基于仿真方法对矿井交流杂散电流产生机理分析

2020-05-14董安祁

机电工程技术 2020年3期

董安祁

（西山煤电马兰矿，太原 030200）

0 引言

近些年来，随着煤矿生产水平的不断提高，对井下供电技术、电压等级、供电距离也提出了更高要求，但供电网络出现的井下交流杂散电流危害却日益严重。杂散电流不仅会腐蚀金属管道、电缆外皮，还会引起瓦斯爆炸和电雷管早爆，甚至误导检漏装置执行不正确的动作，严重影响矿井安全生产[1]。文献[2]为了分析煤矿井下出现的交流杂散电流产生机理，建立集中电路模型进行分析，但该模型无法解释杂散电流产生的原因及其规律；文献[3]为了掌握杂散电流产生机理，针对井下采区低压电缆提出了参数分布模型，但该模型存在缺陷，未考虑到电缆屏蔽层、接地极和金属网对杂散电流的影响。

本文针对井下供电情况和前人研究经验，提出基于仿真分析方法对矿井井下杂散电流产生机理进行分析，从理论上分析产生交流杂散电流原因，并利用Matlab/Simulink软件建立仿真模型，研究高低压电缆杂散电流分布规律，为煤矿防治井下交流杂散电流提供理论指导，确保井下安全供电。

1 理论分析杂散电流产生机理

1.1 产生原因

煤矿井下交流电采用的是不对称接地方式，一旦三相电路中接地绝缘或电容不对称，供电系统中的零星电流就会流经大地或供电网线周围的管线，然后流经漏电继电器中，最后返回到整个供电网络中，这就是井下交流杂散电流产生的原因[4-5]。煤矿井下交流杂散电流产生机理如图1所示。

图1 井下交流杂散电流产生机理

根据上述分析得知，供电网络虽然负载对称，但是当井下三相电线路中阻抗不对称，就会产生零星电流，经过一些导体流入整个电路网络中形成交流杂散电流。

1.2 杂散电流产生机理

煤矿井下供电系统结构原理简化为如图2所示。供电系统中的变压器T0变比为35 kV/10 kV，电路采用Δ/Y方式连接方法，变压器T0二次侧与大地连接，连接采用的是消弧线圈Lx；井下采区移动变压器分别为T1，T2，两个移动变压器的变比均为10 kV/1.14 kV，连接方式采用的是Y/Δ法，为了保护移动变压器，其二次侧安装漏电保护装置。整个供电线路中，高压电路为l0～l4，低压电路分别为l5、l6，每条电路的负载均采用Y型方式，且为RL对称模型[6]。

煤矿井下供电系统中，电缆屏蔽层和地线芯若要与保护接地系统相连，必须要通过接地导线才能实现。然而，巷道中有支护的金属网，这些金属网也是和保护接地系统相接触的，因此保护接地系统和巷道支护的金属网就成了供电系统电流流向的通路，电流经过这些通路不仅会流向整个电网，而且也会流向各个接地进入大地，传到其他金属管道或者电缆外层，这就是井下交流杂散电流产生的机理。井下杂散电流受矿井电缆绝缘程度、供电网线架设分布、巷道条件以及空气、湿度等多重因素影响，如不加以防治，不仅腐蚀井下设备，严重时还会发生安全事故[7-8]。

图2 井下交流电结构原理

2 仿真分析杂散电流产生机理

煤矿井下供电电缆受到机械设备损伤、化学腐蚀等影响，造成电缆中各个部分或者不同电缆的绝缘效果不甚相同，引起三相交流电绝缘呈现不对称现象。为了研究交流杂散电流产生机理和分布规律，采用三相电路中的最大绝缘和最小绝缘相比的不平衡性系数来表示，即用字母K代表，利用计算机Matlab/Simulink软件仿真分析高低压电缆交流杂散电流分布规律。

2.1 低压绝缘电阻不同平衡系数对杂散电流产生的影响

为了进一步掌握井下交流杂散电流机理，分析低压电缆绝缘电阻不平衡系数K在不同取值时，电流有效值呈现的规律状况。在仿真分析模型中，设置高压电缆三相中所有参数完全相同，低压不平衡系统分别设置为1.5、2和3，利用Matlab/Simulink仿真软件得到了各段的屏蔽层与地线芯中交流杂散电流有效值分布状况、金属网交流杂散电流有效值分布状况、接地极线路上的交流杂散电流有效值分布状况。3个交流杂散电流有效值分别用字母Ip、Iw和Ig表示，曲线分布如图3所示，k为屏蔽层与地线芯、金属网段序号，m为接地线的极序号。

从图3（a）和图3（b）中可以得出，低压绝缘电阻呈现不对称时产生的交流杂散电流主要发生在9～14段区间，说明由于整个低压线路绝缘电阻不对称产生了电流的泄漏，而泄漏的交流杂散电流利用漏电保护装置又流回电网中。随着流回的电流累加，电流有效值是先增大后逐渐减小，而且随着不平衡系数的增大，电流有效值变化更加明显。但是从图3（c）发现，接地极上交流杂散电流分布反而不同，在各个段之间均有交流杂散电流分布，0～3极区间逐渐增大，随后降低；3～11极区间基本处于平稳状态；11极后又逐渐增加。出现这种原因主要是低压电缆产生的交流杂散电流一部分是通过接地极流经了大地，而剩余的交流杂散电流流回了供电网络。

从图3可以看出，在高压电缆绝缘电阻不变的情况下，低压电缆绝缘电阻不对称的平衡系数越大，在屏蔽层/地线芯、金属网及各接地极中呈现的交流杂散电流有效值也就越大。从整个仿真分析看出，屏蔽层/地线芯的交流杂散电流有效值小于金属网中的交流杂散电流有效值，但是比接地极的交流杂散电流有效值大，说明巷道金属网中电阻最小，最容易导致井下交流杂散电流发生。

图3 低压绝缘电阻不同平衡系数对井下杂散电流的影响

图4 高压绝缘电阻不同平衡系数对井下杂散电流的影响

2.2 高压绝缘电阻不同平衡系数对杂散电流产生的影响

为了进一步掌握井下交流杂散电流机理，分析高压电缆绝缘电阻不平衡系数K在不同取值时，电流有效值呈现的规律状况。在仿真分析模型中，设置低压电缆三相中所有参数完全相同，高压不平衡系统分别设置为1.5、2和3，利用Matlab/Simulink仿真软件得到了各段的屏蔽层与地线芯中交流杂散电流有效值分布状况、金属网交流杂散电流有效值分布状况、接地极线路上的交流杂散电流有效值分布状况，3个交流杂散电流有效值曲线分布如图4所示。

从图4（a）、4（b）得出，供电系统中的高压电缆因电阻不对称产生的交流杂散电流主要分布在屏蔽层与地线芯、金属网与高压电缆连接的相邻区间内。随着距离增加，交流杂散电流逐渐变小，二者均是随着不平衡系数增大而交流杂散电流有效值增大。从图4（c）可以得出，高压电缆与接地极相邻的区间内，交流杂散电流有效值较大，随着距离增加，交流杂散电流有效值逐渐减小，而后基本处于平稳状态，说明在地面消弧线圈处分布有较多交流杂散电流，此处应作为交流杂散电流防治的重点。

通过对煤矿井下供电系统杂散电流理论分析和高低压电缆交流杂散电流分布规律仿真分析得知，三相电中的电阻和电容呈现不对称状况才会引起井下交流杂散电流，交流杂散电流不仅会对金属管道、电缆外层等产生腐蚀，若交流杂散电流过大还会引起早爆、瓦斯爆炸、保护装置误动作等安全事故，交流杂散电流防治重点应放在低压电缆与金属网连接处和高压电缆与接地处。