單相接地對高壓電機的危害及應(yīng)對措施

劉 清，蔡 偉，陳 燕

（1.中國石油集團(tuán)濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川成都 610100；2.西南油氣田公司重慶環(huán)境節(jié)能監(jiān)測中心，重慶 400021）

1 現(xiàn)場勘察情況

單相接地故障在10 KV 中性點不接地輸電系統(tǒng)中，非常的常見。如果保護(hù)裝置設(shè)置不完備，系統(tǒng)長時間帶病運行，極易燒毀配電設(shè)施和用電設(shè)備。某油田作業(yè)區(qū)，2016—2018 年，多次發(fā)生高壓電機絕緣擊穿現(xiàn)象，經(jīng)過現(xiàn)場勘察，情況如下。

1.1 供電網(wǎng)絡(luò)工況

該作業(yè)區(qū)位于亞熱帶丘陵地區(qū)，空氣濕度大，雨水充沛，山區(qū)夏季多雷暴天氣。該作業(yè)區(qū)的10 kV 供電系統(tǒng)，采用中性點不接地方式，由變電站架空裸線，經(jīng)過山區(qū)至各個平臺。進(jìn)入各個平臺的入戶開關(guān)，多數(shù)采用隔離刀閘接入。該電網(wǎng)電壓波動較大，相電壓在平時都有5%以上的不平衡量。架空線路無專人維護(hù)，通過線路勘察，發(fā)現(xiàn)該作業(yè)區(qū)10 kV 架空線下多處存在接地隱患（樹木頂部接近或已超過10 kV 架空裸線）。變電站出線綜合保護(hù)，設(shè)置的單相接地故障保護(hù)為報警。

1.2 電機的損壞情況

首先對損壞的電機情況進(jìn)行勘察，打開機殼通風(fēng)道蓋板查看，繞組局部表面有輕微變色，并且有明顯絕緣材料被擊穿的刺鼻味道。利用2500 V 兆歐表檢查，接地電阻為0 Ω，利用萬用表測對地電阻：U7.4 Ω，V7.5 Ω 和W1.5 Ω；相間UV7.0 Ω，VW8.1 Ω 和WU8.1 Ω?？梢宰C實該電機已經(jīng)絕緣擊穿。高壓電機繞組對絕緣要求較高，只能返廠維修。

1.3 操作者的現(xiàn)場描述

電機啟動前，高壓PT 柜內(nèi)，一支電壓互感器二次線圈端子對地?fù)舸?，已?jīng)修復(fù)，對繞組進(jìn)行了絕緣檢測，絕緣合格。電機啟動后，啟動及空載電流都比較正常，并平穩(wěn)運行約3 min，操作者在觀察到軟啟動柜上W 相電流異常升高后，拍下電機啟動柜的急停按鈕。再次對電機繞組進(jìn)行檢查，電機絕緣已經(jīng)擊穿。查看高壓柜儀表，顯示W(wǎng) 相電壓為0 V，而U、V 相電壓分別升高到10.96 kV 和9.56 kV 的異常現(xiàn)象，但很快電壓指示恢復(fù)正常。啟動過程中，儀表顯示異?？梢詫?yīng)電力系統(tǒng)W 相單相接地故障。聯(lián)系平臺供電的上級變配電負(fù)責(zé)人，應(yīng)證了在當(dāng)日下午，電機發(fā)生異常的時間段內(nèi)，前端變電站隔離刀閘一相確實發(fā)生過單相接地事故，隨后修復(fù)。翻閱作業(yè)區(qū)相關(guān)的運轉(zhuǎn)記錄，2017 年該線路曾發(fā)生過嚴(yán)重的單相接地故障，當(dāng)時非故障相電壓最高達(dá)到15 kV，且當(dāng)時作業(yè)區(qū)大部分高壓電機均處于投用狀態(tài)，且在該狀況下運行時間超過2 h。

2 原因分析

2.1 單相接地造成非故障相電壓升高

結(jié)合本次電機燒毀前的儀表顯示，及箱變內(nèi)高壓PT 柜，在故障前，出現(xiàn)電壓互感器二次線圈端子對地?fù)舸┑默F(xiàn)象。可以初步判斷，該作業(yè)區(qū)10 kV 供電系統(tǒng)在運行過程中，間歇性存在單相接地故障。當(dāng)然不排除數(shù)次單相接地故障，對電機絕緣的疊加傷害。從10 kV 中性點不接地電力系統(tǒng)單相接地示意圖中，可以從原理對電機燒毀原因進(jìn)行分析。該10 kV 輸電系統(tǒng)采用的是中性點不接地運行方式，發(fā)生單相接地后，線電壓不變，故障相對地電壓降低或者為0，非故障兩相的相電壓升高。W 相完全接地時，該相相電壓為0 V，而U，V 相電壓升高倍，高壓電機是這個系統(tǒng)中，耐壓等級最薄弱的環(huán)節(jié)，當(dāng)高壓電機相繞組長時間承受線電壓時，會加速電機的絕緣老化。如果多次沖擊，極容易造成電機絕緣擊穿。

2.2 間歇性弧光接地產(chǎn)生諧振過電壓

在中性點不接地系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，中性點的對地電壓不再為零，而為相電壓，這時，三相對地電容電流之和不再為零，大地中有電流流過，其接地處的電流就為單相接地電流，如中性點不接地系統(tǒng)單相接地電壓矢量圖所示，單相接地電流矢量值等于其余兩相正常電容電流的矢量和，單相接地電流有效值IK等于正常相對地電容電流有效值ICi的3 倍，即IK=3ICi。

采用估算法對現(xiàn)場電力網(wǎng)絡(luò)單相接地時，架空線的電容電流進(jìn)行計算。ICi=KλUNL×10-3，其中，λ 為設(shè)備影響修正系數(shù)，UN為系統(tǒng)額定電壓（kV），L 為線路長度（km）。根據(jù)現(xiàn)場實際運行的架空線情況，取系數(shù)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。

由于單相接地電容電流達(dá)到3.51 A，所以單相接地故障發(fā)生后，會發(fā)生間歇性弧光接地，間歇性放電又會引起線路電壓振蕩，產(chǎn)生幾倍于正常電壓的諧振過電壓（尖峰幅值30～50 kV），危及變電和用電設(shè)備的絕緣，嚴(yán)重時使設(shè)備絕緣擊穿，造成更大事故。

2.3 真空斷路器斷開時操作過電壓

根據(jù)現(xiàn)場情況，高壓電機絕緣擊穿，多發(fā)生在啟動過程中。真空斷路器投合、斷開高壓電機時，可以將電機看為感性負(fù)載，快速暫態(tài)操作過電壓（最高可達(dá)到2～4 倍的正常電壓）會沿著傳輸線路以波的形式到達(dá)電機端口。

2.4 電機損壞結(jié)論

所以可以認(rèn)定電力系統(tǒng)的多次單相接地故障及間歇性弧光接地故障產(chǎn)生的諧振過電壓，啟動時，真空斷路器投入時產(chǎn)生的操作過電壓，相互疊加。對高壓電機的絕緣造成了沖擊，是造成電機絕緣損壞直接原因。

3 應(yīng)對措施

3.1 加強線路及供電設(shè)備巡視作業(yè)

對配電線路定期專人巡視、維護(hù)，對配電線路上的絕緣子、分支熔斷器、避雷器等設(shè)備應(yīng)定期進(jìn)行絕緣測試，不合格的應(yīng)及時更換。對變配電設(shè)施定期進(jìn)行檢修和預(yù)防性試驗，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。及時清除線路上的單相接地故障隱患點。

3.2 完善電機運行保護(hù)裝置

由于采用無人值守的方式，所以要求高壓柜的綜合保護(hù)更加完善和靈敏，需要專業(yè)人士，針對高壓電機保護(hù)，制定專業(yè)的保護(hù)措施，在于迅速識別故障與異常，更好的保護(hù)電機。

在變電所加裝小電流接地自動選線裝置，此裝置與各配出線間隔上的零序電流互感器配合使用，能夠自動選擇出發(fā)生單相接地故障線路，時間短，準(zhǔn)確率高，提高供電可靠性，防止故障擴大。出現(xiàn)故障，及時拉路查找故障，避免造成電機燒毀。根據(jù)零序電壓電流自動選線裝置原理，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，零序電壓和零序電流不再為零，當(dāng)數(shù)值大于選線保護(hù)裝置的整定值時，裝置動作，控制繼電保護(hù)裝置報警或者斷路器跳閘。

在后續(xù)高壓配電柜中，加入專門的絕緣監(jiān)察裝置，通常采用三相五柱式電壓互感器加上電壓繼電器、信號繼電器及監(jiān)視儀表構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生非金屬性單相接地時，開口兩端點間同樣感應(yīng)出電壓，因此，當(dāng)開口端達(dá)到電壓繼電器的動作電壓時，電壓繼電器和信號繼電器均動作，發(fā)出音響及燈光信號，并且可以設(shè)置為禁止啟動高壓電機。

3.3 強化電機啟動前的檢查作業(yè)

應(yīng)強化維保人員對配電設(shè)備的巡視制度，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和儀表指示異常，應(yīng)及時報告，排除故障和恢復(fù)正常后，所有電氣儀表裝置指示正常，才能啟動高壓電機。在進(jìn)行試車啟動前，應(yīng)積極和甲方供電部分和調(diào)度室進(jìn)行協(xié)調(diào)。在確保外界供電條件滿足運行條件后，才能進(jìn)行試車?，F(xiàn)場調(diào)試人員的操作培訓(xùn)，啟機前應(yīng)該制定相應(yīng)的方案和流程，熟悉每一個開關(guān)位置及作用、儀表的正常指示狀態(tài)。最后還需要有必要的應(yīng)急方案。

4 建議

在電力系統(tǒng)中，單相接地只是常見故障中的一種。如果沒有先進(jìn)的技術(shù)作為支撐，完善的管理制度作為保障，到一定年限后，高壓電機、變頻器、軟啟動器、配電柜在運行過程中，都會面臨不同層次的問題，故障率也會大副提高，增加維護(hù)成本。

4.1 技術(shù)層面

改變電力系統(tǒng)的系統(tǒng)中性點的接地方式，使中性點經(jīng)消弧線圈接地，就可以很好的減小電力系統(tǒng)的對地電容電流，從而把單相接地的故障接地電流限制在可控范圍。同時，系統(tǒng)中安裝消弧、消諧及過電壓保護(hù)裝置，在故障產(chǎn)生過電壓時，對設(shè)備、設(shè)施起到保護(hù)作用。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控項目中添加電壓、電流、頻率等參數(shù)，一方面，有利于現(xiàn)場及時發(fā)現(xiàn)電氣參數(shù)的波動，如果波動值超出設(shè)定值則報警或者遠(yuǎn)程停機。另一方面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲存功能，可以為高壓電機運行狀態(tài)及事故分析提供數(shù)據(jù)支持。在本次事故中，如果能及時發(fā)現(xiàn)電壓參數(shù)的波動，就能停止啟動作業(yè)，從而避免損壞擴大化。

該地區(qū)的電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，山地雷暴高發(fā)，容易產(chǎn)生大氣過電壓和操作過電壓，而且自然環(huán)境潮濕會造成電機絕緣等級降低。建議在后續(xù)購買的電機時，要求電機廠家提高一個絕緣等級，確保在發(fā)生大氣過電壓和操作過電壓時，能保證電機的可靠運行。對電機定期的檢測，如果發(fā)現(xiàn)絕緣降低，必須采用措施，通過電加熱等方式，在電機的絕緣恢復(fù)到10 MΩ（考慮安全系數(shù)，可以適當(dāng)提高到50 MΩ），才能啟動電機。同時對所有的箱變設(shè)施堅持每兩年進(jìn)行一次年檢預(yù)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，及時處理。

4.2 管理層面

完善高壓電機及配電設(shè)施的定期巡視制度，發(fā)現(xiàn)異常和缺陷應(yīng)該及時記錄并報告，及時整改。嚴(yán)格執(zhí)行高壓電機操作規(guī)程，高壓電機啟動前，應(yīng)該進(jìn)行詳細(xì)的檢查，最好以表格的形式來確認(rèn)所有儀表（包括電氣）裝置是否正常，符合啟動條件。避免因為操作原因，造成設(shè)備損壞。

加強操作人員技術(shù)練兵，應(yīng)定期參與對操作人員的技術(shù)培訓(xùn)和考核。不合格，不能上崗操作。