考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障分析及定值整定

霍耀佳,孙帆,马莉,韩利,方济中

(国网宁夏电力有限公司电力科学研究院,宁夏 银川 750011)

0 引 言

我国煤矿井下低压供电系统全部采用中性点不接地的运行方式,属于小电流接地系统,这种方式下若发生漏电故障,则形成的漏电流较小,虽然可在故障状态下继续带负荷1～2 h,具有较好的稳定性[1],但若不及时处理,极易造成人身触电事故或发展为更严重的短路故障。对于煤矿6 kV、10 kV供电系统,一般采用中性点经消弧线圈接地的运行方式,这种方式不仅能够防止弧光接地过电压的形成,还能够对系统线路的容性电流进行补偿,在发生漏电故障时,往往能够有效降低漏电流[2]。但是,传统煤矿井下漏电保护动作值的整定忽略了分布电容对漏电流的影响,在实际应用中,尽管线路绝缘良好,但由于分布电容的存在仍可能导致人身触电事故发生,因此对考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障分析及定值整定进行研究具有重要的理论意义和实用价值。

1 煤矿供电系统漏电分析

1.1 系统整体原理

根据煤矿的供电特点,煤矿供电系统的供电原理如图1所示。

图1 煤矿供电系统基本结构。

图1中,riA、riB、riC为第i条支路A、B、C三相对地的绝缘电阻,CiA、CiB、CiC为第i条支路A、B、C三相对地的分布电容(i=1,2,3),Rd为漏电电阻。

对于6 kV、10 kV电压等级的系统采用中性点经消弧线圈接地的方式,高电压等级漏电后形成的漏电流较大,需要消弧线圈进行一定的补偿,以降低对系统和人身的危害[3]。

1.2 中性点不接地系统漏电分析

以中性点不接地供电系统为例,假设系统某条支路A相发生绝缘劣化时,即可由系统的绝缘电阻、分布电容通过大地与人身构成触电回路,其戴维南等效电路如图2所示。

图2 低压漏电等效电路。

图2中ri∑=riA∥riB∥riC,Ω;Ci∑=CiA∥CiB∥CiC,F。

根据等效电路可以求得人身触电电流为

(1)

式中:r∑=r1∑∥r2∑∥r3∑,Ω;C∑=C1∑∥C2∑∥C3∑,μF。漏电流有效值为

(2)

设电压等级为660 V,系统绝缘良好,r∑视作无穷大,线路总分布电容为0.5 μF,发生50 Ω～1 MΩ的漏电故障时形成的漏电流大小如表1所示。

表1 故障时不同漏电阻下的漏电流大小

由表1可以看出,在系统电压等级、分布电容一定时,漏电流随着漏电电阻的减小而升高,因此需对系统绝缘实时监测,以保证不会发生人身触电事故。

1.3 中性点经消弧线圈接地系统漏电分析

当系统绝缘良好,即ri∑视作无穷时,由等效电路图3可以得到漏电流的计算式。

图3 中性点经消弧线圈接地系统漏电等效电路。

(3)

取有效值为

(4)

中性点不接地系统在发生漏电故障时,系统中电流呈现容性,而对于中性点经消弧线圈接地的系统,由于消弧线圈的存在,会对系统的容性电流进行补偿,补偿方式分为过补偿、完全补偿和欠补偿三种方式,过补偿后系统电流呈现为感性,欠补偿后系统电流仍然呈现为容性,完全补偿后,系统电流呈现为阻性。

由式(4)可以看出:

在系统总分布电容和漏电阻一定时,即漏电阻设为1 kΩ,总分布电容设为0.5 μF,在消弧线圈为过补偿、完全补偿和欠补偿三种方式下,得到漏电流的大小如表2所示。

表2 故障后不同补偿方式下漏电流的大小

由表2可以看出,不同补偿方式下所得到漏电流差距较大,当消弧线圈采用完全补偿时,形成的漏电流最小,几乎为0,此时发生漏电时对人身危害程度最低;当消弧线圈采用过补偿和欠补偿方式时,漏电流大小随着补偿度的升高而增大。

2 低压漏电时动作值的整定

2.1 考虑分布电容时动作值的整定

高压系统一旦发生漏电对人身的伤害是致命的,因此重点分析低压系统漏电的情况。煤矿供电系统一旦发生漏电故障,会通过大地与人身形成触电回路,在人身流过触电电流IH,存在人身触电事故发生的隐患[4]。根据《煤矿安全规程》规定,交流供电系统人身触电安全电流需满足不大于30 mA·s的要求,现有煤矿漏电保护动作整定值仅考虑绝缘电阻而忽略了分布电容的影响,因此对系统漏电保护整定方案的优化具有重要意义[5]。设系统电压等级为U、人身电阻为Rh、系统绝缘电阻为R,根据人身安全电流范围,现有煤矿供电系统的漏电保护动作整定值计算方法如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

不同电压等级下的单相漏电保护动作整定值如表3所示。

表3 不同电压等级下的漏电保护动作整定值

考虑系统分布电容对动作整定值的影响,可以将漏电保护动作整定值的计算公式修正如式(7)所示。

由式(7)可以看出,对地绝缘电阻的整定值大小与分布电容、三相电源频率、人身触电安全电流值和人身电阻有关系。在其他参数一定且满足人身触电安全电流30 mA的前提下,设人身电阻为1 kΩ,则不考虑分布电容时绝缘电阻的整定值为11.7 kΩ;若考虑分布电容,则改变系统线路分布电容所得到的绝缘电阻整定值如表4所示。

表4 考虑分布电容时漏电保护动作值的整定

由表4可以看出,当线路分布电容到达一定值时,式(7)无解,即说明无论绝缘是否良好,发生人身触电时流过人身的电流均超过触电安全电流值,从而造成触电事故。

2.2 安全动作时间的整定

为使人身触电电流满足30 mA·s安全要求,在系统各线路分布电容较大时需侧重于动作时间的整定,利用仿真实验,选择合适的电压等级、绝缘电阻分布电容大小,根据理论计算和仿真实验得到不同工况下的触电电流值,并根据该值选择安全动作时间的漏电保护装置。根据安全要求可以得到不同漏电流下的动作时间,见式(8)。

(8)

利用式(8)实现触电电流与动作时间的匹配,在安全时间内漏电保护装置快速动作使系统和人身均得到保护。

3 线路分布电容限值的确定

3.1 中性点不接地供电系统

对于中性点不接地系统,在线路绝缘良好时,即r∑视作无穷大时发生单相人身触电时,式(2)简化为式(9):

(9)

为保证人身安全,式(9)触电电流的有效值不应超过30 mA,Rh=1 kΩ,则线路分布电容的限值如式(10)所示。

(10)

由式(10)可以看出,中性点不接地系统不同电压等级下的线路总分布电容限值如表5所示。

表5 中性点不接地系统不同电压等级下的分布电容限值

由表5中数据可以看出,电压等级越高,则线路总分布电容限值越小。若线路总分布电容大于限值,则需采取缩短电缆距离或选择更快动作时间的漏电保护动作装置,以实现30 mA·s的人身触电安全范围。

3.2 中性点经消弧线圈接地系统

对于中性点经消弧线圈接地系统,在线路绝缘良好即r∑视作无穷大时,发生单相人身触电时,为保证人身安全,需保证流过人身的触电电流有效值不超过30 mA,即

(11)

设

式中:a∈(0,1)时属于过补偿(+100%,+0%),a∈(1,2)时属于欠补偿(-100%,-0%),则线路分布电容的限值为

(12)

以常见补偿方式+5%、+10%、-5%、-10%为例,由式(12)可以看出,中性点经消弧线圈接地系统不同电压等级下的线路总分布电容限值如表6所示。

表6 中性点经消弧线圈接地系统分布电容限值

由表6中数据可以看出,线路总分布电容限值随着电压等级的升高或补偿比例的增大而减小,均会使线路总分布电容限值变小。若总分布电容大于限值,则需采取缩短电缆距离,减小补偿比例或选择更快动作时间的漏电保护动作装置,以实现30 mA·s的人身触电安全范围。

4 仿真实验

搭建660 V、6 kV的煤矿供电系统仿真模型,如图4所示。660 V电压等级为中性点不接地供电系统,采用MYP 0.66 kV-3×120 mm2矿用电缆;6 kV电压等级为中性点经消弧线圈接地系统,采用MYPTJ 6 kV-3×120 mm2矿用电缆。由于分布电容大小随着线路长度的增长而增大,为便于比较,将660 V、6 kV线路每相对地分布电容均设为0.5 μF。

图4 仿真模型。

4.1 660 V供电系统漏电

设线路每相对地绝缘良好,在1 s时刻发生单相1 kΩ漏电故障,得到漏电前后漏电流的变化,如图5所示。

图5 低压漏电故障前后漏电流变化。

由图5可以看出,漏电故障发生前无漏电流,漏电后形成的漏电流有效值Ih(RMS)为0.15 A,远大于人身触电安全电流0.03 A,为了保证人身安全,动作时间不应长于0.2 s。

使Rd在0～1 MΩ、C∑在0.1～0.5 μF范围内变化,得到漏电流随Rd和C∑的变化,如图6所示。

图6 分布电容和绝缘电阻对漏电流的影响。

由图 6可以看出,在分布电容一定时,漏电电流随着漏电阻的增大而减小;在漏电电阻一定时,漏电电流随着分布电容的增大而增大。

4.2 6 kV供电系统漏电

设线路对地绝缘良好,即对地绝缘电阻为无穷大。在1 s时刻,分别在消弧线圈为欠补偿、完全补偿和过补偿条件下发生单相1 kΩ漏电故障,得到漏电前后漏电流的变化,如图7所示。

(a)过补偿下漏电故障前后漏电流的变化。

(b)完全补偿下漏电故障前后漏电流的变化。

(c)欠补偿下漏电故障前后漏电流的变化图7 不同补偿方式下漏电故障前后漏电流的变化。

图7中蓝线为漏电流有效值,红线为漏电流瞬时值。由图7可以看出,当系统补偿方式为过补偿和欠补偿时,发生漏电后的漏电流呈正弦交流电流,在1.1 s时,过补偿下漏电流对应在波谷,而欠补偿下漏电流对应在波峰,体现了不同补偿方式下漏电流相位的不同以及与零序电压的超前滞后关系。过补偿方式下系统电流呈现感性,零序电压超前于零序电流;欠补偿方式下系统电流呈现容性,零序电压滞后于零序电流;完全补偿时,漏电故障发生后稳态下的漏电流几乎为0,即系统中感抗与容抗相抵,此时漏电流最小。

当消弧线圈L在0～150 H、线路总分布电容C∑在0～1.5 μF之间变化时,发生1 kΩ漏电故障后的漏电流如图8所示。

图8 消弧线圈和分布电容对漏电流的影响。

由图8可以看出随着分布电容的升高,若想得到相同大小的漏电流,则消弧线圈的值应减小,反之则应增大;无论是过补偿还是欠补偿状态,漏电流均随着补偿度的增大而增大,所需要的漏电保护动作时间也越来越短。

4.3 660 V供电系统整定方案效果对比

以660 V供电系统为例,当系统在不同绝缘程度下发生人身触电,设:

(13)

通过仿真可以得到不同方式下的Kh曲线,如图9所示。

图9 不同整定方案下的Kh曲线。

由图9可以看出:1)采用传统漏电保护整定方法,忽略分布电容的影响,则当绝缘下降至一定程度时存在人身触电危险,由于分布电容对触电电流必然会有影响,因此这种情况不符合实际;2)采用传统漏电保护整定方法,实际考虑线路分布电容的影响,但未选择低于线路分布电容限值的电缆,则无论绝缘是否良好,均存在人身触电危险;3)采用本文提出的整定方案,选择低于表5所示660 V系统线路分布电容限值的电缆,触电电流仅会在绝缘下降至较低程度时才会造成人身触电危险,此时根据计算触电电流值,匹配更快的漏电保护装置,使人身触电电流满足30 mA·s的要求,便可避免人身触电伤亡事故。

5 结 论

通过对煤矿中性点不接地、中性点经消弧线圈接地系统发生漏电故障时进行研究分析,得到以下结论:

1)传统的煤矿应用的漏电保护动作整定值给定方法忽略了分布电容的影响,所计算出的漏电整定值存在偏差,当考虑分布电容时,在系统分布电容的数值达到一定程度时,无论绝缘是否良好,在发生人身触电时,所形成的的漏电流已经大于交流人身触电安全电流30 mA,需要通过动作时间和漏电流的匹配实现流过人身的电流小于30 mA·s。

2)采用本文提出的考虑分布电容影响的漏电保护整定方案,可提前对系统发生人身触电时实际产生的触电电流进行预估,通过在系统设计时提前规划选择满足线路分布电容限值的电缆,同时匹配相应动作速度的漏电保护装置,可有效防止人身触电伤亡事故发生。