基于仿真方法對礦井交流雜散電流產(chǎn)生機(jī)理分析

董安祁

（西山煤電馬蘭礦，太原 030200）

0 引言

近些年來，隨著煤礦生產(chǎn)水平的不斷提高，對井下供電技術(shù)、電壓等級、供電距離也提出了更高要求，但供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的井下交流雜散電流危害卻日益嚴(yán)重。雜散電流不僅會腐蝕金屬管道、電纜外皮，還會引起瓦斯爆炸和電雷管早爆，甚至誤導(dǎo)檢漏裝置執(zhí)行不正確的動作，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)[1]。文獻(xiàn)[2]為了分析煤礦井下出現(xiàn)的交流雜散電流產(chǎn)生機(jī)理，建立集中電路模型進(jìn)行分析，但該模型無法解釋雜散電流產(chǎn)生的原因及其規(guī)律；文獻(xiàn)[3]為了掌握雜散電流產(chǎn)生機(jī)理，針對井下采區(qū)低壓電纜提出了參數(shù)分布模型，但該模型存在缺陷，未考慮到電纜屏蔽層、接地極和金屬網(wǎng)對雜散電流的影響。

本文針對井下供電情況和前人研究經(jīng)驗(yàn)，提出基于仿真分析方法對礦井井下雜散電流產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，從理論上分析產(chǎn)生交流雜散電流原因，并利用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型，研究高低壓電纜雜散電流分布規(guī)律，為煤礦防治井下交流雜散電流提供理論指導(dǎo)，確保井下安全供電。

1 理論分析雜散電流產(chǎn)生機(jī)理

1.1 產(chǎn)生原因

煤礦井下交流電采用的是不對稱接地方式，一旦三相電路中接地絕緣或電容不對稱，供電系統(tǒng)中的零星電流就會流經(jīng)大地或供電網(wǎng)線周圍的管線，然后流經(jīng)漏電繼電器中，最后返回到整個供電網(wǎng)絡(luò)中，這就是井下交流雜散電流產(chǎn)生的原因[4-5]。煤礦井下交流雜散電流產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。

圖1 井下交流雜散電流產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)上述分析得知，供電網(wǎng)絡(luò)雖然負(fù)載對稱，但是當(dāng)井下三相電線路中阻抗不對稱，就會產(chǎn)生零星電流，經(jīng)過一些導(dǎo)體流入整個電路網(wǎng)絡(luò)中形成交流雜散電流。

1.2 雜散電流產(chǎn)生機(jī)理

煤礦井下供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡化為如圖2所示。供電系統(tǒng)中的變壓器T0變比為35 kV/10 kV，電路采用Δ/Y方式連接方法，變壓器T0二次側(cè)與大地連接，連接采用的是消弧線圈Lx；井下采區(qū)移動變壓器分別為T1，T2，兩個移動變壓器的變比均為10 kV/1.14 kV，連接方式采用的是Y/Δ法，為了保護(hù)移動變壓器，其二次側(cè)安裝漏電保護(hù)裝置。整個供電線路中，高壓電路為l0～l4，低壓電路分別為l5、l6，每條電路的負(fù)載均采用Y型方式，且為RL對稱模型[6]。

煤礦井下供電系統(tǒng)中，電纜屏蔽層和地線芯若要與保護(hù)接地系統(tǒng)相連，必須要通過接地導(dǎo)線才能實(shí)現(xiàn)。然而，巷道中有支護(hù)的金屬網(wǎng)，這些金屬網(wǎng)也是和保護(hù)接地系統(tǒng)相接觸的，因此保護(hù)接地系統(tǒng)和巷道支護(hù)的金屬網(wǎng)就成了供電系統(tǒng)電流流向的通路，電流經(jīng)過這些通路不僅會流向整個電網(wǎng)，而且也會流向各個接地進(jìn)入大地，傳到其他金屬管道或者電纜外層，這就是井下交流雜散電流產(chǎn)生的機(jī)理。井下雜散電流受礦井電纜絕緣程度、供電網(wǎng)線架設(shè)分布、巷道條件以及空氣、濕度等多重因素影響，如不加以防治，不僅腐蝕井下設(shè)備，嚴(yán)重時還會發(fā)生安全事故[7-8]。

圖2 井下交流電結(jié)構(gòu)原理

2 仿真分析雜散電流產(chǎn)生機(jī)理

煤礦井下供電電纜受到機(jī)械設(shè)備損傷、化學(xué)腐蝕等影響，造成電纜中各個部分或者不同電纜的絕緣效果不甚相同，引起三相交流電絕緣呈現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。為了研究交流雜散電流產(chǎn)生機(jī)理和分布規(guī)律，采用三相電路中的最大絕緣和最小絕緣相比的不平衡性系數(shù)來表示，即用字母K代表，利用計算機(jī)Matlab/Simulink軟件仿真分析高低壓電纜交流雜散電流分布規(guī)律。

2.1 低壓絕緣電阻不同平衡系數(shù)對雜散電流產(chǎn)生的影響

為了進(jìn)一步掌握井下交流雜散電流機(jī)理，分析低壓電纜絕緣電阻不平衡系數(shù)K在不同取值時，電流有效值呈現(xiàn)的規(guī)律狀況。在仿真分析模型中，設(shè)置高壓電纜三相中所有參數(shù)完全相同，低壓不平衡系統(tǒng)分別設(shè)置為1.5、2和3，利用Matlab/Simulink仿真軟件得到了各段的屏蔽層與地線芯中交流雜散電流有效值分布狀況、金屬網(wǎng)交流雜散電流有效值分布狀況、接地極線路上的交流雜散電流有效值分布狀況。3個交流雜散電流有效值分別用字母Ip、Iw和Ig表示，曲線分布如圖3所示，k為屏蔽層與地線芯、金屬網(wǎng)段序號，m為接地線的極序號。

從圖3（a）和圖3（b）中可以得出，低壓絕緣電阻呈現(xiàn)不對稱時產(chǎn)生的交流雜散電流主要發(fā)生在9～14段區(qū)間，說明由于整個低壓線路絕緣電阻不對稱產(chǎn)生了電流的泄漏，而泄漏的交流雜散電流利用漏電保護(hù)裝置又流回電網(wǎng)中。隨著流回的電流累加，電流有效值是先增大后逐漸減小，而且隨著不平衡系數(shù)的增大，電流有效值變化更加明顯。但是從圖3（c）發(fā)現(xiàn)，接地極上交流雜散電流分布反而不同，在各個段之間均有交流雜散電流分布，0～3極區(qū)間逐漸增大，隨后降低；3～11極區(qū)間基本處于平穩(wěn)狀態(tài)；11極后又逐漸增加。出現(xiàn)這種原因主要是低壓電纜產(chǎn)生的交流雜散電流一部分是通過接地極流經(jīng)了大地，而剩余的交流雜散電流流回了供電網(wǎng)絡(luò)。

從圖3可以看出，在高壓電纜絕緣電阻不變的情況下，低壓電纜絕緣電阻不對稱的平衡系數(shù)越大，在屏蔽層/地線芯、金屬網(wǎng)及各接地極中呈現(xiàn)的交流雜散電流有效值也就越大。從整個仿真分析看出，屏蔽層/地線芯的交流雜散電流有效值小于金屬網(wǎng)中的交流雜散電流有效值，但是比接地極的交流雜散電流有效值大，說明巷道金屬網(wǎng)中電阻最小，最容易導(dǎo)致井下交流雜散電流發(fā)生。

圖3 低壓絕緣電阻不同平衡系數(shù)對井下雜散電流的影響

圖4 高壓絕緣電阻不同平衡系數(shù)對井下雜散電流的影響

2.2 高壓絕緣電阻不同平衡系數(shù)對雜散電流產(chǎn)生的影響

為了進(jìn)一步掌握井下交流雜散電流機(jī)理，分析高壓電纜絕緣電阻不平衡系數(shù)K在不同取值時，電流有效值呈現(xiàn)的規(guī)律狀況。在仿真分析模型中，設(shè)置低壓電纜三相中所有參數(shù)完全相同，高壓不平衡系統(tǒng)分別設(shè)置為1.5、2和3，利用Matlab/Simulink仿真軟件得到了各段的屏蔽層與地線芯中交流雜散電流有效值分布狀況、金屬網(wǎng)交流雜散電流有效值分布狀況、接地極線路上的交流雜散電流有效值分布狀況，3個交流雜散電流有效值曲線分布如圖4所示。

從圖4（a）、4（b）得出，供電系統(tǒng)中的高壓電纜因電阻不對稱產(chǎn)生的交流雜散電流主要分布在屏蔽層與地線芯、金屬網(wǎng)與高壓電纜連接的相鄰區(qū)間內(nèi)。隨著距離增加，交流雜散電流逐漸變小，二者均是隨著不平衡系數(shù)增大而交流雜散電流有效值增大。從圖4（c）可以得出，高壓電纜與接地極相鄰的區(qū)間內(nèi)，交流雜散電流有效值較大，隨著距離增加，交流雜散電流有效值逐漸減小，而后基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，說明在地面消弧線圈處分布有較多交流雜散電流，此處應(yīng)作為交流雜散電流防治的重點(diǎn)。

通過對煤礦井下供電系統(tǒng)雜散電流理論分析和高低壓電纜交流雜散電流分布規(guī)律仿真分析得知，三相電中的電阻和電容呈現(xiàn)不對稱狀況才會引起井下交流雜散電流，交流雜散電流不僅會對金屬管道、電纜外層等產(chǎn)生腐蝕，若交流雜散電流過大還會引起早爆、瓦斯爆炸、保護(hù)裝置誤動作等安全事故，交流雜散電流防治重點(diǎn)應(yīng)放在低壓電纜與金屬網(wǎng)連接處和高壓電纜與接地處。

3 結(jié)束語

為了減少井下交流雜散電流危害，本文從理論上分析了供電系統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)生交流雜散電流的原因，利用計算機(jī)Matlab/Simulink仿真軟件分析交流雜散電流在高低壓電纜不同電阻平衡系數(shù)時的分布規(guī)律，為礦井防治井下交流雜散電流提供了依據(jù)。

（1）通過構(gòu)建井下供電結(jié)構(gòu)原理圖，分析了井下交流雜散電流產(chǎn)生機(jī)理。井下三相電線路阻抗不對稱，加之外界條件形成了井下交流雜散電流。

（2）為了進(jìn)一步了解、掌握井下交流雜散電流機(jī)理，利用計算機(jī)Matlab/Simulink軟件仿真分析了高低壓電纜交流雜散電流在屏蔽層與地線芯、金屬網(wǎng)、接地極中不同平衡系數(shù)下的分布規(guī)律。