矿山电网电容电流的研究

1、矿井高压电网单相接地电容电流超标不可忽视11 绪论102 煤矿电网单相接地电流分析102.1 单相接地电流计算112.2 单相接地电流分析123 煤矿电网电容电流状况分析143.1电容电流测量方法143.2 煤矿电网电容电流现状153.3 煤矿高压电网的不平衡分析163.4 煤矿电网对地电容电流变化规律164 煤矿电网单相接地故障过电压对安全性的影响174.1 单相电弧接地过电压174.2 铁磁谐振过电压234.3 高压窜入低压造成的过电压265 煤矿电网单相接地故障电容电流对安全性的影响285.1 煤矿电网电容电流对人身安全性的影响285.2 煤矿电网电容电流对生产安全性的影响325.3 煤

2、矿电网电容电流对接地保护的影响335.4 煤矿电网电容电流对设备安全性的影响375.5 煤矿电网电容电流的其他影响39结论40参考文献41致谢42矿井高压电网单相接地电容电流超标不可忽视引言煤矿安全规程第四百五十七条规定：“矿井高压电网必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A”。因此，了解电容电流产生的原因及其造成的危害并在此基础上提出行之有效的限制是很有必要的。一、 单相接地电容电流的危害1、人体触电在绝缘电阻和分布电容一定时，电网电压越高，人体触电时的危险性就越大。当电网电压一定时，供电线路越长而对地分布电容越大，人体触电时危险性就越大。2、接地电压升高供电系统中任一相绝缘损坏接地时，

3、该相对地电压等于零，其他非故障两相对地电压升高达电网线电压(即为正常工作的3倍)，易使绝缘薄弱处击穿造成两相接地、相间短路。非故障两相对地电容电流也随之增大为正常时的3倍，接地点的接地电流是非故障两相对地电容电流的矢量和，即为正常时对地电容电流的3倍。3、接地电弧过电压4、电雷管先期爆炸爆破安全规程中规定，爆破作业场地杂散电流不得大于30 mA。在潮湿环境和有金属导体环境，单相接地或绝缘损坏漏电时，电容电流流人大地形成杂散电流。杂散电流大量流人工作面，可能造成电雷管先期爆炸，其危害程度与接地电容电流的大小有关，电容电流越大杂散电流越大，引爆电雷管的可能性就越大。5、引燃瓦斯爆炸煤矿瓦斯爆炸事故

4、是井下重大灾害之一。一旦发生瓦斯爆炸，不但造成重大伤亡事故，而且造成巨大损失，给安全生产造成巨大威胁。不同浓度的瓦斯引燃温度不同，高温度也可以引燃低浓度瓦斯。6、引燃煤尘爆炸在井下开采和运输过程中产生大量的尘粒，这些尘粒能长期悬浮在空气中，沉降很慢。在尘粒小于lO脚以下时，不仅对人体肺部危害极大，而且还具有爆炸性。当煤尘受热燃烧时，迅速形成大量的可燃性气体，气体在高温下燃烧爆炸，破坏性很大。当煤尘存在空气中时，与空气接触面积加大，吸附氧分子的能力加强，从而加快氧化过程，在温度达到700。800时最容易爆炸。供电线路越长对地分布电容越大，单相接地时接地电流越大，越易引燃煤尘爆炸。7、电弧不能自熄

5、电弧的大小，不仅与电网电压的高低有关，而且还与接地电容电流的大小有关。电容电流越大，电弧的能量也就越大，其破坏作用也就越大。电弧能否熄灭不仅与电容电流的大小有关，而且还与电弧敞开的程度有关。电弧长期燃烧，可能烧坏电气设备和电缆等的相间绝缘，造成相间短路使故障扩大，这一现象在现场也有发生。二、 单相接地电容电流不超过20A的来历。从安全角度讲，国家规定额定安全电压最高值为42V，对煤矿井下规定额定安全电压为36V，取上限为40V。由于井下保护接地网上任一保护接地点的接地电阻不得超过2欧姆，因此，井下高压电网的接地电流为20A。这就是煤矿安全规程关于“矿井高压电网单相接地电容电流不得超过20A”规

6、定的原因。三、煤矿6KV供电系统单相接地电容电流测试方法一般情况下测量地点选择在35kV变电所内的6kV母线上， 测量接线图如下图所示。四、煤矿6KV供电系统单相接地电容电流使用精确计算方法五、限制措施当单相接地电容电流超过20A是，可采用缩短电网长度或使地面变压器中性点经消弧线接地，可减少单相接地电容电流。毕 业 设 计学生姓名*学 号*学院 物理与电子电气工程学院专 业电气工程及其自动化题 目矿山电网电容电流研究指导教师 讲师 （姓 名） （专业技术职称/学位） 2011年5月 摘要：使煤矿供电系统的对地电容电流增大，给煤矿供电的安全和可靠性带来一系列的问题。煤矿高压电网大多数采用电缆供电

7、，对地电容电流较大，同时煤矿生产环境恶劣，造成单相接地故障较多，据有关的统计资料记载，煤矿电网75%以上的供电故障都属于单相接地故障或其引发的二次故障，随着矿井现代化的发展 ,电缆网络逐步扩大 ,系统电容电流大幅度增加 ,单相接地电容电流是影响电网安全供电的主要因素之一。由于接地过渡电阻的不同、电网电容的变化、其故障电流、中性点对地电压偏移 ,各相对地电压等都同时发生相应变化 ,其数值的变化规律对系统的运作均产生不可忽视的影响。因此必须对电容电流的变化规律及接地故障对电网的危害进行深入研究。本文在理论分析单相接地故障时接地电流的变化规律基础上，根据实测数据分析了煤矿电网电容电流变化规律，汇总了

8、目前电容电流治理的主要措施及方法，重点分析了单相接地故障对安全性的各种影响。关键词：矿山电网，电容电流，变化规律，单相接地，安全性Abstract：Make coal power supply system of capacitance current increases, the coal mine safety and reliability of power to bring a series of problems.Coal mine by high-voltage grid to supply, most cable capacitance current is bigger, al

9、so in coal mine production conditions, cause phase-to-ground fault is more, according to the statistical data of the records, coal power grid 75% of the power supply fault belong to phase-to-ground fault or its cause secondary fault, as mine the development of modern, cable networks gradually expand

10、 greatly increased, the system capacitance current, phase-to-ground capacitance current is the effect of power grid security the main factor. Due to the different grounding of interim resistance to change of capacitance, power, and its fault current, neutral ground, the voltage offset relatively vol

11、tage, etc are happening at the same time corresponding change, the change rule of its numerical of system operation effect of all can produce cannot ignore.So we have to the capacitance current variation rules and the harm of grid grounding faults have been studied. Based on the theoretical analysis

12、 when one-phase ground fault the change rule of ground current based on the measured data analysis, coal power grid capacitance current change rule, summarizing the current capacitance current management main measures and methods, and analyses the one-phase ground fault the various influences of saf

13、ety.Keywords：Mining grid, capacitance current, change rule, single-phase grounding and safety目 录1 绪论32 煤矿电网单相接地电流分析42.1 单相接地电流计算52.2 单相接地电流分析63 煤矿电网电容电流状况分析73.1电容电流测量方法73.2 煤矿电网电容电流现状83.3 煤矿高压电网的不平衡分析93.4 煤矿电网对地电容电流变化规律104 煤矿电网单相接地故障过电压对安全性的影响104.1 单相电弧接地过电压104.2 铁磁谐振过电压164.3 高压窜入低压造成的过电压195 煤矿电网单相接

14、地故障电容电流对安全性的影响205.1 煤矿电网电容电流对人身安全性的影响205.2 煤矿电网电容电流对生产安全性的影响245.3 煤矿电网电容电流对接地保护的影响265.4 煤矿电网电容电流对设备安全性的影响295.5 煤矿电网电容电流的其他影响31结论32参考文献33致谢341 绪论目前，我国煤炭企业安全生产形势较为严峻，安全问题已成为制约煤炭工业发展的突出问 题之一。2003 年世界煤炭产量约 50 亿 t，煤炭事故死亡总数 8000 人。当年我国煤炭产量约 占全球的 35，事故死亡人数则占 80以上，远远超过世界其他产煤国家煤矿事故死亡总 数，全国每年还有十几万的事故伤残人员。我国煤炭

15、生产百万吨死亡率，约为印度的 10 倍， 美国的 100 倍。尤其是一次死亡 10 人以上的特大事故时有发生。这些事故不仅给人民生命 财产带来了巨大的损失， 而且在国内外造成了严重影响。煤矿高压电网大多数采用电缆供电，对地电容电流较大，同时煤矿生产环境恶劣，造成单相接地故障较多，据有关的统计资料记载，煤矿电网75%以上的供电故障都属于单相接地故障或其引发的二次故障，因此必须对电容电流的变化规律及接地故障对电网的危害进行深入研究。本文在理论分析单相接地故障时接地电流的变化规律基础上，根据实测数据分析了煤矿电网电容电流变化规律，汇总了目前电容电流治理的主要措施及方法，重点分析了单相接地故障对安全性

16、的各种影响。2 煤矿电网单相接地电流分析图2-1为一中性点不接地的高压电网集中参数模型图。该电网电源的相电压为，各相对地的电容和绝缘电阻分别为C和r。当电网的任何一相（如A相）经电阻R接地时，在变压器的中性点与地之间便出现位移电压或零序电压，此时流过接地电阻的电流为单相接地电流。图2-1 煤矿高压电网供电系统示意图系统电源电压对称，则有： （2-1） （2-2）式中：电源相电压的有效值，V。2.1 单相接地电流计算根据戴维南等效定理，则图2-1的等效电路图如图2-2所示。 图2-2 煤矿高压电网供电系统等效电路图由图可得单相接地电流： （2-3）式中：三相电网总的对地绝缘阻抗；为交流电的角频率

17、，rad/s。即： （2-4）式中：单相接地电流的有功分量，即 （2-5）单相接地电流的无功分量，即 （2-6）单相接地电流有效值为： （2-7）单相接地电流超前的角度为： （2-8）又零序电流： （2-9）则单相接地电流又可表示为： （2-10）2.2 单相接地电流分析l 单相接地电流与绝缘电阻的关系据单相接地电流有效值式（2-7），按6kV电网，取R、C为定值的单相接地电流随绝缘电阻变化的仿真图见图2-3所示。图2-3 单相接地电流与绝缘电阻仿真图由图可看出，当绝缘电阻由0逐渐增大时，单相接地电流逐渐降低到最小值，后逐渐增大，存在拐点。因此对式（2-7）求导可得使单相接地电流最小的绝缘电阻

18、为： （2-11）由上式可看出，任何电网都存在着某个绝缘电阻条件下单相接地电流为最小的现象。由仿真图可看出，一般电网对地的实际绝缘电阻往往都超过rmin，因此便会出现绝缘电阻值越高，反而单相接地电流值越大（触电的危险性越严重）的结论。l 高压电网单相接地电流由于高压电网的绝缘电阻值较高，由仿真图2-3可看出，此时绝缘电阻对单相接地电流的影响已经极小，因此高压电网在计算单相接地电流时，一般认为。则对式（2-7）求极限，可得：高压电网单相接地电流： （2-12）高压电网单相接地电流有功分量和无功分量为： （2-13） （2-14）高压电网单相接地电流超前的角度： （2-15）l 高压电网电容电流当

19、高压电网发生单相直接接地故障，此时接地电阻R=0，则据式（2-12）可得高压电网单相直接接地电流为： （2-16）由于高压电网相电压为定值，此时接地电流仅与电网对地电容有关，因此高压电网单相直接接地电流又称为单相对地电容电流，治理单相接地电流的实质是治理电容电流。3 煤矿电网电容电流状况分析根据前文分析可知，高压电网对地电容电流的大小直接反映单相直接接地电流。为对煤矿电网单相接地电流状况有深入了解，本文对国内十多个大型煤业集团近几十个煤矿进行了电容电流测试，并根据现场测试数据进行了分析。3.1电容电流测量方法 为真实反映电网情况，本文采用了单相经电阻接地的间接测量方法，其测量原理见图2-1，考

20、虑到试验的安全性，接地电阻选用5001000，接地电流可控制在几安培。试验时，只需记录电网电压、零序电压、接地电流，通过理论计算，即可求出电网单相直接接地时的电流，即电网对地电容电流。由式（2-10），在高压电网忽略绝缘电阻（）时，则： （3-1）上式中，接地电流大小仅与零序电压及系统对地电容有关，电容确定后，与零序电压成正比。因此测得单相经电阻接地的零序电压值及接地电流值，当发生单相直接接地时，由于，则可直接换算的得到单相直接接地时的接地电流值，即单相对地电容电流： （3-2）将上式中的一次电压值换算到二次测量值，则有： （3-3）式中：为电压互感器二次线电压值，为经电阻接地时电压互感器开口

21、三角零序电压值，为经电阻接地时实测接地电流值。3.2 煤矿电网电容电流现状表2-1中的对地电容电流数据实测于72个煤矿中89个承担主要供电负荷的变电所，这些煤矿既有开采几十年的老矿，也有投产不久的新矿，既有年产达1000多万吨的特大煤矿，也有年产不足百万的中小型煤矿。通过对这些分布面广，特点突出的样本进行采样和分析，足以反映出我国煤炭高压电网电容电流的现状。表3-1 煤矿高压电网电容电流测试结果统计表产能(万吨/年)样本数6/10KV系统对地电容电流(安)1002412.8、12.9、14.6、16.2、18.4、19.2、20.4、21.3、24.5、27.5、29.8、32.1、33.5、

22、34.8、36.5、37.6、40.8、40.9、41.0、41.5、42.1、59.1、63.1、68.91012003022.3、22.8、24.9、25.1、26.3、28.6、32.1、34.6、35.4、37.3、37.7、39.1、43.2、44.8、45.3、45.7、49.7、49.9、51.5、54.2、58.7、58.9、60.4、63.8、66.6、68.5、69.2、70.1、72.3、75.32013001539.4、42.7、44.7、48.6、53.7、53.9、57.5、59.1、62.8、67.2、69.5、73.2、84.6、95.2、115.3301499

23、1355.8、67.2、68.4、74.2、75.3、75.4、75.4、79.4、79.6、87.7、89.5、97.4、108.2500782.9、89.2、91.2、92.8、104.5、117.2、126.2上表中的电容电流值均是单个变电所母线并列情况下的实测系统对地电容电流数据。可看出几乎200万吨产量的煤矿主变电所电容电流均超过40A，这与上世纪九十年代初期相比增长极大。另外同时个别产量不高的老矿，由于开采区域深度或面积较大，造成电容电流也较大。表3-2 煤矿高压电网电容电流状况统计表电容电流(A)020204040100100样本个数623555比 例6.74%25.84%61.

24、80%5.62%超 标 率32.58%67.42%表3-2为89个煤矿变电所的电容电流统计情况，可看出目前煤矿电容电流超标严重且普遍，即使母线采用分裂运行，仍有67.42%的变电所单母线电容电流超过20A，因此采用消弧线圈对电容电流进行治理极为必要。3.3 煤矿高压电网的不平衡分析在实测煤矿变电所电容电流时，通过测试电网电压互感器开口三角的自然不平衡电压，得到了煤矿6-10kV变电所的自然不平衡度。测试数据见表3-3。表3-3 煤矿高压电网自然不平衡测试数据产能(万吨/年)样本数6/10KV电网自然不平衡度()100240.13、0.15、0.15、0.18、0.23、0.28、0.28、0.

25、31、0.32、0.35、0.38、0.38、0.39、0.41、0.42、0.42、0.44、0.45、0.48、0.49、0.58、0.72、1.25、2.29101200300.11、0.11、0.13、0.14、0.15、0.16、0.16、0.18、0.23、0.23、0.24、0.25、0.25、0.26、0.27、0.27、0.28、0.29、0.30、0.30、0.31、0.34、0.38、0.42、0.44、0.48、0.49、0.51、0.64、1.32201300150.14、0.14、0.17、0.19、0.21、0.23、0.24、0.32、0.33、0.33、0.3

26、7、0.42、0.43、0.74、0.83301499130.13、0.22、0.29、0.32、0.38、0.39、0.42、0.46、0.52、0.57、0.58、0.94、1.7850070.29、0.32、0.33、0.42、0.44、0.47、0.56表3-4 煤矿高压电网自然不平衡分布状况不平衡度00.290.30.390.40.490.50.590.60.991.00以上出现次数362018654比 例40.45%22.47%20.22%6.74%5.62%4.49%从以上两表可以看出，煤矿电网的自然不平衡度较低，这与煤矿6-10kV系统主要采用电缆供电为主有直接关系；另外煤矿主

27、供电变电所主要负荷为井下负荷，单相负荷较少，电网对称度高；因此煤矿电网的主供电6-10kV电网可按对称电网考虑。3.4 煤矿电网对地电容电流变化规律由高压电网电容电流公式（2-16）可知，电容电流的大小取决于系统对地电容及系统相电压。煤矿电网系统对地电容主要取决于供电电缆长度及相对地浪涌电容器大小，除此之外的其它配电设备对其影响不大。根据实测经验，煤矿电容电流的变化有以下规律：煤矿电网的对地电容电流值一般存在相对稳定，但会发生大跃变的规律。造成这种变化的主要原因是随着煤矿开采区域的变化，电缆长度会随开采范围及采煤工作面更换等情况的影响。一般电容电流出现较大变化都是可以预先知道的，在大跃变之间则

28、是长时间的相对稳定阶段。另外，虽然煤矿生产一般存在检修工况及生产工况，但由于煤矿生产的特殊性，两种工况下电缆投切变化不频繁，因此电容电流的变化相对较小。煤矿电网的对地电容电流值在相对稳定阶段有小范围的频繁波动。一是由于电网电压的波动，二是由于生产过程中正常的线路切换。4 煤矿电网单相接地故障过电压对安全性的影响单相接地故障引起的过电压一般包括单相电弧接地过电压、铁磁谐振过电压、高压窜入低压造成的过电压等。这些过电压，能够使那些绝缘薄弱环节相继击穿，有可能造成相间短路，引起电缆放炮等严重事故。4.1 单相电弧接地过电压在电网中性点非有效接地的供电系统中，发生单相接地故障时，将使非故障相的对地电压

29、升高倍，线电压仍然维持对称状态，对三相负荷的运行没有影响，因此一般允许带故障继续运行12小时，提高了供电可靠性。但若发生单相间歇性电弧接地故障，非故障相对地电压将超过线电压，则会波及整个电网，使绝缘薄弱环节击穿，造成相间短路，事故扩大。产生单相间歇电弧接地过电压的过程是极其复杂的，理论分析只不过对这种极其复杂但具有统计性的接地电弧进行理想化后的解释。长期以来，多数研究者认为电弧的熄灭与重燃时间是决定最大过电压的重要因素，并形成两种熄弧理论，即工频熄弧理论和高频熄弧理论。由于高频熄弧理论分析所得的过电压值偏高，而工频熄弧理论分析所得的过电压值比较接近实际情况，故本节仅以工频熄弧理论来分析中性点非

30、有效接地系统三种接地方式下的单相间歇电弧接地过电压的形成过程。由于高压电网对地绝缘电阻值较高，分析时忽略了绝缘电阻的影响。 中性点不接地系统图4-1所示为中性点不接地系统发生单相接地时的各个电气量的相位关系和波形。假设A相电弧接地，电源的相电压为、，线电压为、，电网各相对地电压为、，接地电流为。图4-1 中性点不接地单相电弧接地过电压波形设A相电压在负的最大值（-）时对地闪络，此时B、C相对地电容上的初始电压是0.5，在A相接地后，B、C相对地电压、将很快过渡到新的稳态值1.5。由于电网存在电感，在LC串联回路中，当回路的电容电压从初始值，过渡到新的稳态值，可能出现的最大电压为2.5，随后过渡

31、过程很快衰减，B、C相对地电压、稳定在、上运行。经过半个工频周期（10ms），B、C相对地电压、等于（-1.5），=0，电弧自然熄灭，即发生第一次工频熄弧。但在熄弧瞬间，A相对地电压为零，电网储有电荷（-1.5），这些电荷将在电网三相对地电容上均匀分配，在三相电网对地电容上形成直流电压分量-，所以，熄弧以后，电网对地电压由电源电压和直流电压（-）叠加组成。熄弧后的瞬间，=-1.5，=-1.5，=0。因此，断弧后的瞬间，各相初始电压与瞬间稳态电压相等，不会引起过渡过程。再经过半个工频周期（10ms），A相对地电压=-2，这时最有可能引起电弧重燃，使B、C相的对地电压从初始值过渡到线电压的瞬时值，

32、出现的最大过电压为3.5。过渡过程衰减后，B、C相对地电压仍将稳定在线电压上运行。以后每隔半个工频周期（10ms），依次发生电弧的熄灭和重燃，过渡过程将与上面的分析完全重复，非故障相的过电压最大值=3.5，故障相的过电压最大值=2。需要指出的是，电网相间电容的存在，以及为提高功率因数装设的电容器组，将会使单相接地电弧过电压的最大值减小。这是因为，当电弧熄灭的瞬间，电网储存的电荷不仅要在电网对地电容上分配电荷，而且要在相间电容上分配电荷，电网对地直流电压数值减少，从而使过电压的幅值降低。 中性点经电阻接地系统在中性点不接地的电网中，造成单相电弧接地过电压的原因是第一次电弧熄灭的瞬间，电网储存的电

33、荷会在电网三相对地电容上均匀分配，造成一直流电压分量，而这一直流电压，在电弧熄灭的半个工频周期内，无法泄放，从而使电弧重燃瞬间的过渡过程出现3.5。对电网中性点经电阻（）接地的系统中，中性点对地电阻，提供了这一放电通路。其等效电路如图4-2所示。图4-2 中性点经电阻接地电网熄弧后计算直流电压等效电路由图4-2可以得到，电网对地直流电压分量的表达式为： （4-1）由前面的分析知道，当=10ms时电弧重燃，重燃瞬间故障相过渡过程出现的最大过电压为：= （4-2）若定义，为非故障B、C相的过电压倍数，为故障A相的过电压倍数，则（4-2）式可变为： （4-3）同理可得： （4-4）由（4-4）式，通

34、过计算机仿真非故障过电压倍数随的变化曲线如图（4-3）所示。图中横坐标为，纵坐标为（）。从图4-3可以看出，当4.5时，非故障相过电压倍数在3以下，当=3，故障相过电压倍数约为2.85。比较（4-3）式与（4-4）式，还可以看出，故障相过电压最大值总是比非故障相过电压最大值小1.5。图4-3 非故障过电压倍数随的变化曲线 中性点经消弧线圈接地系统如前所述，接地电弧电流每次过零熄灭后，由于故障处恢复电压超过介质恢复强度而多次击穿，使电弧重燃，产生较高的过电压。消弧线圈对电容电流进行治理，有效降低接地点电流，图4-4为该接地系统恢复电压等值计算电路。图4-4 消弧线圈接地电网单相接地故障相恢复电压

35、等值计算电路图4-4中，g是考虑消弧线圈的损耗以及电网对地绝缘电阻的等值电导，开关K代表电弧的熄灭与击穿。消弧线圈补偿网络的阻尼率为： （4-5）消弧线圈补偿网络的脱谐度为： （4-6）式中： 电源的角频率；电路的自振角频率。当单相接地电流过零时，电弧熄灭，相当于K断开，由前面的分析，故障相的初始直流电压为-将以变化，电源电压以变化，两者叠加使K两端的电压为： （4-7）式中：在电流过零瞬间，由电导g所决定的相角，接近于零；=等值电路的衰减系数。据式（4-7）可仿真得到故障相恢复电压变化曲线，如图4-5、图4-6所示。图中横坐标表示时间，纵坐标表示。图4-5 故障相恢复电压曲线图4-5是，=5

36、%的故障恢复相电压变化曲线，可以看出其拍频周期是，恢复电压的上升速度远较无消弧线圈时慢，根据前面的分析，故障相最大过电压倍数也降低，同理，非故障相最大过电压倍数也降低。图4-6 故障相恢复电压曲线图4-6是（即全补偿），=5%的故障恢复相电压变化曲线，故障恢复相电压上升速度更慢。比较图4-5和图4-6的曲线可知，为定值时，随的减小，故障相恢复电压的幅值和增长速度均减小，有利于电弧的熄灭，减少高幅值过电压出现的概率。电网中性点经消弧线圈并（串）电阻接地的系统中发生单相间歇电弧接地时，其故障相恢复电压的上升和过电压的情况同经消弧线圈接地类似，不管是在消弧线圈两端并联电阻，还是在消弧线圈回路中串联电

37、阻，其结果就相当于在图4-3中增加电导g的数值，即增加电网的阻尼率。图4-7和4-8是脱谐度=10%，阻尼率取不同值的仿真结果。图4-7 =20%故障相恢复电压曲线图4-8 =40%故障相恢复电压曲线由图4-7、4-8及4-5可看出，随着阻尼率的增加，故障相恢复电压最大值在下降，越来越接近电源的电压，也即第一次接地电流过零时，在电网对地电容上存储的电荷很快就通过电阻泄放掉了，有利于电弧的熄灭和降低过电压数值；但阻尼率过大将会增加接地点的残余电流，增加接地电弧的能量，不利于电弧的熄灭；因此合理设置电网阻尼率极为重要。从前文分析可知，在中性点非有效接地系统中，由于电网对地电容电流的存在，会产生单相

38、电弧接地过电压，其过电压的幅值与电网中性点运行方式密切相关。中性点不接地系统单相电弧过电压最高；中性点经电阻接地单相电弧过电压较低；中性点经消弧线圈接地系统单相电弧过电压较高，但其高幅值过电压的概率小；中性点经消弧线圈并电阻接地系统单相电弧过电压较低，降低程度与消弧线圈阻尼大小密切相关，并且其高幅值过电压的概率也较小。4.2 铁磁谐振过电压 在中性点非有效接地电网中，变电所一般装设有电压互感器。正常运行时，电压互感器的励磁电感是很大的，也即感抗很大，对三相电网对地的零序阻抗影响很小，但是在某些特殊情况下，也会产生铁磁谐振过电压。如：电压互感器的突然合闸或三相不同期合闸，使电压互感器某一相或两相

39、绕组内出现很大的涌流；由于电网发生单相间隙电弧接地故障，使非故障相电压突然升至线电压，而故障相在接地故障消失时又可能有电压的突然上升，在这些过程中都有可能造成电压互感器的某一相或两相铁芯饱和，出现很大的涌流，电感值下降。从而，产生串联铁磁谐振过电压。下面以电压互感器某一相（A相）电感值突然减小为例，来说明过电压的形成原理。图4-9为电压互感器等效原理图，其中为电网每相对地电容；为消弧线圈电感；为中性点对地电阻；为线路电阻；为电压互感器励磁电感。图4-9 电压互感器铁磁谐振过电压原理由图可得电网中性点对地电压（零序电压），即： （4-8）式中：电网对地总的零序阻抗。 中性点不接地系统将，代入（4

40、-8）式得： （4-9）若有，即，则，由于很小，会很大。 中性点经电阻接地系统将，代入（4-9）式得： （4-10）在（4-10）式中，由于远小于，可以忽略，若再有的话，则（4-10）式为，通常取=（23）的（），所以中性点最大过电压可能达到相电压的（23）倍，一般可以在电压互感器线圈与电网联接处串电阻，即增加值，降低铁磁谐振过电压。 中性点经消弧线圈接地系统在电网中性点经消弧线圈接地系统中，铁磁谐振过电压同其工作状态有关，单纯使用消弧线圈接地的电网，其工作状态为过补偿和欠补偿。消弧线圈工作在过补偿状态，电网对地总的零序阻抗为电感性的，设， ，代入（4-8）式，得： （4-11）从（4-11）

41、式可以看出，无论为何值，电网中性点对地电压均小于相电压。消弧线圈若工作在欠补偿状态，电网对地总的零序阻抗为电容性的，设，。铁磁谐振过电压的情况同电网中性点不接地相同，是很高的，因此，消弧线圈通常不采用欠补偿状态。在中性点经消弧线圈并电阻接地的电网中，其消弧线圈通常工作在全补偿状态，由于全补偿状态时，有：，所以，同中性点经电阻接地情况相似，所以电网中性点电压不会很高。上面分析了电压互感器一相饱和，电感下降，同电网对地总的零序阻抗谐振，造成电网中性点对地电压（）升高的原因。并不是说，电压互感器一相饱和，电感下降，才可能造成升高的现象，事实上，电压互感器两相饱和，电感下降，也同样会产生这种过电压现象

42、。总之，由于电网对地电容的存在，会在一些因素的激励下产生铁磁谐振过电压。该过电压的大小同样与中性点接地方式有关，中性点不接地系统铁磁谐振过电压最高；中性点经电阻接地系统、中性点经消弧线圈并电阻接地系统该过电压低；中性点经消弧线圈接地系统在过补偿时该过电压低，而在欠补偿时则高。4.3 高压窜入低压造成的过电压在运行中时有发生动力变压器或仪用变压器（如电压互感器）因绝缘损坏而造成高压窜入低压的现象（如图4-10所示），从而使低压侧的对地电压升高，出现过电压。图4-10中、和分别表示高压电网三相电源的相电压；、和分别表示降压变压器T低压绕组的相电压；C1为高压电网每相对地分布电容；Z为低压电网每相对

43、地的绝缘阻抗。设变压器T高压绕组的A相绝缘击穿。致使其导线与低压绕组的中性点相碰，于是，该低压绕组中性点的对地电压为 (4-12)图4-10 高压串入低压引起的过电压现象低压侧各相地电压变为： (4-13)则其过电压的倍数为： (4-14)该值与UN的大小有关。UN越大，则过电压的倍数就越高。当低压电网对地的绝缘电阻值很高，而且只考虑其对地电容C2时则： (4-15)于是： (4-16)其有效值为： (4-17)显然，当C2一定的情况下，C1值越大，则UN值越大。若则： (4-18)各相对地电压的倍数均为： (4-19)对于6kV的高压电网，若低压为660V，则过电压倍数最高可达，显然是非常危

44、险的。如果是向仪用电压互感器供电，其二次电压更低，过电压倍数更高。因此，使用电压互感器的二次侧中性点都必须接地。因为中性点接地时，Z=0，UN=0也就不会有过电压产生。对于一些动力变压器，有时在其中性点与地之间加装击穿保险器，同样也可限制过电压。不过，对于煤矿井下来讲，这些都是不允许的，因此，只好加强高低压绕组之间的绝缘。以防发生绝缘击穿事故，危及低压电网的安全。这种过电压往往要比高、低压绕组之间因耦合电容所引起的传递过电压高，这是因为耦合电容比较小的缘故。因此，本节未对传递过电压现象进行分析。5 煤矿电网单相接地故障电容电流对安全性的影响现有煤矿安全规程规定，单相接地电流值应不大于20A。我

45、国煤矿6-10kV电网电容电流超过20A的约占2/3，因此必须深入分析电容电流的危害，针对危害进行治理，提高煤矿电网供电安全水平。电容电流的危害是多方面的，本节主要从对人身安全性的影响、对生产安全性的影响、对接地保护的影响、对设备安全性的影响等方面进行分析。5.1 煤矿电网电容电流对人身安全性的影响煤矿高压电网电容电流对人身安全性所造成的危害极其严重，主要体现在人身触电时的危险性，以及电容电流对保护接地的影响。 电容电流对人身触电的影响图5-1为中性点不接地系统中人身触及一相导体时的等效电路图，其中r为线路对地绝缘电阻，C为线路对地电容，IM为人体触电电流。若将人体等效为固定电阻R时，则与单相

46、经电阻接地故障表现的特征完全相同。因此其戴维南等效电路如图5-2所示。图5-1 人触及中性点不接地供电系统的一相导体图5-2 计算人身电流的等效回路由式2-7可得人身触电电流为： （5-1）由前文分析及式4-8可知，当绝缘电阻时，人身触电电流为最小；随着绝缘电阻值r的增大，人身触电电流值IM总是增加，直至时，人身触电电流便趋于某一极限值为： （5-2）一般煤矿生产条件下人身电阻按1k计算，则依据上述公式可求得6kV电网具有不同电容值C的人身触电电流最小值、极限值及其增大的百分数如表5-1所示。图5-3表示增大的百分数随电网对地电容C的变化规律。表5-1 人身触电电流的最小值和最大值及其增大的百

47、分数（%）C（mF）人身触电电流最小值（A）人身触电电流极限值（A）12.082.3814.0%1.42.392.7615.4%1.52.452.8315.5%1.62.502.8915.4%22.663.0614.8%32.913.2712.4%43.033.3510.3%53.123.398.8%63.173.417.6%73.213.436.7%83.243.435.9%93.273.445.3%103.293.444.9%图5-3 人身触电电流增大的百分数（%）随电容C变化的规律由表5-1及图5-3人身触电电流增大的百分数并不是固定不变的，开始时，随着电容C的增大而增大，后来却随着C增

48、大而逐渐减小，当时，达其最大值15.5%。值得指出人身触电电流极限值值随着电网对地电容C增大的速度，开始时较快，但当其增大到一定程度，则上升的速度变慢。其变化规律如图5-4所示。其稳定值为：图5-4 随C变化规律 （5-3）该值与电网对地电容C无关，相当于变压器中性点直接地时一样。也就是说，对于6kV电网，人身触电电流的最大可达3.46A。从人身触电的安全电流来看，一般认为应不超过30mA。现在人身触电电流值已达到安培级，显然是不安全的。如果考虑人身触电的时间因素，即按人身触电电流与触电时间t的乘积公式计算，在通常的漏电保护装置的动作时间和高压开关的分闸时间之和t=0.28s的条件下，人身触电

49、电流值最大也只有150mA，显然仍不能保证人身触电安全。现根据，按式（4-14）计算，可求得高压（6kV）电网对地电容。显然，这么小的电容量，对于一般的电网是不存在的，这进一步说明，采用一般的漏电保护装置也不可能满足人身触电安全的要求。 电容电流对保护接地的影响保护接地也是防止人身触电的一项有效措施。在变压器中性点不接地的供电系统中，一旦电气设备的绝缘击穿，发生了某相导体“碰壳”事故，电气设备的金属外壳便与该相导体等电位。此时，如果人身接触该金属外壳，便有可能发生人身触电事故。如果将电气设备的金属外壳用导线与大地相连，使其对地电位降低，便有可能减小人身的接触电压。达到防止人身触电的目的，这就是

50、保护接地的作用原理。其原理如图5-5所示。图中I和Id分别为流入接地网和接地极的电流。(a)(b)图5-5 保护接地原理图在没有接地网或没有与接地网连接的情况下（如图5-5a）所示，入地电流于是，接触电压为； (5-4)式中：Rd接地电阻。当接触电压的允许值为40V接地电阻为时，允许的单相接地电流便不得超过20A。因此，煤矿安全规程规定，煤矿高压（6kV）电网的单相接地电容电流不得超过20A。同样若接地电阻保持不变，则电容电流越大，人身的接触电压亦越大，甚至远远超过接触电压的允许值，会对人身的安全性造成极大的威胁。其实，由于井下接地网的作用（见图5-5b）Ijd=I+Id，即一部分单相接地电流

51、I便经接地网直接返回电网。而入地电网Id通常都比要小。5.2 煤矿电网电容电流对生产安全性的影响煤矿电网电容电流对生产安全性的影响体现在电容电流的存在，会增加瓦斯爆炸的危险性。在煤矿存在瓦斯（甲烷）的情况下，如果遇到足够的电弧或电火花能量，该瓦斯便有可能被引燃的危险。据有关资料记载，点燃瓦斯的最小能量为，因此，只要是电弧或电火花的能量超过它，便有点燃的可能。从电网对地电容C所储存的能量A来计算； （5-5）考虑到电源相电压的峰值，对于6kV电网为 （5-6）于是 （5-7）也就是说，只要电网对地电容C达到该电网的储能就足以使瓦斯爆炸。显然，实际的煤矿电网，其对地电容均大大超过这一数值。再从煤科

52、总院抚顺分院所提供的一组模拟试验数据来看（见表5-2），对于660V和1140V电网，它们引爆瓦斯的单相漏电电流几乎与电网对地电容值的大小无关。660V约为，1140V为左右。显然，在漏电电流不变的情况下，随着电网对地电容值增加的同时，漏电电阻值必然要增大。此外，随着电源电压的提高，由于引爆瓦斯的漏电电流减小。更要求增大漏电电阻值。例如，电网对地电容都是的情况下，对于660V电网，要使漏电电流为，漏电电阻值应为；而对于1140V电网，漏电电流为8mA时，则要求漏电电阻值为82.2kW。由此看出，随着电源电压的提高，不仅引爆瓦斯的电流值减小，而且漏电电阻值还要增大，也即更容易引起瓦斯爆炸。如果电源电压为6000V，其引爆瓦斯的可能性将会更大。表5-2引爆瓦斯的单相漏电电流 C(mF)电压（V）0.20.30.470.500.671.0备注380648811815066045424447r = 50kW408978r = 62kW注：引爆试验的瓦斯浓度为8.5%不难理解，在高压电网单相接地的情况下引爆瓦斯的对地电容值必然是非常小的，一般电网均能超过。5.3 煤矿电网电容电流对接地保护的影响中性点直接接地或经低阻接地的电网，发生单相接地就是单相短路，保护实现比较容易，在