海工项目中不同接地方式电力系统的比较

杜淼 关永乐 苗国强/大连船舶重工集团设计研究所有限公司

海工项目中不同接地方式电力系统的比较

杜淼 关永乐 苗国强/大连船舶重工集团设计研究所有限公司

各种不同的中性点接地的电力系统在供电的连续性、安全性、可靠性和绝缘水平等方面有不同的特点，对其优缺点进行比较，可以为不同的海上油气田项目选用电力系统提供参考。

由于海工项目中不同的中性点接地系统有各自的特点，随着项目多样性和复杂性的增加，需要对不同的电力系统进行研究，以便为不同的项目选用合适的接地方式。其中，选择发电机或变压器中性点的运行方式是一个比较复杂的综合性技术问题，无论采用哪种方式都涉及到供电的可靠性、故障范围、用电安全、绝缘水平、过电压、继电保护和通讯干扰等一系列问题。

本文所指的中性点（电力系统）是指三相电力系统中作星形连接的发电机或变压器的中性点。针对电力系统而言，三相交流电力系统中性点的运行方式分为中性点不接地，经消弧线圈接地，中性点经高电阻接地，中性点经低电阻接地，中性点直接接地。研究不同接地方式的电力系统，以便根据实际情况，有选择地选用不同的接地系统。

中性点不接地

中性点不接地系统正常运行时，各相对的电压是对称的，中性点对地电压为零，电网中无零序电压。由于任意两个导体之间隔以绝缘介质时，就形成电容，所以三相交流电力系统中相与相之间以及相与地之间都存在着一定的电容。系统正常运行时，三相电压UA、UB、UC是对称的,三相对地电容电流Ico.A、Ico.B、Ico.C也是平衡的。所以三相的电容电流相量和等于0，没有电流在地中流动。每个相对的电压就等于相电压。

当系统出现单相接地故障时(假设C相接地)，故障电流Id没有返回电源的通路，只能通过另外两非故障相（如A、B相）的对地电容返回电源。I=U/Xc=ωCU，而C∝S/d，即与电容极板面积成正比、而与极板距离成反比。所以线路对地电容，特别是架空线路对地电容很小，容抗很大，所以Id很小，按照规范，不得大于20A，同时作为此系统（如10KV系统）负载工作的10KV变电所（10/0.38KV），其保护接地电阻按规范不得大于4Ω（交流电气装置的接地设计技术规范，DL/T 621），所以低压系统对地电位升高有限（一般不超过80V，保护接地电阻做重复接地时不超过50V）。此时C相对地电压为0，而A相对地电压U'a，B相对地电压 U'b相差60度。由此可见，C相接地时，不接地的A、B两相对地电压由原来的相电压升高到线电压（即升高到原来对地电压的倍，即1.732倍），相位差60度。

C相接地时，系统接地电流（电容电流）IC应为A、B两相对地电容电流之和。由于一般习惯将从电源到负荷方向取为各相电流的正方向，所以，IC＝ ICA，又因Ica＝U’A／XC＝ UA／XC＝ IC0，因此IC＝Ica=3IC0，即一相接地的电容电流为正常运行时每相电容电流的3倍。

特别注意：对地电容电流、接地电容电流是不同的两个概念，前者是正常运行的线路，后者是接地故障线路。

表1 中性点不同接地方式与运行特点比较

中性点经消弧线圈接地

消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈，装设在变压器或发电机的中性点。当发生单相接地故障时，可形成一个与接地电容电流大小接近相等而方向相反的电感电流，这个滞后电压90度的电感电流与超前电压90度的电容电流相互补偿，最后使流经接地处的电流变得很小以至等于零，从而消除了接地处的电弧以及由其可能产生的危害。消弧线圈的名称也是这么得来的。当电容电流等于电感电流的时候称为全补偿；当电容电流大于电感电流的时候称为欠补偿；当电容电流小于电感电流的时候称为过补偿。一般都采用过补偿，这样消弧线圈有一定的裕度，不至于发生谐振而产生过电压。既不会中断供电，同时避免了通信干扰和铁路信号的误动作。而缺点是一旦发生永久接地，清除故障线路比较困难。

中性点经消弧线圈接地的电力网和中性点不接地电力网一样，当发生单相接地故障时，非故障相的对地电压将增大 倍。由于这种电力网的最大长期工作电压和过电压水平都较高，因而当其在电压等级较高的电力网中使用时，将显著地增大绝缘方面的费用。

中性点经低电阻接地

低电阻接地可将单相接地故障电流限制到三相短路电流的25%-100%的范围内。虽然继电保护仍能快速切断故障，断开发电机组，但铁芯的严重烧损依然不可避免。即使将接地故障电流限制到发电机额定电流的1.5倍，电阻上消耗的功率仍然可达到发电机容量的一半。因为阻抗值低，热容量大，所以发电机的体积很难缩小。

美国采用低电阻或低电抗接地增大了接地故障电流，与快速继电保护和开关装置相配合，可瞬间清除故障线路，总的问题相对简单是其一大优点。但必须储备备用容量，否则无法连续供电。因接地电流很大，导致故障点电位显著升高，威胁人身和设备安全。

中性点经高电阻接地

海上油气田开发工程设施上的单机容量大、电压等级高的发电机组采用的是经高电阻接地的方式，其接地故障电流的允许值为5-15A。这种接地的出发点是：限制间歇电弧引起的中性点积累性电压升高，从而降低电弧接地暂态过电压。同时，当定子绕组发生单项接地故障时，可以实现瞬间跳闸，避免损坏发电机组。按照国际上的一般概念，当电容电流超过15A，至多20A后，就已经不再采用高电阻接地方式了。而且在这种情况下，即使瞬间跳闸，定子铁芯的损坏也是很难避免的。

中性点直接接地

中性点直接接地系统属于较大电流接地系统，一般通过接地点的电流较大，可能会烧坏电气设备。发生故障后，继电保护会立即动作，使开关跳闸，消除故障。因接地系数甚低，故非故障相的工频电压升高和系统中的内部过电压均受到限制。这样便可降低绝缘水平，节省巨额基建投资。根据电压、电流的互换特性，系统的单相短路电流可超过三相短路电流的1.5倍。

中性点不同接地方式与运行特点的比较

对于不同等级的电力系统中性点接地方式也不一样，可以按下述原则选择：在陆地上220kV以上电力网，采用中性点直接接地方式；110kV接地网，大都采用中性点直接接地方式，少部分采用消弧线圈接地方式；20—60kV的电力网，从供电可靠性出发，采用经消弧线圈接地或不接地的方式。但当单相接地电流大于10A时，可采用经消弧线圈接地的方式；3—10kV电力网，供电可靠性与故障后果是其最主要的考虑因素，多采用中性点不接地方式。海上油气田开发工程设施上大部分的电力系统采用的都是3—10kV以下的电压等级,因此,中性点不接地的电力系统在海上油气田中使用的最普遍。随着海工项目的复杂性和电站容量的增加，更高电压等级的系统也越来越多的使用，其接地系统可参照陆地使用。★