淺析鐵礦井下供配電變壓器中性點(diǎn)不接地與保護(hù)接地

萊蕪鋼鐵集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司 郭雙全

1 引言

近些年，鐵礦資源開采中的地表開采數(shù)量逐漸減少，部分鐵礦資源開采單位逐漸到地下環(huán)境中開采鐵礦，全新建成的井下礦產(chǎn)開采部門越來(lái)越多。井下供配電變壓器是井下采礦的必要前提，井下電氣設(shè)備要避免接零問題的出現(xiàn)。井下開采要使用礦用變壓器，保證中性點(diǎn)不接地。變壓器的中性點(diǎn)要避免引出載流中性線，根據(jù)變壓器中性點(diǎn)運(yùn)行方式，將電氣設(shè)備外殼和金屬底座根據(jù)相關(guān)電氣規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的接地保護(hù)方法。一般而言，即便出現(xiàn)設(shè)備相線碰殼漏電的情況，設(shè)備外殼帶電也僅會(huì)在瞬間出現(xiàn)，帶電電壓不會(huì)超出安全電壓范圍。

2 電阻接地方式的優(yōu)越性

高壓配電系統(tǒng)選擇適合的中性接電方法，主要從六個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行綜合分析論證，最終選取最優(yōu)的接地辦法。

一是電力變壓器的絕緣等級(jí)必須和在中性點(diǎn)上直接接地的設(shè)備制造要求一致。二是最有效地控制因單相接地故障時(shí)所產(chǎn)生的異常電流變化。三是一種最簡(jiǎn)單的安全單相接地繼電保護(hù)技術(shù)。四是單相接地電壓會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生危害。五是與電纜導(dǎo)線的絕緣等級(jí)比較適配。六是單相接地電壓對(duì)通信線路也會(huì)產(chǎn)生影響。

國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)和民用高壓配電系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用過程中，中性點(diǎn)非接地或是經(jīng)消弧線圈接地在長(zhǎng)期使用過程中，中性點(diǎn)和非接地小電流接電系統(tǒng)中有待提升的部分包括以下幾方面。

一是變壓器需要完全處于絕緣狀態(tài)，并且絕緣等級(jí)同絕緣體造價(jià)呈現(xiàn)出正比關(guān)系。配電電纜絕緣性能相對(duì)較高。

二是產(chǎn)生單相接電問題時(shí)，異常的過電電壓倍數(shù)相對(duì)較高，也就是間歇性電弧接地過電壓不超過3倍數(shù)值，個(gè)別電壓為3.5倍數(shù)值關(guān)系。若是出現(xiàn)單相接地電壓諧振過電壓，電壓數(shù)值可能會(huì)達(dá)到6～7倍數(shù)值。

三是繼電保護(hù)的方法受到單相接地影響，接地電流比較小或是簡(jiǎn)寫接地故障導(dǎo)致接地電流不穩(wěn)定，并且檢測(cè)情況不靈敏，便無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障信號(hào)或是跳開故障線路。容易造成多相短路問題的出現(xiàn)，電纜也可能起火。依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌虻贸鼋拥仉娏鞔笥?.8A，便存在電纜火災(zāi)危險(xiǎn)的可能性。因此設(shè)備電纜造價(jià)要相應(yīng)提升，電纜可靠性和故障排除效率無(wú)法得到提高，電氣設(shè)備存在被損壞的可能。尤其是選用電纜線路為主要線路的工業(yè)單位，無(wú)法有效避免電纜火災(zāi)事故的發(fā)生。

傳統(tǒng)高壓配電系統(tǒng)中的中性點(diǎn)不接地小電流接地系統(tǒng)需要被更新，選用經(jīng)電阻接地的“中電流接地系統(tǒng)”中電流和電阻接地方法。

單相接地異常過電會(huì)得到有效控制，采用電阻接地系統(tǒng)的等值電路如圖1所示。

圖1 采用電阻接地系統(tǒng)的等值電路

其中，Z0=-，同接地電阻Re屬于并聯(lián)關(guān)系。當(dāng)Z0+Z1+Z2=0時(shí)，接地電阻Re具備一定阻值，異常過電電壓可以得到有效控制。當(dāng)Re=Xe時(shí)，健全項(xiàng)的V0和Vc電壓便是Vb和Vc。減少R 的數(shù)值，流過電阻的電流便會(huì)從20～30A 提升到100A 左右。選擇合適的R 能夠保證經(jīng)過R 的電流保持在100A左右，大概是一般系統(tǒng)電容電流的3倍數(shù)值。

提升繼電保護(hù)裝置的檢測(cè)靈敏程度，提升保護(hù)可靠程度。根據(jù)以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在3～10kV 電壓電網(wǎng)中，出現(xiàn)單相接地故障的頻率在有效接地電流中占據(jù)20%～30%占比。20A 接地電流在實(shí)際中僅有4～6A 電流量，5A 接地電流實(shí)際上僅存在1.5A電流。通過電流交互傳感器后的試驗(yàn)檢測(cè)，能夠得出二次電流會(huì)再次減少，因此選用CT 并不能將其檢測(cè)出來(lái)。選用100A 的電阻接地系統(tǒng)，單次能夠檢測(cè)到的故障電流大概為20～30A 數(shù)值，檢測(cè)靈敏程度也會(huì)得到大幅度提升，屬于保護(hù)可靠動(dòng)作的必要前提，在繼電保護(hù)裝置上選用合適措施，能夠提升繼電保護(hù)可靠性。

3 供配電變壓器工作接地的分類與特點(diǎn)

配電變壓器或者低壓發(fā)電機(jī)上的中性點(diǎn)，會(huì)通過接地裝置與地面建立聯(lián)系，這稱為工作接地。而工作接地又可以被區(qū)分為直接接地和非直接接地2種類型。其中，非直接接地也可能被區(qū)分為不接地或者是消弧線圈接地。在工作接地條件的情況下的直接接地電流，通常也可以被限制在4Ω 范圍內(nèi)。

3.1 直接接地

中性點(diǎn)電流直接接地，是指的是在動(dòng)力系統(tǒng)中具有的一條中性點(diǎn)電流直接接地，也可以直接或間接地利用較小電流與接地裝置相連。這種狀態(tài)下，中性點(diǎn)直接接地始終保持在零供電狀態(tài)。系統(tǒng)發(fā)生相接的事故后，可以影響無(wú)事故相對(duì)地電流的增加，保障單項(xiàng)用電設(shè)備安全程度。中性點(diǎn)直接接地后，相接地故障出現(xiàn)的電流比較大，一般能夠?yàn)槭Ｓ嚯娏魈峁┍Ｗo(hù)，抑或是出現(xiàn)電流保護(hù)的動(dòng)作，切斷電源會(huì)造成停電問題的出現(xiàn)[1]。人身相對(duì)的電擊時(shí)，危險(xiǎn)事故出現(xiàn)的概率會(huì)提升。人員觸電問題發(fā)生時(shí)，事故電流會(huì)通過人體和變壓器形成接地回路。如此一來(lái)，工作接地電阻通常都被限制在4歐姆極化的數(shù)值，相比于人身電流來(lái)說就比較低，因此基本可忽略也不計(jì)。人體電流如果是按1000Ω 設(shè)計(jì)，經(jīng)過人體的最大電流便是220mA。已經(jīng)得知20～25mA 以上的電流便會(huì)對(duì)人體造成威脅，因此100mA 明顯會(huì)對(duì)人體生命安全造成威脅[2]。可見變壓器中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，產(chǎn)生人身相對(duì)的電擊存在較高危險(xiǎn)程度。中性點(diǎn)直接接地的方法并不適合連續(xù)供電需求量較高的場(chǎng)所。供配電變壓器直接接地方式如圖2所示。

圖2 供配電變壓器直接接地方式

3.2 非直接接地

中性點(diǎn)電壓非直接接地指的是在供電系統(tǒng)中，中性點(diǎn)不直接接地，或者經(jīng)消弧線環(huán)、電壓互感器、高電流與接地裝置相連接。中性點(diǎn)不直接接地，將會(huì)降低人體在受到電擊后流過身體的電流，從而減小了設(shè)備外殼對(duì)的電流。單相接地故障產(chǎn)生的電流比較小，并且接地時(shí)三相線電壓大小不變[3]。故障一般不需要停電處理。出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，一般會(huì)允許在2h 時(shí)間范圍內(nèi)持續(xù)發(fā)生用電故障時(shí)，接地相對(duì)的電壓減少，而不是故障另外兩個(gè)接地電壓升高，最高能夠達(dá)到1.73倍數(shù)值。因此要根據(jù)電壓線綜合考慮用電設(shè)備絕緣能力，提升設(shè)備造價(jià)。

4 井下電力負(fù)荷分類與接地方式

4.1 井下電力負(fù)荷

礦井的設(shè)備，主要由通風(fēng)機(jī)、向下開采的采區(qū)排水裝置，以及升降的立井提升機(jī)等設(shè)備所組成。一級(jí)設(shè)備如果在供電過程中突然發(fā)生中斷情況，便很可能導(dǎo)致重大人員傷亡或重要設(shè)施損壞。造成的事故后果并不能在較短時(shí)間范圍內(nèi)恢復(fù)，會(huì)為礦井造成比較大的經(jīng)濟(jì)損失。礦井中的二級(jí)負(fù)荷包含電氣采掘設(shè)備、主提升機(jī)、井下電機(jī)車、破碎裝置和斜井提升設(shè)備等。二級(jí)負(fù)荷供電終端，會(huì)為礦井造成比較大的經(jīng)濟(jì)損失，可能導(dǎo)致礦井減產(chǎn)[4]。礦井下環(huán)境比較潮濕，巷道狹窄且移動(dòng)設(shè)備數(shù)量多。類似電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)這類移動(dòng)設(shè)備在工作時(shí)需要拖拽供電電纜，電氣設(shè)備和電纜的絕緣層容易被損毀，導(dǎo)致漏電觸電事故的發(fā)生。

4.2 井下供配電變壓器中性點(diǎn)不接地

依據(jù)先前提到的變壓器中性點(diǎn)接地類型和接地特點(diǎn)，綜合井下電力負(fù)荷狀態(tài)。要保證供電系統(tǒng)具備連續(xù)性特點(diǎn)。選用中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，出現(xiàn)絕緣層損毀導(dǎo)致漏電問題，可能會(huì)造成線路短路和開關(guān)跳閘情況[5]。若是總開關(guān)出現(xiàn)跳閘問題，供電系統(tǒng)可能會(huì)停電。礦井下供電系統(tǒng)全部停電后，井下通風(fēng)、人員以及排風(fēng)一級(jí)負(fù)荷便會(huì)失去控制，災(zāi)難造成的嚴(yán)重后果無(wú)法被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因此，礦井供電系統(tǒng)要選用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，確保漏洞不跳閘。中性點(diǎn)不接地能夠減少人身遭受電擊過程中經(jīng)過人體的電流數(shù)量，減少設(shè)備外殼對(duì)地電壓。

4.3 井下電氣設(shè)備必須做好保護(hù)接地

變壓器中性點(diǎn)不接地的供電系統(tǒng)中，電網(wǎng)會(huì)對(duì)地絕緣但漏電設(shè)備對(duì)地依舊存在比較低的電壓，并且這一電壓屬于長(zhǎng)期存在狀態(tài)。電網(wǎng)絕緣性能降低后，對(duì)地電壓便可能產(chǎn)生威脅，為了有效避免危險(xiǎn)的出現(xiàn)，井下供電系統(tǒng)要落實(shí)科學(xué)的接地方法，全部電氣設(shè)備金屬外殼均要做好保護(hù)接地，保護(hù)接地電阻要控制在2Ω。

5 接地電阻測(cè)量安全注意事項(xiàng)

一是在檢測(cè)接地電流前，要把配電變壓器的接地裝置接地下線，和電氣設(shè)備間的連接電纜全部切斷，以防止接地體帶電電流對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾。三相負(fù)荷的不均勻程度較高，容易導(dǎo)致接地體帶具備較多電位，進(jìn)而引起人體觸電和測(cè)量?jī)x表?yè)p壞問題。

二是在斷開接地或引出下線前，應(yīng)設(shè)置人工輔助接地裝置，在輔助接地裝置與供電變壓器之間串聯(lián)。避免斷開被測(cè)接地體或引下線，因三相負(fù)荷不均勻引起配電變壓器的中心點(diǎn)電位值偏離。

三是土壤電位的檢測(cè)針P′應(yīng)設(shè)置在零電位點(diǎn)，而且根據(jù)土層中存在的土壤電位衰減特性，在距接地體20m 處的范圍內(nèi)土壤電位也將衰減值為零。所以，P′的位置以距接地體E′20m 處為宜。但因?yàn)閷㈦娏鳈z測(cè)針插入地點(diǎn)時(shí)需要綜合電阻等因數(shù)數(shù)據(jù)，因此設(shè)定數(shù)值大概為20m，距離出現(xiàn)變化會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。電流檢測(cè)針接入地必須保證檢測(cè)針與環(huán)境接觸達(dá)到較好的結(jié)果。檢測(cè)針接地電流太大，必須對(duì)接入地潑水或使用減阻劑減小電流接觸阻力。

四是使用的連接線導(dǎo)線截面面積不可過小，不然會(huì)導(dǎo)致接地電阻阻值過大。因此要更換接地電阻，使其表面絕緣連接導(dǎo)線，保證接地電阻不低于儀表配置的導(dǎo)線截面，絕緣性能也要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。此外各個(gè)端口鈕接線要保持比較好的接觸效果，避免增加接觸電阻數(shù)值。

五是電位探測(cè)針P′和磁場(chǎng)檢測(cè)針C′，應(yīng)設(shè)置在與道路或者地下金屬管線的垂直方向，降低對(duì)被測(cè)回路的影響。此外，兩針引線長(zhǎng)度都要保證在1m 左右。

六是接地電阻表使用之前要?dú)w零處理，儀表要放置在水平位置，接地電阻表生產(chǎn)轉(zhuǎn)速一般為120轉(zhuǎn)/min。

6 結(jié)語(yǔ)

選用電阻接地中的電流接地電纜在經(jīng)濟(jì)上能夠節(jié)省資金投入，技術(shù)上能夠保障安全，同時(shí)具備較多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)電阻接地的科學(xué)性。因此這種接地方法值得被推廣，屬于先進(jìn)技術(shù)類型之一。要對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)存的3～110kV 系統(tǒng)非接地小電流系統(tǒng)進(jìn)行改革升級(jí)，落實(shí)鐵礦井下供配電變壓器中性點(diǎn)不接地和保護(hù)接地措施，升級(jí)系統(tǒng)具備關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。