单相接地对高压电机的危害及应对措施

2019-02-16刘清，蔡伟，陈燕

设备管理与维修 2019年19期

关键词：中性点过电压绝缘

刘清，蔡伟，陈燕

（1.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川成都 610100；2.西南油气田公司重庆环境节能监测中心，重庆 400021）

1 现场勘察情况

单相接地故障在10 KV 中性点不接地输电系统中，非常的常见。如果保护装置设置不完备，系统长时间带病运行，极易烧毁配电设施和用电设备。某油田作业区，2016—2018 年，多次发生高压电机绝缘击穿现象，经过现场勘察，情况如下。

1.1 供电网络工况

该作业区位于亚热带丘陵地区，空气湿度大，雨水充沛，山区夏季多雷暴天气。该作业区的10 kV 供电系统，采用中性点不接地方式，由变电站架空裸线，经过山区至各个平台。进入各个平台的入户开关，多数采用隔离刀闸接入。该电网电压波动较大，相电压在平时都有5%以上的不平衡量。架空线路无专人维护，通过线路勘察，发现该作业区10 kV 架空线下多处存在接地隐患（树木顶部接近或已超过10 kV 架空裸线）。变电站出线综合保护，设置的单相接地故障保护为报警。

1.2 电机的损坏情况

首先对损坏的电机情况进行勘察，打开机壳通风道盖板查看，绕组局部表面有轻微变色，并且有明显绝缘材料被击穿的刺鼻味道。利用2500 V 兆欧表检查，接地电阻为0 Ω，利用万用表测对地电阻：U7.4 Ω，V7.5 Ω 和W1.5 Ω；相间UV7.0 Ω，VW8.1 Ω 和WU8.1 Ω。可以证实该电机已经绝缘击穿。高压电机绕组对绝缘要求较高，只能返厂维修。

1.3 操作者的现场描述

电机启动前，高压PT 柜内，一支电压互感器二次线圈端子对地击穿，已经修复，对绕组进行了绝缘检测，绝缘合格。电机启动后，启动及空载电流都比较正常，并平稳运行约3 min，操作者在观察到软启动柜上W 相电流异常升高后，拍下电机启动柜的急停按钮。再次对电机绕组进行检查，电机绝缘已经击穿。查看高压柜仪表，显示W 相电压为0 V，而U、V 相电压分别升高到10.96 kV 和9.56 kV 的异常现象，但很快电压指示恢复正常。启动过程中，仪表显示异常可以对应电力系统W 相单相接地故障。联系平台供电的上级变配电负责人，应证了在当日下午，电机发生异常的时间段内，前端变电站隔离刀闸一相确实发生过单相接地事故，随后修复。翻阅作业区相关的运转记录，2017 年该线路曾发生过严重的单相接地故障，当时非故障相电压最高达到15 kV，且当时作业区大部分高压电机均处于投用状态，且在该状况下运行时间超过2 h。

2 原因分析

2.1 单相接地造成非故障相电压升高

结合本次电机烧毁前的仪表显示，及箱变内高压PT 柜，在故障前，出现电压互感器二次线圈端子对地击穿的现象。可以初步判断，该作业区10 kV 供电系统在运行过程中，间歇性存在单相接地故障。当然不排除数次单相接地故障，对电机绝缘的叠加伤害。从10 kV 中性点不接地电力系统单相接地示意图中，可以从原理对电机烧毁原因进行分析。该10 kV 输电系统采用的是中性点不接地运行方式，发生单相接地后，线电压不变，故障相对地电压降低或者为0，非故障两相的相电压升高。W 相完全接地时，该相相电压为0 V，而U，V 相电压升高倍，高压电机是这个系统中，耐压等级最薄弱的环节，当高压电机相绕组长时间承受线电压时，会加速电机的绝缘老化。如果多次冲击，极容易造成电机绝缘击穿。

2.2 间歇性弧光接地产生谐振过电压

在中性点不接地系统中，当系统发生单相接地时，中性点的对地电压不再为零，而为相电压，这时，三相对地电容电流之和不再为零，大地中有电流流过，其接地处的电流就为单相接地电流，如中性点不接地系统单相接地电压矢量图所示，单相接地电流矢量值等于其余两相正常电容电流的矢量和，单相接地电流有效值IK等于正常相对地电容电流有效值ICi的3 倍，即IK=3ICi。

采用估算法对现场电力网络单相接地时，架空线的电容电流进行计算。ICi=KλUNL×10-3，其中，λ 为设备影响修正系数，UN为系统额定电压（kV），L 为线路长度（km）。根据现场实际运行的架空线情况，取系数K=3.2、λ=1.16，UN=10.5 kV、L=30 km，因此IC1=3.2×1.16×10.5×30×10-3=1.17 A，IC=3IC1=3×1.17=3.51 A。

由于单相接地电容电流达到3.51 A，所以单相接地故障发生后，会发生间歇性弧光接地，间歇性放电又会引起线路电压振荡，产生几倍于正常电压的谐振过电压（尖峰幅值30～50 kV），危及变电和用电设备的绝缘，严重时使设备绝缘击穿，造成更大事故。

2.3 真空断路器断开时操作过电压

根据现场情况，高压电机绝缘击穿，多发生在启动过程中。真空断路器投合、断开高压电机时，可以将电机看为感性负载，快速暂态操作过电压（最高可达到2～4 倍的正常电压）会沿着传输线路以波的形式到达电机端口。

2.4 电机损坏结论

所以可以认定电力系统的多次单相接地故障及间歇性弧光接地故障产生的谐振过电压，启动时，真空断路器投入时产生的操作过电压，相互叠加。对高压电机的绝缘造成了冲击，是造成电机绝缘损坏直接原因。

3 应对措施

3.1 加强线路及供电设备巡视作业

对配电线路定期专人巡视、维护，对配电线路上的绝缘子、分支熔断器、避雷器等设备应定期进行绝缘测试，不合格的应及时更换。对变配电设施定期进行检修和预防性试验，发现问题及时处理。及时清除线路上的单相接地故障隐患点。

3.2 完善电机运行保护装置

由于采用无人值守的方式，所以要求高压柜的综合保护更加完善和灵敏，需要专业人士，针对高压电机保护，制定专业的保护措施，在于迅速识别故障与异常，更好的保护电机。

在变电所加装小电流接地自动选线装置，此装置与各配出线间隔上的零序电流互感器配合使用，能够自动选择出发生单相接地故障线路，时间短，准确率高，提高供电可靠性，防止故障扩大。出现故障，及时拉路查找故障，避免造成电机烧毁。根据零序电压电流自动选线装置原理，当发生单相接地故障时，零序电压和零序电流不再为零，当数值大于选线保护装置的整定值时，装置动作，控制继电保护装置报警或者断路器跳闸。

在后续高压配电柜中，加入专门的绝缘监察装置，通常采用三相五柱式电压互感器加上电压继电器、信号继电器及监视仪表构成。网络中发生非金属性单相接地时，开口两端点间同样感应出电压，因此，当开口端达到电压继电器的动作电压时，电压继电器和信号继电器均动作，发出音响及灯光信号，并且可以设置为禁止启动高压电机。

3.3 强化电机启动前的检查作业

应强化维保人员对配电设备的巡视制度，发现设备缺陷和仪表指示异常，应及时报告，排除故障和恢复正常后，所有电气仪表装置指示正常，才能启动高压电机。在进行试车启动前，应积极和甲方供电部分和调度室进行协调。在确保外界供电条件满足运行条件后，才能进行试车。现场调试人员的操作培训，启机前应该制定相应的方案和流程，熟悉每一个开关位置及作用、仪表的正常指示状态。最后还需要有必要的应急方案。

4 建议

在电力系统中，单相接地只是常见故障中的一种。如果没有先进的技术作为支撑，完善的管理制度作为保障，到一定年限后，高压电机、变频器、软启动器、配电柜在运行过程中，都会面临不同层次的问题，故障率也会大副提高，增加维护成本。

4.1 技术层面

改变电力系统的系统中性点的接地方式，使中性点经消弧线圈接地，就可以很好的减小电力系统的对地电容电流，从而把单相接地的故障接地电流限制在可控范围。同时，系统中安装消弧、消谐及过电压保护装置，在故障产生过电压时，对设备、设施起到保护作用。

在远程监控系统中，监控项目中添加电压、电流、频率等参数，一方面，有利于现场及时发现电气参数的波动，如果波动值超出设定值则报警或者远程停机。另一方面远程监控系统的数据储存功能，可以为高压电机运行状态及事故分析提供数据支持。在本次事故中，如果能及时发现电压参数的波动，就能停止启动作业，从而避免损坏扩大化。

该地区的电力系统不稳定，山地雷暴高发，容易产生大气过电压和操作过电压，而且自然环境潮湿会造成电机绝缘等级降低。建议在后续购买的电机时，要求电机厂家提高一个绝缘等级，确保在发生大气过电压和操作过电压时，能保证电机的可靠运行。对电机定期的检测，如果发现绝缘降低，必须采用措施，通过电加热等方式，在电机的绝缘恢复到10 MΩ（考虑安全系数，可以适当提高到50 MΩ），才能启动电机。同时对所有的箱变设施坚持每两年进行一次年检预试，发现设备缺陷，及时处理。