考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障分析及定值整定.pdf

宁夏电力 年第 期考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障分析及定值整定霍耀佳孙帆马莉韩利方济中(国网宁夏电力有限公司电力科学研究院宁夏 银川)摘 要:为进一步提高煤矿供电系统的安全可靠性通过对煤矿低压和高压供电系统发生漏电故障特点进行研究利用戴维南等效得到漏电流计算电路分析漏电阻、系统总分布电容对漏电流的影响以及消弧线圈不同补偿方式下漏电流的特征差异 由于线路分布电容的存在漏电后形成的漏电电流有效值远大于仅考虑绝缘电阻时的情况在保证人身触电安全的前提下给出了煤矿供电系统线路总分布电容限值提出了考虑分布电容影响的漏电保护方案根据方案可求得漏电保护动作整定值和保证人身安全的动作时间范围实现考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障定值整定关键词:煤矿供电系统漏电保护动作整定值动作时间中图分类号:文献标志码:文章编号:()有效访问地址:/././.(.):.:./.霍耀佳等:考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障分析及定值整定 引 言我国煤矿井下低压供电系统全部采用中性点不接地的运行方式属于小电流接地系统这种方式下若发生漏电故障则形成的漏电流较小虽然可在故障状态下继续带负荷 具有较好的稳定性但若不及时处理极易造成人身触电事故或发展为更严重的短路故障 对于煤矿 、供电系统一般采用中性点经消弧线圈接地的运行方式这种方式不仅能够防止弧光接地过电压的形成还能够对系统线路的容性电流进行补偿在发生漏电故障时往往能够有效降低漏电流 但是传统煤矿井下漏电保护动作值的整定忽略了分布电容对漏电流的影响在实际应用中尽管线路绝缘良好但由于分布电容的存在仍可能导致人身触电事故发生因此对考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障分析及定值整定进行研究具有重要的理论意义和实用价值 煤矿供电系统漏电分析.系统整体原理根据煤矿的供电特点煤矿供电系统的供电原理如图 所示图 煤矿供电系统基本结构图 中、为第 条支路、三相对地的绝缘电阻、为第 条支路、三相对地的分布电容()为漏电电阻对于 、电压等级的系统采用中性点经消弧线圈接地的方式高电压等级漏电后形成的漏电流较大需要消弧线圈进行一定的补偿以降低对系统和人身的危害.中性点不接地系统漏电分析以中性点不接地供电系统为例假设系统某条支路 相发生绝缘劣化时即可由系统的绝缘电阻、分布电容通过大地与人身构成触电回路其戴维南等效电路如图 所示图 低压漏电等效电路图 中 根据等效电路可以求得人身触电电流为()式中:漏电流有效值为()()()设电压等级为 系统绝缘良好视作无穷大线路总分布电容为.发生 的漏电故障时形成的漏电流大小如表 所示宁夏电力 年第 期表 故障时不同漏电阻下的漏电流大小漏电电阻/漏电流/.由表 可以看出在系统电压等级、分布电容一定时漏电流随着漏电电阻的减小而升高因此需对系统绝缘实时监测以保证不会发生人身触电事故.中性点经消弧线圈接地系统漏电分析当系统绝缘良好即 视作无穷时由等效电路图 可以得到漏电流的计算式图 中性点经消弧线圈接地系统漏电等效电路()取有效值为()()中性点不接地系统在发生漏电故障时系统中电流呈现容性而对于中性点经消弧线圈接地的系统由于消弧线圈的存在会对系统的容性电流进行补偿补偿方式分为过补偿、完全补偿和欠补偿三种方式过补偿后系统电流呈现为感性欠补偿后系统电流仍然呈现为容性完全补偿后系统电流呈现为阻性由式()可以看出:)当 时即 为完全补偿状态 和系统中的总分布电容 并联谐振表现在等效电路中为零序阻抗无穷大因此接地故障点电流最小几乎为)当 时即 为过补偿状态接地故障点的电流呈感性)当 为欠补偿状态接地故障点的电流呈容性在系统总分布电容和漏电阻一定时即漏电阻设为 总分布电容设为.在消弧线圈为过补偿、完全补偿和欠补偿三种方式下得到漏电流的大小如表 所示表 故障后不同补偿方式下漏电流的大小补偿方式消弧线圈/漏电流/过补偿.完全补偿.欠补偿.霍耀佳等:考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障分析及定值整定 由表 可以看出不同补偿方式下所得到漏电流差距较大当消弧线圈采用完全补偿时形成的漏电流最小几乎为 此时发生漏电时对人身危害程度最低当消弧线圈采用过补偿和欠补偿方式时漏电流大小随着补偿度的升高而增大 低压漏电时动作值的整定.考虑分布电容时动作值的整定高压系统一旦发生漏电对人身的伤害是致命的因此重点分析低压系统漏电的情况 煤矿供电系统一旦发生漏电故障会通过大地与人身形成触电回路在人身流过触电电流 存在人身触电事故发生的隐患 根据煤矿安全规程规定交流供电系统人身触电安全电流需满足不大于 的要求现有煤矿漏电保护动作整定值仅考虑绝缘电阻而忽略了分布电容的影响因此对系统漏电保护整定方案的优化具有重要意义 设系统电压等级为、人身电阻为、系统绝缘电阻为 根据人身安全电流范围现有煤矿供电系统的漏电保护动作整定值计算方法如式()、式()所示/()()不同电压等级下的单相漏电保护动作整定值如表 所示表 不同电压等级下的漏电保护动作整定值额定电压/电阻整定值/.考虑系统分布电容对动作整定值的影响可以将漏电保护动作整定值的计算公式修正如式()所示 由式()可以看出对地绝缘电阻的整定值大小与分布电容、三相电源频率、人身触电安全电流值和人身电阻有关系 在其他参数一定且满足人身触电安全电流 的前提下设人身电阻为 则不考虑分布电容时绝缘电阻的整定值为.若考虑分布电容则改变系统线路分布电容所得到的绝缘电阻整定值如表 所示表 考虑分布电容时漏电保护动作值的整定总分布电容/考虑分布电容时绝缘电阻整定值/.(无解).由表 可以看出当线路分布电容到达一定值时式()无解即说明无论绝缘是否良好发生人身触电时流过人身的电流均超过触电安全电流值从而造成触电事故.安全动作时间的整定为使人身触电电流满足 安全要求在系统各线路分布电容较大时需侧重于动作时间的整定利用仿真实验选择合适的电压等级、绝缘电阻分布电容大小根据理论计算和仿真实验得到不同工况下的触电电流值并根据该值选择安全动作时间的漏电保护装置 根据安全要求可以得到不同漏电流下的动作时间见式()宁夏电力 年第 期()利用式()实现触电电流与动作时间的匹配在安全时间内漏电保护装置快速动作使系统和人身均得到保护 线路分布电容限值的确定.中性点不接地供电系统对于中性点不接地系统在线路绝缘良好时即 视作无穷大时发生单相人身触电时式()简化为式():()为保证人身安全式()触电电流的有效值不应超过 则线路分布电容的限值如式()所示()由式()可以看出中性点不接地系统不同电压等级下的线路总分布电容限值如表 所示表 中性点不接地系统不同电压等级下的分布电容限值电压等级/线路总分布电容限值/.由表 中数据可以看出电压等级越高则线路总分布电容限值越小 若线路总分布电容大于限值则需采取缩短电缆距离或选择更快动作时间的漏电保护动作装置以实现 的人身触电安全范围.中性点经消弧线圈接地系统对于中性点经消弧线圈接地系统在线路绝缘良好即 视作无穷大时发生单相人身触电时为保证人身安全需保证流过人身的触电电流有效值不超过 即()式中:时为完全补偿此时 零序阻抗无穷大接地故障点电流最小几乎为 设 式中:()时属于过补偿()()时属于欠补偿()则线路分布电容的限值为()以常见补偿方式、为例由式()可以看出中性点经消弧线圈接地系统不同电压等级下的线路总分布电容限值如表 所示表 中性点经消弧线圈接地系统分布电容限值电压等级/补偿方式 补偿系数 线路总分布电容限值/过补偿欠补偿过补偿欠补偿过补偿欠补偿.由表 中数据可以看出线路总分布电容限值随着电压等级的升高或补偿比例的增大而减小均会使线路总分布电容限值变小 若总分布电容大于限值则需采取缩短电缆距离减小补偿比例或选择更快动作时间的漏电保护动作装置以实现 的人身触电安全范围 仿真实验搭建 、的煤矿供电系统仿真模型如图 所示 电压等级为中性点不接地供霍耀佳等:考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障分析及定值整定图 仿真模型电系统采用 .矿用电缆 电压等级为中性点经消弧线圈接地系统采用 矿用电缆 由于分布电容大小随着线路长度的增长而增大为便于比较将 、线路每相对地分布电容均设为.供电系统漏电设线路每相对地绝缘良好在 时刻发生单相 漏电故障得到漏电前后漏电流的变化如图 所示图 低压漏电故障前后漏电流变化由图 可以看出漏电故障发生前无漏电流漏电后形成的漏电流有效值()为.远大于人身触电安全电流.为了保证人身安全动作时间不应长于.使 在 、在.范围内变化得到漏电流随 和 的变化如图 所示图 分布电容和绝缘电阻对漏电流的影响由图 可以看出在分布电容一定时漏电电流随着漏电阻的增大而减小在漏电电阻一定时漏电电流随着分布电容的增大而增大.供电系统漏电设线路对地绝缘良好即对地绝缘电阻为无宁夏电力 年第 期穷大 在 时刻分别在消弧线圈为欠补偿、完全补偿和过补偿条件下发生单相 漏电故障得到漏电前后漏电流的变化如图 所示()过补偿下漏电故障前后漏电流的变化()完全补偿下漏电故障前后漏电流的变化()欠补偿下漏电故障前后漏电流的变化图 不同补偿方式下漏电故障前后漏电流的变化图 中蓝线为漏电流有效值红线为漏电流瞬时值 由图 可以看出当系统补偿方式为过补偿和欠补偿时发生漏电后的漏电流呈正弦交流电流在.时过补偿下漏电流对应在波谷而欠补偿下漏电流对应在波峰体现了不同补偿方式下漏电流相位的不同以及与零序电压的超前滞后关系 过补偿方式下系统电流呈现感性零序电压超前于零序电流欠补偿方式下系统电流呈现容性零序电压滞后于零序电流完全补偿时漏电故障发生后稳态下的漏电流几乎为 即系统中感抗与容抗相抵此时漏电流最小当消弧线圈 在 、线路总分布电容在 .之间变化时发生 漏电故障后的漏电流如图 所示由图 可以看出随着分布电容的升高若想得到相同大小的漏电流则消弧线圈的值应减小反之则应增大无论是过补偿还是欠补偿状态漏电流均随着补偿度的增大而增大所需要的漏电保护动作时间也越来越短图 消弧线圈和分布电容对漏电流的影响.供电系统整定方案效果对比以 供电系统为例当系统在不同绝缘程度下发生人身触电设:.()通过仿真可以得到不同方式下的 曲线如图 所示图 不同整定方案下的 曲线由图 可以看出:)采用传统漏电保护整定方法忽略分布电容的影响则当绝缘下降至一定程度时存在人身触电危险由于分布电容对触电电流必然会有影响因此这种情况不符合实际)采用传统漏电保护整定方法实际考虑线路分布电容的影响但未选择低于线路分布电容限值的电缆则无论绝缘是否良好均存在人身触电危险)采用本文提出的整定方案选择低于表 所示 系统线路分布电容限值的电缆触电电流仅会在绝缘下降至较低程度时才会造成人身触电危险此时根据计算触电电流值匹配更快的漏电保护装置使人身触电电流满足 的要求便可避免人身触电伤亡事故霍耀佳等:考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障分析及定值整定 结 论通过对煤矿中性点不接地、中性点经消弧线圈接地系统发生漏电故障时进行研究分析得到以下结论:)传统的煤矿应用的漏电保护动作整定值给定方法忽略了分布电容的影响所计算出的漏电整定值存在偏差当考虑分布电容时在系统分布电容的数值达到一定程度时无论绝缘是否良好在发生人身触电时所形成的的漏电流已经大于交流人身触电安全电流 需要通过动作时间和漏电流的匹配实现流过人身的电流小于)采用本文提出的考虑分布电容影响的漏电保护整定方案可提前对系统发生人身触电时实际产生的触电电流进行预估通过在系统设计时提前规划选择满足线路分布电容限值的电缆同时匹配相应动作速度的漏电保护装置可有效防止人身触电伤亡事故发生参考文献 王彦文高彦.煤矿供电技术.徐州:中国矿业大学出版社:.孔庆宇.煤矿高压供电系统漏电故障 仿真.煤矿现代化():.唐会祥.煤矿井下高压选择性漏电保护原理的研究.煤矿机电():.李鹏.煤矿井下低压供电系统漏电故障的分析与处理.煤矿机电():.国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程.北京:煤炭工业出版社.收稿日期:修回日期:作者简介:霍耀佳()男硕士助理工程师从事电力系统保护与控制研究工作(:.)(上接第 页)./:.蔡雨希何英杰陈涛等.基于粒子群的三电平并网逆变器 滤波参数的高效精确设计方法.中国电机工程学报():.():.伍小杰孙蔚戴鹏等.一种虚拟电阻并联电容有源阻尼法.电工技术学报():.吴杰王志新王国强等.电压源型直流输电变流器系统中电网侧变流器的反步法控制.控制理论与应用():.江法洋郑丽君宋建成等.型并网逆变器重复双闭环控制方法.中国电机工程学报():.高吉磊张雅静林飞等.单相 整流器谐波电流抑制算法研究.中国电机工程学报():./:.胡金高.有源滤波器中 滤波参数选择和匹配.福州大学学报(自然科学版)():.王要强吴凤江孙力等.阻尼损耗最小化的 滤波器参数优化设计.中国电机工程学报():.卫国岗孙世宇刘金宁.基于准 控制的逆变器优化控制.国外电子测量技术():.收稿日期:修回日期:作者简介:兰岚()女助理工程师从事电力系统控制及电气试验技术工作(:.)