供电电网电容电流的危害及其规律的研究

供电电网电容电流的危害及其规律的研究

王永贵

东保卫矿采煤生产准备队黑龙江省双鸭山155100

摘要：根据《煤矿安全工程》的规定，矿井高压电网的单相接地电容电流不得超过20A。否则，必须采用限制措施。

这一规定正说明矿井电网的电容电流具有一定的危害性。当其大到一定程度，便会对安全造成威胁，因此，必须采取措施，加以限制。然而，究竟电容电流会带来哪些危害？需要将电容电流限制到多大，才能保证安全？这正是我想研究解决的问题。

下面就电容电流的危害，逐一进行研究，并寻求其规律性。

关键词：供电电网；电容电流；危害及其规律

一造成人身触电事故

在中性点不接地的三相电网中，由于各相导线对地存

在着分布绝缘电阻和电容，一旦人身触及电网的任何一相，便有电流流过人身，其值可按式（1）计算。

此时，人身触电电流与电网对地的电容无关，只决定于电源的相电压Uφ和人身电阻R，也就是说，和变压器中性点直接地的情况差不多了，人身触电是非常危险的。

下面看一看允许的人身触电电流值是多少？我们按人身触电时漏电保护装置能够作用于开关跳闸的条件来考虑。

若以人身触电电流与触电时间的乘积不大于30mA?S的安全极限值为根据，并以漏电保护装置和高压开关的动作时间为0.2S进行计算，则人身触电电流的最大允许值为150mA。于是，由式（2）可求得6kV电网对地电容的最大值，不得超过0.04μF。显然，该电容值是非常小的，一般电网均大大超过它。也就是说，用一般的漏电保护装置和高压开关，难以保证人身触电安全。

如果采用快速断电措施或人为旁路接地装置，只要能将人身触电的时间缩短到8ms以下，则无论电网对地有多大电容，也不致造成人身触电危险。

二引起瓦斯爆炸

引燃瓦斯的最小能量为0.28mJ。根据试验单位更进一步确认在1140V电网中进行了漏泄电流引燃瓦斯的试验。其试验条件是：电网每相对地电容为1μF，每相对地的绝缘电阻为62KΩ，瓦斯浓度为8.5%，单相径电阻接地。当此接地电流值达到8mA时，即刻引起瓦斯爆炸。通过研究还表明，随着电压的升高，此引燃电流呈下降趋势。

为了了解在6KV电网中引燃瓦斯的电流是多少，我们按照能量不为的原则进行了换算。粗略估计，电网对地电容为0.00047μF，单相接地的引燃电流为1.5mA。

显然，这比保证人身触电安全所要求的电容值还要小，而且引燃瓦斯的时间极短，为微秒极单位。因而，要想在实际电网中，保证单相接地电流不致引起瓦斯爆炸是完全不可能的，唯一的办法是采用双屏蔽电缆和超前切断电源装置。

三导致接触电压升高

在中性点不接地的矿井高压电网中，为了保证人身安全，必须采取保护接地措施，即对于绝缘损坏可能带有危险电压的电气设备的金属外壳，都必须有保护接地。

在此情况下，该电气设备一旦发生单相接地事故，便有接地的电容电流流过接地极。其电容电流Ijd可由式（4）计算。

式中Rjd——井下总接地网的接地电阻。

显然，此接触电压必然随着电容电流的增大而升高。由于煤矿安全规程已有规定，井下总接地网的接地电阻值不得大于2Ω，而且接触电压最大又不得超过40V，因此，单相接地的电容电流值便不得大于20A。

实际上，由于井下接地网的存在，流过接地极的电流并不是全部的接地电容电流，只是其中的一部分，因而实际的接触电压并没有这样高。换句话说，在保证接触电压不超过40V的情况下，实际上的电容电流可以大于20A。

四使电弧不能自熄

众所周知，单相接地的电容电流有可能产生电弧。其电弧的大小，不仅与电网电压的高低有关，而且取决于单相接地电容电流的大小，亦即在电压一定的条件下，电容电流越大，其电弧也就越大。这一现象已为实验室试验和现场试验所证实。

长期燃烧的电弧，有可能烧坏电气设备和电缆等的相间绝缘，造成相间短路，使事故护大。因此，人们便对电弧不自熄电流的下限值感兴趣，以寻求其规律，加以限制。

经参阅西北电力试验研究所，他们对各种高压电缆，以不同孔径进行单相接地电弧的不自熄电流试验，并提出了电弧不自熄电流的下限值：对全塑电缆可取25A，油浸纸绝缘电缆取15A，交联电缆取10A。同时也应指出，在他们所提供的试验数据中存在着孔径越大，电弧不自熄电流的下限值越小的规律，而且出现如下现象：对于交联电缆，当孔径为3mm时，接地电流为1.2A的电弧便不能自熄；对于全塑电缆的开放孔，甚至接地电流为1.2A的电弧也不能自熄。这说明，电弧能否熄灭不仅与电容电流的大小有关，而且与电弧敞开的程度有联系。因此，上述电流值能否作为在任何情况下电弧都不会自熄的下限值呢？当然也应看到，虽然在不同场合下电弧不自熄的电流下限值有所不同，但电容电流越大，其电弧的能量越大，其破坏作用也就越大。因此，可以根据电弧破坏作用的大小，来确定一个电容电流的限值。例如《电业规程》对发电机的单相接地保护装置，其目的在于缩短电弧作用的时间，以防电弧烧坏绕组的绝缘和定子的铁芯。根据这一道理，我们也可以在电容电流超过某一限值时，规定装设作用于跳闸的接地保护装置，而不是仅仅限制电容电流值。此外，还可以在中性点与地之间接入消弧线圈，以产生电感性电流，补偿接地故障点的电容性电流，使接地电流减小，达一熄弧的目的。

五产生电弧接地过电压

乍看起来，电弧接地过电压似乎与电容电流的大小有关系。其实在电容电流大到一定程度，便形成稳定的电弧，就象单相直接接地一样，故障相对地电压为零，而非故障相的对地电压升高√3倍，变成了线电压，其过电压倍数反而不高。这说明，并不是电容电流越大，电弧接地过电压就越高。理论分析和试验也证明，电弧接地过电压实际上与电网对地电容的大小没有关系。

在中性点不接地的供电系统中，发生单相电弧接地时，之所以出现过电压，主要是由于电弧在燃烧和熄灭的过程中，电网不断地积累电荷，使中性点对地电压逐渐升高造成的。

为了进一步验证电弧接地过电压的大小，以及电网参数的影响，我们建立了高压（6KV）电网模拟试验室，其电气线路如图1所示。

图中电源由560KVA三相变压器供给，将380V电压升高到660V或3000V。F为模拟的电感生负荷，Cx为线间电容，Co为接地故障支路的对地分布电容，L为接地故障支路的线中电感，Co∑为非故障支路对地分布电容之和。为了简化起见，它们都以单线表示。H为单相接地故障点的电弧间隙。

试验结果表明，在没有线间电容的情况下，单相接地电容电流在几安到几十安的范围内，电弧接地过电压的数值差不多，一般不超过3.5倍，但少数可达5倍。一旦线间电容接入，电弧接地过电压倍数但显著降低，比线电压高出不多，一般不超过相电压的2.5倍。

一般看来，矿井电网的电弧接地过电压并不会使绝缘正常的电气设备造成损坏，特别是在采用静电电容器补偿功率因数的电网中，其电弧接地过电压更不会危及电气设备的安全。但是，对于那些绝缘薄弱环节，也可能引起绝缘相继击穿，造成相间短路的危险。因此，对于绝缘水平已经较差的电气设备，仍应加强维护，以免损坏。

抑制电弧接地过电压的最好办法，是让变压器中性点经电阻接地，将电网中积聚的电荷经过接地电阻释放掉，这样，电弧接地电压的水平自然就会降低。一般讲，接地电阻值越小，其抑制过电压的效果就越好。通常接地电阻按设计。

六形成杂散电流

单相接地的电容电流流入大地以后，便形成杂散电流。特别是在高压深入采区，而且电缆采用插销式联接器的情况下，由于接地芯线往往接不好，致使杂散电流大量流入工作面，其危害性就更大，有可能使电气雷管先期爆炸，甚至造成瓦斯爆炸。

当然，其危害的程度与单相接地电容电流的大小有关。电容电流越大，其引爆雷管和点燃瓦斯的可能性就越大。

总体来看，电容电流的危害是多方面的，包括人身触电、瓦斯爆炸、接触电压升高、电弧不自熄、电弧接地过电压以及杂散电流等等。由于它们各自反映的电容电流不一样，为了清楚起见，特将其危害的区域示意于图2中。

七结论

（1）造成各种危害的电容电流大小是不一样的。由于因素很多，要想确定电容电流的限值，势必有所取舍。若着眼在接触电压不大于40V，电容电流限值就可定为20A；如果从电弧要能够自熄和不产生电弧接地过电压考虑，就是10A也嫌大。此外，考虑问题还要从我国的国情出发。根据我对50多个矿井43个高压电网的实际资料参阅，电容电流超过20A的电网占70%；超过10A的占88%。如果将电容电流限制在10A，那么，我国的绝大多数高压电网都得改造，其工作量之大可想而知，鉴于目前这些电网都运行得很正常，所以绝大多数高压电网还不是非改造不可。

（2）从安全考虑，影响因素不仅限于电容电流的大小，而且与接地故障所存在的时间也有关系。譬如缩短人身触电时间，就可以增大人身触电电流，同样，电弧燃烧的破坏作用也与时间的长短有关。因此，在制订电容电流限值的同时，还应对接地保护装置也作出明确的规定，譬如对于大型电动机，必须让接地保护装置作用于跳闸，以减小电容电流的破坏作用。

（3）从维修局部接地极入手，对周围保持湿润或超前撒粒盐，更好地保证对地绝缘不超过2Ω。

参考文献：

[1]许丹;马星河.煤矿高压电网对地电容电流测算分析[J]；煤矿机电,2012年04期.

[2]吴君;李赓.煤矿高压电网对地电容电流综合治理与选漏保护技术[J]；煤矿安全,2011年08期.