淺析鐵礦井下供配電變壓器中性點不接地與保護接地

萊蕪鋼鐵集團萊蕪礦業有限公司 郭雙全

1 引言

近些年，鐵礦資源開采中的地表開采數量逐漸減少，部分鐵礦資源開采單位逐漸到地下環境中開采鐵礦，全新建成的井下礦產開采部門越來越多。井下供配電變壓器是井下采礦的必要前提，井下電氣設備要避免接零問題的出現。井下開采要使用礦用變壓器，保證中性點不接地。變壓器的中性點要避免引出載流中性線，根據變壓器中性點運行方式，將電氣設備外殼和金屬底座根據相關電氣規定標準選擇合適的接地保護方法。一般而言，即便出現設備相線碰殼漏電的情況，設備外殼帶電也僅會在瞬間出現，帶電電壓不會超出安全電壓范圍。

2 電阻接地方式的優越性

高壓配電系統選擇適合的中性接電方法，主要從六個角度對其進行綜合分析論證，最終選取最優的接地辦法。

一是電力變壓器的絕緣等級必須和在中性點上直接接地的設備制造要求一致。二是最有效地控制因單相接地故障時所產生的異常電流變化。三是一種最簡單的安全單相接地繼電保護技術。四是單相接地電壓會對設備產生危害。五是與電纜導線的絕緣等級比較適配。六是單相接地電壓對通信線路也會產生影響。

國內工業企業和民用高壓配電系統在長期使用過程中，中性點非接地或是經消弧線圈接地在長期使用過程中，中性點和非接地小電流接電系統中有待提升的部分包括以下幾方面。

一是變壓器需要完全處于絕緣狀態，并且絕緣等級同絕緣體造價呈現出正比關系。配電電纜絕緣性能相對較高。

二是產生單相接電問題時，異常的過電電壓倍數相對較高，也就是間歇性電弧接地過電壓不超過3倍數值，個別電壓為3.5倍數值關系。若是出現單相接地電壓諧振過電壓，電壓數值可能會達到6～7倍數值。

三是繼電保護的方法受到單相接地影響，接地電流比較小或是簡寫接地故障導致接地電流不穩定，并且檢測情況不靈敏，便無法及時發現故障信號或是跳開故障線路。容易造成多相短路問題的出現，電纜也可能起火。依據以往經驗能夠得出接地電流大于0.8A，便存在電纜火災危險的可能性。因此設備電纜造價要相應提升，電纜可靠性和故障排除效率無法得到提高，電氣設備存在被損壞的可能。尤其是選用電纜線路為主要線路的工業單位，無法有效避免電纜火災事故的發生。

傳統高壓配電系統中的中性點不接地小電流接地系統需要被更新，選用經電阻接地的“中電流接地系統”中電流和電阻接地方法。

單相接地異常過電會得到有效控制，采用電阻接地系統的等值電路如圖1所示。

圖1 采用電阻接地系統的等值電路

其中，Z0=-，同接地電阻Re屬于并聯關系。當Z0+Z1+Z2=0時，接地電阻Re具備一定阻值，異常過電電壓可以得到有效控制。當Re=Xe時，健全項的V0和Vc電壓便是Vb和Vc。減少R 的數值，流過電阻的電流便會從20～30A 提升到100A 左右。選擇合適的R 能夠保證經過R 的電流保持在100A左右，大概是一般系統電容電流的3倍數值。

提升繼電保護裝置的檢測靈敏程度，提升保護可靠程度。根據以往的運行經驗，在3～10kV 電壓電網中，出現單相接地故障的頻率在有效接地電流中占據20%～30%占比。20A 接地電流在實際中僅有4～6A 電流量，5A 接地電流實際上僅存在1.5A電流。通過電流交互傳感器后的試驗檢測，能夠得出二次電流會再次減少，因此選用CT 并不能將其檢測出來。選用100A 的電阻接地系統，單次能夠檢測到的故障電流大概為20～30A 數值，檢測靈敏程度也會得到大幅度提升，屬于保護可靠動作的必要前提，在繼電保護裝置上選用合適措施，能夠提升繼電保護可靠性。

3 供配電變壓器工作接地的分類與特點

配電變壓器或者低壓發電機上的中性點，會通過接地裝置與地面建立聯系，這稱為工作接地。而工作接地又可以被區分為直接接地和非直接接地2種類型。其中，非直接接地也可能被區分為不接地或者是消弧線圈接地。在工作接地條件的情況下的直接接地電流，通常也可以被限制在4Ω 范圍內。

3.1 直接接地

中性點電流直接接地，是指的是在動力系統中具有的一條中性點電流直接接地，也可以直接或間接地利用較小電流與接地裝置相連。這種狀態下，中性點直接接地始終保持在零供電狀態。系統發生相接的事故后，可以影響無事故相對地電流的增加，保障單項用電設備安全程度。中性點直接接地后，相接地故障出現的電流比較大，一般能夠為剩余電流提供保護，抑或是出現電流保護的動作，切斷電源會造成停電問題的出現[1]。人身相對的電擊時，危險事故出現的概率會提升。人員觸電問題發生時，事故電流會通過人體和變壓器形成接地回路。如此一來，工作接地電阻通常都被限制在4歐姆極化的數值，相比于人身電流來說就比較低，因此基本可忽略也不計。人體電流如果是按1000Ω 設計，經過人體的最大電流便是220mA。已經得知20～25mA 以上的電流便會對人體造成威脅，因此100mA 明顯會對人體生命安全造成威脅[2]。可見變壓器中性點直接接地系統中，產生人身相對的電擊存在較高危險程度。中性點直接接地的方法并不適合連續供電需求量較高的場所。供配電變壓器直接接地方式如圖2所示。

圖2 供配電變壓器直接接地方式

3.2 非直接接地

中性點電壓非直接接地指的是在供電系統中，中性點不直接接地，或者經消弧線環、電壓互感器、高電流與接地裝置相連接。中性點不直接接地，將會降低人體在受到電擊后流過身體的電流，從而減小了設備外殼對的電流。單相接地故障產生的電流比較小，并且接地時三相線電壓大小不變[3]。故障一般不需要停電處理。出現單相接地故障時，一般會允許在2h 時間范圍內持續發生用電故障時，接地相對的電壓減少，而不是故障另外兩個接地電壓升高，最高能夠達到1.73倍數值。因此要根據電壓線綜合考慮用電設備絕緣能力，提升設備造價。

4 井下電力負荷分類與接地方式

4.1 井下電力負荷

礦井的設備，主要由通風機、向下開采的采區排水裝置，以及升降的立井提升機等設備所組成。一級設備如果在供電過程中突然發生中斷情況，便很可能導致重大人員傷亡或重要設施損壞。造成的事故后果并不能在較短時間范圍內恢復，會為礦井造成比較大的經濟損失。礦井中的二級負荷包含電氣采掘設備、主提升機、井下電機車、破碎裝置和斜井提升設備等。二級負荷供電終端，會為礦井造成比較大的經濟損失，可能導致礦井減產[4]。礦井下環境比較潮濕，巷道狹窄且移動設備數量多。類似電動鏟運機這類移動設備在工作時需要拖拽供電電纜，電氣設備和電纜的絕緣層容易被損毀，導致漏電觸電事故的發生。

4.2 井下供配電變壓器中性點不接地

依據先前提到的變壓器中性點接地類型和接地特點，綜合井下電力負荷狀態。要保證供電系統具備連續性特點。選用中性點接地系統，出現絕緣層損毀導致漏電問題，可能會造成線路短路和開關跳閘情況[5]。若是總開關出現跳閘問題，供電系統可能會停電。礦井下供電系統全部停電后，井下通風、人員以及排風一級負荷便會失去控制，災難造成的嚴重后果無法被準確預測。因此，礦井供電系統要選用中性點不接地系統，確保漏洞不跳閘。中性點不接地能夠減少人身遭受電擊過程中經過人體的電流數量，減少設備外殼對地電壓。

4.3 井下電氣設備必須做好保護接地

變壓器中性點不接地的供電系統中，電網會對地絕緣但漏電設備對地依舊存在比較低的電壓，并且這一電壓屬于長期存在狀態。電網絕緣性能降低后，對地電壓便可能產生威脅，為了有效避免危險的出現，井下供電系統要落實科學的接地方法，全部電氣設備金屬外殼均要做好保護接地，保護接地電阻要控制在2Ω。

5 接地電阻測量安全注意事項

一是在檢測接地電流前，要把配電變壓器的接地裝置接地下線，和電氣設備間的連接電纜全部切斷，以防止接地體帶電電流對檢測結果產生干擾。三相負荷的不均勻程度較高，容易導致接地體帶具備較多電位，進而引起人體觸電和測量儀表損壞問題。

二是在斷開接地或引出下線前，應設置人工輔助接地裝置，在輔助接地裝置與供電變壓器之間串聯。避免斷開被測接地體或引下線，因三相負荷不均勻引起配電變壓器的中心點電位值偏離。

三是土壤電位的檢測針P′應設置在零電位點，而且根據土層中存在的土壤電位衰減特性，在距接地體20m 處的范圍內土壤電位也將衰減值為零。所以，P′的位置以距接地體E′20m 處為宜。但因為將電流檢測針插入地點時需要綜合電阻等因數數據，因此設定數值大概為20m，距離出現變化會對測量結果造成影響。電流檢測針接入地必須保證檢測針與環境接觸達到較好的結果。檢測針接地電流太大，必須對接入地潑水或使用減阻劑減小電流接觸阻力。

四是使用的連接線導線截面面積不可過小，不然會導致接地電阻阻值過大。因此要更換接地電阻，使其表面絕緣連接導線，保證接地電阻不低于儀表配置的導線截面，絕緣性能也要滿足相關標準。此外各個端口鈕接線要保持比較好的接觸效果，避免增加接觸電阻數值。

五是電位探測針P′和磁場檢測針C′，應設置在與道路或者地下金屬管線的垂直方向，降低對被測回路的影響。此外，兩針引線長度都要保證在1m 左右。

六是接地電阻表使用之前要歸零處理，儀表要放置在水平位置，接地電阻表生產轉速一般為120轉/min。

6 結語

選用電阻接地中的電流接地電纜在經濟上能夠節省資金投入，技術上能夠保障安全，同時具備較多的實踐經驗證實電阻接地的科學性。因此這種接地方法值得被推廣，屬于先進技術類型之一。要對國內現存的3～110kV 系統非接地小電流系統進行改革升級，落實鐵礦井下供配電變壓器中性點不接地和保護接地措施，升級系統具備關鍵的現實價值。