考慮分布電容影響的煤礦供電系統漏電故障分析及定值整定

霍耀佳,孫帆,馬莉,韓利,方濟中

(國網寧夏電力有限公司電力科學研究院,寧夏 銀川 750011)

0 引 言

我國煤礦井下低壓供電系統全部采用中性點不接地的運行方式,屬于小電流接地系統,這種方式下若發生漏電故障,則形成的漏電流較小,雖然可在故障狀態下繼續帶負荷1～2 h,具有較好的穩定性[1],但若不及時處理,極易造成人身觸電事故或發展為更嚴重的短路故障。對于煤礦6 kV、10 kV供電系統,一般采用中性點經消弧線圈接地的運行方式,這種方式不僅能夠防止弧光接地過電壓的形成,還能夠對系統線路的容性電流進行補償,在發生漏電故障時,往往能夠有效降低漏電流[2]。但是,傳統煤礦井下漏電保護動作值的整定忽略了分布電容對漏電流的影響,在實際應用中,盡管線路絕緣良好,但由于分布電容的存在仍可能導致人身觸電事故發生,因此對考慮分布電容影響的煤礦供電系統漏電故障分析及定值整定進行研究具有重要的理論意義和實用價值。

1 煤礦供電系統漏電分析

1.1 系統整體原理

根據煤礦的供電特點,煤礦供電系統的供電原理如圖1所示。

圖1 煤礦供電系統基本結構。

圖1中,riA、riB、riC為第i條支路A、B、C三相對地的絕緣電阻,CiA、CiB、CiC為第i條支路A、B、C三相對地的分布電容(i=1,2,3),Rd為漏電電阻。

對于6 kV、10 kV電壓等級的系統采用中性點經消弧線圈接地的方式,高電壓等級漏電后形成的漏電流較大,需要消弧線圈進行一定的補償,以降低對系統和人身的危害[3]。

1.2 中性點不接地系統漏電分析

以中性點不接地供電系統為例,假設系統某條支路A相發生絕緣劣化時,即可由系統的絕緣電阻、分布電容通過大地與人身構成觸電回路,其戴維南等效電路如圖2所示。

圖2 低壓漏電等效電路。

圖2中ri∑=riA∥riB∥riC,Ω;Ci∑=CiA∥CiB∥CiC,F。

根據等效電路可以求得人身觸電電流為

(1)

式中:r∑=r1∑∥r2∑∥r3∑,Ω;C∑=C1∑∥C2∑∥C3∑,μF。漏電流有效值為

(2)

設電壓等級為660 V,系統絕緣良好,r∑視作無窮大,線路總分布電容為0.5 μF,發生50 Ω～1 MΩ的漏電故障時形成的漏電流大小如表1所示。

表1 故障時不同漏電阻下的漏電流大小

由表1可以看出,在系統電壓等級、分布電容一定時,漏電流隨著漏電電阻的減小而升高,因此需對系統絕緣實時監測,以保證不會發生人身觸電事故。

1.3 中性點經消弧線圈接地系統漏電分析

當系統絕緣良好,即ri∑視作無窮時,由等效電路圖3可以得到漏電流的計算式。

圖3 中性點經消弧線圈接地系統漏電等效電路。

(3)

取有效值為

(4)

中性點不接地系統在發生漏電故障時,系統中電流呈現容性,而對于中性點經消弧線圈接地的系統,由于消弧線圈的存在,會對系統的容性電流進行補償,補償方式分為過補償、完全補償和欠補償三種方式,過補償后系統電流呈現為感性,欠補償后系統電流仍然呈現為容性,完全補償后,系統電流呈現為阻性。

由式(4)可以看出:

在系統總分布電容和漏電阻一定時,即漏電阻設為1 kΩ,總分布電容設為0.5 μF,在消弧線圈為過補償、完全補償和欠補償三種方式下,得到漏電流的大小如表2所示。

表2 故障后不同補償方式下漏電流的大小

由表2可以看出,不同補償方式下所得到漏電流差距較大,當消弧線圈采用完全補償時,形成的漏電流最小,幾乎為0,此時發生漏電時對人身危害程度最低;當消弧線圈采用過補償和欠補償方式時,漏電流大小隨著補償度的升高而增大。

2 低壓漏電時動作值的整定

2.1 考慮分布電容時動作值的整定

高壓系統一旦發生漏電對人身的傷害是致命的,因此重點分析低壓系統漏電的情況。煤礦供電系統一旦發生漏電故障,會通過大地與人身形成觸電回路,在人身流過觸電電流IH,存在人身觸電事故發生的隱患[4]。根據《煤礦安全規程》規定,交流供電系統人身觸電安全電流需滿足不大于30 mA·s的要求,現有煤礦漏電保護動作整定值僅考慮絕緣電阻而忽略了分布電容的影響,因此對系統漏電保護整定方案的優化具有重要意義[5]。設系統電壓等級為U、人身電阻為Rh、系統絕緣電阻為R,根據人身安全電流范圍,現有煤礦供電系統的漏電保護動作整定值計算方法如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

不同電壓等級下的單相漏電保護動作整定值如表3所示。

表3 不同電壓等級下的漏電保護動作整定值

考慮系統分布電容對動作整定值的影響,可以將漏電保護動作整定值的計算公式修正如式(7)所示。

由式(7)可以看出,對地絕緣電阻的整定值大小與分布電容、三相電源頻率、人身觸電安全電流值和人身電阻有關系。在其他參數一定且滿足人身觸電安全電流30 mA的前提下,設人身電阻為1 kΩ,則不考慮分布電容時絕緣電阻的整定值為11.7 kΩ;若考慮分布電容,則改變系統線路分布電容所得到的絕緣電阻整定值如表4所示。

表4 考慮分布電容時漏電保護動作值的整定

由表4可以看出,當線路分布電容到達一定值時,式(7)無解,即說明無論絕緣是否良好,發生人身觸電時流過人身的電流均超過觸電安全電流值,從而造成觸電事故。

2.2 安全動作時間的整定

為使人身觸電電流滿足30 mA·s安全要求,在系統各線路分布電容較大時需側重于動作時間的整定,利用仿真實驗,選擇合適的電壓等級、絕緣電阻分布電容大小,根據理論計算和仿真實驗得到不同工況下的觸電電流值,并根據該值選擇安全動作時間的漏電保護裝置。根據安全要求可以得到不同漏電流下的動作時間,見式(8)。

(8)

利用式(8)實現觸電電流與動作時間的匹配,在安全時間內漏電保護裝置快速動作使系統和人身均得到保護。

3 線路分布電容限值的確定

3.1 中性點不接地供電系統

對于中性點不接地系統,在線路絕緣良好時,即r∑視作無窮大時發生單相人身觸電時,式(2)簡化為式(9):

(9)

為保證人身安全,式(9)觸電電流的有效值不應超過30 mA,Rh=1 kΩ,則線路分布電容的限值如式(10)所示。

(10)

由式(10)可以看出,中性點不接地系統不同電壓等級下的線路總分布電容限值如表5所示。

表5 中性點不接地系統不同電壓等級下的分布電容限值

由表5中數據可以看出,電壓等級越高,則線路總分布電容限值越小。若線路總分布電容大于限值,則需采取縮短電纜距離或選擇更快動作時間的漏電保護動作裝置,以實現30 mA·s的人身觸電安全范圍。

3.2 中性點經消弧線圈接地系統

對于中性點經消弧線圈接地系統,在線路絕緣良好即r∑視作無窮大時,發生單相人身觸電時,為保證人身安全,需保證流過人身的觸電電流有效值不超過30 mA,即

(11)

設

式中:a∈(0,1)時屬于過補償(+100%,+0%),a∈(1,2)時屬于欠補償(-100%,-0%),則線路分布電容的限值為

(12)

以常見補償方式+5%、+10%、-5%、-10%為例,由式(12)可以看出,中性點經消弧線圈接地系統不同電壓等級下的線路總分布電容限值如表6所示。

表6 中性點經消弧線圈接地系統分布電容限值

由表6中數據可以看出,線路總分布電容限值隨著電壓等級的升高或補償比例的增大而減小,均會使線路總分布電容限值變小。若總分布電容大于限值,則需采取縮短電纜距離,減小補償比例或選擇更快動作時間的漏電保護動作裝置,以實現30 mA·s的人身觸電安全范圍。

4 仿真實驗

搭建660 V、6 kV的煤礦供電系統仿真模型,如圖4所示。660 V電壓等級為中性點不接地供電系統,采用MYP 0.66 kV-3×120 mm2礦用電纜;6 kV電壓等級為中性點經消弧線圈接地系統,采用MYPTJ 6 kV-3×120 mm2礦用電纜。由于分布電容大小隨著線路長度的增長而增大,為便于比較,將660 V、6 kV線路每相對地分布電容均設為0.5 μF。

圖4 仿真模型。

4.1 660 V供電系統漏電

設線路每相對地絕緣良好,在1 s時刻發生單相1 kΩ漏電故障,得到漏電前后漏電流的變化,如圖5所示。

圖5 低壓漏電故障前后漏電流變化。

由圖5可以看出,漏電故障發生前無漏電流,漏電后形成的漏電流有效值Ih(RMS)為0.15 A,遠大于人身觸電安全電流0.03 A,為了保證人身安全,動作時間不應長于0.2 s。

使Rd在0～1 MΩ、C∑在0.1～0.5 μF范圍內變化,得到漏電流隨Rd和C∑的變化,如圖6所示。

圖6 分布電容和絕緣電阻對漏電流的影響。

由圖 6可以看出,在分布電容一定時,漏電電流隨著漏電阻的增大而減小;在漏電電阻一定時,漏電電流隨著分布電容的增大而增大。

4.2 6 kV供電系統漏電

設線路對地絕緣良好,即對地絕緣電阻為無窮大。在1 s時刻,分別在消弧線圈為欠補償、完全補償和過補償條件下發生單相1 kΩ漏電故障,得到漏電前后漏電流的變化,如圖7所示。

(a)過補償下漏電故障前后漏電流的變化。

(b)完全補償下漏電故障前后漏電流的變化。

(c)欠補償下漏電故障前后漏電流的變化圖7 不同補償方式下漏電故障前后漏電流的變化。

圖7中藍線為漏電流有效值,紅線為漏電流瞬時值。由圖7可以看出,當系統補償方式為過補償和欠補償時,發生漏電后的漏電流呈正弦交流電流,在1.1 s時,過補償下漏電流對應在波谷,而欠補償下漏電流對應在波峰,體現了不同補償方式下漏電流相位的不同以及與零序電壓的超前滯后關系。過補償方式下系統電流呈現感性,零序電壓超前于零序電流;欠補償方式下系統電流呈現容性,零序電壓滯后于零序電流;完全補償時,漏電故障發生后穩態下的漏電流幾乎為0,即系統中感抗與容抗相抵,此時漏電流最小。

當消弧線圈L在0～150 H、線路總分布電容C∑在0～1.5 μF之間變化時,發生1 kΩ漏電故障后的漏電流如圖8所示。

圖8 消弧線圈和分布電容對漏電流的影響。

由圖8可以看出隨著分布電容的升高,若想得到相同大小的漏電流,則消弧線圈的值應減小,反之則應增大;無論是過補償還是欠補償狀態,漏電流均隨著補償度的增大而增大,所需要的漏電保護動作時間也越來越短。

4.3 660 V供電系統整定方案效果對比

以660 V供電系統為例,當系統在不同絕緣程度下發生人身觸電,設:

(13)

通過仿真可以得到不同方式下的Kh曲線,如圖9所示。

圖9 不同整定方案下的Kh曲線。

由圖9可以看出:1)采用傳統漏電保護整定方法,忽略分布電容的影響,則當絕緣下降至一定程度時存在人身觸電危險,由于分布電容對觸電電流必然會有影響,因此這種情況不符合實際;2)采用傳統漏電保護整定方法,實際考慮線路分布電容的影響,但未選擇低于線路分布電容限值的電纜,則無論絕緣是否良好,均存在人身觸電危險;3)采用本文提出的整定方案,選擇低于表5所示660 V系統線路分布電容限值的電纜,觸電電流僅會在絕緣下降至較低程度時才會造成人身觸電危險,此時根據計算觸電電流值,匹配更快的漏電保護裝置,使人身觸電電流滿足30 mA·s的要求,便可避免人身觸電傷亡事故。

5 結 論

通過對煤礦中性點不接地、中性點經消弧線圈接地系統發生漏電故障時進行研究分析,得到以下結論:

1)傳統的煤礦應用的漏電保護動作整定值給定方法忽略了分布電容的影響,所計算出的漏電整定值存在偏差,當考慮分布電容時,在系統分布電容的數值達到一定程度時,無論絕緣是否良好,在發生人身觸電時,所形成的的漏電流已經大于交流人身觸電安全電流30 mA,需要通過動作時間和漏電流的匹配實現流過人身的電流小于30 mA·s。

2)采用本文提出的考慮分布電容影響的漏電保護整定方案,可提前對系統發生人身觸電時實際產生的觸電電流進行預估,通過在系統設計時提前規劃選擇滿足線路分布電容限值的電纜,同時匹配相應動作速度的漏電保護裝置,可有效防止人身觸電傷亡事故發生。