多機(jī)共母系統(tǒng)單相接地故障保護(hù)模式應(yīng)用分析

梁新蘭

(中國石油工程項(xiàng)目管理公司天津設(shè)計(jì)院，天津 300457)

0 引 言

海油平臺(tái)電力系統(tǒng)與陸地電力系統(tǒng)相比，有其獨(dú)有的特點(diǎn)，主要有以下幾點(diǎn)：①由于海洋平臺(tái)距陸地距離較遠(yuǎn)，海油平臺(tái)需設(shè)置獨(dú)立電站，海油平臺(tái)電力系統(tǒng)集發(fā)電、變電、輸電、配電和用電于一體，自成體系，與陸地電網(wǎng)無聯(lián)系[1]；②多發(fā)電機(jī)共用母線，不同于陸地上發(fā)電機(jī)多為發(fā)電機(jī)變壓器組單元接線方式，海油平臺(tái)電力系統(tǒng)均為多臺(tái)發(fā)電機(jī)直接連接至公共母排，接入中壓系統(tǒng)；③直配電纜線路多，通常發(fā)電機(jī)出口中壓公共母排通過降壓變壓器為低壓負(fù)荷供電，同時(shí)還直接為中壓電動(dòng)機(jī)配電或通過中壓電纜為其他平臺(tái)或模塊供電[2-3]；④海上運(yùn)行環(huán)境惡劣，需考慮鹽霧、潮濕、霉菌、油污、傾斜、搖擺、振動(dòng)和沖擊等對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行和操作的影響，電氣設(shè)備多選用船用型，且須滿足船級(jí)社的相關(guān)要求。

海油平臺(tái)電力系統(tǒng)可于陸地大電網(wǎng)之外獨(dú)立運(yùn)行，自給自足，適用于離岸或已建電網(wǎng)較遠(yuǎn)的需自發(fā)電的場(chǎng)合，如邊際油田、海油平臺(tái)和船舶等，有廣泛的適應(yīng)性。

1 發(fā)電機(jī)接地故障保護(hù)

1.1 國家標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50062—2008《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》，發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流允許值應(yīng)采用制造廠的規(guī)定值，如無制造廠規(guī)定值，10.5 kV發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流允許值為3 A。

(1) 對(duì)直接接于母線的發(fā)電機(jī)，當(dāng)定子繞組單相接地故障電流(不計(jì)消弧線圈的補(bǔ)償作用)大于允許值時(shí)，應(yīng)裝設(shè)有選擇性的接地保護(hù)裝置，其出口應(yīng)動(dòng)作于信號(hào)。但當(dāng)消弧線圈退出運(yùn)行或其他原因?qū)е律鲜龉收想娏鞔笥谠试S值時(shí)，應(yīng)動(dòng)作于停機(jī)。

(2) 未裝設(shè)接地保護(hù)時(shí)，應(yīng)在發(fā)電機(jī)電壓母線上裝設(shè)接地監(jiān)視裝置，其出口應(yīng)動(dòng)作于信號(hào)。

保護(hù)裝置或接地監(jiān)視裝置應(yīng)能監(jiān)視發(fā)電機(jī)零序電壓值。

1.2 海油平臺(tái)現(xiàn)狀

以往海油平臺(tái)電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)出口中壓系統(tǒng)總的單相接地故障電流未超出允許值。中壓系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，單相接地故障保護(hù)由零序電壓保護(hù)實(shí)現(xiàn)，配置絕緣監(jiān)測(cè)裝置，中壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警，系統(tǒng)可帶故障運(yùn)行2 h，期間人為逐一排查故障點(diǎn)[4-5]。

隨著海油平臺(tái)電力系統(tǒng)規(guī)模的發(fā)展，發(fā)電機(jī)單機(jī)容量、總裝機(jī)容量和直配電纜線路越來越多，考慮發(fā)電機(jī)定子繞組、發(fā)電機(jī)引出電纜及各饋出線電纜的電容效應(yīng)，發(fā)電機(jī)出口中壓系統(tǒng)總的單相接地故障電流值越來越大，部分項(xiàng)目中其數(shù)值已經(jīng)超過發(fā)電機(jī)定子繞組能夠承受的限值。

1.3 電容電流的計(jì)算

以某海洋平臺(tái)為例，該平臺(tái)設(shè)有5臺(tái)發(fā)電機(jī)，額定電壓10.5 kV，額定容量10 500 kW。單臺(tái)發(fā)電機(jī)定子繞組電容為0.14 μF，電容電流約為0.8 A；單臺(tái)發(fā)電機(jī)引出電纜長度約400 m，電容電流約為0.58 A；單臺(tái)發(fā)電機(jī)回路電容電流約為1.38 A。

中壓系統(tǒng)饋出線電纜總長度約4.5 km，電容電流約為6.5 A。5臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)投入運(yùn)行時(shí)中壓系統(tǒng)最大電容電流約為13.4 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范的允許值。

2 接地方式及保護(hù)方案比較

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

表1 各種不同接地方式對(duì)比

如果發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障，故障電流會(huì)破壞定子鐵心和繞組，危害較大，需要繼電保護(hù)快速動(dòng)作保護(hù)發(fā)電機(jī)設(shè)備。經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，由于感性電流的補(bǔ)償作用，單相接地故障電流可降到很小，系統(tǒng)可帶故障運(yùn)行，給故障排查留出時(shí)間，同時(shí)要求設(shè)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(hù)動(dòng)作性能方面的因素，建議選擇中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式。

表2對(duì)比了三種中性點(diǎn)經(jīng)電阻的不同接地方式。這三種中性點(diǎn)經(jīng)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(huì)對(duì)繼電保護(hù)的配置和運(yùn)行靈活性帶來影響。

表2 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的不同方式對(duì)比

經(jīng)過表2的對(duì)比，綜合考慮運(yùn)行的可靠性和方案實(shí)施的簡便性，選擇方式3，即中壓母排經(jīng)接地變壓器/接地電阻接地。

3 電阻接地計(jì)算驗(yàn)證

該平臺(tái)5臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)直接接于10.5 kV母線上。機(jī)端母線經(jīng)接地變壓器/接地電阻。為限制單相接地故障時(shí)內(nèi)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(jìn)行分析計(jì)算，電阻電流取20 A。兩端母線各設(shè)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(hù)方案：采用零序過流保護(hù)，在多機(jī)共母系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，快速準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)，將故障切除。保護(hù)定值考慮發(fā)電機(jī)出口斷路器與饋出線斷路器的保護(hù)配合。在發(fā)電機(jī)機(jī)端安裝穿心式零序CT，在本機(jī)區(qū)外接地時(shí)本發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)不動(dòng)作，在本機(jī)區(qū)內(nèi)接地時(shí)本發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性。該保護(hù)應(yīng)用的條件：區(qū)內(nèi)和區(qū)外接地故障時(shí)，流過機(jī)端零序CT電流的大小和方向有明顯的區(qū)別，且保護(hù)裝置能準(zhǔn)確測(cè)量到該電氣特征。

4 區(qū)內(nèi)外故障接地零序電流分析

由于饋出線電纜投運(yùn)數(shù)量與發(fā)電機(jī)投入臺(tái)數(shù)和實(shí)際運(yùn)行工況有關(guān)，為便于分析，不考慮饋出線電纜的電容電流。分析時(shí)不考慮過渡電阻的影響，均按金屬性接地考慮。每臺(tái)發(fā)電機(jī)的電容電流為1.38 A，電阻電流為20 A，相位相差90°。

4.1 區(qū)內(nèi)單相接地故障分析

如圖1所示，1號(hào)機(jī)機(jī)端發(fā)生區(qū)內(nèi)金屬性定子單相接地。在機(jī)端零序電流CT上流過的接地電流為：

圖1 區(qū)內(nèi)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(fā)電機(jī)機(jī)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(fā)電機(jī)上的電容電流。

當(dāng)母線上只有2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，

In0=Irm+Ig2=20.05 A

(2)

當(dāng)母線上只有1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，

In0=Irm=20 A

(3)

U0大小和接地位置相關(guān)，當(dāng)接地位置在靠近中性點(diǎn)繞組側(cè)時(shí)，接地電流會(huì)相應(yīng)減?。唤拥亓阈螂娏鞅Ｗo(hù)一般整定為保護(hù)80%～90%定子繞組，故區(qū)內(nèi)接地時(shí)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(jī)保護(hù)能檢測(cè)到100 mA的電流并可靠動(dòng)作。從裝置的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看，100 mA的電流可以準(zhǔn)確檢測(cè)。

4.2 區(qū)外單相接地故障分析

如圖2所示，1號(hào)機(jī)發(fā)生區(qū)外金屬性定子單相接地。

圖2 區(qū)外單相接地等效電路圖

在機(jī)端零序電流CT上流過的接地電流為：

In0=Ig1=1.38 A

(4)

區(qū)外接地時(shí)會(huì)流過1.38 A的電流，傳變到二次側(cè)達(dá)到69 mA，低于100 mA。發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障保護(hù)范圍仍可達(dá)到90%以上。

5 結(jié)束語

綜合以上分析：在本機(jī)區(qū)外金屬性接地時(shí)，機(jī)端零序CT上流過電流為1.38 A；本機(jī)區(qū)內(nèi)機(jī)端金屬性接地時(shí)，接地電流大小和母線上運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)相關(guān)，最大為20.75 A，最小為20 A；區(qū)內(nèi)外接地時(shí)零序電流的方向相反。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在區(qū)內(nèi)和區(qū)外金屬性接地時(shí)，流過機(jī)端零序CT的電流有明顯差異，且區(qū)內(nèi)接地時(shí)電流傳變到二次側(cè)時(shí)，裝置仍能識(shí)別。以上分析未考慮饋出線電纜的電容電流，計(jì)及其影響，接地零序電流幅值將更大。

機(jī)端穿心式零序CT的二次不平衡零序電流在正常運(yùn)行時(shí)須限制在100 mA以下，抬高零序電流定值，則保護(hù)范圍會(huì)縮小。這對(duì)于CT的制造和安裝提出了較高的要求。發(fā)電機(jī)機(jī)端引出電纜應(yīng)嚴(yán)格按空間磁平衡排布，以減小機(jī)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(duì)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的安全隱患。