馬蘭礦電容電流治理方法的研究

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.中國礦業(yè)大學 信電學院，江蘇 徐州 221008;2.西山煤電(集團)公司，山西 太原 030053)

煤礦電網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。結合馬蘭礦電網的實際電容電流分布情況，采用隔離變壓器分區(qū)的方法對馬蘭礦電容電流進行有效治理，提高了馬蘭礦供電系統(tǒng)安全可靠性，具有較高的經濟社會效應。

電容電流;隔離變壓器;單相接地;消弧線圈

隨著國民經濟的快速發(fā)展，煤炭行業(yè)普遍提高了產量，隨之供電需求快速增長，電網的電容電流也快速增長?！睹旱V安全規(guī)程》明確規(guī)定：“礦井高壓電網，必須采取措施限制單相接地電容電流不超過20 A。”

1 單相接地電容電流的危害

礦井高壓(6 kV)電網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，甚至被移動的機器設備擠壓等，從而造成單相接地事故。主要危害有［1，2］：

1)當配電網發(fā)生單相接地時，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)當發(fā)生間歇弧光接地時，可能引起高達3.5倍相電壓的弧光過電壓，引起多處絕緣薄弱的地方放電擊穿和設備瞬間損壞。

3)配電網的諧振過電壓現象比較普遍，時常發(fā)生電壓互感器燒毀事故和熔斷器的頻繁熔斷，嚴重威脅著配電網的安全性和可靠性。

4)當人身觸及三相電網的任何一相導體時，相當于該電網通過人身電阻出現了單相漏電故障。人身觸電電流不僅正比于電源電壓，而且隨著電網對地電容值的增加而增大，同時，還隨對地的絕緣電阻值變化而變化。所以當漏電電流較大時會對人身造成很大傷害。

5)井下煤礦電氣設備發(fā)生接地時，通過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重的潛在危害，西山煤電集團公司馬蘭礦技術人員對抑制單相接地電流的措施進行了深入的研究，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，出現的單相接地電容電流治理方法主要有［3］：改變系統(tǒng)運行方式、縮小系統(tǒng)規(guī)模、采用接地分流消弧消諧裝置、改變中性點接地方式等。

1)改變系統(tǒng)運行方式。該方法一般將系統(tǒng)運行方式由并列運行改為分列運行，相當于將6～10 kV大系統(tǒng)分為2個或多個小系統(tǒng)，一般適用于電網規(guī)模不大，且從經濟上考慮具備分列運行條件的系統(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，通過在接地相并聯接地電阻，根據分流原理將接地點電流引流，將不可控的接地點變?yōu)閷嵔拥攸c，使故障接地點的電弧熄滅，同時利用過電壓保護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)定電阻性接地時裝置不動作，接地點電流沒有改變。

在系統(tǒng)發(fā)生弧光接地時，裝置動作引流熄弧。

該方法從嚴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;僅在電弧接地時進行接地分流，起到熄弧作用，對金屬性接地和穩(wěn)定阻性接地不起作用;不能降低人身觸電危險性;裝置動作時，接地故障信息均被引至消諧柜，造成井下接地保護失效;會使非故障相電壓無論在發(fā)生何種接地故障時都上升為線電壓，對電纜絕緣構成威脅;不能有效降低電纜由單相接地發(fā)展為短路(放炮)的幾率。當接地分流裝置鑒相錯誤時，容易造成事故擴大。該方法安全性較差，不建議采用。

3)改變中性點接地方式。

即將中性點不接地系統(tǒng)改造為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)，利用消弧線圈產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的接地電流減小。

高壓電網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?；诖怂枷朐O計了消弧線圈，消弧線圈是一個可調電感線圈，線圈的電阻很小(消耗功率小)，電抗很大(保證對地絕緣水平)，電抗值改變可采用多種方法。發(fā)生單相接地故障時，通過消弧線圈使接地處流過一個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原理普遍存在局限性，導致選線或接地保護動作準確率不高，因此，消弧線圈接地系統(tǒng)接地故障判斷準確率成為研究難題。另外消弧線圈雖然降低了接地點電容電流，但在抑制過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償原理的限制，仍有發(fā)生鐵磁諧振、間歇性接地故障時造成系統(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，但其井下接地保護普遍采用零序無功功率方向與零序過電流原理，這些原理在中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)均失效，因此消弧線圈雖然降低了煤礦電網的電容電流，但對接地保護系統(tǒng)的影響較大，造成了接地故障查找困難。

在發(fā)生地面接地故障時誤選為井下接地，造成接地故障處理時間過長;井下接地故障時，井下保護不動作或誤動作造成故障影響面擴大。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，導致事故處理時間長，影響面擴大，供電可靠性得不到保證，井下接地故障排查困難，系統(tǒng)長時間帶接地故障運行，導致故障升級為接地短路故障，若此時有瓦斯超限情況，則后果不堪設想，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)供電的方式來限制煤礦電網的電容電流是治理電容電流的第一選擇。分區(qū)供電是將大電網通過隔離變壓器分成若干個獨立的供電區(qū)塊，使每個分區(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電容電流過大的問題，另一方面，提高了選擇性接地(漏電)保護裝置的動作可靠性、靈敏性和準確性，保證了煤礦供電的安全可靠性。同時若隔離變壓器帶有分抽頭時，當供電線路過長，還可以對供電線路的電壓進行調節(jié);此外隔離變壓器可以對電網中的諧波起到隔離的作用，可大大提高煤礦電網的電能質量。

3 馬蘭礦單相接地電容電流治理方案研究

綜上所述，根據馬蘭礦實際供電情況，將其下井線路經限流電抗器供電改造為經隔離變壓器進行供電，從而實現有效分區(qū)。馬蘭礦6 kV電網改造前電容電流實測數據見表1。

表1 改造前電容電流實測數據表

進行改造前，對馬蘭礦6 kV電網采用分區(qū)供電(即井下采用隔離變壓器供電)方式下的電容電流數據進行了估算，結果見表2。為了檢驗改造的效果，在改造后對各個獨立供電分區(qū)的電容電流進行了實際測試，測量數據見表3。

由表2和表3可知將馬蘭礦6 kV供電系統(tǒng)經隔離變壓器分為4個分區(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果表

表3 分區(qū)供電方式下電容電流實測數據表

4 小結

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

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

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

［3］ 郭洋洋.礦井高壓電網單相接地電容電流的測量與限制［J］.煤炭科學技術，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，中國礦業(yè)大學在讀碩士研究生，高級工程師，主要從事煤礦工程設計及設計管理方面的工作(E－mail)zhougongli6679@163.com