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

中國石油集團電能有限公司電力技術(shù)服務公司 柳會彬

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氣候，年平均風速在3m/s以上，冬季長并常伴有大風雪，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)常會引發(fā)線路故障，這些都給油田電網(wǎng)的運行帶來了風險和隱患。

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。在實際運行過程中，10kV 配電線路經(jīng)常會出現(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降低，非故障兩相的相電壓會上升，但線電壓卻會保持對稱，因此不會影響到對用戶的連續(xù)供電，規(guī)程規(guī)定系統(tǒng)可運行1～2h，這也就是小電流接地系統(tǒng)的最大優(yōu)點。然而，在電網(wǎng)長時間運行發(fā)生單相接地故障的時候，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重飽和，導致電壓互感器嚴重過負荷而燒毀。弧光接地還可能導致整個電網(wǎng)的過電壓，從而對電網(wǎng)的設備造成損害，危及電網(wǎng)的安全性。為此，在10kV 電力系統(tǒng)中，一方面要加強對接地故障的處置，一旦出現(xiàn)了單相接地故障，要及時定位并切斷故障點；另一方面在運行中采取必要的預防措施，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)運行現(xiàn)狀

塔木察格油田電網(wǎng)始建于2010年，2011年投產(chǎn)運行，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 段母線運行，實際相當于單母線運行。現(xiàn)在運10kV 線路全長479.3km，所帶負荷多為油井、水井，線路分支繁多，負荷分布分散。電網(wǎng)設備投運后未進行過升級改造，部分設備出現(xiàn)老化，近年來由于鳥害、雷擊過電壓、設備絕緣部件老化等原因造成設備絕緣擊穿引發(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，接地時間延長，往往都嚴重超出了規(guī)程規(guī)定的2h 的時間限制，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，外力破壞造成導線斷線落地或搭在橫擔上。例如一些蒙古司機安全意識不強，駕車穿越線路時不注意觀察，以往發(fā)生過多起車輛撞桿和掛碰導線事故。

第二，因風力過大造成絕緣子綁扎線脫落或固定不牢，導線脫落掉到橫擔或地上。第三，大風天氣造成配電變壓器高壓引下線斷線。草原春秋兩季大風天氣居多，時常會發(fā)生配電變壓器高壓引下線斷線抽簽等問題。第四，配電變壓器臺上的10kV避雷器或10kV 熔斷器絕緣擊穿。塔木察格電網(wǎng)運行十多年，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，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，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，同桿架設導線上層橫擔的拉線一端脫落，搭在下排導線上。第九，線路掛異物或鳥害造成線路單相接地短路；根據(jù)近年來運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，塔木察格油田10kV 線路每年因大風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)單相接地嚴重威脅電網(wǎng)運行安全。10kV 中性點不接地系統(tǒng)中，正常運行情況下，三相電壓相量圖如圖1（a）所示，假設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。由圖可知當單相接地故障發(fā)生時，由于兩個非故障側(cè)的相對地電壓上升到線路電壓，在長期的接地過程中，會導致另兩相絕緣中較弱的部分被擊穿，進而發(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，會造成流入的電流增加，這時，電壓互感器會產(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磁電流。若電力設備在此時仍然長時間運轉(zhuǎn)，就會導致電壓互感器因嚴重過負荷而燒毀。

第三，單相接地故障還會造成間斷的弧光接地現(xiàn)象，與此同時，諧振過電壓會擊穿絕緣保護層，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)生電氣火災事故。

第四，系統(tǒng)接地的查找和處理影響油田負荷正常供電。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)線路若有一點發(fā)生接地，其運行時間不得超過2h。若發(fā)生永久性的接地故障時，由于油田電網(wǎng)系統(tǒng)線路具有線路長、分支多特點，加之受草原天氣及環(huán)境影響，要找到故障點需要花費幾個小時甚至十幾個小時，為了保障該期間的用電安全，有時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、牲畜觸點事故。設備絕緣擊穿或?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、牲畜等如果在此時靠近接地點就會產(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)接地會造成很大程度上的電能浪費。10kV 配電線路中的單相接電故障，其中的配電線路中接地會產(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，會造成大量的電能浪費。

5 預防和處理措施

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

值班人員應能根據(jù)接地后變電所表計及信號變化準確判斷出是不是系統(tǒng)接地，當A 相完全接地時，故障相的電壓會降到0，非故障相的電壓會上升到線電壓，這時在電壓互感器開口三角處會出現(xiàn)100V 電壓，電壓繼電器會動作，發(fā)出接地信號。

要能夠正確區(qū)分母線電壓互感器一相斷線或一次保險熔斷，電壓互感器二次保險熔斷、系統(tǒng)諧振及絕緣監(jiān)察裝置故障誤發(fā)信號等與系統(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確率，對淘汰落后的選線裝置進行升級更換。為了提高塔木察格10kV 系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時選線的準確性及有效縮短接地時間，已在2022年設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10kV 配網(wǎng)線路設備的驗收、維護和管理。

加強線路絕緣設備的驗收把關，確保線路擴建施工使用的絕緣子、避雷器等質(zhì)量合格滿足10kV線路運行的絕緣強度要求，2017年，塔木察格電網(wǎng)擴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)運行埋下了很多隱患，2018—2019年塔木察格電網(wǎng)共計發(fā)生25次絕緣子擊穿事故，嚴重影響了電網(wǎng)的安全可靠運行。

加強雷電活動頻繁區(qū)域線路的絕緣水平和防雷措施，例如10kV 3號線106分支地勢較高，據(jù)統(tǒng)計，每年雷雨季節(jié)該分支線路落雷次數(shù)都遠遠高于其他線路，2021年，該分支線路同一天有3個絕緣子被擊穿，造成導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。同時對線路避雷器及接地電阻進行檢查測試，確保線路避雷器接地良好，能夠有效地對雷電流進行泄放。

加強線路鳥害治理，減少因鳥類活動造成的線路接地事故。根據(jù)歷年線路事故統(tǒng)計，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。一方面要加強線路鳥巢的清除，對線路周邊雜物進行清理。另一方面要改進驅(qū)鳥設施，原本線路裝設的鳥刺防鳥效果不盡人意，建議更換為風力太陽能反光型驅(qū)鳥器。

加強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天氣極易造成導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天氣過后要加強線路巡線，確保及時發(fā)現(xiàn)綁線松動、導線抽簽、風掛異物等隱患并及時進行處理。

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)運行中經(jīng)常會受到線路設備質(zhì)量、季節(jié)、外部環(huán)境的影響而出現(xiàn)接地故障，出現(xiàn)的這些故障會對輸電、變電、配電設備及人身造成很大程度的威脅，因此，必須加強對這些故障的預防和處理，采取相應的措施來減少故障對設備與人們的傷害，進而保障配電線路的正常運行，確保油田電網(wǎng)的安全可靠供電。