從云南省小型煤礦的特點談談單相接地電容電流的危害及應對措施

李毅

（昆明煤炭設計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 問題的提出

云南省位于云貴高原，地形復雜，煤炭資源也相對分散，煤的賦存條件不理想，即使采用機械化開采也難于建成中大型煤礦，省內數百個煤礦中達到中型及以上的寥寥可數，90%以上均為年產30萬t及以下的小型煤礦。小型煤礦由于產量較低，設備少，用電量也相對不高，一般采用10kV的電源就可以滿足供電需求，所以我省90%以上的煤礦都就近采用區域變電站直供的10kV電源，而這些變電站并非煤礦專用，它除要為一個或幾個煤礦供電之外還要為其域內的城鎮、農村及工廠供電，且饋出電線路都是同一段10kV母線，與煤礦供電線路處于一個共同的10kV網絡，其10kV網絡內的架空線路總長度往往達到近百公里，電纜線路也長達數十公里。然而，由于傳統習慣等各方面的原因，云南省小煤礦在建設初期的設計中，進行單相接地電容電流的計算時基本都僅在該煤礦范圍內進行，沒有考慮同處一個10kV網絡中其它線路及用戶的影響。云南省的小煤礦礦區范圍內10kV架空線大約10km左右，10kV電纜一般就是2km左右，由此計算出的單相接地電容電流基本不會超過10A，并以此為據，一般小型煤礦都沒有設置限制單相接地電容電流的裝置。實際情況不是這么簡單，小型煤礦的共用10kV電源網絡往往十分龐大且復雜，其單相接地電容電流比上述的數值要大得多，而10kV系統單相接地故障的發生率遠遠高于三相短路與兩相短路故障，放任其不管會給煤礦的生產埋下相當危險的隱患。

2 針對云南省小型煤礦的特點如何計算單相接地電容電流

圖1、2為云南省常見的小煤礦供電系統，以此為例論述如何計算單相接地電容電流。如圖1所示，大多數小型煤礦與多個小煤礦及其它用戶的電源都引自供電變電所的10kV母線，正常情況下，三相對地的等值電容是近似相同的，A、B、C三相的電容電流幅值也相同而相位相差120°，三相電容電流之和為零，系統中沒有因對地電容引起的零序電流。當某處發生單相接地故障時（如圖2）上述平衡被打破，此時因A相對地電壓為零，全系統非故障線路A相電容電流也為零，B、C相對地電壓由相電壓（Eb=Ec=10/=5.77kV）升高為線電壓10kV，其對地電容電流也較正常時擴大了倍，其矢量和也就是零序電流3I0LN（此時因兩者相位差為60°，故零序電流為B相或C相電容電流的倍）也就為正常時電容電流的3倍，此電流經分布電容流入大地。計算公式見下：

圖1 正常運行時電容電流流向

圖2 單相接地時電容電流流向

對于故障線路，全網絡B、C相的電容電流將全部從接地點流回入A相，它為正常時全網絡單相電容電流的3倍，推理過程同式（1），即故障點單相接地電容電流為：

注：U為線電壓10kV,п為3.14，f為電源的頻率（50Hz），Zc為容抗（Ω），N為回路號，Co為變壓器等值電容，C1～C5為各支路等值對地分布電容，CΣ總電容，單位均為μF。

從以上各算式可得出四個結果：

（1）單相接地點電容電流為全系統電容電流之和。

（2）非故障線路零序電流為線路本身的電容電流。

（3）故障線路零序電流為非故障線路線路零序電流之和（本回路的零序電流被抵消了）。

（4）煤礦專用變電站的總進線處監測不出零序電流（相當于只有一個線路），此種情況下，單相接地電容電流就是煤礦的電容電流。

從式（1）及式（2）對比可以看出，單相接地電容電流可能會比故障線路的電容電流大得多，10kV的網絡越龐大，線路越多，增加的幅度也就越大。在我省，通常情況下一個小煤礦的電容電流大約為6A左右，而一個變電站常常會向6、7個甚至10多個煤礦及鄉鎮供電，所以單相接地電容電流有可能達到數十甚至上百安，是單獨一個小煤礦的數倍至十數倍。采用以上方法，若準確計算出各線路的分布電容，就可以精確計算出系統單相接地時各線路的零序電流、接地點電容電流，但要準確計算各線路的對地電容，必須要全面掌握整個供電系統的詳細情況并經過復雜的計算才能得出，大多數情況下難于做到，因此我們一般采用簡化算法，現在主要使用的有以下兩種：

2.1 傳統估算法

（1）統計系統中10kV架空線總長度L1(km)，架空線電容電流按下式：I1=0.025～0.032×L1計算。（2）按不同截面統計系統中10kV電纜總長度L2(km)，電纜電容電流按下式：I2=0.5～1.95×L2計算。（3）考慮變電所各種設備的影響，附加16%，單相接地電容電流為：Id-c=1.16(I1+I2)。此方法使用時間較長，但因其計算公式及各參數是以紙絕緣電纜及早期電氣設備的參數制定的，而紙絕緣電纜現已不用，目前普遍使用的交聯電纜、分相屏蔽聚乙烯電纜等絕緣強度高，同截面電纜外徑減小了許多，對地電容也增大了許多；變電站電氣設備也已經過了多次升級換代；用上述算法，結果與實際相差很大，已不能滿足要求。在此建議不要再用這種方法。

2.2 精細估算法

（1）詳細統計系統中各種類型10kV架空線的長度(km)，查表得出每一種架空線的電容電流。（2）按不同截面、不同類型統計系統中10kV電纜的總長度得出每一種電纜的電容電流。（3）系統總單相接地電容電流按下式計算：ID-C=1.133+IΣCL+2.759。

注：ID-C為單相接地電容電流（A），為架空線、電纜電容電流之總和（A），IΣCL為三相浪涌電容電流，取值2～3A。用此方法計算結果與實際比較接近，推薦采用此方法計算。

3 電容電流的危害

在我國，10kV系統中性點是不接地的，發生單相接地時，系統的三相線電壓及相位關系并未發生變化，用電負荷可以繼續運行，但是由于系統對地分布電容的客觀存在，使得接地點會有系統的電容電流流過，系統中也會出現零序電壓及零序電流。根據有關資料，當單相接地電容電流在10～30A甚至更大時，接地點將產生間歇性電弧，會導致燒壞電壓互感器、損壞避雷器甚至引起避雷器爆炸，降低供電可靠性。人體安全接觸電壓為40V，煤礦井下的接地電阻一般為2Ω，當單相接地電容電流大于20A時，井下的安全接觸電壓將大于40V，威脅井下人員安全。所以《煤礦安全規程》規定，新建礦井單相接地電容電流不得大于10A，老的生產礦井則不得大于20A，井下接地電阻不得大于2Ω。對煤礦來說，瓦斯、煤塵是客觀存在的，如有電弧就會有引爆的危險，所以在井下發生單相接地時，不僅要保證其電流幅值不大于10A，還應盡快發現并進行處理，避免發生大的事故。

4 限制單相接地電容電流的措施

從上述分析我們知道10kV系統發生單相接地時，故障點流過的電流就是系統的電容電流，而且是不平衡導致的零序電流，因此要對其進行限制，可以采取類似無功補償的辦法，也就是用電感電流抵消此時的電容電流。對于小煤礦，因沒有10kV以上的變壓器，常用方法是采用接成星形接法的變壓器（即Z型接地變壓器，其具有零序阻抗小、有補償功率大的優點），將其其中性點通過一個補償電感（消弧線圈）接地（見圖3、圖4），在正常情況下，變壓器星點與接地點無電位差，消弧線圈無電流流過相當于處于準備狀態；當某線路發生接地故障時，其接地點與星點出現出現電壓差，消弧線圈中有電流流過，同樣此電流也會從接地故障點進入故障相，但其方向與接地點電容電流方向相反，這樣就使接地點的電流大幅度減小，達到保護的目的（可以看出不平衡電感電流與電容電流是同時出現的，沒有時間延遲）。理論上理想的狀態是接地點電容電流被完全抵消，即全補償，但此時系統容易發生諧振導致過電壓。所以一般采用的是稍微過補償狀態，即消弧線圈的電流略超過系統的單相接地電容電流，接地點的電容電流全被補償，但還有5A以內的電感電流，這樣既能使接地點電流降低到安全值，又使系統遠離諧振點不會過電壓。補償電流通過調整消弧線圈的電感量進行調整，設置時按系統的電容電流進行確定。

圖3 單相接地時消弧線圈對接地電容電流的補償

由于電力系統的資料不容易收集齊全，且在對小型煤礦進行設計時對系統電容電流計算方面重視度不夠，小型煤礦對電容電流的計算基本上都是各自為政，只對煤礦范圍內的電容電流進行計算，其較小的計算值導致基本上都不設置限制單相接地電容電流的裝置。個別煤礦雖設置了單相接地電容電流限制裝置，但補償量只有本礦的電容電流，大大小于系統的電容電流，所以也形同虛設，過大的電容電流始終是我省小型煤礦進行安全生產的潛在威脅。但若每個用戶都按系統進行單相接地電容電流補償也是不行的，見圖4，此時會形成大幅度的過補償，接地點形成遠超電容電流的電感電流，由于電感對電流突變的抗拒特性，其產生的電弧更難熄滅，過電壓現象也更加劇烈，危害甚至超過電容電流。所以，補償量的確定必須要站在整個10kV系統的層面上來進行，統籌考慮。補償裝置獨立設置時，補償量按總的接地電容電流確定（此方式相對設置成本低，容易控制，建議優先采用）；補償裝置分散布置時，補償量參考各線路的電容電流由管理部門統籌安排（此方式控制難度很大，不建議采用）。

圖4 單相接地時多出配置消弧線圈對接地電容電流的補償

現在有的小型煤礦采用了消弧消諧裝置來消除接地點的電弧，其原理是當發生接地故障時，在變電站內將該相直接接地，利用靠近變壓器回路電阻相對較小的地點優勢，使接地點電容電流大幅度減小達到熄滅電弧的目的。但是此方法首先是在接地點電弧已發生后才進行的一個保護動作，比消弧線圈要延遲許多；其次此方法實際是一個同相多點接地，對10kV系統而言，幾十歐的接地電阻差別對接地電容電流的幅值幾乎沒有影響，所以只是一個分一半接地電流的裝置，如果10kV系統不大，總單相接地電容電流電流不超過20A的情況下還是非常有效的，直接分流一半使接地故障點的電容電流減小到10A以下。但對有多個用戶的大型10kV系統，起到的作用就不甚明顯，不宜采用。要很好的消除電容電流的危害，應盡快的切斷故障線路，所以在煤礦井下應采用有效的高壓漏電保護裝置，在地面可以采用小電流選線保護裝置，及時切除故障回路。

5 結語

通過以上分析，歸納結論如下：云南省小型煤礦用電負荷小，電源線路電壓多為10kV，且與很多其它煤礦、企業及農網共用一個10kV網絡。單相接地電容電流的計算必須考慮整個系統。單相接地電容電流危害很大，必須采取措施限制到規定值以下。采用消弧線圈是限制單相接地電容電流的有效措施，應使補償處于略過補償狀態。補償量應統籌考慮，不宜各自為政，特別應防止出現大幅度過補償。系統單相接地電容電流很大時，普通的消弧消諧裝置不能有效消除已產生的電弧及過電壓。除采用消弧線圈抵消電容電流外，采用小電流選線裝置及井下高壓漏電保護裝置及時切除故障回路可以更有效的消除單相接地時的危害，但同時必須保證重要負荷雙回路的供電，以免發生通風機等重要設備的停運。