8421型并联电抗器组合式消弧线圈在矿井供电系统的应用

8421型并联电抗器组合式消弧线圈在矿井供电系统的应用

刘健

（淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿供电队安徽淮南232151）

摘要：如果煤矿井下高压电网单相接地故障发生后，不进行治理，后果非常严重，可能造成人身触电，电气火灾，引燃、引爆瓦斯、煤尘，提前引爆电雷管等事故。消弧线圈是一种带铁芯的电感线圈，起灭弧作用。它接于变压器的中性点与大地之间，构成消弧线圈接地系统。正常运行时，消弧线圈中无电流通过，而当电网发生单相接地时，中性点电位将上升到相电压，这时流经消弧线圈的电感性电流与单相接地的电容性故障电流相互抵消，使故障电流得到补偿，补偿后的残余电流变得很小，不足以维持电弧，从而自行熄灭。

关键词：煤矿；供电；消弧线圈

顾北煤矿位于淮南市凤台县，井田面积34km2，2008年5月建成投产，设计生产能力为3.0Mt/a，设计在主要环节留有600万t/a的条件；现生产能力为4.0Mt/a。

矿井供电系统为工业场地内设1座110kV地面变电所，装备2台SZ10-31500/110±8×1.25%/10.5kV主变压器。两回路110kV电源一回引自芦集220kV区域变电所，另一回引自丁集220kV区域变电所。井下供电高压采用10kV电压等级；用电设备主要采用3.3kV、1.2kV、0.69kV等电压等级。变电所按照无人值守标准设计，采用南京中德NSC2200控制系统，设有10kV配电室、集中控制室、110kV配电装置室、主变室、动态补偿室、消弧室等。在10kV开关室、集中控制室下设有电缆夹层。2台主变压器正常运行方式为分列运行，变电所110kV、10kV均为单母线分段接线方式。变电所110kV配电装置为SF6封闭式组合电器（GIS），10kV配电装置选用中置式开关柜。

消弧室安装两套北京丹华昊博产品。消弧线圈装置型号：KA2003-XH/I-730/10.5-32和小电流接地选线装置型号：KA2003-DH-48B/4X

一、改造背景

《煤矿安全规程》第453条规定：“矿井6000V及以上高压电网，必须采取措施限制单相接地电容电流，生产矿井不超过20A，新建矿井不超过10A。”因此，我国煤矿高压电网的接地电流必须治理在20A以内。我矿10kV电网电容电流已达到65A，而原有消弧线圈补偿电流最大仅52A，超出补偿范围13A，随着采掘头面的延伸，补偿能力已不能满足生产发展的需要，且选线效果不佳，不能及时将故障线路报至后台。

《煤矿安全规程》第440条规定：“严禁井下配电变压器中性点直接接地。严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。”因此，我国煤矿高低压供电必须采用中性点非有效接地系统。

中性点接地方式可以分为中性点有效接地、非有效接地两大类。中性点接地方式对保护接地的安全性、单相接地电流的大小、单相接地保护、操作过电压、单相电弧接地过电压、铁磁谐振过电压均会产生影响。

煤矿由于生产环境恶劣，井下巷道狭窄，空气潮湿，电气设备和电缆的绝缘容易受潮，电缆也可能遭受脱落的岩石和煤块砸坏，甚至被移动的机器设备等挤压，极易造成漏电和接地事故。煤矿电网绝大多数供电故障都属于单相漏电和接地事故或其引发的二次故障。

煤矿高压电网以电缆供电为主，在进行接地故障分析时，一般忽略对地绝缘电阻，仅考虑对地电容，因此接地电流主要组成为单相接地电容电流。煤矿电网采用中性点非有效接地系统，允许带故障运行2个小时，可提高供电的可靠性，但长时间接地运行，过大的单相接地电流会引起电缆烧穿放炮，极易形成两相接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压造成多点接地。影响正常生产，给矿井和人身安全带来严重后果。单相接地故障的主要危害有：

（1）易造成二次故障。

配电网越大，电容电流越大，单相接地时接地电流越大。接地点电弧不能自行熄灭，易形成稳定电弧，易发展成相间短路（电缆放炮），造成停电或设备损坏事故。

（2）易产生单相电弧接地过电压。

当配电网接地电流大于5～10Ａ时，单相接地故障时可能出现周期性熄灭和重燃的间歇电弧，将导致相与地之间产生过电压，其值可能达到2.5～3倍的相电压峰值。

（3）易产生铁磁谐振过电压。

在相电压时PT特性已趋于饱和拐点，当系统中运行电压偏高并出现某些扰动（如单相接地故障），能使PT饱和程度加剧，就有可能激发铁磁谐振过电压，致使母线电压互感器（PT）烧毁和熔断器熔断，严重威胁着配电网的安全和供电可靠性。

（4）影响保护接地的安全性

《煤矿安全规程》规定：“接地网上任一保护接地点的接地电阻值不得超过2Ω。”为保证煤矿井下电气设备在发生“碰壳”接地事故时，保护接地网上的电压不超过安全电压，则接地电流必须尽量小。煤矿安全规程规定的20A接地电流限值，可保证在发生“碰壳”接地事故时，外壳电压不超过40V。若接地电流超过20A越大，则接地网电压越高，发生人体触电的危险性越大。

因此，中性点经消弧线圈接地，能够在发生单相接地故障时，通过消弧线圈使接地处流过一个与容性接地电流相反的感性电流，从而减小、甚至抵消接地电流，消除接地电弧引发的问题，进而提高供电可靠性。

二、改造升级

根据供电的安全性和目前矿井负荷情况，10kVⅠ段、2段改造升级为补偿电流达120A的消弧及选线装置各一套，如下图所示。

以其中一套为例，K1、K2、K3、K4、K5为高压真空接触器，各带一台电抗器，其容量按1：2：4：8：16分配，当接触器闭合/断开时，相应的电抗器投入/退出电网，这样消弧线圈便具有00000~11111之间变化的32个档位，最大补偿电流达120A。

三、改造意义

通过这次改造升级，对矿井安全供电有如下优点：

1.补偿最大电流达120A，满足生产发展的需要。

2.采用“随调”的运行方式，能够在发生接地故障时，在20ms

以内动作，达到补偿熄弧，正常运行状态时，消弧线圈与系统隔离，不会产生谐振过电压，也不需要阻尼电阻。

3.消弧线圈的投入不会对电网造成谐波污染。

4.应用多种选线方法综合选线，最大限度地保证各种选线方法

之间实现优势互补，每隔1秒便重新采集数据进行分析，保障选线快速、准确，便于查找、处理故障，避免事故进一步扩大。

5.适应电网扩容需要，再增加一台相应容量的电抗器，即可升级至64档补偿，减少了成本，具有良好的经济性。

四、使用效果

通过一段时间的运行，该套系统运行比较稳定，在发生单相接地时补偿效果明显，选线效果较好，上传信息准确，基本满足了煤矿的安全生产需要。尤其在井下几十公里高压电缆发生单相接地故障时，基本满足及时快熟查找故障线路的要求，避免了事故范围的和事故影响的扩大。