斜沟矿区10kV系统电容电流综合治理研究与应用

康志国

（山西西山晋兴能源有限责任公司机电部，山西太原030053）

0 引言

斜沟矿区是具有1 500万吨原煤生产能力和3 000万吨原煤洗选能力的大型煤炭生产矿区，在其快速发展的过程中，10 kV 供电系统的线路和新增负荷不断增加，导致斜沟矿区10 kV 供电系统的电容电流也持续快速增长，当前矿区10 kV 系统电容电流已经达到了较大规模，而原有消弧装置的补偿能力满足不了矿井供电系统发展，矿区单相接地电容电流补偿后无法达到《煤矿安全规程》中规定值。当单相接地电流超过规定值时，电弧很难熄灭，过大的单相接地电流会引起电缆烧穿放炮，极易形成两相接地短路，甚至容易引起瓦斯爆炸，弧光接地还会引起全系统过电压，造成多点接地，影响矿井正常生产，并给人身安全带来威胁，因此我们对斜沟矿区10 kV系统过大的电容电流进行了系统性的研究。

1 斜沟矿区10 kV供电系统电容电流概况

斜沟矿井110 kV变电站于2009年5月投入运行，是斜沟矿区10 kV供电系统的唯一核心电源。在斜沟煤矿生产建设初期，10 kV供电系统规模较小，采掘工作面的距离都较近，入井和地面的10 kV 电缆线路长度都较短，斜沟矿井初期10 kV系统Ⅰ、Ⅱ段的电容电流分别为45 A和51 A，因此初期在安装使用的最大补偿能力66 A的消弧装置能够基本满足灭弧需求，随着矿井生产的延伸和1 500万吨的生产能力达产，大量新增负荷和拓展延伸线路，致使10 kV 供电系统的电容电流快速增加，斜沟矿井电容电流发展情况如表1。

表1 斜沟矿区110kV变电站10kV系统电容电流发展情况统计

由表1 可知，随着矿井发展到2012 年建设初期的消弧装置已经不能满足斜沟矿井电容电流补偿需求，因此改造更换了最大补偿容量120 A 的消弧装置，基本满足了当时斜沟矿井生产发展需要，同时在2013年还新建投运了一座风井35 kV 变电站，分担了110 kV变电站10 kV 部分线路供电和承担了大量新增负荷。但随着斜沟矿井工作面供电线路的延伸和新增线路，到2018 年底110 kV 变电站10 kV 供电系统的消弧装置再次遇到了补偿能力不足的情况。

斜沟矿区10 kV供电系统的电容电流随着矿区快速发展而不断增加，多次扩容改造更换消弧装置，来满足矿井电网电容电流的补偿需求，造成了设备重复投资，同时在消弧装置在使用过程中存在对电容电流检测不准，补偿不准弧光难以熄灭等情况，因此急需对斜沟矿区10 kV系统的电容电流进行系统研究。

2 斜沟矿区10 kV系统电容电流过大原因分析

当前斜沟矿区10 kV供电系统Ⅰ和Ⅱ段母线单相接地电容电流已经达到148 A 和135 A，是矿井10 kV系统规模多年快速增长的结果，造成10 kV 系统电容电流过大的原因主要两个方面。

2.1 矿区10 kV供电系统结构不合理

如图1所示，斜沟矿区的10 kV供电系统主要由斜沟矿井110 kV 变电站的10 kV 系统构成，其承担着斜沟矿区井下多个采区、掘进工作面供电，全矿井运输供电，地面3 000万吨选煤厂、生活办公区和部分铁路供电等负荷，虽然后期建设的一号风井35 kV 变电站承担了110 kV 变电站的部分10 kV 负荷，但是随着矿井采掘的不断延伸和各种新增负荷，造成了110 kV变电站的10 kV 系统规模的再次增长。10 kV 供电负荷的过度集中是造成斜沟矿井110 kV变电站10 kV系统电容电流值居高不下的重要原因。

图1 斜沟矿区当前供电系统运行

图2 斜沟矿区供电系统发展规划

国内神东、宁煤等同类型的千万吨矿井均是采用1～2 个110 kV 变电站枢纽供电，多个35 kV 变电站分散负荷供电的方式，将10 kV系统进行的合理分割，其每个35 kV 变电站10 kV 系统的电容电流在40 A～50 A。如图2 所示，在斜沟矿区供电系统发展规划图中，设计规划了二号、三号风井35 kV 变电站用来承接斜沟矿区110 kV变电站负荷，用来缩减分割当前110 kV变电站10 kV供电网络，这样每个35 kV变电站的消弧线圈的容量不用做的太大，其检测控制程序更成熟，补偿精度更准确，残流更低。而当前斜沟矿区的10 kV系统由于全部集中在一起，在供电系统结构上设计不够合理，造成当前10 kV电容电流居高不下，而国内只有少数能生产如此大容量消弧线圈的厂家，产品成熟可靠性上褒贬不一，造成了电容电流补偿不精确，系统接地时弧光熄灭困难。

2.2 矿区电缆使用不合理

斜沟矿区10 kV井下和地面供电系统大规模使用长距离电缆供电，同时在电缆截面选择上没有合理设计和限制，往往在敷设电缆时，为了以后使用过程中有足够载流量富裕，采用了更大截面的电缆，致使系统电容电流逐步变的更大。根据《电力工程电气设计手册》第1 册(电气一次部分) 中10 kV 电缆线路各截面电容电流给出的计算公式：

式中：S-电力电流的截面积，mm2；Ue-电力电缆的额定电压，kV。

由上式可计算出各个截面电缆的电容电流，同时当前矿井普遍使用的是交联聚乙烯铠装电缆，由于其结构特点，交联聚乙烯铠装电缆每相对地电容值比电气设计手册中油浸纸绝缘电缆模型的每相对地电容值要低，根据单相接地电容电流计算公式：

式中：Ue-电力电缆的额定电压，kV；C-每相对地电容，uF。

因此交联聚乙烯铠装电缆的单相接地电容电流比同截面的纸绝缘电缆的电容电流大，根据供货厂家提供的参数和出厂试验实测数据，与《电力工程电气设计手册》中给出的数据相比，交联聚乙烯铠装电缆的单相接地电容电流约增大30%，同时考虑变电站电气设备引起的10 kV 系统电容电流增加附加值16%，则对斜沟矿区电缆线路的电容电流值进行的详细统计计算。

同时为了进一步了解斜沟矿区10 kV系统的电容电流情况，对斜沟矿区10 kV 系统进行了单相接地实测试验，采用10 kV 系统出线单相经高阻直接接地方法，测量其单相接地时的零序电压U0和流过高阻的电流IR，根据经验公式：

式中：100为直接接地时的零序电压（100 V）

进一步可算出系统的单相接地电容电流，经过高阻接地实测试验得到斜沟矿区10 kV系统I段、II段的电容电流分别为148.01 A、135.11 A。斜沟矿区电容电流的具体情况统计如28页表2所示。

由表2可知斜沟矿井110 kV变电站10 kV系统采用截面120 mm2以上的电缆占比达到了90%，在电缆选择上存在过度使用问题，不仅造成了电缆的浪费还造成系统电容电流不断增长，因此急需采取相应措施来抑制未来矿井电容电流的快速增长。10 kV系统的电容电流现场实际运行值已经达到了I 段148 A、II 段135 A 的高值，虽然日常运行规程中10 kV 系统I、II 段采用分列运行方式，但当10 kV 系统采用母联合环运行的特殊情况时，此时若发生系统接地情况，消弧线圈需要解决的是I、II段电容电流的总值283 A，因此在选择消弧线圈时不仅要求单个有足够补偿容量，还需要能够在系统合环时具备联动作用，同时投入消弧线圈，避免灭弧不及时甚至系统发生谐振情况。

表2 斜沟矿井110 kV变电站10 kV电缆长度统计及电容电流计估算

3 大容量消弧装置的实践应用

当前斜沟矿区110 kV变电站10 kV系统电容电流已经发展成较大规模，在没新建35 kV 变电站转移10 kV 负荷情况下，又不能影响矿井的正常生产，只能采取更换更大补偿容量的消弧装置，因此我们通过调研定制了两套ZDBG-10/15-200 型成套消弧装置，其最大补偿容量为200 A，分别安装在10 kV系统的I、II段，消弧装置的工作原理图如图3所示。

图3 消弧装置的工作原理

新安装的消弧装置全部根据微机控制采用直流励磁的方式输出电感电流，具体通过改变交流工作线圈内的铁芯磁化段磁路上的直流助磁磁通大小来调节交流等值磁导，对三相全控整流电路输出电流的闭环调节，使消弧装置电抗器的补偿电感电流能在0 A～200 A 之间随意输出，同时得益于当前微机CPU 运算能力的大幅提高，能够处理大量数据，对这类电抗器伏安特性上自身的非线性进行动态修正。ZDBG-10/15-200型消弧装置的能够在20 ms 以内将励磁电流从0 A～200 A，真正实现无级连续可调消，相较传统调匝式消弧线圈，它没有连接触点、可靠性高、调节速度快、使用寿命长。

在消弧装置能够最大输出200 A电感电流的硬件条件满足的情况下，重点就是对消弧装置软件程序上的编程设置，当前消弧装置的一次设备硬件大多数都能满足，但是普遍存在的情况是对系统电容电流的检测不准，电容电流测不准，消弧线圈就不能够准确输出电感电流，也无从达到接地点灭弧效果，因此我们在系统电容电流软件算法上，多次变动开口三角电压，增加采样取值点，最终软件检测出的电容电流为147 A、136 A基本与系统实测值一样，并且随10 kV供电系统负荷的变化而准确变化，基本达到了设计要求，同时消弧装置200 A的最大输出能够满足矿井未来5～10年采掘延伸导致的电缆远距离敷设和矿井新增负荷，为将来的矿井发展提供有力保障。

4 抑制10 kV系统电容电流增长电缆管理方式

采用大容量消弧装置应对对斜沟矿区10 kV电网电容电流现状的同时，我们还制定了控制斜沟矿井110 kV变电站10 kV系统单相接地电容电流超标的具体控制措施。

(1)斜沟矿区所有新安装10 kV 高压电缆需经过矿、厂机电科技术人员选型设计计算，并经上级审核批准后方可实施安装。严格控制高压电缆出线回路数、长度和电缆截面，尽可能控制电容电流的增量。

(2)电缆截面选择应严格按照选型计算结果选取，满足使用要求前提下应尽量减小截面。开掘工作面不允许提前按照综采标准敷设10 kV 高压橡套电缆，电缆截面没有特殊原因不得超过35 mm2，开掘工程结束后应及时回收高压电缆；综采工作面敷设的10 kV 高压橡套电缆，原则上大采高和放顶煤工作面高压电缆不允许超过3 路，低采高综采工作面高压电缆不允许超过2路，电缆截面没有特殊原因不得超过95 mm2。

(3)开掘工作面和综采工作面顺槽排水电源应优先选用变电所1 140 V 低压供电或利用工作面现有移动变电站供电，不得专设移动变电站供电。

(4)备用综采工作面和无负荷的移动变电站在没有必要的情况下应尽量断开高压供电线路。

(5)斜沟煤矿、选煤厂或安装施工单位领取各类10 kV高压电缆时，必须持审核批准的设计或领料计划或领料单。

(6)对于斜沟煤矿现使用的或库存新、旧120 mm2及以上10 kV 高压橡套电缆，为节约采购成本和消耗库存量，可继续使用，但只限用于综采大采高或综放工作面。从本规定下发日起，没有审核批准的设计，不得新购120 mm2及以上10 kV高压橡套电缆。

4 结论

通过对斜沟矿区10 kV系统电容近年来电流快速增长分析，得知斜沟矿区10 kV 系统电容电流过大的原因，为此采取大容量成套消弧装置进行补偿灭弧并制定矿井电缆使用管理办法来抑制电容电流增长的措施，有效应对并解决了斜沟矿区10 kV 电网电容电流过大的情况，有效保障了矿井安全，在矿井供电系统电容电流综合治理的方法上为其他矿井提供经验。