油田配電網中性點接地方式的優化及認識

白城利（中油電能電力技術服務公司內蒙古海拉爾供電分公司）

配電網是否能夠安全、可靠運行的一個關鍵環節就是配網中性點接地方式的選擇。多年來，各國都曾多次進行改造優化。國際上，發達國家對配電網絡布局相對合理，一次設備可靠性高，城市電網以電纜環網供電形式居多，其余電網也多采用架空絕緣導線布置。美國采用中性點直接接地并配合經低電抗接地方式，同時加裝開關和快速繼電保護裝置，保證系統在遇到故障時可以瞬間跳開故障線路。德國主要采用中性點經消弧線圈接地方式，避免了通信線路對配電網的干擾[1-3]。這兩種改革方案非常具有代表性，對保障配網安全運行和提高配網供電可靠性都發揮了積極的作用。

1997 年發布的DL/T620—1997《交流電氣裝置過電壓保護和絕緣配合》規程，重新規范了我國6(10) kV 配電網的中性點接地方式的選擇，在規范設備使用的同時減少了設備故障率。另外，在接地故障快速診斷技術有了較大進展。過去絕大多數發電廠和變電所的母線上裝設絕緣監視裝置，該裝置的缺點是只能報告系統有故障，但不能判斷接地線路，需由運行人員通過逐一排查確定故障線路[4-6]。

1 大慶油田配電網現狀及存在的問題

大慶油田的配電網中，6(10)kV 線路數量較大、分布面較廣，過去大多是架空線路，電容電流較小，中性點采用了不接地方式。近年來，大慶的主城區和采油生產單位都在逐步擴建，配電網也隨之大幅改造，導致電容電流越來越大，電纜的線路也越來越多，配電網網絡結構發生了巨大的變化，造成接地故障演變成相間短路事故的情況頻發?？梢娫械闹行渣c不接地配電網系統已無法滿足大慶電網安全運行的需求，相應的運行參數也遠遠達不到相關規程的標準。相關試驗研究表明，優化中性點接地方式可有效解決配電網運行中存在的多類問題。

2 油田配電網中性點接地方式優選

為保證電網運行穩定，保障油田平穩生產，大慶油田多用6 kV 配電網，相繼嘗試了中性點經消弧線圈接地方式（圖1）和經電阻接地方式（圖2），但在實際生產過程中，兩種接地方式都表現出了各自的不足。由于油田配電網的特殊性，采取切合實際的接地方式和加強對過電壓問題的研究，已經成為配電網安全、可靠運行的關鍵。

圖1 中性點經消弧線圈接地方式Fig.1 Grounding way to neutral point through arcing coil

圖2 中性點經電阻接地方式Fig.2 Grounding way to neutral point through resistance

除此之外，當6～10 kV 配電網的規模較小時，多采用中性點不接地方式（圖3），在系統發生單相接地故障時，系統仍可帶故障繼續運行2 h，不會立即發生跳閘停電，因此判斷其供電可靠性相對較高[7]。但長時間帶故障運行時，由于缺少電荷釋放的通路，系統會因為產生間歇性電弧導致過電壓升高至3.5 倍的相電壓或更高，波及到整個配電網時會因絕緣薄弱部位擊穿而引發設備損壞和用戶停電，威脅電網的安全運行；若發生在油田生產過程中，還會嚴重影響產量而造成經濟損失。在其他一些特定情況下，如果發生接地故障或倒閘操作失誤時，甚至會引起避雷器爆炸的事故。

圖3 中性點不接地方式Fig.3 Fig.3 Ungrounding way to neutral point

結合各種接地方式的優缺點，生產中多采用用中性點經消弧線圈接地方式，防止產生過電壓并補償接地電流。當電網系統的運行電流小于10 A 時，較為適宜采用高電阻接地方式。此時，該接地方式的可靠性更高，設備簡易且經濟，發生故障時電流較小，也可帶故障連續供電，更易于保障人身和設備安全。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.，并消除大部分斷線諧振過電壓和PT 鐵磁諧振過電壓[8]。不接地系統按目前行業標準DL/T620—1997 的規定僅適用于電容電流小于10 A 的電網。但隨著配電網規模增大，這一標準在執行過程中開始出現一些爭議問題，例如，在電網電容電流低于10 A 的情況下，執行該標準后已發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模配電網中應用，其技術和經濟上的優勢都不明顯。綜上，提出在油田配線網中主要應用6 kV 中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式。

3 在油田應用的可行性

配電網的可靠性、電力設備的絕緣水平、接地保護、過電壓水平、通信干擾、人身及設備安全因素，是選擇配電網中性點接地方式的主要考量因素。調研論證表明，6 kV 配電網中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式（圖4），保留了內部過電壓抑制、電容電流補償、故障指示、故障選線等方面的優點，運行過程中可充分發揮中性點經消弧線圈接地和經電阻接地方式的組合優勢并克服其各自缺點。理論分析計算以及模擬實驗、現場試驗均證明，在過渡電阻小于1 000 Ω 時，這種接地方式的故障選線和指示功能可精準實現。該技術目前已在某采油廠的部分配電線路中試運行，并解決了線路中存在的一些問題。

圖4 中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式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

架空裸導線是現階段油田最為普遍的配電網線路配置方式，該方式容易因單相接地引發設備停機，甚至會造成變壓器繞組損毀。中性點連電阻接地方式是通過在系統中并聯一個電阻，加大諧振回路中的損耗，系統通過增大阻尼，破壞了諧振條件，限制PT 飽和過電壓，從而防止電壓過高。系統還可通過調小接地電阻來增大諧振回路阻尼，實現抑制諧振過電壓。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（弧光接地更嚴重）引發絕緣薄弱的設備故障，致使變電所開關柜發生火災事故時有報道。該類故障的發生多是由于電網中的能量不斷積聚，要從根本上解決這一問題，就要在電網中性點處增加能量釋放的功能，將中性點處的電阻作為系統的泄漏電阻，可有效釋放電網能量，避免過電壓[9]；或者在半個工頻周期內泄掉電網電荷的過盈量，使中性點位移電壓幾乎為零避免過電壓，同時也可減緩故障后電壓恢復速度，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PT 燒損、一次保險頻繁熔斷問題，油田小規模6 kV 配電網選用中性點經高阻接地方式，大規模6 kV 配電網選用中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式，使得油田電網具備單相接地故障電流小、電壓水平低、可持續供電的優點，既便于永久性接地故障的檢測，又有利于瞬時故障熄弧，有效避免了間歇性弧光接地問題的發生。

在電網中加入消弧線圈，可以抑制因電磁式電壓互感器飽和而引發的鐵磁諧振現象和隨之產生的涌流現象。由于消弧線圈的線性電感遠遠小于電磁式電壓互感器的勵磁電感，且兩者并聯，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，實現抑制電磁式電壓互感器飽和及其引發的鐵磁諧振過電壓的目的。隨著電網出線回路增多、線路增長，消弧線圈的電感值越小，消諧效果越明顯[10]。

中性點經電阻接地方式實質上就是給電網對地電容并聯一個電阻，構成并聯回路，并聯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。同時還可以通過調小接入電阻增大回路的阻尼，破壞諧振條件，所以中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式可以從根本上預防電網中可能出現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，一直是解決中性點非有效接地電網故障的關鍵。經現場試驗表明，通過中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式可以解決這一難題，其原理是：電網運行中出現故障時，會觸發故障指示裝置向電網傳入特殊電流信號，此時線路指示器不再顯示為白色，這代表電網發生了永久性單項接地故障。注入的特殊頻率電流會流向故障點，在通過接地點形成回路，電流回流至檢測裝置，足夠強的回流電流經指示器中的控制器計算判斷后，會觸發報警程序，將該故障信息發送給通訊單元并傳輸至監控中心，進而得出確切的故障線路，并且可以根據實際情況的需要將該故障信息上傳到自動化主站系統或以短信息的形式發送到相關人員的手機上。指示器通過控制指令使動作機構實現翻牌操作，并發出紅色報警顯示，可高效指導運行人員查找出故障線路，此時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，巡線人員按照監控中心的提示或者根據手機收到的短信息的提示，結合線路的故障指示，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。通過優化中性點接地方式，變電2 廠全年平均故障停電時間減少91.3%（圖6），故障判斷準確率達到100%（圖7）。

圖6 變電2 廠2021 年與2022 年故障停電時間對比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 年故障判斷準確率對比Fig.7 Comparison of fault judgment accuracy in 2021 and 2022 for Transformation 2 plant

4 運行效果分析

目前，6 kV 配電網中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式已在兩個采油廠試運行，試驗結果表明，通過配電網接地方式改造可實現節能降耗、降本增效的目的。

1）提高配電網系統的運行時率。一是跳閘概率降低，在提高電網系統運行時率的同時，提高了供電可靠性。試運行1 a 的線路數據表明，跳閘率降低了76.5%。二是檢修速度提高，降低員工的勞動強度。配電網中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式的故障指示功能，可將單次故障排查時間減少90%以上，大大減少了停電時間。某采油廠試運行線路改造前后效果對比見表1，兩項指標綜合計算，配電網中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式年平均故障次數減少26 次，每年可使配電網系統減少線路損耗576.8×104kWh，電價按0.623 1 元/kWh計算，年節電效益359.3 萬元。

表1 某采油廠試運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）協助采油廠實現降本增效。通過對三個變電所的配電系統進行改造后試運行，電網線路故障減少，可靠性明顯增強。原線路故障停電平均4.5 h，優化接地方式后，停電時間僅為1 h 左右，同時，年斷電次數也降低了71%，原油生產時率有效增加，斷電時間可控制在原有水平的1/4。結合采油廠的實際生產情況，以年產原油200×104t 為例，年可增油2 300 t，原油價格按50 美元/桶計算，則年增油效益可達648.67 萬元。

5 結束語

隨著大慶油田配電網的不斷擴大，生產用電需求逐年增加，電纜優化比例逐漸升高，現有的配電網系統已很難滿足油田用電對安全性和可靠性的需求。中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式的引入，使得油田配電網絡保留了中性點經消弧線圈接地方式和中性點經電阻接地方式的優點，并彌補了各自的缺點，通過配電網接地方式的改造，提高了配電網系統的運行時率，也達到了降本增效的目的，使得配電網在供電可靠性、繼電保護配合和故障查找方面都表現出較好的性能，更能適應油田未來的發展需求。