塔木察格油田电网10kV系统接地故障危害及预防处理措施

中国石油集团电能有限公司电力技术服务公司 柳会彬

1 概述

电力系统可以被划分为大电流接地系统（包括直接接地、经电抗接地和低阻接地）、小电流接地系统（包括高阻接地，消弧线圈接地和不接地）。在国内，3～66kV 电网中，一般都是不接地或通过消弧线圈接地，这是一种小电流接地系统。塔木察格油田10kV 供电系统，即为不接地供电模式。塔木察格油田的电网位于蒙古国大草原的中心地带，是一块巨大的油气田。属典型的中温带季风气候，年平均风速在3m/s以上，冬季长并常伴有大风雪，有上百种鸟类在草原上繁衍生息，鸟类在电杆栖息觅食经常会引发线路故障，这些都给油田电网的运行带来了风险和隐患。

单相接地是小电流接地系统中最容易发生的故障之一。在实际运行过程中，10kV 配电线路经常会出现单相接地故障，在发生单相接地后，故障的相对地电压会降低，非故障两相的相电压会上升，但线电压却会保持对称，因此不会影响到对用户的连续供电，规程规定系统可运行1～2h，这也就是小电流接地系统的最大优点。然而，在电网长时间运行发生单相接地故障的时候，非故障的两相对地电压上升到相电压的3倍以上，就有可能造成绝缘的薄弱环节被击穿，从而发展成相间短路，使事故扩大，对用户的正常用电产生影响，还有可能使电压互感器铁芯严重饱和，导致电压互感器严重过负荷而烧毁。弧光接地还可能导致整个电网的过电压，从而对电网的设备造成损害，危及电网的安全性。为此，在10kV 电力系统中，一方面要加强对接地故障的处置，一旦出现了单相接地故障，要及时定位并切断故障点；另一方面在运行中采取必要的预防措施，最大限度地减少10kV 系统接地事故的发生。

2 塔木察格油田电网10kV 系统运行现状

塔木察格油田电网始建于2010年，2011年投产运行，塔木察格电网电源引自蒙古国东方省乔巴山电厂，为单电源供电方式，10kV 母线为I 段母线带II 段母线运行，实际相当于单母线运行。现在运10kV 线路全长479.3km，所带负荷多为油井、水井，线路分支繁多，负荷分布分散。电网设备投运后未进行过升级改造，部分设备出现老化，近年来由于鸟害、雷击过电压、设备绝缘部件老化等原因造成设备绝缘击穿引发的10kV 系统接地故障呈上升趋势。这些原因造成的结果就是接地故障处理不及时，接地时间延长，往往都严重超出了规程规定的2h 的时间限制，这对油田电力系统的安全和可靠性提出了很高的要求。塔木察格油田电网近2年接地故障见表1。

表1 塔木察格油田电网近2年来接地故障统计表

3 油田电网10kV 系统发生单相接地的原因

第一，外力破坏造成导线断线落地或搭在横担上。例如一些蒙古司机安全意识不强，驾车穿越线路时不注意观察，以往发生过多起车辆撞杆和挂碰导线事故。

第二，因风力过大造成绝缘子绑扎线脱落或固定不牢，导线脱落掉到横担或地上。第三，大风天气造成配电变压器高压引下线断线。草原春秋两季大风天气居多，时常会发生配电变压器高压引下线断线抽签等问题。第四，配电变压器台上的10kV避雷器或10kV 熔断器绝缘击穿。塔木察格电网运行十多年，一些环氧树脂绝缘材质的刀闸支持立瓶或熔断器底座由于老化等原因发生击穿故障。第五，配电变压器高压绕组单相绝缘击穿或接地。塔木察格电网有10kV 配电变压器850多台，过去发生过3起变压器高压绕着绝缘击穿接地事故。第六，线路落雷雷击过电压造成绝缘子击穿。10kV 线路由于没有避雷线、避雷针保护，夏季草原上没有其他比线路电杆更高的建筑物，因此雷雨季节线路落雷频繁，经常造成绝缘子被击伤击穿的接地和跳闸事故。第七，线路施工使用的绝缘子质量不合格造成绝缘子击穿接地短路。油田每年都有新的油井投产，线路分支逐年增加，一些新投运的线路分支由于使用了不合格的绝缘子，造成绝缘击穿接地事故。第八，同杆架设导线上层横担的拉线一端脱落，搭在下排导线上。第九，线路挂异物或鸟害造成线路单相接地短路；根据近年来运行数据统计，塔木察格油田10kV 线路每年因大风和鸟害造成的线路跳闸事故占线路故障总数的70%左右[1]。

4 10kV 系统接地危害分析

第一，系统单相接地严重威胁电网运行安全。10kV 中性点不接地系统中，正常运行情况下，三相电压相量图如图1（a）所示，假设A 相发生接地故障，考虑金属性接地，则三相电压相量如图1（b）所示。由图可知当单相接地故障发生时，由于两个非故障侧的相对地电压上升到线路电压，在长期的接地过程中，会导致另两相绝缘中较弱的部分被击穿，进而发展为相间短路，从而增大了故障范围。

图1 三相电压相量图

第二，容易造成变电所电压互感器烧毁事故。10kV 配电网出现单相接地故障，会造成流入的电流增加，这时，电压互感器会产生非常高的电压，使得电压互感器的铁芯出现过饱和，从而在一定程度上提高了励磁电流。若电力设备在此时仍然长时间运转，就会导致电压互感器因严重过负荷而烧毁。

第三，单相接地故障还会造成间断的弧光接地现象，与此同时，谐振过电压会击穿绝缘保护层，造成线路的短路事故，出现配电变压器烧毁，线路上的避雷器、熔断器绝缘击穿、烧毁，发生电气火灾事故。

第四，系统接地的查找和处理影响油田负荷正常供电。我国电业规程对单相接地故障以及停电供电作出了明确规定，电网线路若有一点发生接地，其运行时间不得超过2h。若发生永久性的接地故障时，由于油田电网系统线路具有线路长、分支多特点，加之受草原天气及环境影响，要找到故障点需要花费几个小时甚至十几个小时，为了保障该期间的用电安全，有时不得不人工拉闸查找故障线路，造成线路无法正常供电，影响油田生产[2]。

第五，系统接地容易造成人员、牲畜触点事故。设备绝缘击穿或导线落地等情况造成的10kV 系统接地，线路巡线人员（尤其是夜间的线路检查人员）及周围居民、牲畜等如果在此时靠近接地点就会产生跨步电压，从而极有可能发生跨步电压的电击事故。

第六，系统接地会造成很大程度上的电能浪费。10kV 配电线路中的单相接电故障，其中的配电线路中接地会产生大量对地放电现象，这种大量的放电属于一种直接的电能损耗，会造成大量的电能浪费。

5 预防和处理措施

第一，提高值班人员对10kV 系统接地的判断准确性并熟练掌握相应的处理流程。

值班人员应能根据接地后变电所表计及信号变化准确判断出是不是系统接地，当A 相完全接地时，故障相的电压会降到0，非故障相的电压会上升到线电压，这时在电压互感器开口三角处会出现100V 电压，电压继电器会动作，发出接地信号。

要能够正确区分母线电压互感器一相断线或一次保险熔断，电压互感器二次保险熔断、系统谐振及绝缘监察装置故障误发信号等与系统接地的区别，避免造成误判。

第二，提高小电流接地选线装置的使用率及准确率，对淘汰落后的选线装置进行升级更换。为了提高塔木察格10kV 系统出现单相接地时选线的准确性及有效缩短接地时间，已在2022年设备改造申请中对小电流接地选线装置提出更换申请。

第三，加强10kV 配网线路设备的验收、维护和管理。

加强线路绝缘设备的验收把关，确保线路扩建施工使用的绝缘子、避雷器等质量合格满足10kV线路运行的绝缘强度要求，2017年，塔木察格电网扩建由于使用了部分质量存在问题的盘式绝缘子为之后两年的电网运行埋下了很多隐患，2018—2019年塔木察格电网共计发生25次绝缘子击穿事故，严重影响了电网的安全可靠运行。

加强雷电活动频繁区域线路的绝缘水平和防雷措施，例如10kV 3号线106分支地势较高，据统计，每年雷雨季节该分支线路落雷次数都远远高于其他线路，2021年，该分支线路同一天有3个绝缘子被击穿，造成导线落地接地形成短路，因此建议将这种落雷比较频繁的10kV 线路绝缘子更换为15kV 电压等级的绝缘子。同时对线路避雷器及接地电阻进行检查测试，确保线路避雷器接地良好，能够有效地对雷电流进行泄放。

加强线路鸟害治理，减少因鸟类活动造成的线路接地事故。根据历年线路事故统计，鸟害造成的线路跳闸事故占塔木察格电网线路故障总数的50%左右。一方面要加强线路鸟巢的清除，对线路周边杂物进行清理。另一方面要改进驱鸟设施，原本线路装设的鸟刺防鸟效果不尽人意，建议更换为风力太阳能反光型驱鸟器。

加强10kV 线路季节性异常天气特巡巡线。蒙古草原春秋两季大风天气极易造成导线绑线断裂以及配电变压器高压引线抽签等引发的接地事故，因此在春秋两季大风天气过后要加强线路巡线，确保及时发现绑线松动、导线抽签、风挂异物等隐患并及时进行处理。

6 结语

塔木察格油田电网10kV 系统是油田电网的重要组成部分，10kV 系统运行中经常会受到线路设备质量、季节、外部环境的影响而出现接地故障，出现的这些故障会对输电、变电、配电设备及人身造成很大程度的威胁，因此，必须加强对这些故障的预防和处理，采取相应的措施来减少故障对设备与人们的伤害，进而保障配电线路的正常运行，确保油田电网的安全可靠供电。