淺談海洋石油平臺電力系統(tǒng)接地電阻選型

田志強(qiáng)

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

海洋石油平臺電力系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)絕緣，配電網(wǎng)全部使用電纜，隨著海上油氣田群規(guī)模越來越大，系統(tǒng)容量越來越大，電纜線路越來越長，電容電流隨之也越來越大。若仍采用中性點(diǎn)絕緣的話，較大的接地故障電容電流會導(dǎo)致形成的電弧不易自動熄滅進(jìn)而可能燒毀設(shè)備，或形成間歇性的電弧導(dǎo)致過電壓，發(fā)展成多相短路接地故障，并且中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)接地故障排查困難，長期帶故障運(yùn)行會縮短設(shè)備壽命。因此當(dāng)系統(tǒng)電容電流較大時(shí)，中性點(diǎn)應(yīng)采用電阻接地，不僅可以限制系統(tǒng)接地故障時(shí)的過電壓，還可使保護(hù)裝置迅速切斷故障，縮短健全相過電壓運(yùn)行時(shí)間，提高系統(tǒng)安全水平，減少人身傷亡事故。

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式特別適用于電纜線路為主的配電網(wǎng)，大型工業(yè)企業(yè)、機(jī)場、港口、地鐵、鋼鐵等重要電力用戶，以及發(fā)電廠發(fā)電機(jī)、廠用電系統(tǒng)和海上油氣田電力系統(tǒng)。

下面以渤海某海上石油平臺為例，通過計(jì)算10 kV系統(tǒng)電容電流來選擇接地電阻。

1 平臺電力系統(tǒng)介紹及電容電流計(jì)算

1.1 平臺電力系統(tǒng)介紹

該平臺為油氣中心處理平臺CEPA，設(shè)有主電站，配置5臺10.5 kV、10 MW燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)（發(fā)電機(jī)額定容量為15 MVA），10.5 kV母排采用單母線分段。每段母線除為本平臺中壓用電設(shè)備伴生氣壓縮機(jī)和注水泵供電外，還分別配置4臺變壓器，其中2臺為10.5 kV/35 kV、12 500 kVA升壓變壓器，通過海纜為井口平臺WHPA和WHPB供電；另外2臺為10.5 kV/0.4 kV、3 150 kVA降壓變壓器，為本平臺低壓用電設(shè)備供電。

1.2 系統(tǒng)電容電流計(jì)算

10 kV系統(tǒng)電容電流IC主要包括兩部分：電纜電容電流IC1和發(fā)電機(jī)電容電流IC2。

根據(jù)《10 kV配電工程設(shè)計(jì)手冊》，10 kV電纜線路單相接地電容電流計(jì)算公式如下：

式中，IC為電纜單相接地電容電流（A）；S為電纜截面積（mm2）；Ue為線路額定電壓（kV）；L為電纜長度（km）。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，10 kV系統(tǒng)配電電纜包含3C×150 mm2規(guī)格2.63 km，3C×120 mm2規(guī)格0.73 km，代入上述公式計(jì)算得到10 kV系統(tǒng)電纜單相接地電容電流為：

根據(jù)《電力工程設(shè)計(jì)手冊》，中小型汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈單相接地電容電流可按下式估算：

式中，IC為發(fā)電機(jī)定子線圈的電容電流（A）；Cef為發(fā)電機(jī)定子線圈的電容（F）；K為與絕緣材料有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)溫度為15～20 ℃時(shí)，K=0.018 7；Sef為發(fā)電機(jī)視在功率（MVA）；ω為角速度，ω=2πf；Uef為發(fā)電機(jī)額定線電壓（kV）。

代入發(fā)電機(jī)參數(shù)計(jì)算，得到發(fā)電機(jī)電容電流如下：

則10 kV系統(tǒng)總的電容電流為：

2 中性點(diǎn)接地電阻選擇依據(jù)

采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地時(shí)，電阻值的選取必須根據(jù)電網(wǎng)的具體情況，按照單相接地電容電流的大小綜合考慮限制弧光接地過電壓倍數(shù)、繼電保護(hù)靈敏度、對通信和信號系統(tǒng)的影響、人身安全、發(fā)電機(jī)保護(hù)等因素。

2.1 弧光接地過電壓

EMTP程序計(jì)算、過電壓模擬裝置實(shí)際模擬及各地區(qū)局運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，弧光接地過電壓水平隨著電阻的額定通流IR增加而降低，IC為系統(tǒng)電容電流。即：

當(dāng)IR≈IC時(shí)，過電壓水平可降到2.5 p.u.以下；

當(dāng)IR≈2IC時(shí)，過電壓水平可降到2.2 p.u.以下；

當(dāng)IR≈4IC時(shí)，過電壓水平可降到2.0 p.u.以下；

但當(dāng)IR＞4IC時(shí)，降低過電壓的作用已不明顯。

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)中的內(nèi)部過電壓，主要指健全相的工頻過電壓。其電弧接地過電壓，通常由于接地電阻RN的存在而被限制在較低水平。這是因?yàn)殡娀∪枷ㄟ^程中系統(tǒng)的多余電荷，在從電弧熄滅到重燃的半個工頻周期內(nèi)被RN泄放掉。當(dāng)RN＜（1～2）/3ωC時(shí)，過電壓一般不大于相電壓的2.2倍。

2.2 繼保整定可靠性

當(dāng)10 kV系統(tǒng)某一線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地故障電流按公式計(jì)算，I0為故障電纜本身的電容電流，與整個系統(tǒng)總的電容電流相比計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)。

從保證繼電保護(hù)動作靈敏度方面考慮，故障電流越大越好，即接地電阻值越小越好。海上石油平臺為鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)備或電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，過渡電阻較小，對故障電流的影響較小。并且目前一般的多功能保護(hù)繼電器所帶的零序保護(hù)功能啟動電流值較小，而單相接地故障電流遠(yuǎn)大于每條線路的對地電容電流，因此繼電保護(hù)動作靈敏度要求一般都能滿足。但為提高繼電保護(hù)可靠性，系統(tǒng)中還應(yīng)設(shè)置靈敏度可靠的接地檢測報(bào)警裝置和迅速確定故障點(diǎn)的設(shè)備。

2.3 對通信和信號系統(tǒng)的影響

當(dāng)電力網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，所出現(xiàn)的單相接地電流將形成強(qiáng)大的干擾源，電流越大，干擾越嚴(yán)重。并且海上石油平臺空間緊湊，儀表、通信系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)距離較近，而儀表信號系統(tǒng)的穩(wěn)定與否又關(guān)系到整個石油平臺的生產(chǎn)和安全，因而從干擾的角度來考慮，流過電阻的電流不宜選得過大。

2.4 人身安全

從人身安全方面考慮，流過中性點(diǎn)接地電阻的接地故障電流越小越好。因?yàn)樵诎l(fā)生單相接地故障時(shí)，若通過故障點(diǎn)的接地故障電流較大，會引起故障點(diǎn)地電位升高，有可能造成跨步電壓和接觸電勢超過允許值，從而引發(fā)人身觸電事故。

2.5 發(fā)電機(jī)保護(hù)

發(fā)電機(jī)是海上石油平臺等設(shè)施的唯一動力源，十分關(guān)鍵，一旦損壞將影響平臺的生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須具備對突發(fā)性故障的應(yīng)變能力，而發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地方式與此有密切的關(guān)系。在選擇中性點(diǎn)接地方式時(shí)，主要考慮的是將接地故障電流保持在盡可能低的水平，同時(shí)配合靈敏度較高的繼電保護(hù)，快速切斷故障，避免損壞發(fā)電機(jī)組。

綜合考慮以上因素，選配IR≈2Ic即15 A，在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處經(jīng)電阻接地，接地電阻RN為：

接地故障電流為：

3 結(jié)語

該海上石油平臺10 kV系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的方案，不僅能限制弧光接地過電壓在2.2倍相電壓以內(nèi)，減小對非故障相電纜等設(shè)備的絕緣損害，延長設(shè)備的壽命；也能滿足繼電保護(hù)的靈敏度要求，減少健全相帶故障過電壓運(yùn)行時(shí)間；同時(shí)較小的接地故障電流一般也不會對通信和信號系統(tǒng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的干擾，還能大大降低人身觸電安全事故和發(fā)電機(jī)定子鐵芯燒損發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。隨著海上油氣田群的規(guī)模越來越大，電力系統(tǒng)容量變大，中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的方式憑借自身的運(yùn)行特點(diǎn)將更適用于海上石油平臺電力系統(tǒng)。