油田配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的優(yōu)化及認(rèn)識

白城利（中油電能電力技術(shù)服務(wù)公司內(nèi)蒙古海拉爾供電分公司）

配電網(wǎng)是否能夠安全、可靠運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是配網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇。多年來，各國都曾多次進(jìn)行改造優(yōu)化。國際上，發(fā)達(dá)國家對配電網(wǎng)絡(luò)布局相對合理，一次設(shè)備可靠性高，城市電網(wǎng)以電纜環(huán)網(wǎng)供電形式居多，其余電網(wǎng)也多采用架空絕緣導(dǎo)線布置。美國采用中性點(diǎn)直接接地并配合經(jīng)低電抗接地方式，同時(shí)加裝開關(guān)和快速繼電保護(hù)裝置，保證系統(tǒng)在遇到故障時(shí)可以瞬間跳開故障線路。德國主要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，避免了通信線路對配電網(wǎng)的干擾[1-3]。這兩種改革方案非常具有代表性，對保障配網(wǎng)安全運(yùn)行和提高配網(wǎng)供電可靠性都發(fā)揮了積極的作用。

1997 年發(fā)布的DL/T620—1997《交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)程，重新規(guī)范了我國6(10) kV 配電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式的選擇，在規(guī)范設(shè)備使用的同時(shí)減少了設(shè)備故障率。另外，在接地故障快速診斷技術(shù)有了較大進(jìn)展。過去絕大多數(shù)發(fā)電廠和變電所的母線上裝設(shè)絕緣監(jiān)視裝置，該裝置的缺點(diǎn)是只能報(bào)告系統(tǒng)有故障，但不能判斷接地線路，需由運(yùn)行人員通過逐一排查確定故障線路[4-6]。

1 大慶油田配電網(wǎng)現(xiàn)狀及存在的問題

大慶油田的配電網(wǎng)中，6(10)kV 線路數(shù)量較大、分布面較廣，過去大多是架空線路，電容電流較小，中性點(diǎn)采用了不接地方式。近年來，大慶的主城區(qū)和采油生產(chǎn)單位都在逐步擴(kuò)建，配電網(wǎng)也隨之大幅改造，導(dǎo)致電容電流越來越大，電纜的線路也越來越多，配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，造成接地故障演變成相間短路事故的情況頻發(fā)。可見原有的中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)已無法滿足大慶電網(wǎng)安全運(yùn)行的需求，相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到相關(guān)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)試驗(yàn)研究表明，優(yōu)化中性點(diǎn)接地方式可有效解決配電網(wǎng)運(yùn)行中存在的多類問題。

2 油田配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式優(yōu)選

為保證電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，保障油田平穩(wěn)生產(chǎn)，大慶油田多用6 kV 配電網(wǎng)，相繼嘗試了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式（圖1）和經(jīng)電阻接地方式（圖2），但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，兩種接地方式都表現(xiàn)出了各自的不足。由于油田配電網(wǎng)的特殊性，采取切合實(shí)際的接地方式和加強(qiáng)對過電壓問題的研究，已經(jīng)成為配電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式Fig.1 Grounding way to neutral point through arcing coil

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式Fig.2 Grounding way to neutral point through resistance

除此之外，當(dāng)6～10 kV 配電網(wǎng)的規(guī)模較小時(shí)，多采用中性點(diǎn)不接地方式（圖3），在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)仍可帶故障繼續(xù)運(yùn)行2 h，不會立即發(fā)生跳閘停電，因此判斷其供電可靠性相對較高[7]。但長時(shí)間帶故障運(yùn)行時(shí)，由于缺少電荷釋放的通路，系統(tǒng)會因?yàn)楫a(chǎn)生間歇性電弧導(dǎo)致過電壓升高至3.5 倍的相電壓或更高，波及到整個(gè)配電網(wǎng)時(shí)會因絕緣薄弱部位擊穿而引發(fā)設(shè)備損壞和用戶停電，威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行；若發(fā)生在油田生產(chǎn)過程中，還會嚴(yán)重影響產(chǎn)量而造成經(jīng)濟(jì)損失。在其他一些特定情況下，如果發(fā)生接地故障或倒閘操作失誤時(shí)，甚至?xí)鸨芾灼鞅ǖ氖鹿省?/p>

圖3 中性點(diǎn)不接地方式Fig.3 Fig.3 Ungrounding way to neutral point

結(jié)合各種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)，生產(chǎn)中多采用用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，防止產(chǎn)生過電壓并補(bǔ)償接地電流。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行電流小于10 A 時(shí)，較為適宜采用高電阻接地方式。此時(shí)，該接地方式的可靠性更高，設(shè)備簡易且經(jīng)濟(jì)，發(fā)生故障時(shí)電流較小，也可帶故障連續(xù)供電，更易于保障人身和設(shè)備安全。最為重要的是，該接地方式可以使弧光接地過電壓小于3.0 p.u.，并消除大部分?jǐn)嗑€諧振過電壓和PT 鐵磁諧振過電壓[8]。不接地系統(tǒng)按目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620—1997 的規(guī)定僅適用于電容電流小于10 A 的電網(wǎng)。但隨著配電網(wǎng)規(guī)模增大，這一標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行過程中開始出現(xiàn)一些爭議問題，例如，在電網(wǎng)電容電流低于10 A 的情況下，執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)后已發(fā)生多起的弧光接地過電壓事故；另外，小電阻和消弧線圈接地方式在小規(guī)模配電網(wǎng)中應(yīng)用，其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢都不明顯。綜上，提出在油田配線網(wǎng)中主要應(yīng)用6 kV 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式。

3 在油田應(yīng)用的可行性

配電網(wǎng)的可靠性、電力設(shè)備的絕緣水平、接地保護(hù)、過電壓水平、通信干擾、人身及設(shè)備安全因素，是選擇配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的主要考量因素。調(diào)研論證表明，6 kV 配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式（圖4），保留了內(nèi)部過電壓抑制、電容電流補(bǔ)償、故障指示、故障選線等方面的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行過程中可充分發(fā)揮中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)電阻接地方式的組合優(yōu)勢并克服其各自缺點(diǎn)。理論分析計(jì)算以及模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)均證明，在過渡電阻小于1 000 Ω 時(shí)，這種接地方式的故障選線和指示功能可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)目前已在某采油廠的部分配電線路中試運(yùn)行，并解決了線路中存在的一些問題。

圖4 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式Fig.4 Parallel resistance grounding way to distribution network neutral point through arcing coil

3.1 解決限制過電壓問題

架空裸導(dǎo)線是現(xiàn)階段油田最為普遍的配電網(wǎng)線路配置方式，該方式容易因單相接地引發(fā)設(shè)備停機(jī)，甚至?xí)斐勺儔浩骼@組損毀。中性點(diǎn)連電阻接地方式是通過在系統(tǒng)中并聯(lián)一個(gè)電阻，加大諧振回路中的損耗，系統(tǒng)通過增大阻尼，破壞了諧振條件，限制PT 飽和過電壓，從而防止電壓過高。系統(tǒng)還可通過調(diào)小接地電阻來增大諧振回路阻尼，實(shí)現(xiàn)抑制諧振過電壓。變電1 廠2021 年與2022 年故障率對比見圖5，其故障率下降51.3%。

圖5 變電1 廠2021 年與2022 年故障率對比Fig.5 Comparison of fault rate in 2021 and 2022 for Transformation 1 plant

另外，單相接地過電壓（弧光接地更嚴(yán)重）引發(fā)絕緣薄弱的設(shè)備故障，致使變電所開關(guān)柜發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)有報(bào)道。該類故障的發(fā)生多是由于電網(wǎng)中的能量不斷積聚，要從根本上解決這一問題，就要在電網(wǎng)中性點(diǎn)處增加能量釋放的功能，將中性點(diǎn)處的電阻作為系統(tǒng)的泄漏電阻，可有效釋放電網(wǎng)能量，避免過電壓[9]；或者在半個(gè)工頻周期內(nèi)泄掉電網(wǎng)電荷的過盈量，使中性點(diǎn)位移電壓幾乎為零避免過電壓，同時(shí)也可減緩故障后電壓恢復(fù)速度，避免電弧重燃。

3.2 解決高壓燒毀及溶斷問題

為了解決6 kV 配電網(wǎng)PT 燒損、一次保險(xiǎn)頻繁熔斷問題，油田小規(guī)模6 kV 配電網(wǎng)選用中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地方式，大規(guī)模6 kV 配電網(wǎng)選用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式，使得油田電網(wǎng)具備單相接地故障電流小、電壓水平低、可持續(xù)供電的優(yōu)點(diǎn)，既便于永久性接地故障的檢測，又有利于瞬時(shí)故障熄弧，有效避免了間歇性弧光接地問題的發(fā)生。

在電網(wǎng)中加入消弧線圈，可以抑制因電磁式電壓互感器飽和而引發(fā)的鐵磁諧振現(xiàn)象和隨之產(chǎn)生的涌流現(xiàn)象。由于消弧線圈的線性電感遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁式電壓互感器的勵磁電感，且兩者并聯(lián)，使諧振回路的零序自振角頻率由電感和線路的對地電容決定，從而破壞諧振條件，實(shí)現(xiàn)抑制電磁式電壓互感器飽和及其引發(fā)的鐵磁諧振過電壓的目的。隨著電網(wǎng)出線回路增多、線路增長，消弧線圈的電感值越小，消諧效果越明顯[10]。

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式實(shí)質(zhì)上就是給電網(wǎng)對地電容并聯(lián)一個(gè)電阻，構(gòu)成并聯(lián)回路，并聯(lián)的電阻可釋放線路的多余電荷，這一釋放行為可以避免PT鐵心飽和高壓熔絲的熔斷，使PT 免于燒壞。同時(shí)還可以通過調(diào)小接入電阻增大回路的阻尼，破壞諧振條件，所以中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式可以從根本上預(yù)防電網(wǎng)中可能出現(xiàn)的電磁式電壓互感器高壓熔絲的熔斷甚至燒毀事故。

3.3 解決故障線路的選線和故障區(qū)間的判定問題

故障線路的選線、定位和隔離，一直是解決中性點(diǎn)非有效接地電網(wǎng)故障的關(guān)鍵。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，通過中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式可以解決這一難題，其原理是：電網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，會觸發(fā)故障指示裝置向電網(wǎng)傳入特殊電流信號，此時(shí)線路指示器不再顯示為白色，這代表電網(wǎng)發(fā)生了永久性單項(xiàng)接地故障。注入的特殊頻率電流會流向故障點(diǎn)，在通過接地點(diǎn)形成回路，電流回流至檢測裝置，足夠強(qiáng)的回流電流經(jīng)指示器中的控制器計(jì)算判斷后，會觸發(fā)報(bào)警程序，將該故障信息發(fā)送給通訊單元并傳輸至監(jiān)控中心，進(jìn)而得出確切的故障線路，并且可以根據(jù)實(shí)際情況的需要將該故障信息上傳到自動化主站系統(tǒng)或以短信息的形式發(fā)送到相關(guān)人員的手機(jī)上。指示器通過控制指令使動作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翻牌操作，并發(fā)出紅色報(bào)警顯示，可高效指導(dǎo)運(yùn)行人員查找出故障線路，此時(shí)非故障線路和故障線路的非故障相指示器仍顯示為白色。故障注入指示完成后，巡線人員按照監(jiān)控中心的提示或者根據(jù)手機(jī)收到的短信息的提示，結(jié)合線路的故障指示，可迅速找出故障位置。三相接地故障和線路相間短路故障也可通過同樣的方式檢測，差別在于不需要向故障指示器輸入特殊信號。通過優(yōu)化中性點(diǎn)接地方式，變電2 廠全年平均故障停電時(shí)間減少91.3%（圖6），故障判斷準(zhǔn)確率達(dá)到100%（圖7）。

圖6 變電2 廠2021 年與2022 年故障停電時(shí)間對比Fig.6 Comparison of fault and outage time in 2021 and 2022 for Transformation 2 plant

圖7 變電2 廠2021 年與2022 年故障判斷準(zhǔn)確率對比Fig.7 Comparison of fault judgment accuracy in 2021 and 2022 for Transformation 2 plant

4 運(yùn)行效果分析

目前，6 kV 配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式已在兩個(gè)采油廠試運(yùn)行，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過配電網(wǎng)接地方式改造可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、降本增效的目的。

1）提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)率。一是跳閘概率降低，在提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)率的同時(shí)，提高了供電可靠性。試運(yùn)行1 a 的線路數(shù)據(jù)表明，跳閘率降低了76.5%。二是檢修速度提高，降低員工的勞動強(qiáng)度。配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式的故障指示功能，可將單次故障排查時(shí)間減少90%以上，大大減少了停電時(shí)間。某采油廠試運(yùn)行線路改造前后效果對比見表1，兩項(xiàng)指標(biāo)綜合計(jì)算，配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式年平均故障次數(shù)減少26 次，每年可使配電網(wǎng)系統(tǒng)減少線路損耗576.8×104kWh，電價(jià)按0.623 1 元/kWh計(jì)算，年節(jié)電效益359.3 萬元。

表1 某采油廠試運(yùn)行線路改造前后效果對比Tab.1 Comparison of trial running line in an oil production plant before and after the effect of transformation

2）協(xié)助采油廠實(shí)現(xiàn)降本增效。通過對三個(gè)變電所的配電系統(tǒng)進(jìn)行改造后試運(yùn)行，電網(wǎng)線路故障減少，可靠性明顯增強(qiáng)。原線路故障停電平均4.5 h，優(yōu)化接地方式后，停電時(shí)間僅為1 h 左右，同時(shí)，年斷電次數(shù)也降低了71%，原油生產(chǎn)時(shí)率有效增加，斷電時(shí)間可控制在原有水平的1/4。結(jié)合采油廠的實(shí)際生產(chǎn)情況，以年產(chǎn)原油200×104t 為例，年可增油2 300 t，原油價(jià)格按50 美元/桶計(jì)算，則年增油效益可達(dá)648.67 萬元。

5 結(jié)束語

隨著大慶油田配電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)用電需求逐年增加，電纜優(yōu)化比例逐漸升高，現(xiàn)有的配電網(wǎng)系統(tǒng)已很難滿足油田用電對安全性和可靠性的需求。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式的引入，使得油田配電網(wǎng)絡(luò)保留了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式和中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)，通過配電網(wǎng)接地方式的改造，提高了配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)率，也達(dá)到了降本增效的目的，使得配電網(wǎng)在供電可靠性、繼電保護(hù)配合和故障查找方面都表現(xiàn)出較好的性能，更能適應(yīng)油田未來的發(fā)展需求。