霍耀佳,孫帆,馬莉,韓利,方濟(jì)中

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750011)

0 引 言

我國煤礦井下低壓供電系統(tǒng)全部采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式,屬于小電流接地系統(tǒng),這種方式下若發(fā)生漏電故障,則形成的漏電流較小,雖然可在故障狀態(tài)下繼續(xù)帶負(fù)荷1～2 h,具有較好的穩(wěn)定性[1],但若不及時(shí)處理,極易造成人身觸電事故或發(fā)展為更嚴(yán)重的短路故障。對(duì)于煤礦6 kV、10 kV供電系統(tǒng),一般采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)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?qū)ο到y(tǒng)線路的容性電流進(jìn)行補(bǔ)償,在發(fā)生漏電故障時(shí),往往能夠有效降低漏電流[2]。但是,傳統(tǒng)煤礦井下漏電保護(hù)動(dòng)作值的整定忽略了分布電容對(duì)漏電流的影響,在實(shí)際應(yīng)用中,盡管線路絕緣良好,但由于分布電容的存在仍可能導(dǎo)致人身觸電事故發(fā)生,因此對(duì)考慮分布電容影響的煤礦供電系統(tǒng)漏電故障分析及定值整定進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 煤礦供電系統(tǒng)漏電分析

1.1 系統(tǒng)整體原理

根據(jù)煤礦的供電特點(diǎn),煤礦供電系統(tǒng)的供電原理如圖1所示。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。

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

對(duì)于6 kV、10 kV電壓等級(jí)的系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的方式,高電壓等級(jí)漏電后形成的漏電流較大,需要消弧線圈進(jìn)行一定的補(bǔ)償,以降低對(duì)系統(tǒng)和人身的危害[3]。

1.2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)漏電分析

以中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)為例,假設(shè)系統(tǒng)某條支路A相發(fā)生絕緣劣化時(shí),即可由系統(tǒng)的絕緣電阻、分布電容通過大地與人身構(gòu)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(jù)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(shè)電壓等級(jí)為660 V,系統(tǒng)絕緣良好,r∑視作無窮大,線路總分布電容為0.5 μF,發(fā)生50 Ω～1 MΩ的漏電故障時(shí)形成的漏電流大小如表1所示。

表1 故障時(shí)不同漏電阻下的漏電流大小

由表1可以看出,在系統(tǒng)電壓等級(jí)、分布電容一定時(shí),漏電流隨著漏電電阻的減小而升高,因此需對(duì)系統(tǒng)絕緣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以保證不會(huì)發(fā)生人身觸電事故。

1.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)漏電分析

當(dāng)系統(tǒng)絕緣良好,即ri∑視作無窮時(shí),由等效電路圖3可以得到漏電流的計(jì)算式。

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)漏電等效電路。

(3)

取有效值為

(4)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在發(fā)生漏電故障時(shí),系統(tǒng)中電流呈現(xiàn)容性,而對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng),由于消弧線圈的存在,會(huì)對(duì)系統(tǒng)的容性電流進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償方式分為過補(bǔ)償、完全補(bǔ)償和欠補(bǔ)償三種方式,過補(bǔ)償后系統(tǒng)電流呈現(xiàn)為感性,欠補(bǔ)償后系統(tǒng)電流仍然呈現(xiàn)為容性,完全補(bǔ)償后,系統(tǒng)電流呈現(xiàn)為阻性。

由式(4)可以看出:

在系統(tǒng)總分布電容和漏電阻一定時(shí),即漏電阻設(shè)為1 kΩ,總分布電容設(shè)為0.5 μF,在消弧線圈為過補(bǔ)償、完全補(bǔ)償和欠補(bǔ)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(bǔ)償方式下漏電流的大小

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

2 低壓漏電時(shí)動(dòng)作值的整定

2.1 考慮分布電容時(shí)動(dòng)作值的整定

高壓系統(tǒng)一旦發(fā)生漏電對(duì)人身的傷害是致命的,因此重點(diǎn)分析低壓系統(tǒng)漏電的情況。煤礦供電系統(tǒng)一旦發(fā)生漏電故障,會(huì)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(fā)生的隱患[4]。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,交流供電系統(tǒng)人身觸電安全電流需滿足不大于30 mA·s的要求,現(xiàn)有煤礦漏電保護(hù)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)漏電保護(hù)整定方案的優(yōu)化具有重要意義[5]。設(shè)系統(tǒng)電壓等級(jí)為U、人身電阻為Rh、系統(tǒng)絕緣電阻為R,根據(jù)人身安全電流范圍,現(xiàn)有煤礦供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)動(dòng)作整定值計(jì)算方法如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

不同電壓等級(jí)下的單相漏電保護(hù)動(dòng)作整定值如表3所示。

表3 不同電壓等級(jí)下的漏電保護(hù)動(dòng)作整定值

考慮系統(tǒng)分布電容對(duì)動(dòng)作整定值的影響,可以將漏電保護(hù)動(dòng)作整定值的計(jì)算公式修正如式(7)所示。

由式(7)可以看出,對(duì)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(guān)系。在其他參數(shù)一定且滿足人身觸電安全電流30 mA的前提下,設(shè)人身電阻為1 kΩ,則不考慮分布電容時(shí)絕緣電阻的整定值為11.7 kΩ;若考慮分布電容,則改變系統(tǒng)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(shí)漏電保護(hù)動(dòng)作值的整定

由表4可以看出,當(dāng)線路分布電容到達(dá)一定值時(shí),式(7)無解,即說明無論絕緣是否良好,發(fā)生人身觸電時(shí)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(dòng)作時(shí)間的整定

為使人身觸電電流滿足30 mA·s安全要求,在系統(tǒng)各線路分布電容較大時(shí)需側(cè)重于動(dòng)作時(shí)間的整定,利用仿真實(shí)驗(yàn),選擇合適的電壓等級(jí)、絕緣電阻分布電容大小,根據(jù)理論計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)得到不同工況下的觸電電流值,并根據(jù)該值選擇安全動(dòng)作時(shí)間的漏電保護(hù)裝置。根據(jù)安全要求可以得到不同漏電流下的動(dòng)作時(shí)間,見式(8)。

(8)

利用式(8)實(shí)現(xiàn)觸電電流與動(dòng)作時(shí)間的匹配,在安全時(shí)間內(nèi)漏電保護(hù)裝置快速動(dòng)作使系統(tǒng)和人身均得到保護(hù)。

3 線路分布電容限值的確定

3.1 中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)

對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),在線路絕緣良好時(shí),即r∑視作無窮大時(shí)發(fā)生單相人身觸電時(shí),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(yīng)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(diǎn)不接地系統(tǒng)不同電壓等級(jí)下的線路總分布電容限值如表5所示。

表5 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)不同電壓等級(jí)下的分布電容限值

由表5中數(shù)據(jù)可以看出,電壓等級(jí)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(dòng)作時(shí)間的漏電保護(hù)動(dòng)作裝置,以實(shí)現(xiàn)30 mA·s的人身觸電安全范圍。

3.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),在線路絕緣良好即r∑視作無窮大時(shí),發(fā)生單相人身觸電時(shí),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(shè)

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

(12)

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

表6 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)分布電容限值

由表6中數(shù)據(jù)可以看出,線路總分布電容限值隨著電壓等級(jí)的升高或補(bǔ)償比例的增大而減小,均會(huì)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(bǔ)償比例或選擇更快動(dòng)作時(shí)間的漏電保護(hù)動(dòng)作裝置,以實(shí)現(xiàn)30 mA·s的人身觸電安全范圍。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

搭建660 V、6 kV的煤礦供電系統(tǒng)仿真模型,如圖4所示。660 V電壓等級(jí)為中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng),采用MYP 0.66 kV-3×120 mm2礦用電纜;6 kV電壓等級(jí)為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),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(duì)地分布電容均設(shè)為0.5 μF。

圖4 仿真模型。

4.1 660 V供電系統(tǒng)漏電

設(shè)線路每相對(duì)地絕緣良好,在1 s時(shí)刻發(fā)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(fā)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(yuǎn)大于人身觸電安全電流0.03 A,為了保證人身安全,動(dòng)作時(shí)間不應(yīng)長于0.2 s。

使Rd在0～1 MΩ、C∑在0.1～0.5 μF范圍內(nèi)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(duì)漏電流的影響。

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

4.2 6 kV供電系統(tǒng)漏電

設(shè)線路對(duì)地絕緣良好,即對(duì)地絕緣電阻為無窮大。在1 s時(shí)刻,分別在消弧線圈為欠補(bǔ)償、完全補(bǔ)償和過補(bǔ)償條件下發(fā)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(bǔ)償下漏電故障前后漏電流的變化。

(b)完全補(bǔ)償下漏電故障前后漏電流的變化。

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

圖7中藍(lán)線為漏電流有效值,紅線為漏電流瞬時(shí)值。由圖7可以看出,當(dāng)系統(tǒng)補(bǔ)償方式為過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償時(shí),發(fā)生漏電后的漏電流呈正弦交流電流,在1.1 s時(shí),過補(bǔ)償下漏電流對(duì)應(yīng)在波谷,而欠補(bǔ)償下漏電流對(duì)應(yīng)在波峰,體現(xiàn)了不同補(bǔ)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(guān)系。過補(bǔ)償方式下系統(tǒng)電流呈現(xiàn)感性,零序電壓超前于零序電流;欠補(bǔ)償方式下系統(tǒng)電流呈現(xiàn)容性,零序電壓滯后于零序電流;完全補(bǔ)償時(shí),漏電故障發(fā)生后穩(wěn)態(tài)下的漏電流幾乎為0,即系統(tǒng)中感抗與容抗相抵,此時(shí)漏電流最小。

當(dāng)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(shí),發(fā)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(duì)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(yīng)減小,反之則應(yīng)增大;無論是過補(bǔ)償還是欠補(bǔ)償狀態(tài),漏電流均隨著補(bǔ)償度的增大而增大,所需要的漏電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間也越來越短。

4.3 660 V供電系統(tǒng)整定方案效果對(duì)比

以660 V供電系統(tǒng)為例,當(dāng)系統(tǒng)在不同絕緣程度下發(fā)生人身觸電,設(shè):

(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(tǒng)漏電保護(hù)整定方法,忽略分布電容的影響,則當(dāng)絕緣下降至一定程度時(shí)存在人身觸電危險(xiǎn),由于分布電容對(duì)觸電電流必然會(huì)有影響,因此這種情況不符合實(shí)際;2)采用傳統(tǒng)漏電保護(hù)整定方法,實(shí)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(xiǎn);3)采用本文提出的整定方案,選擇低于表5所示660 V系統(tǒng)線路分布電容限值的電纜,觸電電流僅會(huì)在絕緣下降至較低程度時(shí)才會(huì)造成人身觸電危險(xiǎn),此時(shí)根據(jù)計(jì)算觸電電流值,匹配更快的漏電保護(hù)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(jié) 論

通過對(duì)煤礦中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生漏電故障時(shí)進(jìn)行研究分析,得到以下結(jié)論:

1)傳統(tǒng)的煤礦應(yīng)用的漏電保護(hù)動(dòng)作整定值給定方法忽略了分布電容的影響,所計(jì)算出的漏電整定值存在偏差,當(dāng)考慮分布電容時(shí),在系統(tǒng)分布電容的數(shù)值達(dá)到一定程度時(shí),無論絕緣是否良好,在發(fā)生人身觸電時(shí),所形成的的漏電流已經(jīng)大于交流人身觸電安全電流30 mA,需要通過動(dòng)作時(shí)間和漏電流的匹配實(shí)現(xiàn)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(hù)整定方案,可提前對(duì)系統(tǒng)發(fā)生人身觸電時(shí)實(shí)際產(chǎn)生的觸電電流進(jìn)行預(yù)估,通過在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提前規(guī)劃選擇滿足線路分布電容限值的電纜,同時(shí)匹配相應(yīng)動(dòng)作速度的漏電保護(hù)裝置,可有效防止人身觸電傷亡事故發(fā)生。