浅析消弧线圈对矿井井下漏电保护的影响

摘 要：中性点经消弧线圈接地是目前矿井高压供电的主要中性点接地方式。本文通过分析中性点加装消弧圈接地后引起的零序电流的变化和常规高压漏电保护原理，指出矿井井下常规高压漏电保护不适用于中性点经消弧圈接地系统，并推荐一种新型高压漏电保护装置。

关键词：矿井;高压;消弧线圈;漏电保护

0 引言

“矿井6000V及以上高压电网必须采取措施限制单相接地电容电流，生产矿井不超过20A，新建矿井不超过10 A”[1]，而“限制单相接地电容电流的有效措施是将中性点不接地方式改为中性点经消弧线圈接地方式，采用电感电流抵消电容电流”[2]。

在很长一段时间内，矿井高压中性点经消弧线圈接地系统的漏电故障给供电系统运行和事故分析造成很大的困惑，更没有适用中性点经消弧线圈接地系统漏电保护新原理的应用，以至目前矿井高压漏电保护误动和拒动现象严重。分析消弧线圈对矿井井下高压漏电保护的影响，采用一种适用于矿井中性点经消弧线圈接地系统的新型高压漏电保护装置，是十分必要的。

1 中性点经消弧线圈接地系统漏电特性

消弧线圈的作用：中性点不接地系统发生间歇性漏电故障时，漏电点产生间歇性电弧，系统产生弧光过电压，间歇电弧破坏漏电点非漏电相绝缘，弧光过电压击穿系统绝缘薄弱点，均会造成两相短路。系统电容是造成间歇性电弧和弧光击穿事故的根本原因，为此相关规程规范要求“必须采取措施限制单相接地电容电流”。消弧线圈的电感电流和电容电流反向，以达到补偿系统电容电流的目的。

漏电特性：中性点经消弧线圈接地系统发生漏电时，非故障支路零序电流和中性点不接系统一样，大小等于本支路电容电流，相位滞后零序电压90°。故障支路零序电流除了有系统零序电流之外增加了消弧线圈的电感电流，大小等于非故障相零序电流之和与电感电流的矢量差（残余电流）;相位受补偿程度的影响有不确定性，为有效防止系统震荡，消弧线圈要求工作在过补偿状态，此时残余电流和非故障支路零序电流同相位。由此可见，中性点经消弧线圈接地系统故障支路零序电流发生了本质的变化：故障支路零序电流不一定最大;故障支路零序电流和非故障支路的零序电流同相。

2 矿井中性点经消弧线圈接地系统高压漏电保护现状

2.1 漏电减少，漏电保护正确率降低

随着矿井生产环境改善，设备和电缆绝缘水平提高，再加上消弧线圈的补偿作用，漏电发生的频率明显减少，但是由于高防开关的漏电保护不满足消弧线圈接地系统，漏电保护正确率明显下降。

2.2 短路事故增加

消弧线圈可有效防止漏电发展为短路，但是，矿井使用消弧线圈后，短路故障反而增加。究其原因，根据电力部门统计，80%的短路故障是单相接地（漏电）引起的。电力部门小电流接地系统单相接地可以带故障运行2h，带故障运行时，受非故障相电压升高和弧光过电压的影响，单相接地发展为短路的机率大。而矿井井下漏电直接跳闸，漏电发展为短路的机率小。矿井高压系统加装消弧线圈后，现有漏电保护不能正确动作，漏电故障未能及时切除，延长了漏电时间，漏电发展为短路的可能性增加。

2.3 越级跳闸成为矿井井下高压供电的主要矛盾

矿井高压是一个多级配电网，至少分为地面变电所、井下中央变电所和采区变电所三级，由于有时井下二级变电所距离近、电力部门地面变电所保护动作于瞬动、地面设备与井下设备操作机构响应速度有差异，常规的以短路电流大小和动作时间实现的防短路越级跳闸手段在矿井无法使用，短路越级跳闸成为近年矿井高压的主要问题。一些矿井由于对消弧线圈影响现有漏电保护以及漏电发展为短路原因认识不足，不去解决消弧线圈接地的漏电保护问题，而是单纯的增加防越级跳闸设备。

3 消弧线圈对矿井漏电保护的影响

3.1 消弧线圈不宜长期工作在欠补偿状态

根据消弧线圈的电感电流对接地电流的补偿程度，可分为全补偿、欠补偿和过补偿三种补偿方式。消弧线圈工作在全补偿时，由于系统感抗与系统容抗相等，容易引起电网串联谐振，其产生的谐振过电压对电网设备的绝缘危害性很大。而消弧线圈工作在欠补偿时，若检修或停用部分线路，则系统容抗减小，有可能造成系统感抗与系统容抗相等的全补偿。而消弧线圈工作在过补偿时，只有增加线路才有可能造成等补偿，增加线路在电网中不是经常发生。因此“消弧线圈应采用过补偿运行方式”，“脱谐度不大于5%～10%”[3]。

3.2 消弧线圈运行在欠补偿状态现有漏电保护不能正确动作的原因

矿井使用的消弧线圈“大多是消弧线圈并（串）电阻的派生接地方式”，并（串）的电阻（阻尼电阻）是为了抑制弧光过电压的，“阻尼电阻增加了故障支路的有功分量”。非故障支路的有功分量只有本回路电容的有功分量（约为3%），其零序电流的主要成份是容性电流;故障支路的有功分量由三部分组成：电容电流（非故障支路零序电流之和）的有功分量（约为3%）、消弧线圈电感电流的有功分量（约为3%）和消弧线圈上串（并）的阻尼电阻的电阻电流（约为5A）[4]。故障支路的零序电流超前零序电压的角度有可能更大，虑有功分量后的向量关系才是消弧线圈接地系统零序电流和零序电压真实的相位关系。由此可见，消弧线圈工作在欠补偿状态下，仍无法满足“零序功率方向”原理的动作条件。许多矿井消弧线圈运行在欠补偿状态漏电保护误动和拒动的实例也证明了这一点。

4 新型高压漏电保护装置

ZBL-H型矿用隔爆型高压漏电保护装置是一种新型漏电保护装置，以各支路的“能量函数”为研究对象，采用“能量修正”原理和集中控制模式，能很好的解决中性点经消弧线圈接地系统的漏电保护问题。

消弧线圈系统补偿的是无功电流，由于阻尼电阻的存在，有功反而增加，故障线与非故障线零序电流的有功分量满足故障线有功分量最大和故障线与非故障线有功电流方向相反的特点，当发生漏电后，根据各回路能量变化的规律判断漏电回路，非故障回路的有功分量没有发生变化，而故障回路的有功分量没有发生了突变，同时本装置可以自动“学习”使用环境，根据其特征量的变化，作出漏电支路的判断，从而实现选择性漏电保护。弧光接地瞬时漏电是漏电保护的难题，有功能量反应了有功电流和零序电压的时间积累，以能量代替有功瞬时量，解决瞬时漏电漏电特征量时有时无的问题;非漏电短支路有功分量很小，零序电流零序电压成270°的相位关系，零序电流互感器相位误差将引起其能量的本质变化，因此，通过对各支路能量进行角度修正，很好地解决了弧光漏电保护问题。

5 结论

高产高效是矿井发展的趋势，随着矿井向特大型方向发展，矿井高压网络愈来愈大，系统电容电流也随之增加，新建矿井电容电流几乎全部超过规程规范要求的接地电流限制指标，中性点经消弧线圈接地已成为矿井高压接地方式的首选接地方式。本文介绍的新型漏电保护装置，能很好地解决消弧接地系统漏电保护和弧光漏电保护问题，在我院近年来特大型矿井设计中取得了很好的应用效果，值得推广。

参考文献：

[1]原国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2016.

[2]王光义，丁瑞，王士军.6kV电網接地电容电流治理技术研究[J].山东煤炭科技，2008（2）.

[3] SDJ7-79.电力设备过电压保护设计技术规程[S].北京：中华人民共和国水利电力部，1979.

[4]梁睿，辛健，王祟林，李国欣，唐杰杰.应用改进型有功分量法的小电流接地选线[J].高电压技术，2010（2）.

作者简介：

刘翘楚（1987- ），女，辽宁阜新人，硕士，工程师，主要研究方向为矿井电气设计。