油田配电网中性点接地方式的优化及认识

白城利（中油电能电力技术服务公司内蒙古海拉尔供电分公司）

配电网是否能够安全、可靠运行的一个关键环节就是配网中性点接地方式的选择。多年来，各国都曾多次进行改造优化。国际上，发达国家对配电网络布局相对合理，一次设备可靠性高，城市电网以电缆环网供电形式居多，其余电网也多采用架空绝缘导线布置。美国采用中性点直接接地并配合经低电抗接地方式，同时加装开关和快速继电保护装置，保证系统在遇到故障时可以瞬间跳开故障线路。德国主要采用中性点经消弧线圈接地方式，避免了通信线路对配电网的干扰[1-3]。这两种改革方案非常具有代表性，对保障配网安全运行和提高配网供电可靠性都发挥了积极的作用。

1997 年发布的DL/T620—1997《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》规程，重新规范了我国6(10) kV 配电网的中性点接地方式的选择，在规范设备使用的同时减少了设备故障率。另外，在接地故障快速诊断技术有了较大进展。过去绝大多数发电厂和变电所的母线上装设绝缘监视装置，该装置的缺点是只能报告系统有故障，但不能判断接地线路，需由运行人员通过逐一排查确定故障线路[4-6]。

1 大庆油田配电网现状及存在的问题

大庆油田的配电网中，6(10)kV 线路数量较大、分布面较广，过去大多是架空线路，电容电流较小，中性点采用了不接地方式。近年来，大庆的主城区和采油生产单位都在逐步扩建，配电网也随之大幅改造，导致电容电流越来越大，电缆的线路也越来越多，配电网网络结构发生了巨大的变化，造成接地故障演变成相间短路事故的情况频发。可见原有的中性点不接地配电网系统已无法满足大庆电网安全运行的需求，相应的运行参数也远远达不到相关规程的标准。相关试验研究表明，优化中性点接地方式可有效解决配电网运行中存在的多类问题。

2 油田配电网中性点接地方式优选

为保证电网运行稳定，保障油田平稳生产，大庆油田多用6 kV 配电网，相继尝试了中性点经消弧线圈接地方式（图1）和经电阻接地方式（图2），但在实际生产过程中，两种接地方式都表现出了各自的不足。由于油田配电网的特殊性，采取切合实际的接地方式和加强对过电压问题的研究，已经成为配电网安全、可靠运行的关键。

图1 中性点经消弧线圈接地方式Fig.1 Grounding way to neutral point through arcing coil

图2 中性点经电阻接地方式Fig.2 Grounding way to neutral point through resistance

除此之外，当6～10 kV 配电网的规模较小时，多采用中性点不接地方式（图3），在系统发生单相接地故障时，系统仍可带故障继续运行2 h，不会立即发生跳闸停电，因此判断其供电可靠性相对较高[7]。但长时间带故障运行时，由于缺少电荷释放的通路，系统会因为产生间歇性电弧导致过电压升高至3.5 倍的相电压或更高，波及到整个配电网时会因绝缘薄弱部位击穿而引发设备损坏和用户停电，威胁电网的安全运行；若发生在油田生产过程中，还会严重影响产量而造成经济损失。在其他一些特定情况下，如果发生接地故障或倒闸操作失误时，甚至会引起避雷器爆炸的事故。

图3 中性点不接地方式Fig.3 Fig.3 Ungrounding way to neutral point

结合各种接地方式的优缺点，生产中多采用用中性点经消弧线圈接地方式，防止产生过电压并补偿接地电流。当电网系统的运行电流小于10 A 时，较为适宜采用高电阻接地方式。此时，该接地方式的可靠性更高，设备简易且经济，发生故障时电流较小，也可带故障连续供电，更易于保障人身和设备安全。最为重要的是，该接地方式可以使弧光接地过电压小于3.0 p.u.，并消除大部分断线谐振过电压和PT 铁磁谐振过电压[8]。不接地系统按目前行业标准DL/T620—1997 的规定仅适用于电容电流小于10 A 的电网。但随着配电网规模增大，这一标准在执行过程中开始出现一些争议问题，例如，在电网电容电流低于10 A 的情况下，执行该标准后已发生多起的弧光接地过电压事故；另外，小电阻和消弧线圈接地方式在小规模配电网中应用，其技术和经济上的优势都不明显。综上，提出在油田配线网中主要应用6 kV 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式。

3 在油田应用的可行性

配电网的可靠性、电力设备的绝缘水平、接地保护、过电压水平、通信干扰、人身及设备安全因素，是选择配电网中性点接地方式的主要考量因素。调研论证表明，6 kV 配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式（图4），保留了内部过电压抑制、电容电流补偿、故障指示、故障选线等方面的优点，运行过程中可充分发挥中性点经消弧线圈接地和经电阻接地方式的组合优势并克服其各自缺点。理论分析计算以及模拟实验、现场试验均证明，在过渡电阻小于1 000 Ω 时，这种接地方式的故障选线和指示功能可精准实现。该技术目前已在某采油厂的部分配电线路中试运行，并解决了线路中存在的一些问题。

图4 中性点经消弧线圈并联电阻接地方式Fig.4 Parallel resistance grounding way to distribution network neutral point through arcing coil

3.1 解决限制过电压问题

架空裸导线是现阶段油田最为普遍的配电网线路配置方式，该方式容易因单相接地引发设备停机，甚至会造成变压器绕组损毁。中性点连电阻接地方式是通过在系统中并联一个电阻，加大谐振回路中的损耗，系统通过增大阻尼，破坏了谐振条件，限制PT 饱和过电压，从而防止电压过高。系统还可通过调小接地电阻来增大谐振回路阻尼，实现抑制谐振过电压。变电1 厂2021 年与2022 年故障率对比见图5，其故障率下降51.3%。

图5 变电1 厂2021 年与2022 年故障率对比Fig.5 Comparison of fault rate in 2021 and 2022 for Transformation 1 plant

另外，单相接地过电压（弧光接地更严重）引发绝缘薄弱的设备故障，致使变电所开关柜发生火灾事故时有报道。该类故障的发生多是由于电网中的能量不断积聚，要从根本上解决这一问题，就要在电网中性点处增加能量释放的功能，将中性点处的电阻作为系统的泄漏电阻，可有效释放电网能量，避免过电压[9]；或者在半个工频周期内泄掉电网电荷的过盈量，使中性点位移电压几乎为零避免过电压，同时也可减缓故障后电压恢复速度，避免电弧重燃。

3.2 解决高压烧毁及溶断问题

为了解决6 kV 配电网PT 烧损、一次保险频繁熔断问题，油田小规模6 kV 配电网选用中性点经高阻接地方式，大规模6 kV 配电网选用中性点经消弧线圈并联电阻接地方式，使得油田电网具备单相接地故障电流小、电压水平低、可持续供电的优点，既便于永久性接地故障的检测，又有利于瞬时故障熄弧，有效避免了间歇性弧光接地问题的发生。

在电网中加入消弧线圈，可以抑制因电磁式电压互感器饱和而引发的铁磁谐振现象和随之产生的涌流现象。由于消弧线圈的线性电感远远小于电磁式电压互感器的励磁电感，且两者并联，使谐振回路的零序自振角频率由电感和线路的对地电容决定，从而破坏谐振条件，实现抑制电磁式电压互感器饱和及其引发的铁磁谐振过电压的目的。随着电网出线回路增多、线路增长，消弧线圈的电感值越小，消谐效果越明显[10]。

中性点经电阻接地方式实质上就是给电网对地电容并联一个电阻，构成并联回路，并联的电阻可释放线路的多余电荷，这一释放行为可以避免PT铁心饱和高压熔丝的熔断，使PT 免于烧坏。同时还可以通过调小接入电阻增大回路的阻尼，破坏谐振条件，所以中性点经消弧线圈并联电阻接地方式可以从根本上预防电网中可能出现的电磁式电压互感器高压熔丝的熔断甚至烧毁事故。

3.3 解决故障线路的选线和故障区间的判定问题

故障线路的选线、定位和隔离，一直是解决中性点非有效接地电网故障的关键。经现场试验表明，通过中性点经消弧线圈并联电阻接地方式可以解决这一难题，其原理是：电网运行中出现故障时，会触发故障指示装置向电网传入特殊电流信号，此时线路指示器不再显示为白色，这代表电网发生了永久性单项接地故障。注入的特殊频率电流会流向故障点，在通过接地点形成回路，电流回流至检测装置，足够强的回流电流经指示器中的控制器计算判断后，会触发报警程序，将该故障信息发送给通讯单元并传输至监控中心，进而得出确切的故障线路，并且可以根据实际情况的需要将该故障信息上传到自动化主站系统或以短信息的形式发送到相关人员的手机上。指示器通过控制指令使动作机构实现翻牌操作，并发出红色报警显示，可高效指导运行人员查找出故障线路，此时非故障线路和故障线路的非故障相指示器仍显示为白色。故障注入指示完成后，巡线人员按照监控中心的提示或者根据手机收到的短信息的提示，结合线路的故障指示，可迅速找出故障位置。三相接地故障和线路相间短路故障也可通过同样的方式检测，差别在于不需要向故障指示器输入特殊信号。通过优化中性点接地方式，变电2 厂全年平均故障停电时间减少91.3%（图6），故障判断准确率达到100%（图7）。

图6 变电2 厂2021 年与2022 年故障停电时间对比Fig.6 Comparison of fault and outage time in 2021 and 2022 for Transformation 2 plant

图7 变电2 厂2021 年与2022 年故障判断准确率对比Fig.7 Comparison of fault judgment accuracy in 2021 and 2022 for Transformation 2 plant

4 运行效果分析

目前，6 kV 配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式已在两个采油厂试运行，试验结果表明，通过配电网接地方式改造可实现节能降耗、降本增效的目的。

1）提高配电网系统的运行时率。一是跳闸概率降低，在提高电网系统运行时率的同时，提高了供电可靠性。试运行1 a 的线路数据表明，跳闸率降低了76.5%。二是检修速度提高，降低员工的劳动强度。配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式的故障指示功能，可将单次故障排查时间减少90%以上，大大减少了停电时间。某采油厂试运行线路改造前后效果对比见表1，两项指标综合计算，配电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式年平均故障次数减少26 次，每年可使配电网系统减少线路损耗576.8×104kWh，电价按0.623 1 元/kWh计算，年节电效益359.3 万元。

表1 某采油厂试运行线路改造前后效果对比Tab.1 Comparison of trial running line in an oil production plant before and after the effect of transformation

2）协助采油厂实现降本增效。通过对三个变电所的配电系统进行改造后试运行，电网线路故障减少，可靠性明显增强。原线路故障停电平均4.5 h，优化接地方式后，停电时间仅为1 h 左右，同时，年断电次数也降低了71%，原油生产时率有效增加，断电时间可控制在原有水平的1/4。结合采油厂的实际生产情况，以年产原油200×104t 为例，年可增油2 300 t，原油价格按50 美元/桶计算，则年增油效益可达648.67 万元。

5 结束语

随着大庆油田配电网的不断扩大，生产用电需求逐年增加，电缆优化比例逐渐升高，现有的配电网系统已很难满足油田用电对安全性和可靠性的需求。中性点经消弧线圈并联电阻接地方式的引入，使得油田配电网络保留了中性点经消弧线圈接地方式和中性点经电阻接地方式的优点，并弥补了各自的缺点，通过配电网接地方式的改造，提高了配电网系统的运行时率，也达到了降本增效的目的，使得配电网在供电可靠性、继电保护配合和故障查找方面都表现出较好的性能，更能适应油田未来的发展需求。