煤礦10 kV供電系統電容電流計算方法*

張紅濤，王　星，蔡文龍，贠　永，2(.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安70054; 2.陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西榆林79300)

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煤礦10 kV供電系統電容電流計算方法*

張紅濤1，王星1，蔡文龍1，贠永1，2
(1.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054; 2.陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西榆林719300)

摘要:隨著煤礦生產規模以及礦井供電網絡不斷擴大，使得礦井供電系統對地電容電流越來越大，存在很大的安全隱患，為了減少煤礦安全事故的發生，保障礦井供電系統的安全運行，對礦井供電系統電容電流的準確掌握就十分重要。而傳統的電容電流計算方法考慮的因素比較單一，估算誤差較大，已不能滿足要求。文中總結了傳統計算方法的特點，并在傳統計算方法的基礎上引入了電纜材料影響系數、電氣設備增值系數以及環境因素影響系數，得到了煤礦10 kV供電系統電容電流的修正計算方法。文中以某煤礦10 kV供電系統為例，進行了電容電流實測結果和理論計算結果的對比分析，驗證了該修正計算方法的正確性。綜合考慮了多因素影響的煤礦供電系統電容電流修正計算方法較傳統計算方法的計算誤差更小，精度更高，對于煤礦供電系統電容電流的理論估算以及消弧線圈容量的確定具有一定的實際指導意義。

關鍵詞:煤礦;電容電流;修正公式;計算方法

0　引言

隨著煤礦生產規模的不斷擴大，電纜線路增長，礦區配網系統對地電容電流越來越大。電容電流的增大，存在很大的安全隱患，一方面當系統發生單相接地故障時，會產生間歇性接地電弧，接地電弧不能自熄極易引起幅值較高的弧光接地過電壓;另一方面弧光過電壓持續時間長、影響面積大，易導致礦區配網系統絕緣較差的設備以及線路上的絕緣薄弱點被擊穿，從而導致兩相或三相短路等惡劣事故的發生，使故障擴大［1－2］。這些隱患的存在給礦區配網系統的穩定運行帶來了一系列安全性和可靠性問題。

為了改善礦區配網系統質量，準確掌握礦區配網系統對地電容電流的實際數據是至關重要的，并且礦區配網系統電容電流的實際數據是決定是否裝設消弧線圈和正確選擇消弧線圈補償容量的依據［3－4］。因此，電容電流的獲取不但要進行大量的現場測試工作，還須對電容電流進行理論估算，以測算結果為依據，采取有效的措施對接地電容電流加以限制，從而確保系統的安全穩定運行。

上世紀70～80年代出現的配網系統電容電流計算方法考慮的因素比較單一，僅考慮了線路的截面積，只適合當時的配網系統電容電流計算［5］。現階段廣泛使用的電纜與以往電纜的尺寸、截面以及其它電氣參數都有較大的變化，而且電網負荷增加，電纜線路延伸，影響配網系統電容電流的因素也越來越復雜，利用傳統計算方法估算誤差較大，已經不能滿足要求。文中對傳統計算方法進行改進，將電纜材料影響系數、電氣設備增值系數以及環境因素影響系數引入到電容電流的修正計算方法中，以某煤礦10 kV供電系統為例，進行了系統對地電容電流的測試和計算，將傳統計算方法、修正計算方法以及現場實測結果值進行了分析對比，驗證了該修正計算方法的正確性，提高了煤礦供電系統電容電流計算的準確度。

1　煤礦供電系統電容電流相關要求

中國煤礦6～10 kV配網系統均采用中性點不直接接地運行方式。對于煤礦中性點不直接接地系統，煤礦供電安全相關規程和規范對于系統電容電流有具體規定。《煤礦安全規程》第457條規定礦井高壓電網，必須采取措施限制單相接地電容電流不超過20 A［6］．《礦山電力設計規范》第2. 0. 10條規定礦井6～10 kV配網系統當單相接地電容電流小于等于10 A，宜采用電源中性點不接地方式，大于10 A必須采取限制措施，如采用消弧線圈接地方式［7］。因此，準確掌握煤礦配網系統電容電流的實際數值，對于煤礦供電系統的安全運行具有重要意義。

2　電纜線路電容電流經驗計算方法

目前，電纜線路電容電流的經驗計算方法主要有2種，一種是利用電纜線路電容電流經驗公式;另一種是利用電纜線路電容電流經驗參數表進行電容電流的理論計算。

2. 1經驗公式計算方法

依據《電力系統設計手冊》，電纜線路的對地電容電流計算公式如下［5］

式中IC．cab為電纜線路電容電流值，A; Ue為系統的額定線電壓，kV; lcab為電纜線路的長度，km．

關于電纜線路的經驗計算公式(1)是出現在上世紀70年代中期，該公式適合當時的配網系統電纜線路。

隨著電纜的更新換代，電纜線路的電氣參數和尺寸發生了變化，上世紀80年代后期出現了10 kV配網系統電纜線路對地電容電流經驗計算公式(2)，該公式引入電纜截面積進行計算［8］。

式中IC．cab為電纜線路電容電流值，A; S為電纜截面積，mm2; Ue為系統的額定線電壓，kV; lcab為電纜線路的長度，km．

2. 2經驗參數表計算方法

隨著交聯聚乙烯電纜在煤礦的廣泛使用，針對交聯聚乙烯電纜電容電流的計算出現了專門的經驗參數表，這種經驗參數表計算方法是根據電纜截面積查找每公里電纜電容電流的數值，進而計算電纜總電容電流［8］。10 kV交聯聚乙烯電纜電容電流參數見表1．

表1　10 kV交聯聚乙烯電纜電容電流經驗參數表Tab．1 10 kV XLPE cable capacitive current experience parameters

3　架空線路電容電流經驗計算方法

架空線路對地電容電流遠小于電纜線路，架空線路電容電流經驗計算公式如式(3)所示。另外，對于同桿雙回線路，電容電流為單回路的1. 3 ～1. 6倍［5］。

式中IC．oh為架空線路電容電流值，A;取2. 7指系統無架空地線;取3. 3指系統有架空地線; Ue為系統的額定線電壓，kV; loh為架空線路的長度，km．

4　電容電流經驗計算方法的修正

電容電流的傳統經驗計算方法通常是將電纜線路和架空線路的電容電流之和作為整個系統的對地電容電流，忽略了其它因素的影響［9］。然而，目前廣泛使用的電纜與以往電纜的結構及電氣參數都有較大的變化，并且影響礦區配網系統電容電流的因素也越來越復雜，傳統的經驗計算方法已經不能滿足實際要求，需要對其進行修正。

通過分析傳統經驗計算方法存在的問題，下面分別從電纜材料影響因素、電氣設備影響因素以及環境影響因素3方面進行分析，并分別引入相關影響系數，完成對傳統經驗計算方法的修正。

4. 1電纜材料對于電容電流的影響

傳統的電容電流經驗計算公式主要適用于油浸紙絕緣電纜，對于目前應用廣泛的交聯聚乙烯電纜存在很大的誤差。根據廠家提供的參數和現場實測檢驗，交聯聚乙烯電纜每公里對地電容電流比油浸紙絕緣電纜約增大20%［8，10］。因此，對于交聯聚乙烯電纜計算電容電流時應引入電纜材料影響系數α，取α=0. 2．

4. 2電氣設備對于電容電流的影響

傳統的電容電流經驗計算方法沒有考慮電氣設備產生的對地電容電流，這大大影響了計算公式的精度。因此，計算對地電容電流時，不僅要考慮線路產生的電容電流，還應考慮電氣設備的影響。電氣設備的影響主要是高壓電動機、變壓器、電流互感器、電壓互感器以及開關柜等對地存在的電容電流，這將會使對地電容電流增大。研究表明，不同電壓等級下，電氣設備引起的電容電流增值不同，具體增值見表2［11］。為了考慮電氣設備的影響，應引入電氣設備增值系數β，這個參數主要表征電氣設備對于電容電流的增值。如10 kV的系統，取電氣設備增值系數β=0. 16．

表2　電氣設備引起的電容電流增加值Tab．2 Added value of capacitive current caused by electrical equipment

4. 3環境因素對于電容電流的影響

環境因素對于系統電容電流也會產生影響，傳統的經驗估算公式沒有考慮這一點。比如當線路處于晴朗干燥的環境時，環境因素對線路電容電流影響很小或者基本沒有影響，但是陰暗潮濕的環境會使線路電容電流增大，為了考慮環境因素的影響，引入電纜線路環境因素影響系數γ1以及架空線路環境因素影響系數γ2．研究表明，晴朗干燥的環境時取γ1=γ2=1，陰暗潮濕的環境時取γ1=γ2=1．05．但是在系統設計階段，為了使系統安全可靠，應該以陰暗潮濕的環境參數為設計參數［11］。

4. 4系統電容電流修正計算公式

綜合考慮電纜材料因素、電氣設備因素以及環境因素對于系統電容電流的影響，對于傳統的電容電流經驗計算方法進行修正，得到煤礦10 kV供電系統電容電流修正計算公式如式(4)所示。

式中ICΣ為系統總電容電流值，A;Σ IC．cab為系統中所有帶電運行的電纜線路的電容電流值之和，A;其中電纜線路電容電流值IC．cab按經驗公式(2)計算;Σ IC．oh為系統中所有帶電運行的架空線路的電容電流值之和，A;其中架空線路電容電流值IC．oh按經驗公式(3)計算;α為電纜材料影響系數;β為電氣設備增值系數;γ1為電纜線路環境因素影響系數;γ2為架空線路環境因素影響系數。

5　實例分析

文中以陜西省某煤礦110 kV變電站10 kV供電系統為例，進行系統電容電流的計算驗證。該煤礦10 kV母線系統出線全部為電纜線路，無架空線路。10 kV系統主接線為單母線分段接線，分3段。系統正常運行時1#主變和2#主變分列運行，3#主變備用，10 kV母線Ⅰ段和Ⅱ段帶負荷，母線Ⅲ段備用。煤礦10 kV系統主接線示意圖如圖1所示。

圖1　10 kV系統主接線示意圖Fig．1 Main wiring diagram of 10 kV power system

5. 1110 kV變電站10 kV系統線路參數的統計

該煤礦10 kV系統無架空線路，因此只統計電纜線路的參數。由于10 kV系統母線采用分列運行的方式，電纜參數的統計按10 kV母線Ⅰ段和Ⅱ段在分列運行情況下分別進行統計，并且統計的對象為處于帶電運行的電纜線路，處于非帶電運行狀態的電纜線路不在統計范圍內。10 kV母線Ⅰ段和Ⅱ段不同截面積的電纜線路的總長度統計見表3．

表3　10 kV母線Ⅰ段和Ⅱ段不同截面積的電纜長度Tab．3 Cable length of different cross-sectional area in 10 kV bus stageⅠand stageⅡ

5. 2110 kV變電站10 kV系統電容電流的計算

該煤礦10 kV系統母線采用分列運行的方式，因此對10 kV母線的Ⅰ段和Ⅱ段在分列運行的情況下，分別計算系統的電容電流ICΣ(Ⅰ)和ICΣ(Ⅱ)．

利用修正計算公式(4)進行計算時，由于該系統出線無架空線路，則架空線路的電容電流都為零，即Σ IC．oh(Ⅰ)=Σ IC．oh(Ⅱ)= 0;該系統為10 kV系統，取Ue= 10 kV;Σ IC．cab(Ⅰ)和Σ IC．cab(Ⅱ)是將表3電纜參數的統計結果代入傳統經驗計算公式(2)中計算得到的。系統中電纜全為交聯聚乙烯電纜，取電纜材料影響系數α= 0. 2;查表3取電氣設備增值系數β= 0. 16;考慮到煤礦供電系統電纜都處于電纜溝中，且多為下井電纜，環境陰暗潮濕，故取環境因素影響系數γ1= 1. 05;最終，將各個參數帶入修正計算公式(4)中，計算得到10 kV系統Ⅰ段和Ⅱ段的電容電流值。

利用傳統經驗公式(2)計算10 kV系統Ⅰ段和Ⅱ段的電容電流值如下式

利用傳統經驗參數表計算10 kV系統Ⅰ段和Ⅱ段的電容電流值，則有:電纜電容電流計算值(A) =Σ［各標稱截面電纜長度(km)×對應標稱截面電纜電容電流值(A /km)］，然后按照公式(5) (6)計算。

傳統經驗公式(2)、經驗參數表、修正計算公式計算得到的10 kV系統I段和II段的電容電流值見表4．

表4　10 kV系統電容電流計算結果Tab．4 Capacitive current calculation results of the 10 kV power system

6　電容電流實際測量

為了驗證上述修正計算方法的準確性，采用華天電力專用電容電流測試儀進行電容電流的現場測量。測量電容電流之前，所有的消弧線圈必須退出運行，以確保測量結果的準確性［12－14］。

對于該煤礦10 kV系統，由于母線的Ⅰ，Ⅱ段分列運行，所以，對于母線的Ⅰ，Ⅱ段分別通過儀器進行電容電流的測量。測量位置選取10 kV母線Ⅰ段和Ⅱ段的1#，2#站用變壓器的高壓側中性點［15］。10 kV系統Ⅰ段和Ⅱ段系統被測電容值以及電容電流的測試結果見表5．

表5　10 kV系統電容電流測量結果Tab．5 Capacitive current measurement results of the 10 kV power system

7　結果分析

將10 kV系統電容電流的計算結果以及現場實際測量結果進行統計，分別計算傳統經驗計算公式(2)、經驗參數表、修正計算公式(4)的計算結果相對于實測值的相對誤差值，分析對比結果見表6．

由表6所示的數據對比分析可知，利用傳統經驗公式(2)和經驗參數表進行電容電流計算的結果相對誤差較大，與系統實際情況差距較遠。利用修正公式計算10 kV系統I段及II段對地電容電流的相對誤差分別是－4. 42%以及－3. 86%，較傳統經驗計算方法的誤差更小，提高了系統電容電流計算的精確度。

表6　不同方法得到的系統電容電流結果對比Tab．6 Comparative result of capacitive current by different methods

8　結論

文中將煤礦供電系統對地電容電流影響因素引入到傳統計算方法中，完成了系統對地電容電流計算方法的修正。實例分析表明，電容電流傳統經驗計算方法誤差較大，而綜合考慮了電纜材料影響系數、電氣設備增值系數和環境因素影響系數的修正計算方法精確度較高，與現場實際測量結果誤差較小。該修正計算方法對于煤礦供電系統電容電流的理論估算以及消弧線圈容量的確定具有一定的實際指導意義。

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本刊入選RCCSE中國核心學術期刊

近日，收到武漢大學中國科學評價研究中心通知，我校《西安科技大學學報》(自然科學版)在第四屆《中國學術期刊評價研究報告(武漢大學版) 2015—2016》中，被評為“RCCSE中國核心學術期刊(A)”(簡稱RCCSE)。《中國學術期刊評價研究報告(武漢大學版) 2015—2016》是中國科學評價研究中心和武漢大學圖書館等單位研發(由科學出版社出版發行)，是國內外最重要的中國學術期刊分類分級排行榜與權威期刊、核心期刊指南之一。

Capacitive current calculation methods of 10 kV power system in coal mine

ZHANG Hong-tao1，WANG Xing1，CAI Wen-long1，YUN Yong1，2
(1. College of Electrical and Control Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2. Shaanxi Coal Group Shenmu Hongliulin Mining Co．，Ltd．，Yulin 719300，China)

Abstract:With the scale of coal mine production and power network continues to expand，the capacitive current to ground of the mine power system also increases．Thus there exists great security risk．In order to reduce the accidents and ensure the safety of the mine power system，it is very important to master the capacitive current in the mine power system．Traditional capacitive current calculation method considers relatively few influential factors，so its estimation error is large，which can not meet the requirements．This paper summarizes the characteristics of the traditional method，and gets the correction calculation method of a coal mine 10 kV power system on the basis of the traditional method by introducing the cable material influential coefficient，electrical equipment added coefficient and environmental factors influential coefficient．Through examples of a coal mine 10 kV power system，this paper compared the capacitive current measured results with theoretical calculation results，and the correction calculation method has been verified．The capacitive current correction calculation method takes into account the influence of multiple factors，so it has smaller calculation errors and higher accuracy than the traditional calculation method．The correction calculation method has certain practical significance to estimate the ca-book=283,ebook=136pacitive current of mine power system and determine the petersen coil capacity．

Key words:coal mine; capacitive current; correction formula; calculation method

通訊作者:張紅濤(1989－)，男，陜西咸陽人，碩士研究生，E-mail: 623558729@ qq．com

*收稿日期:2015－10－20責任編輯:高佳

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0221

文章編號:1672－9315(2016) 02－0282－06

中圖分類號:TM 751

文獻標志碼:A