多机共母系统单相接地故障保护模式应用分析

梁新兰

(中国石油工程项目管理公司天津设计院，天津 300457)

0 引 言

海油平台电力系统与陆地电力系统相比，有其独有的特点，主要有以下几点：①由于海洋平台距陆地距离较远，海油平台需设置独立电站，海油平台电力系统集发电、变电、输电、配电和用电于一体，自成体系，与陆地电网无联系[1]；②多发电机共用母线，不同于陆地上发电机多为发电机变压器组单元接线方式，海油平台电力系统均为多台发电机直接连接至公共母排，接入中压系统；③直配电缆线路多，通常发电机出口中压公共母排通过降压变压器为低压负荷供电，同时还直接为中压电动机配电或通过中压电缆为其他平台或模块供电[2-3]；④海上运行环境恶劣，需考虑盐雾、潮湿、霉菌、油污、倾斜、摇摆、振动和冲击等对电气设备运行和操作的影响，电气设备多选用船用型，且须满足船级社的相关要求。

海油平台电力系统可于陆地大电网之外独立运行，自给自足，适用于离岸或已建电网较远的需自发电的场合，如边际油田、海油平台和船舶等，有广泛的适应性。

1 发电机接地故障保护

1.1 国家标准要求

根据现行国家标准GB/T 50062—2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》，发电机定子绕组单相接地故障电流允许值应采用制造厂的规定值，如无制造厂规定值，10.5 kV发电机定子绕组单相接地故障电流允许值为3 A。

(1) 对直接接于母线的发电机，当定子绕组单相接地故障电流(不计消弧线圈的补偿作用)大于允许值时，应装设有选择性的接地保护装置，其出口应动作于信号。但当消弧线圈退出运行或其他原因导致上述故障电流大于允许值时，应动作于停机。

(2) 未装设接地保护时，应在发电机电压母线上装设接地监视装置，其出口应动作于信号。

保护装置或接地监视装置应能监视发电机零序电压值。

1.2 海油平台现状

以往海油平台电力系统中，发电机出口中压系统总的单相接地故障电流未超出允许值。中压系统中性点不接地，单相接地故障保护由零序电压保护实现，配置绝缘监测装置，中压系统发生单相接地故障时监测装置报警，系统可带故障运行2 h，期间人为逐一排查故障点[4-5]。

随着海油平台电力系统规模的发展，发电机单机容量、总装机容量和直配电缆线路越来越多，考虑发电机定子绕组、发电机引出电缆及各馈出线电缆的电容效应，发电机出口中压系统总的单相接地故障电流值越来越大，部分项目中其数值已经超过发电机定子绕组能够承受的限值。

1.3 电容电流的计算

以某海洋平台为例，该平台设有5台发电机，额定电压10.5 kV，额定容量10 500 kW。单台发电机定子绕组电容为0.14 μF，电容电流约为0.8 A；单台发电机引出电缆长度约400 m，电容电流约为0.58 A；单台发电机回路电容电流约为1.38 A。

中压系统馈出线电缆总长度约4.5 km，电容电流约为6.5 A。5台发电机同时投入运行时中压系统最大电容电流约为13.4 A，远远超过了规范的允许值。

2 接地方式及保护方案比较

原来的中性点不接地和零序电压单相接地保护方式(绝缘监测)已不能满足要求，为避免发电机定子绕组因单相接地而烧损，尽量减小对检修和生产的影响，更快地排查故障点，需考虑改变中性点接地方式及单相接地故障保护方式。表1为各种不同接地方式对比情况。

表1 各种不同接地方式对比

如果发电机定子绕组单相接地故障，故障电流会破坏定子铁心和绕组，危害较大，需要继电保护快速动作保护发电机设备。经消弧线圈接地时，由于感性电流的补偿作用，单相接地故障电流可降到很小，系统可带故障运行，给故障排查留出时间，同时要求设备和电缆等要有更高的绝缘性能。综合考虑过电压、继电保护动作性能方面的因素，建议选择中性点经电阻接地方式。

表2对比了三种中性点经电阻的不同接地方式。这三种中性点经电阻接地方式通过合理选择接地电阻可以使单相接地故障电流一致，但是由于接地位置不同，会对继电保护的配置和运行灵活性带来影响。

表2 中性点经电阻接地的不同方式对比

经过表2的对比，综合考虑运行的可靠性和方案实施的简便性，选择方式3，即中压母排经接地变压器/接地电阻接地。

3 电阻接地计算验证

该平台5台发电机并联直接接于10.5 kV母线上。机端母线经接地变压器/接地电阻。为限制单相接地故障时内部过电压，电阻电流与电容电流的比值一般取1.1～1.5。此处取1.5进行分析计算，电阻电流取20 A。两端母线各设一套接地变压器/接地电阻，每套装置电阻电流限制在10 A。

选择性单相接地故障保护方案：采用零序过流保护，在多机共母系统发生单相接地故障时，快速准确判断故障点，将故障切除。保护定值考虑发电机出口断路器与馈出线断路器的保护配合。在发电机机端安装穿心式零序CT，在本机区外接地时本发电机定子接地保护不动作，在本机区内接地时本发电机定子接地保护动作，以实现保护的选择性。该保护应用的条件：区内和区外接地故障时，流过机端零序CT电流的大小和方向有明显的区别，且保护装置能准确测量到该电气特征。

4 区内外故障接地零序电流分析

由于馈出线电缆投运数量与发电机投入台数和实际运行工况有关，为便于分析，不考虑馈出线电缆的电容电流。分析时不考虑过渡电阻的影响，均按金属性接地考虑。每台发电机的电容电流为1.38 A，电阻电流为20 A，相位相差90°。

4.1 区内单相接地故障分析

如图1所示，1号机机端发生区内金属性定子单相接地。在机端零序电流CT上流过的接地电流为：

图1 区内单相接地等效电路图

In0=Irm+Ig2+Ig3+Ig4+Ig5=20.75 A

(1)

式中：In0为故障发电机机端零序CT上流过的电流；Irm为接地电阻上流过的电流；Ig2、Ig3、Ig4和Ig5分别为非故障发电机上的电容电流。

当母线上只有2台机组运行时，

In0=Irm+Ig2=20.05 A

(2)

当母线上只有1台机组运行时，

In0=Irm=20 A

(3)

U0大小和接地位置相关，当接地位置在靠近中性点绕组侧时，接地电流会相应减小；接地零序电流保护一般整定为保护80%～90%定子绕组，故区内接地时电流最小可能为2 A，如果选择20 A/1 A的零序CT，则要求微机保护能检测到100 mA的电流并可靠动作。从装置的工程应用经验看，100 mA的电流可以准确检测。

4.2 区外单相接地故障分析

如图2所示，1号机发生区外金属性定子单相接地。

图2 区外单相接地等效电路图

在机端零序电流CT上流过的接地电流为：

In0=Ig1=1.38 A

(4)

区外接地时会流过1.38 A的电流，传变到二次侧达到69 mA，低于100 mA。发电机定子绕组接地故障保护范围仍可达到90%以上。

5 结束语

综合以上分析：在本机区外金属性接地时，机端零序CT上流过电流为1.38 A；本机区内机端金属性接地时，接地电流大小和母线上运行机组台数相关，最大为20.75 A，最小为20 A；区内外接地时零序电流的方向相反。

根据计算结果可知，在区内和区外金属性接地时，流过机端零序CT的电流有明显差异，且区内接地时电流传变到二次侧时，装置仍能识别。以上分析未考虑馈出线电缆的电容电流，计及其影响，接地零序电流幅值将更大。

机端穿心式零序CT的二次不平衡零序电流在正常运行时须限制在100 mA以下，抬高零序电流定值，则保护范围会缩小。这对于CT的制造和安装提出了较高的要求。发电机机端引出电缆应严格按空间磁平衡排布，以减小机端零序电压互感器不平衡电流的影响。这样造成电缆紧密排布，电缆间距减小，需注意散热不足对设备运行产生的安全隐患。