电容电流治理及漏电保护改造

1、人身触电的危害
当人身触及三相电网的任何一相导体时，相当于该电网通过 人身电阻出现了单相漏电故障。设人身电阻为RS，则可求得 U 1 人身触电电流IS为：
IS RS r r 6 RS 1 2 91 r 2 2 c 2 RS
人身触电电流IS不仅正比于电源电压，而且随着电网对地电容 值C的增加而增大，同时，还随对地的绝缘电阻值r变化。在 某一绝缘电阻值rmin的条件下，人身触电电流值为最小 1 1 36 2 c 2 Rs2 rmin 6 2 c 2 Rs 当r>rmin时，随着绝缘电阻值r的增大，人身触电电流值IS总是 增加。直至r=∞时，人身触电电流便趋于某一极限值；该人身 触电电流是在r>rmin条件下的最大值：
Isr
3U c
1 9 Rs2 2 c 2
电网电容电流治理及漏电保护改造方案
人身电阻RS=1kΩ，6kV电网不同电容值C的人身触电电流最小值和最大值， 及其增大的百分数 ：
表1-1 人身触电电流的最小值和最大值及其增大的百分数（%）
C(F) 1 1.5 2 3 4 5 6
2 6000 4899 V 3
也就是说，只要电网对地电容C达到23.3pF该电网的储能就足 以使瓦斯爆炸。显然，实际的矿井电网，其对地电容均大大 超过这一数值。
电网电容电流治理及漏电保护改造方案 • 再从煤科总院抚顺分院所提供的一组模拟试验数据来看（见 下页表1-2），对于660V和1140V电网，它们引爆瓦斯的单 相漏电电流几乎与电网对地电容值的大小无关。660V约为 45mA，1140V为8mA左右。 • 显然，在漏电电流不变的情况下，随着电网对地电容值增加 的同时，漏电电阻值必然要增大。此外，随着电源电压的提 高，由于引爆瓦斯的漏电电流减小，更要求增大漏电电阻值。 例如，电网对地电容都是1uF的情况下，对于660V电网，要 使漏电电流为47mA，漏电电阻值应为8.3kΩ；而对于 1140V电网，漏电电流为8mA时，则要求漏电电阻值为 82.2k。由此看出，随着电源电压的提高，不仅引爆瓦斯的 电流值减小，而且漏电电阻值还要增大。也就是说，更容易 引起瓦斯爆炸。如果电源电压为6000V，其引爆瓦斯的可能 性将会更大。
3210 Nhomakorabea1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 C(uF)
电网电容电流治理及漏电保护改造方案 当 9Rs
2
2c 2 1时， IS（r=∞）趋于定值：
U Is r 3.46 A Rs 该值与电网对地电容C无关。也就是说，对于6kV电网，人身触 电电流的最大值可达3.46A。从人身触电的安全电流来看，一 般认为应不超过30mA。现在人身触电电流值已达到安培级， 显然是不安全的。如果考虑人身触电的时间因素，即按人身触 电电流Is与触电时间t的乘积公式计算，在通常的漏电保护装置 的动作时间和高压开关的分闸时间之和t=0.28S的条件下，人身 触电电流值最大也有150mA，显然仍不能保证人身触电安全。 现根据IS（r=∞）=150mA，按前式反推，可求得高压（6kV） 电网对地电容为：0.046μF。显然，这么小的电容量，对于一 般的电网是不存在的，这进一步说明，采用一般的漏电保护装 置也不可能满足人身触电安全的要求。
电网电容电流治理及漏电保护改造方案
某矿电容电流现状
根据前期测试的结果，某矿6kVⅠ段电容电流37.85A， 6kVⅡ段电容电流37.54A，6kV系统总电容电流74.18A。 2005版、2003版、2001版等的《煤矿安全规程》第457条 规定：“矿井高压电网，必须采取措施限制单相接地电容电 流不超过20A。”。 而以前版本的《煤矿安全规程》是这样描述的：“矿井高压 电网的单相接地电容电流不得超过20 A。否则，必须采取 限制措施。”。 从上述的文字描述也可以看出，对煤矿电网的电容电流的治 理越来越受到关注。 由以上测试数据可知，新集一矿的6kV电网单相接地电容电 流超标，不利于电网的安全运行，必须采取电容电流治理措 施确保电网安全运行。
电网电容电流治理及漏电保护改造方案 • 不难理解，在单相接地的情况下上述电网引爆瓦斯的对地电 容值必然是非常小的。按上述1140V电网的参数计算，即使 对地电容值为零。仅仅绝缘电阻(62k)所产生的单相接地电 流就已经是32mA，大大超过了8mA。显然，要防止瓦斯爆 r 炸，不仅要减小电网的对地电容值，而且还要提高其绝缘电 (m A) 阻。因此，在6000V电网的情况下，用限制单相接地电流的 方法，来防止瓦斯爆炸，实际上也是不可能的。 表1-2 引爆瓦斯的单相漏电电流
保护接地也是防止人身触电的一项有效措施。在变压器中性 点不接地的供电系统中，一旦电气设备的绝缘击穿，发生了 某相导体“碰壳”事故，电气设备的金属外壳便与该相导体 等电位。此时，如果人身接触该金属外壳，便有可能发生人 身触电事故。 如果将电气设备的金属外壳用导线与大地相连，使其对地电 位降低，便有可能减小人身的接触电压。达到防止人身触电 的目的，这就是保护接地的作用原理。其原理如下页图所示。 图中I和Id分别为流入接地网和接地极的电流。 在没有接地网或没有与接地网连接的情况下（如a图）所示， 入地电流 Id=Ijd，此时接触电压为：Ujz=IjdRd（Rd为接地电 阻）。当接触电压的允许值为40V接地电阻为2Ω时，允许的 单相接地电流便不得超过20A。因此，《煤矿安全规程》规定， 矿井高压（6kV）电网的单相接地电容电流不得超过20A。其 实，由于井下接地网的作用（见b图）Ijd=I+Id，即一部分单相 接地电流I便经接地网直接返回电网。而入地电流Id通常都比要 小。
7
8 9
3.43
3.434 3.44
3.21
3.24 3.27
6.0
5.2 4.9
10
3.445
3.285
15.5
电网电容电流治理及漏电保护改造方案 值得指出IS（r=∞）值随着电网对地电容C增大的速度，开 始时较快，但当其增大到一定程度，则上升的速度变慢。 其变化规律如下图所示。
4 Is(A) r=
电网电容电流治理及漏电保护改造方案 表1-3电缆放炮次数与接地电流 接地电流 （A）
放炮次数
矿数 1986年 2 6 7 4 7 5 16 20 21 2 3 50 1987年 8 18 12 5 2 66
5以下 610 1120 2130 3150 50以上
电网电容电流治理及漏电保护改造方案 电弧烧坏相间绝缘，显然与电弧电流的大小有关，接地电流 越大，电弧的能量越大。烧坏相间绝缘的可能性也就越大。 综上所述：单相接地电流所产生的电弧，有可能使相间绝缘 进一步烧坏，并发展成相间短路，使事故扩大。特别是在接 地电流比较大的情况下，其电弧的破坏作用也就更大，有必 要采取有效的防止措施。
电网电容电流治理及漏电保护改造方案 高频熄弧理论分析所得的过电压值偏高，而工频熄弧理论分 析所得的过电压值比较接近实际情况：即故障相为2倍的相电 压；非故障相为3.5倍的相电压。 另外通过进行模拟试验发现： 电弧接地过电压与电网的参数有关，而且与线路的电感也有 关系，因此，不同的矿井高压（6kV）电网，其电弧接地过电 压值也就不同； 一般而言，故障相的对电压倍数较低（均值不超过2倍的相电 压），而超前相的过电压倍数最高，均值可达3.5倍的相电压 最大值一般不超过5倍的相电压，个别可达5.15倍的相电压。 相间电容对电弧接地过电压具有抑制作用。相间电容与对地 电容的比值越大，作用就越明显。因此，加装提高功率因数 的静电电容器，对抑制电弧接地过电压也有好处。
Isr
2.38 2.829 3.06 3.27 3.35 3.38 3.41
Isr rmin
2.08 2.449 2.67 2.91 3.04 3.12 3.17
I S (r ) I S (r rmin ) 100 I S (r rmin )
14.4 14.6 12.4 10.2 8.7 7.6 6.9
C(F) 电压（V）
0．2 — 45 8
0．3 64 — —
0．47 0．50 0．67 — 42 9 88 — — 118 44 7
1．0 150 47 8
备注
380 660 1140
r=∞
r=50k r=62k
注：引爆试验的瓦斯浓度为8.5%
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3、对保护接地的影响
电网电容电流治理及漏电保护改造方案
（b）
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（b）
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4、电弧接地过电压
在中性点不接地的供电系统中，单相接地将使非故障相对地 电压升高倍，变成线电压。应当说，这对电网的正常绝缘威 胁并不太大，况且该电网的线电压仍维持对称状态，对负荷 的运行也没有影响。因此，允许继续运行一段时间（一般12 小时）而不必立即跳闸，这也就是中性点不接地方式的主要 优点。 然而，在此供电系统中，如果某相发生了间歇性电弧接地故 障，其非故障相的对地电压将大大超过1.732倍，而且波及到 整个电网，使那些绝缘薄弱环节（如电动机、电缆和电缆头 等）相继发生绝缘击穿，造成相间短路，使事故扩大。 产生单相电弧接地过电压的过程及其复杂，理论分析只不过 是对这种极其复杂但具有统计性的接地电弧进行理想化后的 解释。长期以来，多数研究者认为电弧的熄灭和重燃时间是 决定最大过电压的重要因素，并形成了两种熄弧理论即工频 熄弧理论和高频熄弧理论。
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5、单相接地电弧引起相间短路和危险
单相接地电流所产生的电弧。除导致上述电弧接地过电压， 使非故障相的绝缘被相继击穿，形成相间短路以外，还可能 在高温电弧的作用下，直接使电缆和接线盒等的相间绝缘烧 坏，造成相间短路。 据《矿井6kV电网安全及高压漏电保护装置使用状况的调查》 报告介绍，在31个矿井中，单相接地电流从5A以下至50A以 上均有电缆放炮事故发生，其中50A以上每年的放炮次数的 60%（表1-3）。虽然在该报告中没有谈到放炮的原因，但从 我们分析来看，这样大的接地电流所产生的电弧接地过电压 不会太高，因而由于过电压引起电缆放炮的可能性较小。当 然，不能说绝对没有，因为有些老矿的电缆，绝缘本来就很 差，稍有过电压也可能引起绝缘击穿，造成电缆短路放炮。 可以认为电缆放炮的主要原因应是电弧烧坏相间绝缘，使其 短路造成的。
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单相接地的危害
1）、人身触电的危害 2）、引燃瓦斯的危险 3）、对保护接地的影响 4）、电弧接地过电压 5）、单相接地电弧引起相间短路和危险 6）、铁磁谐振过电压 7）、杂散电流的危害 8）、其它危害
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一、单相接地的危害
矿井高压（6kV）电网主要是由电缆组成，其电源变压器的 中性点一般均采用不接地方式。 由于煤矿井下巷道狭窄，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。从而造成漏电和接地事故。据有关 的统计资料记载，在此情况下，80%以上的电气短路故障都 属于单相漏电和接地事故。 单相漏电和接地故障，有可能带来巨大的危害，如引起人身 触电，瓦斯煤尘爆炸和电气雷管先期爆发事故，对通讯、控 制线路产生电磁干扰。此外，单相间歇性电弧接地还有可能 产生过电压。线路对地电容与电感元件之间也有可能引起铁 磁谐振过电压，使那些绝缘薄弱环节相继击穿。同时，单相 接地电弧又可能进一步烧坏相间绝缘。所有这些都有可能造 成相间短路，引起电缆放炮或电气设备烧毁等严重事故。
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2、引燃瓦斯的危险
在矿井存在瓦斯（甲烷）的情况下，如果遇到电弧或电火花 的能量超过0.28mJ，该瓦斯便有可能被引燃的危险。 从电网对地电容C所储存的能量A来计算 ： 1 A CU 2 0.28102 J 2
考虑相电压的峰值： pm U 可求得：C 2.33105 F