从云南省小型煤矿的特点谈谈单相接地电容电流的危害及应对措施

李毅

（昆明煤炭设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 问题的提出

云南省位于云贵高原，地形复杂，煤炭资源也相对分散，煤的赋存条件不理想，即使采用机械化开采也难于建成中大型煤矿，省内数百个煤矿中达到中型及以上的寥寥可数，90%以上均为年产30万t及以下的小型煤矿。小型煤矿由于产量较低，设备少，用电量也相对不高，一般采用10kV的电源就可以满足供电需求，所以我省90%以上的煤矿都就近采用区域变电站直供的10kV电源，而这些变电站并非煤矿专用，它除要为一个或几个煤矿供电之外还要为其域内的城镇、农村及工厂供电，且馈出电线路都是同一段10kV母线，与煤矿供电线路处于一个共同的10kV网络，其10kV网络内的架空线路总长度往往达到近百公里，电缆线路也长达数十公里。然而，由于传统习惯等各方面的原因，云南省小煤矿在建设初期的设计中，进行单相接地电容电流的计算时基本都仅在该煤矿范围内进行，没有考虑同处一个10kV网络中其它线路及用户的影响。云南省的小煤矿矿区范围内10kV架空线大约10km左右，10kV电缆一般就是2km左右，由此计算出的单相接地电容电流基本不会超过10A，并以此为据，一般小型煤矿都没有设置限制单相接地电容电流的装置。实际情况不是这么简单，小型煤矿的共用10kV电源网络往往十分庞大且复杂，其单相接地电容电流比上述的数值要大得多，而10kV系统单相接地故障的发生率远远高于三相短路与两相短路故障，放任其不管会给煤矿的生产埋下相当危险的隐患。

2 针对云南省小型煤矿的特点如何计算单相接地电容电流

图1、2为云南省常见的小煤矿供电系统，以此为例论述如何计算单相接地电容电流。如图1所示，大多数小型煤矿与多个小煤矿及其它用户的电源都引自供电变电所的10kV母线，正常情况下，三相对地的等值电容是近似相同的，A、B、C三相的电容电流幅值也相同而相位相差120°，三相电容电流之和为零，系统中没有因对地电容引起的零序电流。当某处发生单相接地故障时（如图2）上述平衡被打破，此时因A相对地电压为零，全系统非故障线路A相电容电流也为零，B、C相对地电压由相电压（Eb=Ec=10/=5.77kV）升高为线电压10kV，其对地电容电流也较正常时扩大了倍，其矢量和也就是零序电流3I0LN（此时因两者相位差为60°，故零序电流为B相或C相电容电流的倍）也就为正常时电容电流的3倍，此电流经分布电容流入大地。计算公式见下：

图1 正常运行时电容电流流向

图2 单相接地时电容电流流向

对于故障线路，全网络B、C相的电容电流将全部从接地点流回入A相，它为正常时全网络单相电容电流的3倍，推理过程同式（1），即故障点单相接地电容电流为：

注：U为线电压10kV,п为3.14，f为电源的频率（50Hz），Zc为容抗（Ω），N为回路号，Co为变压器等值电容，C1～C5为各支路等值对地分布电容，CΣ总电容，单位均为μF。

从以上各算式可得出四个结果：

（1）单相接地点电容电流为全系统电容电流之和。

（2）非故障线路零序电流为线路本身的电容电流。

（3）故障线路零序电流为非故障线路线路零序电流之和（本回路的零序电流被抵消了）。

（4）煤矿专用变电站的总进线处监测不出零序电流（相当于只有一个线路），此种情况下，单相接地电容电流就是煤矿的电容电流。

从式（1）及式（2）对比可以看出，单相接地电容电流可能会比故障线路的电容电流大得多，10kV的网络越庞大，线路越多，增加的幅度也就越大。在我省，通常情况下一个小煤矿的电容电流大约为6A左右，而一个变电站常常会向6、7个甚至10多个煤矿及乡镇供电，所以单相接地电容电流有可能达到数十甚至上百安，是单独一个小煤矿的数倍至十数倍。采用以上方法，若准确计算出各线路的分布电容，就可以精确计算出系统单相接地时各线路的零序电流、接地点电容电流，但要准确计算各线路的对地电容，必须要全面掌握整个供电系统的详细情况并经过复杂的计算才能得出，大多数情况下难于做到，因此我们一般采用简化算法，现在主要使用的有以下两种：

2.1 传统估算法

（1）统计系统中10kV架空线总长度L1(km)，架空线电容电流按下式：I1=0.025～0.032×L1计算。（2）按不同截面统计系统中10kV电缆总长度L2(km)，电缆电容电流按下式：I2=0.5～1.95×L2计算。（3）考虑变电所各种设备的影响，附加16%，单相接地电容电流为：Id-c=1.16(I1+I2)。此方法使用时间较长，但因其计算公式及各参数是以纸绝缘电缆及早期电气设备的参数制定的，而纸绝缘电缆现已不用，目前普遍使用的交联电缆、分相屏蔽聚乙烯电缆等绝缘强度高，同截面电缆外径减小了许多，对地电容也增大了许多；变电站电气设备也已经过了多次升级换代；用上述算法，结果与实际相差很大，已不能满足要求。在此建议不要再用这种方法。

2.2 精细估算法

（1）详细统计系统中各种类型10kV架空线的长度(km)，查表得出每一种架空线的电容电流。（2）按不同截面、不同类型统计系统中10kV电缆的总长度得出每一种电缆的电容电流。（3）系统总单相接地电容电流按下式计算：ID-C=1.133+IΣCL+2.759。

注：ID-C为单相接地电容电流（A），为架空线、电缆电容电流之总和（A），IΣCL为三相浪涌电容电流，取值2～3A。用此方法计算结果与实际比较接近，推荐采用此方法计算。

3 电容电流的危害

在我国，10kV系统中性点是不接地的，发生单相接地时，系统的三相线电压及相位关系并未发生变化，用电负荷可以继续运行，但是由于系统对地分布电容的客观存在，使得接地点会有系统的电容电流流过，系统中也会出现零序电压及零序电流。根据有关资料，当单相接地电容电流在10～30A甚至更大时，接地点将产生间歇性电弧，会导致烧坏电压互感器、损坏避雷器甚至引起避雷器爆炸，降低供电可靠性。人体安全接触电压为40V，煤矿井下的接地电阻一般为2Ω，当单相接地电容电流大于20A时，井下的安全接触电压将大于40V，威胁井下人员安全。所以《煤矿安全规程》规定，新建矿井单相接地电容电流不得大于10A，老的生产矿井则不得大于20A，井下接地电阻不得大于2Ω。对煤矿来说，瓦斯、煤尘是客观存在的，如有电弧就会有引爆的危险，所以在井下发生单相接地时，不仅要保证其电流幅值不大于10A，还应尽快发现并进行处理，避免发生大的事故。

4 限制单相接地电容电流的措施

从上述分析我们知道10kV系统发生单相接地时，故障点流过的电流就是系统的电容电流，而且是不平衡导致的零序电流，因此要对其进行限制，可以采取类似无功补偿的办法，也就是用电感电流抵消此时的电容电流。对于小煤矿，因没有10kV以上的变压器，常用方法是采用接成星形接法的变压器（即Z型接地变压器，其具有零序阻抗小、有补偿功率大的优点），将其其中性点通过一个补偿电感（消弧线圈）接地（见图3、图4），在正常情况下，变压器星点与接地点无电位差，消弧线圈无电流流过相当于处于准备状态；当某线路发生接地故障时，其接地点与星点出现出现电压差，消弧线圈中有电流流过，同样此电流也会从接地故障点进入故障相，但其方向与接地点电容电流方向相反，这样就使接地点的电流大幅度减小，达到保护的目的（可以看出不平衡电感电流与电容电流是同时出现的，没有时间延迟）。理论上理想的状态是接地点电容电流被完全抵消，即全补偿，但此时系统容易发生谐振导致过电压。所以一般采用的是稍微过补偿状态，即消弧线圈的电流略超过系统的单相接地电容电流，接地点的电容电流全被补偿，但还有5A以内的电感电流，这样既能使接地点电流降低到安全值，又使系统远离谐振点不会过电压。补偿电流通过调整消弧线圈的电感量进行调整，设置时按系统的电容电流进行确定。

图3 单相接地时消弧线圈对接地电容电流的补偿

由于电力系统的资料不容易收集齐全，且在对小型煤矿进行设计时对系统电容电流计算方面重视度不够，小型煤矿对电容电流的计算基本上都是各自为政，只对煤矿范围内的电容电流进行计算，其较小的计算值导致基本上都不设置限制单相接地电容电流的装置。个别煤矿虽设置了单相接地电容电流限制装置，但补偿量只有本矿的电容电流，大大小于系统的电容电流，所以也形同虚设，过大的电容电流始终是我省小型煤矿进行安全生产的潜在威胁。但若每个用户都按系统进行单相接地电容电流补偿也是不行的，见图4，此时会形成大幅度的过补偿，接地点形成远超电容电流的电感电流，由于电感对电流突变的抗拒特性，其产生的电弧更难熄灭，过电压现象也更加剧烈，危害甚至超过电容电流。所以，补偿量的确定必须要站在整个10kV系统的层面上来进行，统筹考虑。补偿装置独立设置时，补偿量按总的接地电容电流确定（此方式相对设置成本低，容易控制，建议优先采用）；补偿装置分散布置时，补偿量参考各线路的电容电流由管理部门统筹安排（此方式控制难度很大，不建议采用）。

图4 单相接地时多出配置消弧线圈对接地电容电流的补偿

现在有的小型煤矿采用了消弧消谐装置来消除接地点的电弧，其原理是当发生接地故障时，在变电站内将该相直接接地，利用靠近变压器回路电阻相对较小的地点优势，使接地点电容电流大幅度减小达到熄灭电弧的目的。但是此方法首先是在接地点电弧已发生后才进行的一个保护动作，比消弧线圈要延迟许多；其次此方法实际是一个同相多点接地，对10kV系统而言，几十欧的接地电阻差别对接地电容电流的幅值几乎没有影响，所以只是一个分一半接地电流的装置，如果10kV系统不大，总单相接地电容电流电流不超过20A的情况下还是非常有效的，直接分流一半使接地故障点的电容电流减小到10A以下。但对有多个用户的大型10kV系统，起到的作用就不甚明显，不宜采用。要很好的消除电容电流的危害，应尽快的切断故障线路，所以在煤矿井下应采用有效的高压漏电保护装置，在地面可以采用小电流选线保护装置，及时切除故障回路。

5 结语

通过以上分析，归纳结论如下：云南省小型煤矿用电负荷小，电源线路电压多为10kV，且与很多其它煤矿、企业及农网共用一个10kV网络。单相接地电容电流的计算必须考虑整个系统。单相接地电容电流危害很大，必须采取措施限制到规定值以下。采用消弧线圈是限制单相接地电容电流的有效措施，应使补偿处于略过补偿状态。补偿量应统筹考虑，不宜各自为政，特别应防止出现大幅度过补偿。系统单相接地电容电流很大时，普通的消弧消谐装置不能有效消除已产生的电弧及过电压。除采用消弧线圈抵消电容电流外，采用小电流选线装置及井下高压漏电保护装置及时切除故障回路可以更有效的消除单相接地时的危害，但同时必须保证重要负荷双回路的供电，以免发生通风机等重要设备的停运。