马兰矿电容电流治理方法的研究

周恭礼，张庆斌

马兰矿电容电流治理方法的研究

周恭礼1，2，张庆斌1，2

(1.中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州 221008;2.西山煤电(集团)公司，山西 太原 030053)

煤矿电网中单相接地故障约占系统总故障率的80%左右。阐述了单相接地电容电流的危害，分析了电容电流常用的治理方法的优缺点。结合马兰矿电网的实际电容电流分布情况，采用隔离变压器分区的方法对马兰矿电容电流进行有效治理，提高了马兰矿供电系统安全可靠性，具有较高的经济社会效应。

电容电流;隔离变压器;单相接地;消弧线圈

随着国民经济的快速发展，煤炭行业普遍提高了产量，随之供电需求快速增长，电网的电容电流也快速增长。《煤矿安全规程》明确规定：“矿井高压电网，必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20 A。”

1 单相接地电容电流的危害

矿井高压(6 kV)电网线路主要是由电缆组成，由于煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，电气设备和电缆的绝缘材料容易受潮，电缆也可能被脱落的岩石和煤块砸坏，甚至被移动的机器设备挤压等，从而造成单相接地事故。主要危害有［1，2］：

1)当配电网发生单相接地时，电弧不能自灭，很可能破坏周围的绝缘，使非故障相的绝缘被相继击穿，形成相间短路;还可能在高温电弧的作用下，直接使电缆和接线盒等的相间绝缘烧坏，造成相间短路。

2)当发生间歇弧光接地时，可能引起高达3.5倍相电压的弧光过电压，引起多处绝缘薄弱的地方放电击穿和设备瞬间损坏。

3)配电网的谐振过电压现象比较普遍，时常发生电压互感器烧毁事故和熔断器的频繁熔断，严重威胁着配电网的安全性和可靠性。

4)当人身触及三相电网的任何一相导体时，相当于该电网通过人身电阻出现了单相漏电故障。人身触电电流不仅正比于电源电压，而且随着电网对地电容值的增加而增大，同时，还随对地的绝缘电阻值变化而变化。所以当漏电电流较大时会对人身造成很大伤害。

5)井下煤矿电气设备发生接地时，通过高电阻接地电容电流易形成间歇弧光接地，易引起煤尘爆炸。鉴于单相接地或漏电电流严重的潜在危害，西山煤电集团公司马兰矿技术人员对抑制单相接地电流的措施进行了深入的研究，提出了多种限制单相接地电容电流的方法。

2 单相接地电容电流治理方法

目前，出现的单相接地电容电流治理方法主要有［3］：改变系统运行方式、缩小系统规模、采用接地分流消弧消谐装置、改变中性点接地方式等。

1)改变系统运行方式。该方法一般将系统运行方式由并列运行改为分列运行，相当于将6～10 kV大系统分为2个或多个小系统，一般适用于电网规模不大，且从经济上考虑具备分列运行条件的系统。

2)采用接地分流消弧消谐装置。该方法在发生单相电弧接地时，通过在接地相并联接地电阻，根据分流原理将接地点电流引流，将不可控的接地点变为实接地点，使故障接地点的电弧熄灭，同时利用过电压保护器限制接地相电压升高，起到熄弧作用。

在系统发生金属性接地、稳定电阻性接地时装置不动作，接地点电流没有改变。

在系统发生弧光接地时，装置动作引流熄弧。

该方法从严格意义上讲并非一种完善的治理方案，不符合《煤炭安全规程》457条的要求，系统单相接地电容电流并未限制在20 A以内;仅在电弧接地时进行接地分流，起到熄弧作用，对金属性接地和稳定阻性接地不起作用;不能降低人身触电危险性;装置动作时，接地故障信息均被引至消谐柜，造成井下接地保护失效;会使非故障相电压无论在发生何种接地故障时都上升为线电压，对电缆绝缘构成威胁;不能有效降低电缆由单相接地发展为短路(放炮)的几率。当接地分流装置鉴相错误时，容易造成事故扩大。该方法安全性较差，不建议采用。

3)改变中性点接地方式。

即将中性点不接地系统改造为中性点经消弧线圈接地系统，利用消弧线圈产生的电感电流抵消系统的单相接地电容电流，从根本上使接地故障点的接地电流减小。

高压电网单相接地电流主要是电容电流。如果能够在发生单相接地时用电感电流部分或全部抵消掉电容电流，则单相接地电流将大大减小。基于此思想设计了消弧线圈，消弧线圈是一个可调电感线圈，线圈的电阻很小(消耗功率小)，电抗很大(保证对地绝缘水平)，电抗值改变可采用多种方法。发生单相接地故障时，通过消弧线圈使接地处流过一个与容性接地电流相反的感性电流，从而减小、甚至抵消接地电流，消除接地电弧引发的问题，提高供电可靠性。

4)缩小系统规模。

该方法采用隔离变压器，将6～10 kV大系统从根本上分隔为多个接地小系统。

目前，煤炭系统治理电容电流普遍采用消弧线圈接地方式，但由于消弧线圈接地方式下各种接地保护原理普遍存在局限性，导致选线或接地保护动作准确率不高，因此，消弧线圈接地系统接地故障判断准确率成为研究难题。另外消弧线圈虽然降低了接地点电容电流，但在抑制过电压方面仅起到降低概率作用，并且某些类型消弧线圈由于补偿原理的限制，仍有发生铁磁谐振、间歇性接地故障时造成系统振荡等缺陷，因此，消弧线圈在煤矿系统使用也是褒贬不一。

煤矿采用消弧线圈治理电容电流方案，但其井下接地保护普遍采用零序无功功率方向与零序过电流原理，这些原理在中性点经消弧线圈接地系统均失效，因此消弧线圈虽然降低了煤矿电网的电容电流，但对接地保护系统的影响较大，造成了接地故障查找困难。

在发生地面接地故障时误选为井下接地，造成接地故障处理时间过长;井下接地故障时，井下保护不动作或误动作造成故障影响面扩大。目前，在发生接地故障后，一般若选出地面支路，直接停电，若不准确，再采用拉线法判别，出于确保井下供电的可靠性，先从地面线路停电，最终再拉下井线路，导致事故处理时间长，影响面扩大，供电可靠性得不到保证，井下接地故障排查困难，系统长时间带接地故障运行，导致故障升级为接地短路故障，若此时有瓦斯超限情况，则后果不堪设想，因此安全隐患较大。

鉴于上述原因，在条件允许情况下，采用分区供电的方式来限制煤矿电网的电容电流是治理电容电流的第一选择。分区供电是将大电网通过隔离变压器分成若干个独立的供电区块，使每个分区的电容电流在允许值以下。采用这种方式，一方面解决了煤矿电网电容电流过大的问题，另一方面，提高了选择性接地(漏电)保护装置的动作可靠性、灵敏性和准确性，保证了煤矿供电的安全可靠性。同时若隔离变压器带有分抽头时，当供电线路过长，还可以对供电线路的电压进行调节;此外隔离变压器可以对电网中的谐波起到隔离的作用，可大大提高煤矿电网的电能质量。

3 马兰矿单相接地电容电流治理方案研究

综上所述，根据马兰矿实际供电情况，将其下井线路经限流电抗器供电改造为经隔离变压器进行供电，从而实现有效分区。马兰矿6 kV电网改造前电容电流实测数据见表1。

表1 改造前电容电流实测数据表

进行改造前，对马兰矿6 kV电网采用分区供电(即井下采用隔离变压器供电)方式下的电容电流数据进行了估算，结果见表2。为了检验改造的效果，在改造后对各个独立供电分区的电容电流进行了实际测试，测量数据见表3。

由表2和表3可知将马兰矿6 kV供电系统经隔离变压器分为4个分区，即6 kVI段地面系统、6 kVI段井下系统、6 kVII段地面系统、6 kVII段井下系统是行之有效的。各分区电容电流在各种运行方式下均小于《煤矿安全规程》20 A限值。

表2 分区供电方式下电容电流估算结果表

表3 分区供电方式下电容电流实测数据表

4 小结

采用分区供电的方式进行煤矿电网单相接地电容电流的治理，避免了消弧线圈对选择性接地(漏电)保护装置的影响;隔离变压器替代限流电抗器，使供电系统运行方式的变化具有更大的灵活性;减少接地故障处理时间，提高了马兰矿供电系统的安全可靠性，具有较高的经济、社会效益。

［1］ 王崇林.中性点接地方式与消弧线圈［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1999：9－37.

［2］ 张学松.鄂尔多斯地区煤矿10 kV供电安全隐患分析［J］.煤矿开采，2008，13(5)：76－77.

［3］ 郭洋洋.矿井高压电网单相接地电容电流的测量与限制［J］.煤炭科学技术，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

周恭礼(1964—)，男，山西交城人，中国矿业大学在读硕士研究生，高级工程师，主要从事煤矿工程设计及设计管理方面的工作(E－mail)zhougongli6679@163.com