斜溝礦區(qū)10kV系統(tǒng)電容電流綜合治理研究與應(yīng)用

康志國(guó)

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司機(jī)電部，山西太原030053）

0 引言

斜溝礦區(qū)是具有1 500萬(wàn)噸原煤生產(chǎn)能力和3 000萬(wàn)噸原煤洗選能力的大型煤炭生產(chǎn)礦區(qū)，在其快速發(fā)展的過(guò)程中，10 kV 供電系統(tǒng)的線路和新增負(fù)荷不斷增加，導(dǎo)致斜溝礦區(qū)10 kV 供電系統(tǒng)的電容電流也持續(xù)快速增長(zhǎng)，當(dāng)前礦區(qū)10 kV 系統(tǒng)電容電流已經(jīng)達(dá)到了較大規(guī)模，而原有消弧裝置的補(bǔ)償能力滿足不了礦井供電系統(tǒng)發(fā)展，礦區(qū)單相接地電容電流補(bǔ)償后無(wú)法達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定值。當(dāng)單相接地電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)，電弧很難熄滅，過(guò)大的單相接地電流會(huì)引起電纜燒穿放炮，極易形成兩相接地短路，甚至容易引起瓦斯爆炸，弧光接地還會(huì)引起全系統(tǒng)過(guò)電壓，造成多點(diǎn)接地，影響礦井正常生產(chǎn)，并給人身安全帶來(lái)威脅，因此我們對(duì)斜溝礦區(qū)10 kV系統(tǒng)過(guò)大的電容電流進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。

1 斜溝礦區(qū)10 kV供電系統(tǒng)電容電流概況

斜溝礦井110 kV變電站于2009年5月投入運(yùn)行，是斜溝礦區(qū)10 kV供電系統(tǒng)的唯一核心電源。在斜溝煤礦生產(chǎn)建設(shè)初期，10 kV供電系統(tǒng)規(guī)模較小，采掘工作面的距離都較近，入井和地面的10 kV 電纜線路長(zhǎng)度都較短，斜溝礦井初期10 kV系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ段的電容電流分別為45 A和51 A，因此初期在安裝使用的最大補(bǔ)償能力66 A的消弧裝置能夠基本滿足滅弧需求，隨著礦井生產(chǎn)的延伸和1 500萬(wàn)噸的生產(chǎn)能力達(dá)產(chǎn)，大量新增負(fù)荷和拓展延伸線路，致使10 kV 供電系統(tǒng)的電容電流快速增加，斜溝礦井電容電流發(fā)展情況如表1。

表1 斜溝礦區(qū)110kV變電站10kV系統(tǒng)電容電流發(fā)展情況統(tǒng)計(jì)

由表1 可知，隨著礦井發(fā)展到2012 年建設(shè)初期的消弧裝置已經(jīng)不能滿足斜溝礦井電容電流補(bǔ)償需求，因此改造更換了最大補(bǔ)償容量120 A 的消弧裝置，基本滿足了當(dāng)時(shí)斜溝礦井生產(chǎn)發(fā)展需要，同時(shí)在2013年還新建投運(yùn)了一座風(fēng)井35 kV 變電站，分擔(dān)了110 kV變電站10 kV 部分線路供電和承擔(dān)了大量新增負(fù)荷。但隨著斜溝礦井工作面供電線路的延伸和新增線路，到2018 年底110 kV 變電站10 kV 供電系統(tǒng)的消弧裝置再次遇到了補(bǔ)償能力不足的情況。

斜溝礦區(qū)10 kV供電系統(tǒng)的電容電流隨著礦區(qū)快速發(fā)展而不斷增加，多次擴(kuò)容改造更換消弧裝置，來(lái)滿足礦井電網(wǎng)電容電流的補(bǔ)償需求，造成了設(shè)備重復(fù)投資，同時(shí)在消弧裝置在使用過(guò)程中存在對(duì)電容電流檢測(cè)不準(zhǔn)，補(bǔ)償不準(zhǔn)弧光難以熄滅等情況，因此急需對(duì)斜溝礦區(qū)10 kV系統(tǒng)的電容電流進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2 斜溝礦區(qū)10 kV系統(tǒng)電容電流過(guò)大原因分析

當(dāng)前斜溝礦區(qū)10 kV供電系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ段母線單相接地電容電流已經(jīng)達(dá)到148 A 和135 A，是礦井10 kV系統(tǒng)規(guī)模多年快速增長(zhǎng)的結(jié)果，造成10 kV 系統(tǒng)電容電流過(guò)大的原因主要兩個(gè)方面。

2.1 礦區(qū)10 kV供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理

如圖1所示，斜溝礦區(qū)的10 kV供電系統(tǒng)主要由斜溝礦井110 kV 變電站的10 kV 系統(tǒng)構(gòu)成，其承擔(dān)著斜溝礦區(qū)井下多個(gè)采區(qū)、掘進(jìn)工作面供電，全礦井運(yùn)輸供電，地面3 000萬(wàn)噸選煤廠、生活辦公區(qū)和部分鐵路供電等負(fù)荷，雖然后期建設(shè)的一號(hào)風(fēng)井35 kV 變電站承擔(dān)了110 kV 變電站的部分10 kV 負(fù)荷，但是隨著礦井采掘的不斷延伸和各種新增負(fù)荷，造成了110 kV變電站的10 kV 系統(tǒng)規(guī)模的再次增長(zhǎng)。10 kV 供電負(fù)荷的過(guò)度集中是造成斜溝礦井110 kV變電站10 kV系統(tǒng)電容電流值居高不下的重要原因。

圖1 斜溝礦區(qū)當(dāng)前供電系統(tǒng)運(yùn)行

圖2 斜溝礦區(qū)供電系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃

國(guó)內(nèi)神東、寧煤等同類型的千萬(wàn)噸礦井均是采用1～2 個(gè)110 kV 變電站樞紐供電，多個(gè)35 kV 變電站分散負(fù)荷供電的方式，將10 kV系統(tǒng)進(jìn)行的合理分割，其每個(gè)35 kV 變電站10 kV 系統(tǒng)的電容電流在40 A～50 A。如圖2 所示，在斜溝礦區(qū)供電系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃圖中，設(shè)計(jì)規(guī)劃了二號(hào)、三號(hào)風(fēng)井35 kV 變電站用來(lái)承接斜溝礦區(qū)110 kV變電站負(fù)荷，用來(lái)縮減分割當(dāng)前110 kV變電站10 kV供電網(wǎng)絡(luò)，這樣每個(gè)35 kV變電站的消弧線圈的容量不用做的太大，其檢測(cè)控制程序更成熟，補(bǔ)償精度更準(zhǔn)確，殘流更低。而當(dāng)前斜溝礦區(qū)的10 kV系統(tǒng)由于全部集中在一起，在供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)不夠合理，造成當(dāng)前10 kV電容電流居高不下，而國(guó)內(nèi)只有少數(shù)能生產(chǎn)如此大容量消弧線圈的廠家，產(chǎn)品成熟可靠性上褒貶不一，造成了電容電流補(bǔ)償不精確，系統(tǒng)接地時(shí)弧光熄滅困難。

2.2 礦區(qū)電纜使用不合理

斜溝礦區(qū)10 kV井下和地面供電系統(tǒng)大規(guī)模使用長(zhǎng)距離電纜供電，同時(shí)在電纜截面選擇上沒有合理設(shè)計(jì)和限制，往往在敷設(shè)電纜時(shí)，為了以后使用過(guò)程中有足夠載流量富裕，采用了更大截面的電纜，致使系統(tǒng)電容電流逐步變的更大。根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》第1 冊(cè)(電氣一次部分) 中10 kV 電纜線路各截面電容電流給出的計(jì)算公式：

式中：S-電力電流的截面積，mm2；Ue-電力電纜的額定電壓，kV。

由上式可計(jì)算出各個(gè)截面電纜的電容電流，同時(shí)當(dāng)前礦井普遍使用的是交聯(lián)聚乙烯鎧裝電纜，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，交聯(lián)聚乙烯鎧裝電纜每相對(duì)地電容值比電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)中油浸紙絕緣電纜模型的每相對(duì)地電容值要低，根據(jù)單相接地電容電流計(jì)算公式：

式中：Ue-電力電纜的額定電壓，kV；C-每相對(duì)地電容，uF。

因此交聯(lián)聚乙烯鎧裝電纜的單相接地電容電流比同截面的紙絕緣電纜的電容電流大，根據(jù)供貨廠家提供的參數(shù)和出廠試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》中給出的數(shù)據(jù)相比，交聯(lián)聚乙烯鎧裝電纜的單相接地電容電流約增大30%，同時(shí)考慮變電站電氣設(shè)備引起的10 kV 系統(tǒng)電容電流增加附加值16%，則對(duì)斜溝礦區(qū)電纜線路的電容電流值進(jìn)行的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

同時(shí)為了進(jìn)一步了解斜溝礦區(qū)10 kV系統(tǒng)的電容電流情況，對(duì)斜溝礦區(qū)10 kV 系統(tǒng)進(jìn)行了單相接地實(shí)測(cè)試驗(yàn)，采用10 kV 系統(tǒng)出線單相經(jīng)高阻直接接地方法，測(cè)量其單相接地時(shí)的零序電壓U0和流過(guò)高阻的電流IR，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：100為直接接地時(shí)的零序電壓（100 V）

進(jìn)一步可算出系統(tǒng)的單相接地電容電流，經(jīng)過(guò)高阻接地實(shí)測(cè)試驗(yàn)得到斜溝礦區(qū)10 kV系統(tǒng)I段、II段的電容電流分別為148.01 A、135.11 A。斜溝礦區(qū)電容電流的具體情況統(tǒng)計(jì)如28頁(yè)表2所示。

由表2可知斜溝礦井110 kV變電站10 kV系統(tǒng)采用截面120 mm2以上的電纜占比達(dá)到了90%，在電纜選擇上存在過(guò)度使用問(wèn)題，不僅造成了電纜的浪費(fèi)還造成系統(tǒng)電容電流不斷增長(zhǎng)，因此急需采取相應(yīng)措施來(lái)抑制未來(lái)礦井電容電流的快速增長(zhǎng)。10 kV系統(tǒng)的電容電流現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行值已經(jīng)達(dá)到了I 段148 A、II 段135 A 的高值，雖然日常運(yùn)行規(guī)程中10 kV 系統(tǒng)I、II 段采用分列運(yùn)行方式，但當(dāng)10 kV 系統(tǒng)采用母聯(lián)合環(huán)運(yùn)行的特殊情況時(shí)，此時(shí)若發(fā)生系統(tǒng)接地情況，消弧線圈需要解決的是I、II段電容電流的總值283 A，因此在選擇消弧線圈時(shí)不僅要求單個(gè)有足夠補(bǔ)償容量，還需要能夠在系統(tǒng)合環(huán)時(shí)具備聯(lián)動(dòng)作用，同時(shí)投入消弧線圈，避免滅弧不及時(shí)甚至系統(tǒng)發(fā)生諧振情況。

表2 斜溝礦井110 kV變電站10 kV電纜長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)及電容電流計(jì)估算

3 大容量消弧裝置的實(shí)踐應(yīng)用

當(dāng)前斜溝礦區(qū)110 kV變電站10 kV系統(tǒng)電容電流已經(jīng)發(fā)展成較大規(guī)模，在沒新建35 kV 變電站轉(zhuǎn)移10 kV 負(fù)荷情況下，又不能影響礦井的正常生產(chǎn)，只能采取更換更大補(bǔ)償容量的消弧裝置，因此我們通過(guò)調(diào)研定制了兩套ZDBG-10/15-200 型成套消弧裝置，其最大補(bǔ)償容量為200 A，分別安裝在10 kV系統(tǒng)的I、II段，消弧裝置的工作原理圖如圖3所示。

圖3 消弧裝置的工作原理

新安裝的消弧裝置全部根據(jù)微機(jī)控制采用直流勵(lì)磁的方式輸出電感電流，具體通過(guò)改變交流工作線圈內(nèi)的鐵芯磁化段磁路上的直流助磁磁通大小來(lái)調(diào)節(jié)交流等值磁導(dǎo)，對(duì)三相全控整流電路輸出電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使消弧裝置電抗器的補(bǔ)償電感電流能在0 A～200 A 之間隨意輸出，同時(shí)得益于當(dāng)前微機(jī)CPU 運(yùn)算能力的大幅提高，能夠處理大量數(shù)據(jù)，對(duì)這類電抗器伏安特性上自身的非線性進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。ZDBG-10/15-200型消弧裝置的能夠在20 ms 以內(nèi)將勵(lì)磁電流從0 A～200 A，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)連續(xù)可調(diào)消，相較傳統(tǒng)調(diào)匝式消弧線圈，它沒有連接觸點(diǎn)、可靠性高、調(diào)節(jié)速度快、使用壽命長(zhǎng)。

在消弧裝置能夠最大輸出200 A電感電流的硬件條件滿足的情況下，重點(diǎn)就是對(duì)消弧裝置軟件程序上的編程設(shè)置，當(dāng)前消弧裝置的一次設(shè)備硬件大多數(shù)都能滿足，但是普遍存在的情況是對(duì)系統(tǒng)電容電流的檢測(cè)不準(zhǔn)，電容電流測(cè)不準(zhǔn)，消弧線圈就不能夠準(zhǔn)確輸出電感電流，也無(wú)從達(dá)到接地點(diǎn)滅弧效果，因此我們?cè)谙到y(tǒng)電容電流軟件算法上，多次變動(dòng)開口三角電壓，增加采樣取值點(diǎn)，最終軟件檢測(cè)出的電容電流為147 A、136 A基本與系統(tǒng)實(shí)測(cè)值一樣，并且隨10 kV供電系統(tǒng)負(fù)荷的變化而準(zhǔn)確變化，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)消弧裝置200 A的最大輸出能夠滿足礦井未來(lái)5～10年采掘延伸導(dǎo)致的電纜遠(yuǎn)距離敷設(shè)和礦井新增負(fù)荷，為將來(lái)的礦井發(fā)展提供有力保障。

4 抑制10 kV系統(tǒng)電容電流增長(zhǎng)電纜管理方式

采用大容量消弧裝置應(yīng)對(duì)對(duì)斜溝礦區(qū)10 kV電網(wǎng)電容電流現(xiàn)狀的同時(shí)，我們還制定了控制斜溝礦井110 kV變電站10 kV系統(tǒng)單相接地電容電流超標(biāo)的具體控制措施。

(1)斜溝礦區(qū)所有新安裝10 kV 高壓電纜需經(jīng)過(guò)礦、廠機(jī)電科技術(shù)人員選型設(shè)計(jì)計(jì)算，并經(jīng)上級(jí)審核批準(zhǔn)后方可實(shí)施安裝。嚴(yán)格控制高壓電纜出線回路數(shù)、長(zhǎng)度和電纜截面，盡可能控制電容電流的增量。

(2)電纜截面選擇應(yīng)嚴(yán)格按照選型計(jì)算結(jié)果選取，滿足使用要求前提下應(yīng)盡量減小截面。開掘工作面不允許提前按照綜采標(biāo)準(zhǔn)敷設(shè)10 kV 高壓橡套電纜，電纜截面沒有特殊原因不得超過(guò)35 mm2，開掘工程結(jié)束后應(yīng)及時(shí)回收高壓電纜；綜采工作面敷設(shè)的10 kV 高壓橡套電纜，原則上大采高和放頂煤工作面高壓電纜不允許超過(guò)3 路，低采高綜采工作面高壓電纜不允許超過(guò)2路，電纜截面沒有特殊原因不得超過(guò)95 mm2。

(3)開掘工作面和綜采工作面順槽排水電源應(yīng)優(yōu)先選用變電所1 140 V 低壓供電或利用工作面現(xiàn)有移動(dòng)變電站供電，不得專設(shè)移動(dòng)變電站供電。

(4)備用綜采工作面和無(wú)負(fù)荷的移動(dòng)變電站在沒有必要的情況下應(yīng)盡量斷開高壓供電線路。

(5)斜溝煤礦、選煤廠或安裝施工單位領(lǐng)取各類10 kV高壓電纜時(shí)，必須持審核批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)或領(lǐng)料計(jì)劃或領(lǐng)料單。

(6)對(duì)于斜溝煤礦現(xiàn)使用的或庫(kù)存新、舊120 mm2及以上10 kV 高壓橡套電纜，為節(jié)約采購(gòu)成本和消耗庫(kù)存量，可繼續(xù)使用，但只限用于綜采大采高或綜放工作面。從本規(guī)定下發(fā)日起，沒有審核批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，不得新購(gòu)120 mm2及以上10 kV高壓橡套電纜。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)斜溝礦區(qū)10 kV系統(tǒng)電容近年來(lái)電流快速增長(zhǎng)分析，得知斜溝礦區(qū)10 kV 系統(tǒng)電容電流過(guò)大的原因，為此采取大容量成套消弧裝置進(jìn)行補(bǔ)償滅弧并制定礦井電纜使用管理辦法來(lái)抑制電容電流增長(zhǎng)的措施，有效應(yīng)對(duì)并解決了斜溝礦區(qū)10 kV 電網(wǎng)電容電流過(guò)大的情況，有效保障了礦井安全，在礦井供電系統(tǒng)電容電流綜合治理的方法上為其他礦井提供經(jīng)驗(yàn)。