高电阻接地系统在海洋石油平台上的应用

石作锋 随贺 贾常亮

摘 要：电气系统的系统接地是确保电力系统配电设备和用电设备正常运行以及安全的一种有效手段。不同的接地选取方案需要根据实际的系统环境进行选取，需要考虑的因素包含供电连续性、安全性、可靠性和绝缘水平等。高电阻中性点接地系统以其安全性高、连续供电性好在海洋石油平台上得到了广泛的应用。

关键词：中性点接地；高电阻；电气

中图分类号：TM64 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0049-02

1 系统接地方式的选取原则

中性点接地方式主要分为中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地以及中性点直接接地。

中性点不接地方式在线路发生单相对地故障时线电压仍保持对称不变，使得用电设备供电不会受到影响，由于海上石油平台要求的供电稳定性特别高，所以，不接地系统成为海上石油平台低压配电最常用的接地方式。

但当电力网的电压较高、电缆较长时，特别是随着近年来石油平台电力系统的规模越来越大，系统对地的电容电流也越来越大。

若此时发生单相接地故障，接地电弧无法自行熄灭，仍需跳闸，供电连续可靠的优点就不存在了，为此应考虑采用其他接地方式。

中性点直接接地在发生单相短路故障时，中性点电位仍为零，线路上会流过较大的单相接地短路电流。从而使保护装置动作切断供电，对供电可靠连续造成影响。

中性点经消弧线圈接地系统中消弧线圈可有效减少单相接地电流，迅速熄灭故障电弧。进而提高供电连续和可靠性。但其和不接地电网一样，当发生单相接地故障时，非故障相的对地电压将升高√3倍，尽管可以继续工作，也需要在较短时间内发现并消除故障。

中性点经电阻接地还可分为经高电阻和经低电阻接地。经低电阻接地时接地故障电流较大。高电阻则可以限制故障电流，不致设备受到严重损坏。另外高阻接地比低阻接地还可以更好的排除残余电荷，提供更充足的零序电压电流，使保护装置更加灵敏有效。

综合以上几种接地系统的特点，在某海上石油生产平台的系统接地解决方案中我们采用了高电阻接地系统。

2 项目概况

该平台位于南海东部海域，由6台10.5 kV发电机作为电力来源，通过海底电缆向其他装置输送电力。电容电流主要来源于发电机和长度较长的海底电缆，另外，平台共有10 000 kVA变压器4台，6 300 kVA变压器2台，3 150 kVA变压器2台，2 500 kVA变压器2台。

3 平台电容电流计算

3.1 对电力电缆容性电流的估算

对于电力电缆容性电流可以用下式估算：

IS=[（95+1.44 S）/（2 200+0.23S）]Un×L

式中：

Un为线路的额定电压，单位：kV；

L为电缆线路长度，单位：km；

S为电缆截面积，单位：mm2；

平台电缆长度为1.66 km，截面积为120 mm2，计算如下：

IS=[（95+1.44×120）/（2 200+0.23×120）]×10.5×1.66=2.1 A

（1）

3.2 对发电机容性电流的计算

对于发电机容性电流可以用下式计算：

IG=U/Z=2 πfCU（2）

式中：

U为加在电容上的电压，V；

f为电压的频率，Hz；

C为电容量，F。

根据平台发电机参数可知每台发电机主机电容为0.14 uF，6台发电机容流计算如下：

IG=6×2 πfCU

=6×2×3.14×50×0.14×10.5×1.732/1 000=4.8 A（3）

3.3 变压器对地电容电流根据厂家资料的估算

变压器对地电容电流根据厂家资料估算如下：

10 000 kVA及6 300 kVA变压器估算变压器按0.2 A估算，3 150 kVA及2 500 kVA变压器估算变压器按0.1 A估算，单相接地电流为：

IT=6×0.2+4×0.1=1.6 A

系统总的容流等于以上（1）、（2）、（3）相加，可得下式：

IC=IS+IG+IT=2.1+4.8+1.6=8.5 A

4 接地方案的选择

根据GBT 50064-2014交流电气装置的过电压保护和绝缘配合规定之说明。6 kV到35 kV主要由电缆线路构成的配电系统，发电厂厂用系统、风力发电厂集电系统和除矿井的工业企业供电系统，当单相接地故障电容电流较大时，可采用中性点低电阻接地方式。另外根据电缆特性说明，当交联聚乙烯电缆的容流大于10 A时，其单相接地故障的电弧便不能自行熄灭。而计算结果8.5 A电容电流只是主要设备及海缆的电容电流，若考虑配电站及其他小设备，可有可能在发生单相接地故障时，电缆电弧自行熄灭困难。

美国IEEE 142标准中对高电阻接地也做出了如下定义：高电阻接地是为了限制接地故障电流，在发生单相接地故障时，不至于使设备遭受严重破坏，另外经高电阻接地比经低电阻接地能够更好的排除残余电荷，并且还可以供给足够的零序电压和电流，使检测保护装置更加灵敏。

另一方面采用经电阻接地，亦可便于系统后期扩容。综上原因，最终该项目平台采用中性点经电阻接地的方式，而不采用其它接地方式。

对于本项目而言，由于主变压器一次侧（10.5 kV侧）为三角形连接，无法引出抽头，故无法在主变压器上对其进行接地。另外，平台空间也比较有限，针对母排进行接地也可以减少接地柜的数量。

结合以上原因，接地方案将针对母排进行。通过母排连接接地变压器模拟出中性点（平台电网系统为三相三线无中性点），再通过接地变压器中性点经电阻接地的方式。事实上，即使是在有中性点（如三相四线制）系统中，也需要电阻经变压器接地。

因为若在10.5 kV系统中电阻直接经中性点接地，接地装置就需要承受数千伏的电压，针对接地装置的制造、维护、检修及故障信号的输出都带来一系列的困难。

由于是变压器模拟中性点，此接地变压器的一次侧需为星形连接。给接地故障电流一定的余量，取15 A电流值为一次侧电流（即故障电流）。接地变压器容量和电阻计算如下：

由于在故障时变压器可以承受一定时间的过载倍数，故可以考虑一定的过载时间将变压器容量选小一些。通过下表可查得，若我们考虑10 s过载时间过载系数为10.5。则可选变压器容量为157/10.5=15 kVA。10 min变压器容量为157/2.6=61 kVA。过滤时间和过滤倍数见表1。

通过以上计算，并且为保守安全起见，我们选取阻值为404 Ω的电阻作为接地电阻，接地变压器容量选取100 kVA，保护装置动作时限设置为10 s，系统图示意图，如图1所示。

5 结 语

系统接地作为中高压供电系统尤其是高压供电系统经常需要用到的中性点处理方法，在系统运行及设备和人身安全保护中起到非常重要的作用。

通过以上的计算我们可以推测出，接地系统在整个电气系统中所占成本并不算高，但其意义却非常重大。

因此，在供配电系统前期设计时，一定要系统分析接地故障的各个关键参数，选取合适的接地系统，确保供电安全及供电系统的有效运行。

参考文献：

[1] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] 李景禄.实用配电网技术[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[3] 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程电气、仪控、通信设计[M].北京：石油工业出版社，2007.

[4] GBT 50064-2014，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].