煤矿电容电流的综合治理

1、煤矿电容电流的综合治理邵华 国投新集能源股份有限公司一矿（210000？）我矿为年产量三百万吨的大型矿井，和绝大部分大刑一样，高压供配电网络庞大而复杂。我矿地面35KV 变电所二台安装二台35/6KV主变压器，一台运行，一台热备用。采用双回路电源、单母线分段供电方式，承担我矿主要负荷。变矿区另建有低热值矸石电厂一处和低浓度瓦斯电厂一处，分别有两台发电机和六台发电机组，都并入35KV 变电所的6KV 侧电网。下入井高压电缆7路，-450m 、-550m 水平各设有中央变电所1个。各采区变电所电源分别取自同一水平的中央变电所，其中-450m 水平建有2个采区变电硐室，-550m 水平1个采区变电硐

2、室，全部采用双回路电源供电，采用分列方式运行。我矿高压系统电容电流达70A 。煤矿安全规程规定：6KV 电网，当电容电流大于20A 时，要采取补偿措施。显然我矿电容电流过大，必须采取补偿措施。为此2006年安装了（产品型号）消弧柜，效果不好投入运行就退出。2008年又安装了XBSG-6/50消弧线圈，但中性点接地方式改变后，地面小电流接地保护装置选线不准，井下高压漏电保护频繁误动和拒动，成为我矿高压供电系统的一大安全隐患。电容电流的治理势在必行，安装消弧线圈用，补偿了电容电流，电容电流的危害得到了缓解，但是和原有地面小电流接地检测技术和井下高压漏电保护技术不适用于中性点经消弧线圈接地系统，以至

3、小电流接地检测装置失去选择性，井下高压综保频繁误和拒动。这是目前煤矿高压电网普遍存在的问题，成为煤矿高压供电系统的一大安全隐患。本文根据我矿在综合治理系统电容电流的实际情况，分析消弧柜和各种中性点接地方式对电容电流的治理原理，探讨消弧柜在煤矿使用失败的原因，研究消弧线圈对煤矿小电流检测和高压漏电保护影响，为煤矿治理电容电流过程中出现的一系列问题寻找理论依据。一、电容电流的危害性煤矿高压配电网，随着生产规模增加，电网的不断扩大，电容电流越来越大，直接影响了电网的安全运行。1、单相接地发展成相间短路：电容电流大，接地点发热，造成空气的离解，破坏了周围空气的绝缘，再加上非故障相电压增加，容易发展成相

4、间短路。据有关资料统计：单相接地故障有30%左右发展为相间短路，由单相接地发展的故障跳闸次数占配电网故障跳闸次数的40%左右。煤矿系统配电网，环境恶劣，系统绝缘情况相对差，单相接地更加频繁，单相接地发展成相间短路，线路跳闸的机率更高。2、弧光接地过电压危及网内电气设备绝缘：在中性点不接地系统中，电容电流的大小直接反应了接地电流的大小，而接地电流的大小直接影响了接地点的燃弧状况。在发生瞬间或间歇性不稳定单相接地时，在每次接地电流自然过零时，电弧有一个短暂的熄弧时间，若弧道的恢复电压大于介质的恢复强度，则发生重燃。时断时续的间歇性电弧，导致电网中电磁能的强烈振荡，在非故障相、中性点和故障相出现弧光

5、接地过电压。弧光接地过电压的幅值可达额定电压的3.5倍，且遍及全网，持续时间长，会危及网内电气设备绝缘，在绝缘薄弱处形成击穿。3、铁磁谐振过电压危及网内电气设备绝缘：铁磁谐振元件主要是电磁式电压互感器和网络对地电容。当网络中电磁式电压互感器的励磁感抗大于网络对地容抗时，在一定的激发因素诱导下就会发生铁磁谐振。基波谐振、高次谐波谐振的谐振过电压幅值可以达到额定电压的3倍，容易造成无间隙氧化锌避雷器击穿、电缆头爆炸等危及电气设备绝缘事故；分次谐波谐振的大电流可使电压互感器的高压保险熔断，或者使电压互感器过热、烧坏等事故。二、常见中性点接地方式及其电容电流的影响1、中性点不接地：配电网中性点不接地系

6、统中，一般系统电容电流较小时，一些瞬时接地故障能够自行消失，在系统发生单相接地时，地面允许带故障运行2小时。这对提高供电可靠性，减少对用户停电是非常有效的。这种中性点接地方式由于结构简单，投资少，现在大多数高压电网中一直采用。但是，随着电网的不断发展，电容电流增加，这除了会发展为相间短路故障外，还会产生弧光接地过电压和铁磁谐振过电压等，不利于电网的安全稳定运行。因而，中性点绝缘方式只适用于电容电流很小的配电网。2、中性点经电阻接地：近年来有些采用了国外进口的低绝缘水平设备或大量采用荷电率比较低的无间隙氧化锌避雷器的电网，以及对内过电压要求比较严的电网采用了中性点经电阻接地的方式。这种接地方式的

7、好处是对内过电压限制得比较低，不会产生较高幅值的弧光接地过电压和铁磁谐振过电压，与零序电流保护配合能迅速地切除故障线路，有利于电网的稳定。电阻接地方式可划分为小电阻接地和高电阻接地两种方式。至今没有发现煤矿采用这种中性点接地方式。3、中性点经消弧线圈接地：由于电感电流和电容电流反向，因此在中性点加装消弧线圈是补偿电容电流的常见方法。（1）老式消弧线圈：老式的消弧线圈是一带有气隙的铁心电感线圈，线圈带有若干抽头，以改变其电感量。在电网发生单相接地故障，在中性点位移电压的作用下，消弧线圈向电网提供补偿电流IL ，以抵消电容电流Ic ，一般要求消弧线圈工作在过补偿状态，即IL-IC 0，残余电流呈感

8、性。由于消弧线圈的作用，减少了接地故障残余电流，减小了接地点弧隙恢复电压上升速度，促使了接地电弧的熄灭，因而可以使大多数瞬时性接地故障自动消失。由于消弧线圈的感抗要比电网中的电磁式电压互感器的励磁电抗小得多，因而电磁式电压互感器因磁饱和引起的三相不平衡也就产生不了铁磁谐振过电压。老式消弧线圈大多使用于35KV 66KV 配电网，对电网的安全稳定性及供电可靠性起了很大的作用。煤矿一般为6KV 10KV 电压等级，由于电源变压器大多为接线，中性点没有引出来，因而很少使用。而且老式的消弧线圈也存在如下一些缺点。因消弧线圈的抽头需要停电调整，调整依据是对电网每条线路的长度估算，而配电网的运行方式变化频

9、繁，即使是在同一运行方式下，电容电流因气候的变化也最多会有30%的变化量，因而老式消弧线圈很难保护电容电流的补偿效果。 如补偿电流接近全补偿状态，容易出现危险的谐振过电压。不能有效地抑制电网中间歇性弧光接地过电压。（2）自动跟踪补偿消弧线圈：自动跟踪补偿消弧线圈是上世纪末发展起来的新技术。它能对电网电容电流进行实时在线测量，补偿电流可以做到自动有级或无级可调，通过阻尼电阻接地。自动跟踪补偿消弧线圈除了具有老式消弧线圈的优点外还兼有小电阻接地的优点。自动跟踪补偿消弧线圈测量精度高，跟踪准确，可以做自动有级或无级可调，补偿效果好。当电网出现间歇性的电弧接地时，自动跟踪补偿消弧线圈一方面向接地点提供

10、补偿电流，减缓弧道恢复电压上升速度，促使电弧熄灭，避免重燃；另一方面，串接或并接的阻尼电阻又起着吸收能量和阻尼的作用，有效地抑制了弧光接地过电压的幅值，可把弧光接地过电压的幅值限制在1.8U 以内。由于补偿后的残余电流小，弧隙恢复电压上升速度慢，大多数瞬时性接地故障能自行熄灭，因而具有较好的防雷、防污闪功能，较大地降低线路故障跳闸率。 能够消除电网中由PT 引起的所有频率的铁磁谐振，优于任何型式的消谐器。三、消弧柜的原理和在煤矿高压电网应用的缺陷近年来，在电力部门的一些地区的较小电网中安装了消弧柜。后来煤矿供电网也有应用。我矿也于2006年安装过消弧柜。消弧柜的熄弧原理是：当系统发生间隙性弧光

11、接地时，装置判别接地相别，并对地短接（一般为小阻值限压电阻）该故障相，从而限制弧道两端的恢复电压，达到消弧的目的。工作过程如下：发生接地故障，如果是金属性接地，则在地和故障相不投入限压电阻；如果是过渡电阻接地，则在前10ms 进行接地线路选择，后10ms 在地和故障相投入限压电阻，达到熄弧的目的。但是消弧柜不适用于煤矿这样的多级配电网，其原因如下。1、和现行规程冲突，电容电流没有得到补偿：电容电流对电网的影响是全方位的，不仅会产生弧光过电压和谐振过电压，而且会由于接地的发热、燃烧，引起相间短路，因此电力规程和煤矿安全规程都是规定当电容电流大到一定程度要进行补偿，而不是仅仅消弧。而用本原理做成的

12、消弧装置，电容电流不仅没有得到补偿，而且加深了接地程度而增加了电容电流，这与现有规程和标准是冲突的。2、装置有可能引起事故扩大：该原理的装置在系统发生接地时，在接地相接入限压小电阻。如装置发生误操作或其他原因，把限压电阻接入非故障相，即引起事故扩大。任何装置都有故障和误动的可能，而消弧柜如果误判接地相，引起的后果是严重的，也是无法忽视的缺陷。3、单相接地选线准确率低：这一原理必须建立在单相接地选线100%正确的基础上，否则当投入限压电阻出现两点接地后，不要说自动选线了，“拉闸试停”也找不出故障线。而从装置的原理上看，该装置的选线原理仍然是“零序功率方向”，但给的条件更苛刻：装置“在前10ms

13、进行接地故障线路选择，后10ms 在地和故障相投入小电阻达到熄弧的目的”。半个周波来来进行小电流接地检测难度更大。判别单相接地需要足够长的时间，熄弧又需要在尽量短的时间内投入限压电阻，这是无法回避的矛盾。4、特别不适合网络大而级别多的煤矿电网中：煤矿高压供电系统电网大，级别多，一般至少要分地面变电站、井下中央配电站和採区配电站三级。发生单相接地时地面变电站单相接地检测动作于发信；井下中央配电站单相接地保护可以动作于发信，也可动作于跳闸；採区配电站单相接地保护动作于跳闸，跳闸时间不大于2s 。如果井下一出线发生单相接地，20ms 在地面选择出故障线路（我们在此假设正确选线率100%），并在接地相

14、上投入消弧电阻，而此时井下的漏电保护还没有动作（动作时间至少100ms 以上），形成两点接地后，最原始的“拉闸试停”的方法也失效。根本无法确定故障支路，井下网络之大，负荷之重要，由此带来的负面影响是可想而知的。四、消弧线圈原理及其对小电流接地检测和高压漏电保护的影响1、消弧线圈对系统零序电流 大小和相位的影响（1）零序电流大小变化：中性点不接地系统，非故障支路的零序电流就是本回路的电容电流，故障支路的零序电流等于非故障线电容电流之和， 一般故障支路零序电流最大； 而中性点经消弧线圈系统，故障支路的零序电流等于非故障支路电容电流之和与电感电流的矢量和，由于电容电流和电感电流反相，所以，故障支路零

15、序电流一般不是最大。大小关系如图一和图二。图为一个三条支路的系统，设支路3为故障支路（2）零序电流相位的变化：中性点不接地系统，非故障支路零序电流超前零序电压90，故障支路零序电流滞后零序电压90。故障支路和非故障支路相位相反；中性点经消弧线圈系统，故障支路的零序电流与非故障支路零序电流的相位随着消弧线圈的补偿程度而定。在过补偿情况下，故障支路的零序电流与非故障支路中性点不接地系统向量图零序电流的同相。向量关系如图一和图二。 2、 中性点接地方式改 变对单相接地检测和 高压漏电保护的影响 中性点不接地系统地 面单相接地保护装置 和井下高压漏电保护 的主要原理有二种： “电容电流大小法” 和“零

16、序功率方向” 原理。 故障支路零序电流 IDIL-(Ic1+Ic2 IL Ic1+Ic2 Ic1I01 Ic2I02 Ic3 支路电容电流和非 故障支路零序电流 U0 图二 消弧线圈接地系统向量图 （1） “电容电流大小法”是根据各支路零序电流的大小来判断故障支路。中性点 不接地系统发生漏电时，非漏电支路零序电流等于本回路的电容电流，故障支路 零序电流等于非故障支路零序电流之和，故障支路零序电流最大。 在中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈的补偿作用，故障支路零序 电流并非最大，显现，不能把“零序电流大小法”作为中性点经消弧线圈接地系 统的小电流接地检测和高压漏电保护的依据。 （2） “零

17、序功率方向”原理是根据各支路零序电流相对于零序电压的相位关系来 判断故障支路。中性点不接地系统发生漏电时，非故障支路零序电流超前零序电 压 90 ，故障支路零序电流滞后零序电压 90 。非故障支路和故障支路相位相反。 在中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈的补偿作用，在过补偿情况下，故 障支路零序电流和非故障支路零序电流同相位，显现，也不能把“零序功率方向” 原理作为中性点经消弧线圈接地系统的小电流接地检测和高压漏电保护的原理。 3、现有单相接地保护技术不能用于消弧线圈欠补偿状态。 由于消弧线圈工作在欠补偿状态很容易变成等补偿而造成系统谐振，因此，在电 力部门一般不允许把消弧线圈设置在等补偿

18、和欠补偿工作状态。一些消弧线圈厂 家，为了凑合目前煤矿地面小电流接地检测装置和井下高压漏电保护的“零序功 率方向”原理，把消弧线圈工作在欠补偿状态。从表面看，消弧线圈工作在欠补 偿状态，发生单相接地时，故障支路零序电流和非故障支路零序电流反相，满足 6 “零序功率方向原理” 。但是，由于补偿后的零序电流中的有功分量很大，其相位 发生了很大的变化。事实上，消弧线圈工作在欠补偿状态，并没有达到预想的效 果。我矿欠补偿 15A。原有小电流接地装置和高压漏电保护照样误动和拒动。 由此可见，现有煤矿小电流接地检测和高压漏电保护技术已经不适应于中性点经 消弧线圈接地系统。小电流接地检测选线不正确，高压漏电

19、保护频繁误动和拒动， 也就不足为奇。我矿的实际运行情况也证明了这一点。 五、小电流接地保护的“能量修正”原理 2010 年我矿和溧阳市福沃 特电力自动化有限公司合作，对 35KV 变电所小电流接地检测装 置的改造，采用“能量法修正” 解决了中性点不接地系统的单相 接地检测，取得了很好的效果。 1、 有功分量对消弧线圈接地系统 零序电流向量关系的影响 前面我们讨论的消弧接地系 统的零序电流和零序电压的相量 关系的时候，我们忽略了有功电 故障支路零序电流 ID+Ir IDIL+(Ic1+Ic2 Ic1+Ic2 Ir IL Ic1I01 非故障支路零序电流 U0 图三 有功分量消弧线圈接地系统向量图

20、 流的影响，而事实上，无论是电容电 流 还 是 电感 电 流 都有一 定 的 有功 分 量，而且自动跟踪补偿消弧线圈中串 Icr故 ID+Ir 故障支路零序 电流有功分量 （并）联的阻尼电阻也产生较大的有 功分量。考虑有功分量的零序电流和 Icr非故 非故障支路零序 电流有功分量 零序电压的相量图如图三。由此可见： Ic1I01 考虑有功分量后，故障支路和非故障 支路零序电流出现了角度差。其有功 分量，大小故障支路最大，故障支路 U0 图四 消弧线圈接地系统零序 电流有分量向量图 7 和 非 故 障支 路 零 序电流 的 的 相位 相 反。有功分量的向量图如图四。消弧 线圈只能补偿零序电流的无功部分。 2、零序能量函数和能量法：故障前，系统零序电压和各支路零序电流为零。发生 单相接地故障，产生零序电压和零序电流，我们从能量角度来考虑，故障时即等 效于在 t= 0 时刻，在其零序网络突然加上一个假想电源，此时系统中各元件上所 消耗和吸收的能量都由此假想电源提供。 （1） 零序能量函数： 定义线路的零序电压与零序电流乘积的积分为零序能量函数， 其计算公式为 。 （2）网络上的能量都是通过故障线路传送给非故障线路的，因此故障线路的能量 函数总是小于零， 并且其绝对值等于