煤礦電容電流的綜合治理

1、煤礦電容電流的綜合治理邵華 國投新集能源股份有限公司一礦（210000？）我礦為年產(chǎn)量三百萬噸的大型礦井，和絕大部分大刑一樣，高壓供配電網(wǎng)絡(luò)龐大而復(fù)雜。我礦地面35KV 變電所二臺安裝二臺35/6KV主變壓器，一臺運行，一臺熱備用。采用雙回路電源、單母線分段供電方式，承擔(dān)我礦主要負(fù)荷。變礦區(qū)另建有低熱值矸石電廠一處和低濃度瓦斯電廠一處，分別有兩臺發(fā)電機和六臺發(fā)電機組，都并入35KV 變電所的6KV 側(cè)電網(wǎng)。下入井高壓電纜7路，-450m 、-550m 水平各設(shè)有中央變電所1個。各采區(qū)變電所電源分別取自同一水平的中央變電所，其中-450m 水平建有2個采區(qū)變電硐室，-550m 水平1個采區(qū)變電硐

2、室，全部采用雙回路電源供電，采用分列方式運行。我礦高壓系統(tǒng)電容電流達(dá)70A 。煤礦安全規(guī)程規(guī)定：6KV 電網(wǎng)，當(dāng)電容電流大于20A 時，要采取補償措施。顯然我礦電容電流過大，必須采取補償措施。為此2006年安裝了（產(chǎn)品型號）消弧柜，效果不好投入運行就退出。2008年又安裝了XBSG-6/50消弧線圈，但中性點接地方式改變后，地面小電流接地保護(hù)裝置選線不準(zhǔn)，井下高壓漏電保護(hù)頻繁誤動和拒動，成為我礦高壓供電系統(tǒng)的一大安全隱患。電容電流的治理勢在必行，安裝消弧線圈用，補償了電容電流，電容電流的危害得到了緩解，但是和原有地面小電流接地檢測技術(shù)和井下高壓漏電保護(hù)技術(shù)不適用于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，以至

3、小電流接地檢測裝置失去選擇性，井下高壓綜保頻繁誤和拒動。這是目前煤礦高壓電網(wǎng)普遍存在的問題，成為煤礦高壓供電系統(tǒng)的一大安全隱患。本文根據(jù)我礦在綜合治理系統(tǒng)電容電流的實際情況，分析消弧柜和各種中性點接地方式對電容電流的治理原理，探討消弧柜在煤礦使用失敗的原因，研究消弧線圈對煤礦小電流檢測和高壓漏電保護(hù)影響，為煤礦治理電容電流過程中出現(xiàn)的一系列問題尋找理論依據(jù)。一、電容電流的危害性煤礦高壓配電網(wǎng)，隨著生產(chǎn)規(guī)模增加，電網(wǎng)的不斷擴大，電容電流越來越大，直接影響了電網(wǎng)的安全運行。1、單相接地發(fā)展成相間短路：電容電流大，接地點發(fā)熱，造成空氣的離解，破壞了周圍空氣的絕緣，再加上非故障相電壓增加，容易發(fā)展成相

4、間短路。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計：單相接地故障有30%左右發(fā)展為相間短路，由單相接地發(fā)展的故障跳閘次數(shù)占配電網(wǎng)故障跳閘次數(shù)的40%左右。煤礦系統(tǒng)配電網(wǎng)，環(huán)境惡劣，系統(tǒng)絕緣情況相對差，單相接地更加頻繁，單相接地發(fā)展成相間短路，線路跳閘的機率更高。2、弧光接地過電壓危及網(wǎng)內(nèi)電氣設(shè)備絕緣：在中性點不接地系統(tǒng)中，電容電流的大小直接反應(yīng)了接地電流的大小，而接地電流的大小直接影響了接地點的燃弧狀況。在發(fā)生瞬間或間歇性不穩(wěn)定單相接地時，在每次接地電流自然過零時，電弧有一個短暫的熄弧時間，若弧道的恢復(fù)電壓大于介質(zhì)的恢復(fù)強度，則發(fā)生重燃。時斷時續(xù)的間歇性電弧，導(dǎo)致電網(wǎng)中電磁能的強烈振蕩，在非故障相、中性點和故障相出現(xiàn)弧光

5、接地過電壓?；」饨拥剡^電壓的幅值可達(dá)額定電壓的3.5倍，且遍及全網(wǎng)，持續(xù)時間長，會危及網(wǎng)內(nèi)電氣設(shè)備絕緣，在絕緣薄弱處形成擊穿。3、鐵磁諧振過電壓危及網(wǎng)內(nèi)電氣設(shè)備絕緣：鐵磁諧振元件主要是電磁式電壓互感器和網(wǎng)絡(luò)對地電容。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中電磁式電壓互感器的勵磁感抗大于網(wǎng)絡(luò)對地容抗時，在一定的激發(fā)因素誘導(dǎo)下就會發(fā)生鐵磁諧振。基波諧振、高次諧波諧振的諧振過電壓幅值可以達(dá)到額定電壓的3倍，容易造成無間隙氧化鋅避雷器擊穿、電纜頭爆炸等危及電氣設(shè)備絕緣事故；分次諧波諧振的大電流可使電壓互感器的高壓保險熔斷，或者使電壓互感器過熱、燒壞等事故。二、常見中性點接地方式及其電容電流的影響1、中性點不接地：配電網(wǎng)中性點不接地系

6、統(tǒng)中，一般系統(tǒng)電容電流較小時，一些瞬時接地故障能夠自行消失，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，地面允許帶故障運行2小時。這對提高供電可靠性，減少對用戶停電是非常有效的。這種中性點接地方式由于結(jié)構(gòu)簡單，投資少，現(xiàn)在大多數(shù)高壓電網(wǎng)中一直采用。但是，隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電容電流增加，這除了會發(fā)展為相間短路故障外，還會產(chǎn)生弧光接地過電壓和鐵磁諧振過電壓等，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因而，中性點絕緣方式只適用于電容電流很小的配電網(wǎng)。2、中性點經(jīng)電阻接地：近年來有些采用了國外進(jìn)口的低絕緣水平設(shè)備或大量采用荷電率比較低的無間隙氧化鋅避雷器的電網(wǎng)，以及對內(nèi)過電壓要求比較嚴(yán)的電網(wǎng)采用了中性點經(jīng)電阻接地的方式。這種接地方式的

7、好處是對內(nèi)過電壓限制得比較低，不會產(chǎn)生較高幅值的弧光接地過電壓和鐵磁諧振過電壓，與零序電流保護(hù)配合能迅速地切除故障線路，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定。電阻接地方式可劃分為小電阻接地和高電阻接地兩種方式。至今沒有發(fā)現(xiàn)煤礦采用這種中性點接地方式。3、中性點經(jīng)消弧線圈接地：由于電感電流和電容電流反向，因此在中性點加裝消弧線圈是補償電容電流的常見方法。（1）老式消弧線圈：老式的消弧線圈是一帶有氣隙的鐵心電感線圈，線圈帶有若干抽頭，以改變其電感量。在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障，在中性點位移電壓的作用下，消弧線圈向電網(wǎng)提供補償電流IL ，以抵消電容電流Ic ，一般要求消弧線圈工作在過補償狀態(tài)，即IL-IC 0，殘余電流呈感

8、性。由于消弧線圈的作用，減少了接地故障殘余電流，減小了接地點弧隙恢復(fù)電壓上升速度，促使了接地電弧的熄滅，因而可以使大多數(shù)瞬時性接地故障自動消失。由于消弧線圈的感抗要比電網(wǎng)中的電磁式電壓互感器的勵磁電抗小得多，因而電磁式電壓互感器因磁飽和引起的三相不平衡也就產(chǎn)生不了鐵磁諧振過電壓。老式消弧線圈大多使用于35KV 66KV 配電網(wǎng)，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性及供電可靠性起了很大的作用。煤礦一般為6KV 10KV 電壓等級，由于電源變壓器大多為接線，中性點沒有引出來，因而很少使用。而且老式的消弧線圈也存在如下一些缺點。因消弧線圈的抽頭需要停電調(diào)整，調(diào)整依據(jù)是對電網(wǎng)每條線路的長度估算，而配電網(wǎng)的運行方式變化頻

9、繁，即使是在同一運行方式下，電容電流因氣候的變化也最多會有30%的變化量，因而老式消弧線圈很難保護(hù)電容電流的補償效果。 如補償電流接近全補償狀態(tài)，容易出現(xiàn)危險的諧振過電壓。不能有效地抑制電網(wǎng)中間歇性弧光接地過電壓。（2）自動跟蹤補償消弧線圈：自動跟蹤補償消弧線圈是上世紀(jì)末發(fā)展起來的新技術(shù)。它能對電網(wǎng)電容電流進(jìn)行實時在線測量，補償電流可以做到自動有級或無級可調(diào)，通過阻尼電阻接地。自動跟蹤補償消弧線圈除了具有老式消弧線圈的優(yōu)點外還兼有小電阻接地的優(yōu)點。自動跟蹤補償消弧線圈測量精度高，跟蹤準(zhǔn)確，可以做自動有級或無級可調(diào)，補償效果好。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)間歇性的電弧接地時，自動跟蹤補償消弧線圈一方面向接地點提供

10、補償電流，減緩弧道恢復(fù)電壓上升速度，促使電弧熄滅，避免重燃；另一方面，串接或并接的阻尼電阻又起著吸收能量和阻尼的作用，有效地抑制了弧光接地過電壓的幅值，可把弧光接地過電壓的幅值限制在1.8U 以內(nèi)。由于補償后的殘余電流小，弧隙恢復(fù)電壓上升速度慢，大多數(shù)瞬時性接地故障能自行熄滅，因而具有較好的防雷、防污閃功能，較大地降低線路故障跳閘率。 能夠消除電網(wǎng)中由PT 引起的所有頻率的鐵磁諧振，優(yōu)于任何型式的消諧器。三、消弧柜的原理和在煤礦高壓電網(wǎng)應(yīng)用的缺陷近年來，在電力部門的一些地區(qū)的較小電網(wǎng)中安裝了消弧柜。后來煤礦供電網(wǎng)也有應(yīng)用。我礦也于2006年安裝過消弧柜。消弧柜的熄弧原理是：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生間隙性弧光

11、接地時，裝置判別接地相別，并對地短接（一般為小阻值限壓電阻）該故障相，從而限制弧道兩端的恢復(fù)電壓，達(dá)到消弧的目的。工作過程如下：發(fā)生接地故障，如果是金屬性接地，則在地和故障相不投入限壓電阻；如果是過渡電阻接地，則在前10ms 進(jìn)行接地線路選擇，后10ms 在地和故障相投入限壓電阻，達(dá)到熄弧的目的。但是消弧柜不適用于煤礦這樣的多級配電網(wǎng)，其原因如下。1、和現(xiàn)行規(guī)程沖突，電容電流沒有得到補償：電容電流對電網(wǎng)的影響是全方位的，不僅會產(chǎn)生弧光過電壓和諧振過電壓，而且會由于接地的發(fā)熱、燃燒，引起相間短路，因此電力規(guī)程和煤礦安全規(guī)程都是規(guī)定當(dāng)電容電流大到一定程度要進(jìn)行補償，而不是僅僅消弧。而用本原理做成的

12、消弧裝置，電容電流不僅沒有得到補償，而且加深了接地程度而增加了電容電流，這與現(xiàn)有規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)是沖突的。2、裝置有可能引起事故擴大：該原理的裝置在系統(tǒng)發(fā)生接地時，在接地相接入限壓小電阻。如裝置發(fā)生誤操作或其他原因，把限壓電阻接入非故障相，即引起事故擴大。任何裝置都有故障和誤動的可能，而消弧柜如果誤判接地相，引起的后果是嚴(yán)重的，也是無法忽視的缺陷。3、單相接地選線準(zhǔn)確率低：這一原理必須建立在單相接地選線100%正確的基礎(chǔ)上，否則當(dāng)投入限壓電阻出現(xiàn)兩點接地后，不要說自動選線了，“拉閘試?！币舱也怀龉收暇€。而從裝置的原理上看，該裝置的選線原理仍然是“零序功率方向”，但給的條件更苛刻：裝置“在前10ms

13、進(jìn)行接地故障線路選擇，后10ms 在地和故障相投入小電阻達(dá)到熄弧的目的”。半個周波來來進(jìn)行小電流接地檢測難度更大。判別單相接地需要足夠長的時間，熄弧又需要在盡量短的時間內(nèi)投入限壓電阻，這是無法回避的矛盾。4、特別不適合網(wǎng)絡(luò)大而級別多的煤礦電網(wǎng)中：煤礦高壓供電系統(tǒng)電網(wǎng)大，級別多，一般至少要分地面變電站、井下中央配電站和採區(qū)配電站三級。發(fā)生單相接地時地面變電站單相接地檢測動作于發(fā)信；井下中央配電站單相接地保護(hù)可以動作于發(fā)信，也可動作于跳閘；採區(qū)配電站單相接地保護(hù)動作于跳閘，跳閘時間不大于2s 。如果井下一出線發(fā)生單相接地，20ms 在地面選擇出故障線路（我們在此假設(shè)正確選線率100%），并在接地相

14、上投入消弧電阻，而此時井下的漏電保護(hù)還沒有動作（動作時間至少100ms 以上），形成兩點接地后，最原始的“拉閘試停”的方法也失效。根本無法確定故障支路，井下網(wǎng)絡(luò)之大，負(fù)荷之重要，由此帶來的負(fù)面影響是可想而知的。四、消弧線圈原理及其對小電流接地檢測和高壓漏電保護(hù)的影響1、消弧線圈對系統(tǒng)零序電流 大小和相位的影響（1）零序電流大小變化：中性點不接地系統(tǒng)，非故障支路的零序電流就是本回路的電容電流，故障支路的零序電流等于非故障線電容電流之和， 一般故障支路零序電流最大； 而中性點經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)，故障支路的零序電流等于非故障支路電容電流之和與電感電流的矢量和，由于電容電流和電感電流反相，所以，故障支路零

15、序電流一般不是最大。大小關(guān)系如圖一和圖二。圖為一個三條支路的系統(tǒng)，設(shè)支路3為故障支路（2）零序電流相位的變化：中性點不接地系統(tǒng)，非故障支路零序電流超前零序電壓90，故障支路零序電流滯后零序電壓90。故障支路和非故障支路相位相反；中性點經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)，故障支路的零序電流與非故障支路零序電流的相位隨著消弧線圈的補償程度而定。在過補償情況下，故障支路的零序電流與非故障支路中性點不接地系統(tǒng)向量圖零序電流的同相。向量關(guān)系如圖一和圖二。 2、 中性點接地方式改 變對單相接地檢測和 高壓漏電保護(hù)的影響 中性點不接地系統(tǒng)地 面單相接地保護(hù)裝置 和井下高壓漏電保護(hù) 的主要原理有二種： “電容電流大小法” 和“零

16、序功率方向” 原理。 故障支路零序電流 IDIL-(Ic1+Ic2 IL Ic1+Ic2 Ic1I01 Ic2I02 Ic3 支路電容電流和非 故障支路零序電流 U0 圖二 消弧線圈接地系統(tǒng)向量圖 （1） “電容電流大小法”是根據(jù)各支路零序電流的大小來判斷故障支路。中性點 不接地系統(tǒng)發(fā)生漏電時，非漏電支路零序電流等于本回路的電容電流，故障支路 零序電流等于非故障支路零序電流之和，故障支路零序電流最大。 在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于消弧線圈的補償作用，故障支路零序 電流并非最大，顯現(xiàn)，不能把“零序電流大小法”作為中性點經(jīng)消弧線圈接地系 統(tǒng)的小電流接地檢測和高壓漏電保護(hù)的依據(jù)。 （2） “零

17、序功率方向”原理是根據(jù)各支路零序電流相對于零序電壓的相位關(guān)系來 判斷故障支路。中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生漏電時，非故障支路零序電流超前零序電 壓 90 ，故障支路零序電流滯后零序電壓 90 。非故障支路和故障支路相位相反。 在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，由于消弧線圈的補償作用，在過補償情況下，故 障支路零序電流和非故障支路零序電流同相位，顯現(xiàn)，也不能把“零序功率方向” 原理作為中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的小電流接地檢測和高壓漏電保護(hù)的原理。 3、現(xiàn)有單相接地保護(hù)技術(shù)不能用于消弧線圈欠補償狀態(tài)。 由于消弧線圈工作在欠補償狀態(tài)很容易變成等補償而造成系統(tǒng)諧振，因此，在電 力部門一般不允許把消弧線圈設(shè)置在等補償

18、和欠補償工作狀態(tài)。一些消弧線圈廠 家，為了湊合目前煤礦地面小電流接地檢測裝置和井下高壓漏電保護(hù)的“零序功 率方向”原理，把消弧線圈工作在欠補償狀態(tài)。從表面看，消弧線圈工作在欠補 償狀態(tài)，發(fā)生單相接地時，故障支路零序電流和非故障支路零序電流反相，滿足 6 “零序功率方向原理” 。但是，由于補償后的零序電流中的有功分量很大，其相位 發(fā)生了很大的變化。事實上，消弧線圈工作在欠補償狀態(tài)，并沒有達(dá)到預(yù)想的效 果。我礦欠補償 15A。原有小電流接地裝置和高壓漏電保護(hù)照樣誤動和拒動。 由此可見，現(xiàn)有煤礦小電流接地檢測和高壓漏電保護(hù)技術(shù)已經(jīng)不適應(yīng)于中性點經(jīng) 消弧線圈接地系統(tǒng)。小電流接地檢測選線不正確，高壓漏電

19、保護(hù)頻繁誤動和拒動， 也就不足為奇。我礦的實際運行情況也證明了這一點。 五、小電流接地保護(hù)的“能量修正”原理 2010 年我礦和溧陽市福沃 特電力自動化有限公司合作，對 35KV 變電所小電流接地檢測裝 置的改造，采用“能量法修正” 解決了中性點不接地系統(tǒng)的單相 接地檢測，取得了很好的效果。 1、 有功分量對消弧線圈接地系統(tǒng) 零序電流向量關(guān)系的影響 前面我們討論的消弧接地系 統(tǒng)的零序電流和零序電壓的相量 關(guān)系的時候，我們忽略了有功電 故障支路零序電流 ID+Ir IDIL+(Ic1+Ic2 Ic1+Ic2 Ir IL Ic1I01 非故障支路零序電流 U0 圖三 有功分量消弧線圈接地系統(tǒng)向量圖

20、 流的影響，而事實上，無論是電容電 流 還 是 電感 電 流 都有一 定 的 有功 分 量，而且自動跟蹤補償消弧線圈中串 Icr故 ID+Ir 故障支路零序 電流有功分量 （并）聯(lián)的阻尼電阻也產(chǎn)生較大的有 功分量?？紤]有功分量的零序電流和 Icr非故 非故障支路零序 電流有功分量 零序電壓的相量圖如圖三。由此可見： Ic1I01 考慮有功分量后，故障支路和非故障 支路零序電流出現(xiàn)了角度差。其有功 分量，大小故障支路最大，故障支路 U0 圖四 消弧線圈接地系統(tǒng)零序 電流有分量向量圖 7 和 非 故 障支 路 零 序電流 的 的 相位 相 反。有功分量的向量圖如圖四。消弧 線圈只能補償零序電流的無功部分。 2、零序能量函數(shù)和能量法：故障前，系統(tǒng)零序電壓和各支路零序電流為零。發(fā)生 單相接地故障，產(chǎn)生零序電壓和零序電流，我們從能量角度來考慮，故障時即等 效于在 t= 0 時刻，在其零序網(wǎng)絡(luò)突然加上一個假想電源，此時系統(tǒng)中各元件上所 消耗和吸收的能量都由此假想電源提供。 （1） 零序能量函數(shù)： 定義線路的零序電壓與零序電流乘積的積分為零序能量函數(shù)， 其計算公式為 。 （2）網(wǎng)絡(luò)上的能量都是通過故障線路傳送給非故障線路的，因此故障線路的能量 函數(shù)總是小于零， 并且其絕對值等于