè)電流（即故障電流）。接地變壓器容量和電阻計算如下：

由于在故障時變壓器可以承受一定時間的過載倍數(shù)，故可以考慮一定的過載時間將變壓器容量選小一些。通過下表可查得，若我們考慮10 s過載時間過載系數(shù)為10.5。則可選變壓器容量為157/10.5=15 kVA。10 min變壓器容量為157/2.6=61 kVA。過濾時間和過濾倍數(shù)見表1。

通過以上計算，并且為保守安全起見，我們選取阻值為404 Ω的電阻作為接地電阻，接地變壓器容量選取100 kVA，保護裝置動作時限設(shè)置為10 s，系統(tǒng)圖示意圖，如圖1所示。

5 結(jié) 語

系統(tǒng)接地作為中高壓供電系統(tǒng)尤其是高壓供電系統(tǒng)經(jīng)常需要用到的中性點處理方法，在系統(tǒng)運行及設(shè)備和人身安全保護中起到非常重要的作用。

通過以上的計算我們可以推測出，接地系統(tǒng)在整個電氣系統(tǒng)中所占成本并不算高，但其意義卻非常重大。

因此，在供配電系統(tǒng)前期設(shè)計時，一定要系統(tǒng)分析接地故障的各個關(guān)鍵參數(shù)，選取合適的接地系統(tǒng)，確保供電安全及供電系統(tǒng)的有效運行。

參考文獻：

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] 李景祿.實用配電網(wǎng)技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3] 海洋石油工程設(shè)計指南編委會.海洋石油工程電氣、儀控、通信設(shè)計[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[4] GBT 50064-2014，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].