李毅

（昆明煤炭設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 問題的提出

云南省位于云貴高原，地形復(fù)雜，煤炭資源也相對分散，煤的賦存條件不理想，即使采用機械化開采也難于建成中大型煤礦，省內(nèi)數(shù)百個煤礦中達(dá)到中型及以上的寥寥可數(shù)，90%以上均為年產(chǎn)30萬t及以下的小型煤礦。小型煤礦由于產(chǎn)量較低，設(shè)備少，用電量也相對不高，一般采用10kV的電源就可以滿足供電需求，所以我省90%以上的煤礦都就近采用區(qū)域變電站直供的10kV電源，而這些變電站并非煤礦專用，它除要為一個或幾個煤礦供電之外還要為其域內(nèi)的城鎮(zhèn)、農(nóng)村及工廠供電，且饋出電線路都是同一段10kV母線，與煤礦供電線路處于一個共同的10kV網(wǎng)絡(luò)，其10kV網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的架空線路總長度往往達(dá)到近百公里，電纜線路也長達(dá)數(shù)十公里。然而，由于傳統(tǒng)習(xí)慣等各方面的原因，云南省小煤礦在建設(shè)初期的設(shè)計中，進(jìn)行單相接地電容電流的計算時基本都僅在該煤礦范圍內(nèi)進(jìn)行，沒有考慮同處一個10kV網(wǎng)絡(luò)中其它線路及用戶的影響。云南省的小煤礦礦區(qū)范圍內(nèi)10kV架空線大約10km左右，10kV電纜一般就是2km左右，由此計算出的單相接地電容電流基本不會超過10A，并以此為據(jù)，一般小型煤礦都沒有設(shè)置限制單相接地電容電流的裝置。實際情況不是這么簡單，小型煤礦的共用10kV電源網(wǎng)絡(luò)往往十分龐大且復(fù)雜，其單相接地電容電流比上述的數(shù)值要大得多，而10kV系統(tǒng)單相接地故障的發(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于三相短路與兩相短路故障，放任其不管會給煤礦的生產(chǎn)埋下相當(dāng)危險的隱患。

2 針對云南省小型煤礦的特點如何計算單相接地電容電流

圖1、2為云南省常見的小煤礦供電系統(tǒng)，以此為例論述如何計算單相接地電容電流。如圖1所示，大多數(shù)小型煤礦與多個小煤礦及其它用戶的電源都引自供電變電所的10kV母線，正常情況下，三相對地的等值電容是近似相同的，A、B、C三相的電容電流幅值也相同而相位相差120°，三相電容電流之和為零，系統(tǒng)中沒有因?qū)Φ仉娙菀鸬牧阈螂娏鳌．?dāng)某處發(fā)生單相接地故障時（如圖2）上述平衡被打破，此時因A相對地電壓為零，全系統(tǒng)非故障線路A相電容電流也為零，B、C相對地電壓由相電壓（Eb=Ec=10/=5.77kV）升高為線電壓10kV，其對地電容電流也較正常時擴(kuò)大了倍，其矢量和也就是零序電流3I0LN（此時因兩者相位差為60°，故零序電流為B相或C相電容電流的倍）也就為正常時電容電流的3倍，此電流經(jīng)分布電容流入大地。計算公式見下：

圖1 正常運行時電容電流流向

圖2 單相接地時電容電流流向

對于故障線路，全網(wǎng)絡(luò)B、C相的電容電流將全部從接地點流回入A相，它為正常時全網(wǎng)絡(luò)單相電容電流的3倍，推理過程同式（1），即故障點單相接地電容電流為：

注：U為線電壓10kV,п為3.14，f為電源的頻率（50Hz），Zc為容抗（Ω），N為回路號，Co為變壓器等值電容，C1～C5為各支路等值對地分布電容，CΣ總電容，單位均為μF。

從以上各算式可得出四個結(jié)果：

（1）單相接地點電容電流為全系統(tǒng)電容電流之和。

（2）非故障線路零序電流為線路本身的電容電流。

（3）故障線路零序電流為非故障線路線路零序電流之和（本回路的零序電流被抵消了）。

（4）煤礦專用變電站的總進(jìn)線處監(jiān)測不出零序電流（相當(dāng)于只有一個線路），此種情況下，單相接地電容電流就是煤礦的電容電流。

從式（1）及式（2）對比可以看出，單相接地電容電流可能會比故障線路的電容電流大得多，10kV的網(wǎng)絡(luò)越龐大，線路越多，增加的幅度也就越大。在我省，通常情況下一個小煤礦的電容電流大約為6A左右，而一個變電站常常會向6、7個甚至10多個煤礦及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電，所以單相接地電容電流有可能達(dá)到數(shù)十甚至上百安，是單獨一個小煤礦的數(shù)倍至十?dāng)?shù)倍。采用以上方法，若準(zhǔn)確計算出各線路的分布電容，就可以精確計算出系統(tǒng)單相接地時各線路的零序電流、接地點電容電流，但要準(zhǔn)確計算各線路的對地電容，必須要全面掌握整個供電系統(tǒng)的詳細(xì)情況并經(jīng)過復(fù)雜的計算才能得出，大多數(shù)情況下難于做到，因此我們一般采用簡化算法，現(xiàn)在主要使用的有以下兩種：

2.1 傳統(tǒng)估算法

（1）統(tǒng)計系統(tǒng)中10kV架空線總長度L1(km)，架空線電容電流按下式：I1=0.025～0.032×L1計算。（2）按不同截面統(tǒng)計系統(tǒng)中10kV電纜總長度L2(km)，電纜電容電流按下式：I2=0.5～1.95×L2計算。（3）考慮變電所各種設(shè)備的影響，附加16%，單相接地電容電流為：Id-c=1.16(I1+I2)。此方法使用時間較長，但因其計算公式及各參數(shù)是以紙絕緣電纜及早期電氣設(shè)備的參數(shù)制定的，而紙絕緣電纜現(xiàn)已不用，目前普遍使用的交聯(lián)電纜、分相屏蔽聚乙烯電纜等絕緣強度高，同截面電纜外徑減小了許多，對地電容也增大了許多；變電站電氣設(shè)備也已經(jīng)過了多次升級換代；用上述算法，結(jié)果與實際相差很大，已不能滿足要求。在此建議不要再用這種方法。

2.2 精細(xì)估算法

（1）詳細(xì)統(tǒng)計系統(tǒng)中各種類型10kV架空線的長度(km)，查表得出每一種架空線的電容電流。（2）按不同截面、不同類型統(tǒng)計系統(tǒng)中10kV電纜的總長度得出每一種電纜的電容電流。（3）系統(tǒng)總單相接地電容電流按下式計算：ID-C=1.133+IΣCL+2.759。

注：ID-C為單相接地電容電流（A），為架空線、電纜電容電流之總和（A），IΣCL為三相浪涌電容電流，取值2～3A。用此方法計算結(jié)果與實際比較接近，推薦采用此方法計算。

3 電容電流的危害

在我國，10kV系統(tǒng)中性點是不接地的，發(fā)生單相接地時，系統(tǒng)的三相線電壓及相位關(guān)系并未發(fā)生變化，用電負(fù)荷可以繼續(xù)運行，但是由于系統(tǒng)對地分布電容的客觀存在，使得接地點會有系統(tǒng)的電容電流流過，系統(tǒng)中也會出現(xiàn)零序電壓及零序電流。根據(jù)有關(guān)資料，當(dāng)單相接地電容電流在10～30A甚至更大時，接地點將產(chǎn)生間歇性電弧，會導(dǎo)致燒壞電壓互感器、損壞避雷器甚至引起避雷器爆炸，降低供電可靠性。人體安全接觸電壓為40V，煤礦井下的接地電阻一般為2Ω，當(dāng)單相接地電容電流大于20A時，井下的安全接觸電壓將大于40V，威脅井下人員安全。所以《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，新建礦井單相接地電容電流不得大于10A，老的生產(chǎn)礦井則不得大于20A，井下接地電阻不得大于2Ω。對煤礦來說，瓦斯、煤塵是客觀存在的，如有電弧就會有引爆的危險，所以在井下發(fā)生單相接地時，不僅要保證其電流幅值不大于10A，還應(yīng)盡快發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，避免發(fā)生大的事故。

4 限制單相接地電容電流的措施

從上述分析我們知道10kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，故障點流過的電流就是系統(tǒng)的電容電流，而且是不平衡導(dǎo)致的零序電流，因此要對其進(jìn)行限制，可以采取類似無功補償?shù)霓k法，也就是用電感電流抵消此時的電容電流。對于小煤礦，因沒有10kV以上的變壓器，常用方法是采用接成星形接法的變壓器（即Z型接地變壓器，其具有零序阻抗小、有補償功率大的優(yōu)點），將其其中性點通過一個補償電感（消弧線圈）接地（見圖3、圖4），在正常情況下，變壓器星點與接地點無電位差，消弧線圈無電流流過相當(dāng)于處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)某線路發(fā)生接地故障時，其接地點與星點出現(xiàn)出現(xiàn)電壓差，消弧線圈中有電流流過，同樣此電流也會從接地故障點進(jìn)入故障相，但其方向與接地點電容電流方向相反，這樣就使接地點的電流大幅度減小，達(dá)到保護(hù)的目的（可以看出不平衡電感電流與電容電流是同時出現(xiàn)的，沒有時間延遲）。理論上理想的狀態(tài)是接地點電容電流被完全抵消，即全補償，但此時系統(tǒng)容易發(fā)生諧振導(dǎo)致過電壓。所以一般采用的是稍微過補償狀態(tài)，即消弧線圈的電流略超過系統(tǒng)的單相接地電容電流，接地點的電容電流全被補償，但還有5A以內(nèi)的電感電流，這樣既能使接地點電流降低到安全值，又使系統(tǒng)遠(yuǎn)離諧振點不會過電壓。補償電流通過調(diào)整消弧線圈的電感量進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置時按系統(tǒng)的電容電流進(jìn)行確定。

圖3 單相接地時消弧線圈對接地電容電流的補償

由于電力系統(tǒng)的資料不容易收集齊全，且在對小型煤礦進(jìn)行設(shè)計時對系統(tǒng)電容電流計算方面重視度不夠，小型煤礦對電容電流的計算基本上都是各自為政，只對煤礦范圍內(nèi)的電容電流進(jìn)行計算，其較小的計算值導(dǎo)致基本上都不設(shè)置限制單相接地電容電流的裝置。個別煤礦雖設(shè)置了單相接地電容電流限制裝置，但補償量只有本礦的電容電流，大大小于系統(tǒng)的電容電流，所以也形同虛設(shè)，過大的電容電流始終是我省小型煤礦進(jìn)行安全生產(chǎn)的潛在威脅。但若每個用戶都按系統(tǒng)進(jìn)行單相接地電容電流補償也是不行的，見圖4，此時會形成大幅度的過補償，接地點形成遠(yuǎn)超電容電流的電感電流，由于電感對電流突變的抗拒特性，其產(chǎn)生的電弧更難熄滅，過電壓現(xiàn)象也更加劇烈，危害甚至超過電容電流。所以，補償量的確定必須要站在整個10kV系統(tǒng)的層面上來進(jìn)行，統(tǒng)籌考慮。補償裝置獨立設(shè)置時，補償量按總的接地電容電流確定（此方式相對設(shè)置成本低，容易控制，建議優(yōu)先采用）；補償裝置分散布置時，補償量參考各線路的電容電流由管理部門統(tǒng)籌安排（此方式控制難度很大，不建議采用）。

圖4 單相接地時多出配置消弧線圈對接地電容電流的補償

現(xiàn)在有的小型煤礦采用了消弧消諧裝置來消除接地點的電弧，其原理是當(dāng)發(fā)生接地故障時，在變電站內(nèi)將該相直接接地，利用靠近變壓器回路電阻相對較小的地點優(yōu)勢，使接地點電容電流大幅度減小達(dá)到熄滅電弧的目的。但是此方法首先是在接地點電弧已發(fā)生后才進(jìn)行的一個保護(hù)動作，比消弧線圈要延遲許多；其次此方法實際是一個同相多點接地，對10kV系統(tǒng)而言，幾十歐的接地電阻差別對接地電容電流的幅值幾乎沒有影響，所以只是一個分一半接地電流的裝置，如果10kV系統(tǒng)不大，總單相接地電容電流電流不超過20A的情況下還是非常有效的，直接分流一半使接地故障點的電容電流減小到10A以下。但對有多個用戶的大型10kV系統(tǒng)，起到的作用就不甚明顯，不宜采用。要很好的消除電容電流的危害，應(yīng)盡快的切斷故障線路，所以在煤礦井下應(yīng)采用有效的高壓漏電保護(hù)裝置，在地面可以采用小電流選線保護(hù)裝置，及時切除故障回路。

5 結(jié)語

通過以上分析，歸納結(jié)論如下：云南省小型煤礦用電負(fù)荷小，電源線路電壓多為10kV，且與很多其它煤礦、企業(yè)及農(nóng)網(wǎng)共用一個10kV網(wǎng)絡(luò)。單相接地電容電流的計算必須考慮整個系統(tǒng)。單相接地電容電流危害很大，必須采取措施限制到規(guī)定值以下。采用消弧線圈是限制單相接地電容電流的有效措施，應(yīng)使補償處于略過補償狀態(tài)。補償量應(yīng)統(tǒng)籌考慮，不宜各自為政，特別應(yīng)防止出現(xiàn)大幅度過補償。系統(tǒng)單相接地電容電流很大時，普通的消弧消諧裝置不能有效消除已產(chǎn)生的電弧及過電壓。除采用消弧線圈抵消電容電流外，采用小電流選線裝置及井下高壓漏電保護(hù)裝置及時切除故障回路可以更有效的消除單相接地時的危害，但同時必須保證重要負(fù)荷雙回路的供電，以免發(fā)生通風(fēng)機等重要設(shè)備的停運。