周恭禮，張慶斌

馬蘭礦電容電流治理方法的研究

周恭禮1，2，張慶斌1，2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.西山煤電(集團(tuán))公司，山西 太原 030053)

煤礦電網(wǎng)中單相接地故障約占系統(tǒng)總故障率的80%左右。闡述了單相接地電容電流的危害，分析了電容電流常用的治理方法的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合馬蘭礦電網(wǎng)的實(shí)際電容電流分布情況，采用隔離變壓器分區(qū)的方法對(duì)馬蘭礦電容電流進(jìn)行有效治理，提高了馬蘭礦供電系統(tǒng)安全可靠性，具有較高的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效應(yīng)。

電容電流;隔離變壓器;單相接地;消弧線圈

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭行業(yè)普遍提高了產(chǎn)量，隨之供電需求快速增長(zhǎng)，電網(wǎng)的電容電流也快速增長(zhǎng)。《煤礦安全規(guī)程》明確規(guī)定：“礦井高壓電網(wǎng)，必須采取措施限制單相接地電容電流不超過(guò)20 A。”

1 單相接地電容電流的危害

礦井高壓(6 kV)電網(wǎng)線路主要是由電纜組成，由于煤礦井下巷道狹窄，空氣潮濕，電氣設(shè)備和電纜的絕緣材料容易受潮，電纜也可能被脫落的巖石和煤塊砸壞，甚至被移動(dòng)的機(jī)器設(shè)備擠壓等，從而造成單相接地事故。主要危害有［1，2］：

1)當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，電弧不能自滅，很可能破壞周圍的絕緣，使非故障相的絕緣被相繼擊穿，形成相間短路;還可能在高溫電弧的作用下，直接使電纜和接線盒等的相間絕緣燒壞，造成相間短路。

2)當(dāng)發(fā)生間歇弧光接地時(shí)，可能引起高達(dá)3.5倍相電壓的弧光過(guò)電壓，引起多處絕緣薄弱的地方放電擊穿和設(shè)備瞬間損壞。

3)配電網(wǎng)的諧振過(guò)電壓現(xiàn)象比較普遍，時(shí)常發(fā)生電壓互感器燒毀事故和熔斷器的頻繁熔斷，嚴(yán)重威脅著配電網(wǎng)的安全性和可靠性。

4)當(dāng)人身觸及三相電網(wǎng)的任何一相導(dǎo)體時(shí)，相當(dāng)于該電網(wǎng)通過(guò)人身電阻出現(xiàn)了單相漏電故障。人身觸電電流不僅正比于電源電壓，而且隨著電網(wǎng)對(duì)地電容值的增加而增大，同時(shí)，還隨對(duì)地的絕緣電阻值變化而變化。所以當(dāng)漏電電流較大時(shí)會(huì)對(duì)人身造成很大傷害。

5)井下煤礦電氣設(shè)備發(fā)生接地時(shí)，通過(guò)高電阻接地電容電流易形成間歇弧光接地，易引起煤塵爆炸。鑒于單相接地或漏電電流嚴(yán)重的潛在危害，西山煤電集團(tuán)公司馬蘭礦技術(shù)人員對(duì)抑制單相接地電流的措施進(jìn)行了深入的研究，提出了多種限制單相接地電容電流的方法。

2 單相接地電容電流治理方法

目前，出現(xiàn)的單相接地電容電流治理方法主要有［3］：改變系統(tǒng)運(yùn)行方式、縮小系統(tǒng)規(guī)模、采用接地分流消弧消諧裝置、改變中性點(diǎn)接地方式等。

1)改變系統(tǒng)運(yùn)行方式。該方法一般將系統(tǒng)運(yùn)行方式由并列運(yùn)行改為分列運(yùn)行，相當(dāng)于將6～10 kV大系統(tǒng)分為2個(gè)或多個(gè)小系統(tǒng)，一般適用于電網(wǎng)規(guī)模不大，且從經(jīng)濟(jì)上考慮具備分列運(yùn)行條件的系統(tǒng)。

2)采用接地分流消弧消諧裝置。該方法在發(fā)生單相電弧接地時(shí)，通過(guò)在接地相并聯(lián)接地電阻，根據(jù)分流原理將接地點(diǎn)電流引流，將不可控的接地點(diǎn)變?yōu)閷?shí)接地點(diǎn)，使故障接地點(diǎn)的電弧熄滅，同時(shí)利用過(guò)電壓保護(hù)器限制接地相電壓升高，起到熄弧作用。

在系統(tǒng)發(fā)生金屬性接地、穩(wěn)定電阻性接地時(shí)裝置不動(dòng)作，接地點(diǎn)電流沒(méi)有改變。

在系統(tǒng)發(fā)生弧光接地時(shí)，裝置動(dòng)作引流熄弧。

該方法從嚴(yán)格意義上講并非一種完善的治理方案，不符合《煤炭安全規(guī)程》457條的要求，系統(tǒng)單相接地電容電流并未限制在20 A以內(nèi);僅在電弧接地時(shí)進(jìn)行接地分流，起到熄弧作用，對(duì)金屬性接地和穩(wěn)定阻性接地不起作用;不能降低人身觸電危險(xiǎn)性;裝置動(dòng)作時(shí)，接地故障信息均被引至消諧柜，造成井下接地保護(hù)失效;會(huì)使非故障相電壓無(wú)論在發(fā)生何種接地故障時(shí)都上升為線電壓，對(duì)電纜絕緣構(gòu)成威脅;不能有效降低電纜由單相接地發(fā)展為短路(放炮)的幾率。當(dāng)接地分流裝置鑒相錯(cuò)誤時(shí)，容易造成事故擴(kuò)大。該方法安全性較差，不建議采用。

3)改變中性點(diǎn)接地方式。

即將中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)改造為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，利用消弧線圈產(chǎn)生的電感電流抵消系統(tǒng)的單相接地電容電流，從根本上使接地故障點(diǎn)的接地電流減小。

高壓電網(wǎng)單相接地電流主要是電容電流。如果能夠在發(fā)生單相接地時(shí)用電感電流部分或全部抵消掉電容電流，則單相接地電流將大大減小。基于此思想設(shè)計(jì)了消弧線圈，消弧線圈是一個(gè)可調(diào)電感線圈，線圈的電阻很小(消耗功率小)，電抗很大(保證對(duì)地絕緣水平)，電抗值改變可采用多種方法。發(fā)生單相接地故障時(shí)，通過(guò)消弧線圈使接地處流過(guò)一個(gè)與容性接地電流相反的感性電流，從而減小、甚至抵消接地電流，消除接地電弧引發(fā)的問(wèn)題，提高供電可靠性。

4)縮小系統(tǒng)規(guī)模。

該方法采用隔離變壓器，將6～10 kV大系統(tǒng)從根本上分隔為多個(gè)接地小系統(tǒng)。

目前，煤炭系統(tǒng)治理電容電流普遍采用消弧線圈接地方式，但由于消弧線圈接地方式下各種接地保護(hù)原理普遍存在局限性，導(dǎo)致選線或接地保護(hù)動(dòng)作準(zhǔn)確率不高，因此，消弧線圈接地系統(tǒng)接地故障判斷準(zhǔn)確率成為研究難題。另外消弧線圈雖然降低了接地點(diǎn)電容電流，但在抑制過(guò)電壓方面僅起到降低概率作用，并且某些類型消弧線圈由于補(bǔ)償原理的限制，仍有發(fā)生鐵磁諧振、間歇性接地故障時(shí)造成系統(tǒng)振蕩等缺陷，因此，消弧線圈在煤礦系統(tǒng)使用也是褒貶不一。

煤礦采用消弧線圈治理電容電流方案，但其井下接地保護(hù)普遍采用零序無(wú)功功率方向與零序過(guò)電流原理，這些原理在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)均失效，因此消弧線圈雖然降低了煤礦電網(wǎng)的電容電流，但對(duì)接地保護(hù)系統(tǒng)的影響較大，造成了接地故障查找困難。

在發(fā)生地面接地故障時(shí)誤選為井下接地，造成接地故障處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng);井下接地故障時(shí)，井下保護(hù)不動(dòng)作或誤動(dòng)作造成故障影響面擴(kuò)大。目前，在發(fā)生接地故障后，一般若選出地面支路，直接停電，若不準(zhǔn)確，再采用拉線法判別，出于確保井下供電的可靠性，先從地面線路停電，最終再拉下井線路，導(dǎo)致事故處理時(shí)間長(zhǎng)，影響面擴(kuò)大，供電可靠性得不到保證，井下接地故障排查困難，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間帶接地故障運(yùn)行，導(dǎo)致故障升級(jí)為接地短路故障，若此時(shí)有瓦斯超限情況，則后果不堪設(shè)想，因此安全隱患較大。

鑒于上述原因，在條件允許情況下，采用分區(qū)供電的方式來(lái)限制煤礦電網(wǎng)的電容電流是治理電容電流的第一選擇。分區(qū)供電是將大電網(wǎng)通過(guò)隔離變壓器分成若干個(gè)獨(dú)立的供電區(qū)塊，使每個(gè)分區(qū)的電容電流在允許值以下。采用這種方式，一方面解決了煤礦電網(wǎng)電容電流過(guò)大的問(wèn)題，另一方面，提高了選擇性接地(漏電)保護(hù)裝置的動(dòng)作可靠性、靈敏性和準(zhǔn)確性，保證了煤礦供電的安全可靠性。同時(shí)若隔離變壓器帶有分抽頭時(shí)，當(dāng)供電線路過(guò)長(zhǎng)，還可以對(duì)供電線路的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié);此外隔離變壓器可以對(duì)電網(wǎng)中的諧波起到隔離的作用，可大大提高煤礦電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3 馬蘭礦單相接地電容電流治理方案研究

綜上所述，根據(jù)馬蘭礦實(shí)際供電情況，將其下井線路經(jīng)限流電抗器供電改造為經(jīng)隔離變壓器進(jìn)行供電，從而實(shí)現(xiàn)有效分區(qū)。馬蘭礦6 kV電網(wǎng)改造前電容電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 改造前電容電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

進(jìn)行改造前，對(duì)馬蘭礦6 kV電網(wǎng)采用分區(qū)供電(即井下采用隔離變壓器供電)方式下的電容電流數(shù)據(jù)進(jìn)行了估算，結(jié)果見(jiàn)表2。為了檢驗(yàn)改造的效果，在改造后對(duì)各個(gè)獨(dú)立供電分區(qū)的電容電流進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表2和表3可知將馬蘭礦6 kV供電系統(tǒng)經(jīng)隔離變壓器分為4個(gè)分區(qū)，即6 kVI段地面系統(tǒng)、6 kVI段井下系統(tǒng)、6 kVII段地面系統(tǒng)、6 kVII段井下系統(tǒng)是行之有效的。各分區(qū)電容電流在各種運(yùn)行方式下均小于《煤礦安全規(guī)程》20 A限值。

表2 分區(qū)供電方式下電容電流估算結(jié)果表

表3 分區(qū)供電方式下電容電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

4 小結(jié)

采用分區(qū)供電的方式進(jìn)行煤礦電網(wǎng)單相接地電容電流的治理，避免了消弧線圈對(duì)選擇性接地(漏電)保護(hù)裝置的影響;隔離變壓器替代限流電抗器，使供電系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化具有更大的靈活性;減少接地故障處理時(shí)間，提高了馬蘭礦供電系統(tǒng)的安全可靠性，具有較高的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

［1］ 王崇林.中性點(diǎn)接地方式與消弧線圈［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999：9－37.

［2］ 張學(xué)松.鄂爾多斯地區(qū)煤礦10 kV供電安全隱患分析［J］.煤礦開(kāi)采，2008，13(5)：76－77.

［3］ 郭洋洋.礦井高壓電網(wǎng)單相接地電容電流的測(cè)量與限制［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1995，23(5)：40－43.

Research on Capacitance Current Treatment Methods in Malan Coal Mine

Zhou Gong－li，Zhang Qing－bin

In the coal mine power network，the single－phase grounding faults approximately compose about 80%of the system total failure rate.Expounds the harm of capacitance current when occurs single－phase grounding，analyzes the advantage and disadvantage of commonly used methods of treating the capacitance current.Combined with the actual capacitance current distribution of the power network of Malan coal mine，by using the insulating transformers treat its capacitance current，improves the safety and reliability of the power supply system in Malan coal mine，and have higher economic and social benefits.

Capacitance current;Insulating transformer;Single－phase grounding;Arc suppression coil

TD611

A

1672－0652(2011)10－0025－03

2011－10－12

周恭禮(1964—)，男，山西交城人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事煤礦工程設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)管理方面的工作(E－mail)zhougongli6679@163.com