浅谈海洋石油平台电力系统接地电阻选型

田志强

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

海洋石油平台电力系统一般采用中性点绝缘，配电网全部使用电缆，随着海上油气田群规模越来越大，系统容量越来越大，电缆线路越来越长，电容电流随之也越来越大。若仍采用中性点绝缘的话，较大的接地故障电容电流会导致形成的电弧不易自动熄灭进而可能烧毁设备，或形成间歇性的电弧导致过电压，发展成多相短路接地故障，并且中性点绝缘系统接地故障排查困难，长期带故障运行会缩短设备寿命。因此当系统电容电流较大时，中性点应采用电阻接地，不仅可以限制系统接地故障时的过电压，还可使保护装置迅速切断故障，缩短健全相过电压运行时间，提高系统安全水平，减少人身伤亡事故。

中性点经电阻接地方式特别适用于电缆线路为主的配电网，大型工业企业、机场、港口、地铁、钢铁等重要电力用户，以及发电厂发电机、厂用电系统和海上油气田电力系统。

下面以渤海某海上石油平台为例，通过计算10 kV系统电容电流来选择接地电阻。

1 平台电力系统介绍及电容电流计算

1.1 平台电力系统介绍

该平台为油气中心处理平台CEPA，设有主电站，配置5台10.5 kV、10 MW燃气透平发电机（发电机额定容量为15 MVA），10.5 kV母排采用单母线分段。每段母线除为本平台中压用电设备伴生气压缩机和注水泵供电外，还分别配置4台变压器，其中2台为10.5 kV/35 kV、12 500 kVA升压变压器，通过海缆为井口平台WHPA和WHPB供电；另外2台为10.5 kV/0.4 kV、3 150 kVA降压变压器，为本平台低压用电设备供电。

1.2 系统电容电流计算

10 kV系统电容电流IC主要包括两部分：电缆电容电流IC1和发电机电容电流IC2。

根据《10 kV配电工程设计手册》，10 kV电缆线路单相接地电容电流计算公式如下：

式中，IC为电缆单相接地电容电流（A）；S为电缆截面积（mm2）；Ue为线路额定电压（kV）；L为电缆长度（km）。

经统计，10 kV系统配电电缆包含3C×150 mm2规格2.63 km，3C×120 mm2规格0.73 km，代入上述公式计算得到10 kV系统电缆单相接地电容电流为：

根据《电力工程设计手册》，中小型汽轮发电机定子线圈单相接地电容电流可按下式估算：

式中，IC为发电机定子线圈的电容电流（A）；Cef为发电机定子线圈的电容（F）；K为与绝缘材料有关的系数，当发电机温度为15～20 ℃时，K=0.018 7；Sef为发电机视在功率（MVA）；ω为角速度，ω=2πf；Uef为发电机额定线电压（kV）。

代入发电机参数计算，得到发电机电容电流如下：

则10 kV系统总的电容电流为：

2 中性点接地电阻选择依据

采用中性点经电阻接地时，电阻值的选取必须根据电网的具体情况，按照单相接地电容电流的大小综合考虑限制弧光接地过电压倍数、继电保护灵敏度、对通信和信号系统的影响、人身安全、发电机保护等因素。

2.1 弧光接地过电压

EMTP程序计算、过电压模拟装置实际模拟及各地区局运行经验表明，弧光接地过电压水平随着电阻的额定通流IR增加而降低，IC为系统电容电流。即：

当IR≈IC时，过电压水平可降到2.5 p.u.以下；

当IR≈2IC时，过电压水平可降到2.2 p.u.以下；

当IR≈4IC时，过电压水平可降到2.0 p.u.以下；

但当IR＞4IC时，降低过电压的作用已不明显。

中性点经电阻接地系统中的内部过电压，主要指健全相的工频过电压。其电弧接地过电压，通常由于接地电阻RN的存在而被限制在较低水平。这是因为电弧燃熄过程中系统的多余电荷，在从电弧熄灭到重燃的半个工频周期内被RN泄放掉。当RN＜（1～2）/3ωC时，过电压一般不大于相电压的2.2倍。

2.2 继保整定可靠性

当10 kV系统某一线路发生单相接地故障时，接地故障电流按公式计算，I0为故障电缆本身的电容电流，与整个系统总的电容电流相比计算时可忽略不计。

从保证继电保护动作灵敏度方面考虑，故障电流越大越好，即接地电阻值越小越好。海上石油平台为钢结构，设备或电缆发生单相接地故障时，过渡电阻较小，对故障电流的影响较小。并且目前一般的多功能保护继电器所带的零序保护功能启动电流值较小，而单相接地故障电流远大于每条线路的对地电容电流，因此继电保护动作灵敏度要求一般都能满足。但为提高继电保护可靠性，系统中还应设置灵敏度可靠的接地检测报警装置和迅速确定故障点的设备。

2.3 对通信和信号系统的影响

当电力网发生单相接地时，所出现的单相接地电流将形成强大的干扰源，电流越大，干扰越严重。并且海上石油平台空间紧凑，仪表、通信系统与电气系统距离较近，而仪表信号系统的稳定与否又关系到整个石油平台的生产和安全，因而从干扰的角度来考虑，流过电阻的电流不宜选得过大。

2.4 人身安全

从人身安全方面考虑，流过中性点接地电阻的接地故障电流越小越好。因为在发生单相接地故障时，若通过故障点的接地故障电流较大，会引起故障点地电位升高，有可能造成跨步电压和接触电势超过允许值，从而引发人身触电事故。

2.5 发电机保护

发电机是海上石油平台等设施的唯一动力源，十分关键，一旦损坏将影响平台的生产，造成巨大的经济损失。发电机在运行时，必须具备对突发性故障的应变能力，而发电机的中性点接地方式与此有密切的关系。在选择中性点接地方式时，主要考虑的是将接地故障电流保持在尽可能低的水平，同时配合灵敏度较高的继电保护，快速切断故障，避免损坏发电机组。

综合考虑以上因素，选配IR≈2Ic即15 A，在发电机中性点处经电阻接地，接地电阻RN为：

接地故障电流为：

3 结语

该海上石油平台10 kV系统采用中性点经电阻接地的方案，不仅能限制弧光接地过电压在2.2倍相电压以内，减小对非故障相电缆等设备的绝缘损害，延长设备的寿命；也能满足继电保护的灵敏度要求，减少健全相带故障过电压运行时间；同时较小的接地故障电流一般也不会对通信和信号系统产生较严重的干扰，还能大大降低人身触电安全事故和发电机定子铁芯烧损发生的风险。随着海上油气田群的规模越来越大，电力系统容量变大，中性点经电阻接地的方式凭借自身的运行特点将更适用于海上石油平台电力系统。