浅析铁矿井下供配电变压器中性点不接地与保护接地

莱芜钢铁集团莱芜矿业有限公司 郭双全

1 引言

近些年，铁矿资源开采中的地表开采数量逐渐减少，部分铁矿资源开采单位逐渐到地下环境中开采铁矿，全新建成的井下矿产开采部门越来越多。井下供配电变压器是井下采矿的必要前提，井下电气设备要避免接零问题的出现。井下开采要使用矿用变压器，保证中性点不接地。变压器的中性点要避免引出载流中性线，根据变压器中性点运行方式，将电气设备外壳和金属底座根据相关电气规定标准选择合适的接地保护方法。一般而言，即便出现设备相线碰壳漏电的情况，设备外壳带电也仅会在瞬间出现，带电电压不会超出安全电压范围。

2 电阻接地方式的优越性

高压配电系统选择适合的中性接电方法，主要从六个角度对其进行综合分析论证，最终选取最优的接地办法。

一是电力变压器的绝缘等级必须和在中性点上直接接地的设备制造要求一致。二是最有效地控制因单相接地故障时所产生的异常电流变化。三是一种最简单的安全单相接地继电保护技术。四是单相接地电压会对设备产生危害。五是与电缆导线的绝缘等级比较适配。六是单相接地电压对通信线路也会产生影响。

国内工业企业和民用高压配电系统在长期使用过程中，中性点非接地或是经消弧线圈接地在长期使用过程中，中性点和非接地小电流接电系统中有待提升的部分包括以下几方面。

一是变压器需要完全处于绝缘状态，并且绝缘等级同绝缘体造价呈现出正比关系。配电电缆绝缘性能相对较高。

二是产生单相接电问题时，异常的过电电压倍数相对较高，也就是间歇性电弧接地过电压不超过3倍数值，个别电压为3.5倍数值关系。若是出现单相接地电压谐振过电压，电压数值可能会达到6～7倍数值。

三是继电保护的方法受到单相接地影响，接地电流比较小或是简写接地故障导致接地电流不稳定，并且检测情况不灵敏，便无法及时发现故障信号或是跳开故障线路。容易造成多相短路问题的出现，电缆也可能起火。依据以往经验能够得出接地电流大于0.8A，便存在电缆火灾危险的可能性。因此设备电缆造价要相应提升，电缆可靠性和故障排除效率无法得到提高，电气设备存在被损坏的可能。尤其是选用电缆线路为主要线路的工业单位，无法有效避免电缆火灾事故的发生。

传统高压配电系统中的中性点不接地小电流接地系统需要被更新，选用经电阻接地的“中电流接地系统”中电流和电阻接地方法。

单相接地异常过电会得到有效控制，采用电阻接地系统的等值电路如图1所示。

图1 采用电阻接地系统的等值电路

其中，Z0=-，同接地电阻Re属于并联关系。当Z0+Z1+Z2=0时，接地电阻Re具备一定阻值，异常过电电压可以得到有效控制。当Re=Xe时，健全项的V0和Vc电压便是Vb和Vc。减少R 的数值，流过电阻的电流便会从20～30A 提升到100A 左右。选择合适的R 能够保证经过R 的电流保持在100A左右，大概是一般系统电容电流的3倍数值。

提升继电保护装置的检测灵敏程度，提升保护可靠程度。根据以往的运行经验，在3～10kV 电压电网中，出现单相接地故障的频率在有效接地电流中占据20%～30%占比。20A 接地电流在实际中仅有4～6A 电流量，5A 接地电流实际上仅存在1.5A电流。通过电流交互传感器后的试验检测，能够得出二次电流会再次减少，因此选用CT 并不能将其检测出来。选用100A 的电阻接地系统，单次能够检测到的故障电流大概为20～30A 数值，检测灵敏程度也会得到大幅度提升，属于保护可靠动作的必要前提，在继电保护装置上选用合适措施，能够提升继电保护可靠性。

3 供配电变压器工作接地的分类与特点

配电变压器或者低压发电机上的中性点，会通过接地装置与地面建立联系，这称为工作接地。而工作接地又可以被区分为直接接地和非直接接地2种类型。其中，非直接接地也可能被区分为不接地或者是消弧线圈接地。在工作接地条件的情况下的直接接地电流，通常也可以被限制在4Ω 范围内。

3.1 直接接地

中性点电流直接接地，是指的是在动力系统中具有的一条中性点电流直接接地，也可以直接或间接地利用较小电流与接地装置相连。这种状态下，中性点直接接地始终保持在零供电状态。系统发生相接的事故后，可以影响无事故相对地电流的增加，保障单项用电设备安全程度。中性点直接接地后，相接地故障出现的电流比较大，一般能够为剩余电流提供保护，抑或是出现电流保护的动作，切断电源会造成停电问题的出现[1]。人身相对的电击时，危险事故出现的概率会提升。人员触电问题发生时，事故电流会通过人体和变压器形成接地回路。如此一来，工作接地电阻通常都被限制在4欧姆极化的数值，相比于人身电流来说就比较低，因此基本可忽略也不计。人体电流如果是按1000Ω 设计，经过人体的最大电流便是220mA。已经得知20～25mA 以上的电流便会对人体造成威胁，因此100mA 明显会对人体生命安全造成威胁[2]。可见变压器中性点直接接地系统中，产生人身相对的电击存在较高危险程度。中性点直接接地的方法并不适合连续供电需求量较高的场所。供配电变压器直接接地方式如图2所示。

图2 供配电变压器直接接地方式

3.2 非直接接地

中性点电压非直接接地指的是在供电系统中，中性点不直接接地，或者经消弧线环、电压互感器、高电流与接地装置相连接。中性点不直接接地，将会降低人体在受到电击后流过身体的电流，从而减小了设备外壳对的电流。单相接地故障产生的电流比较小，并且接地时三相线电压大小不变[3]。故障一般不需要停电处理。出现单相接地故障时，一般会允许在2h 时间范围内持续发生用电故障时，接地相对的电压减少，而不是故障另外两个接地电压升高，最高能够达到1.73倍数值。因此要根据电压线综合考虑用电设备绝缘能力，提升设备造价。

4 井下电力负荷分类与接地方式

4.1 井下电力负荷

矿井的设备，主要由通风机、向下开采的采区排水装置，以及升降的立井提升机等设备所组成。一级设备如果在供电过程中突然发生中断情况，便很可能导致重大人员伤亡或重要设施损坏。造成的事故后果并不能在较短时间范围内恢复，会为矿井造成比较大的经济损失。矿井中的二级负荷包含电气采掘设备、主提升机、井下电机车、破碎装置和斜井提升设备等。二级负荷供电终端，会为矿井造成比较大的经济损失，可能导致矿井减产[4]。矿井下环境比较潮湿，巷道狭窄且移动设备数量多。类似电动铲运机这类移动设备在工作时需要拖拽供电电缆，电气设备和电缆的绝缘层容易被损毁，导致漏电触电事故的发生。

4.2 井下供配电变压器中性点不接地

依据先前提到的变压器中性点接地类型和接地特点，综合井下电力负荷状态。要保证供电系统具备连续性特点。选用中性点接地系统，出现绝缘层损毁导致漏电问题，可能会造成线路短路和开关跳闸情况[5]。若是总开关出现跳闸问题，供电系统可能会停电。矿井下供电系统全部停电后，井下通风、人员以及排风一级负荷便会失去控制，灾难造成的严重后果无法被准确预测。因此，矿井供电系统要选用中性点不接地系统，确保漏洞不跳闸。中性点不接地能够减少人身遭受电击过程中经过人体的电流数量，减少设备外壳对地电压。

4.3 井下电气设备必须做好保护接地

变压器中性点不接地的供电系统中，电网会对地绝缘但漏电设备对地依旧存在比较低的电压，并且这一电压属于长期存在状态。电网绝缘性能降低后，对地电压便可能产生威胁，为了有效避免危险的出现，井下供电系统要落实科学的接地方法，全部电气设备金属外壳均要做好保护接地，保护接地电阻要控制在2Ω。

5 接地电阻测量安全注意事项

一是在检测接地电流前，要把配电变压器的接地装置接地下线，和电气设备间的连接电缆全部切断，以防止接地体带电电流对检测结果产生干扰。三相负荷的不均匀程度较高，容易导致接地体带具备较多电位，进而引起人体触电和测量仪表损坏问题。

二是在断开接地或引出下线前，应设置人工辅助接地装置，在辅助接地装置与供电变压器之间串联。避免断开被测接地体或引下线，因三相负荷不均匀引起配电变压器的中心点电位值偏离。

三是土壤电位的检测针P′应设置在零电位点，而且根据土层中存在的土壤电位衰减特性，在距接地体20m 处的范围内土壤电位也将衰减值为零。所以，P′的位置以距接地体E′20m 处为宜。但因为将电流检测针插入地点时需要综合电阻等因数数据，因此设定数值大概为20m，距离出现变化会对测量结果造成影响。电流检测针接入地必须保证检测针与环境接触达到较好的结果。检测针接地电流太大，必须对接入地泼水或使用减阻剂减小电流接触阻力。

四是使用的连接线导线截面面积不可过小，不然会导致接地电阻阻值过大。因此要更换接地电阻，使其表面绝缘连接导线，保证接地电阻不低于仪表配置的导线截面，绝缘性能也要满足相关标准。此外各个端口钮接线要保持比较好的接触效果，避免增加接触电阻数值。

五是电位探测针P′和磁场检测针C′，应设置在与道路或者地下金属管线的垂直方向，降低对被测回路的影响。此外，两针引线长度都要保证在1m 左右。

六是接地电阻表使用之前要归零处理，仪表要放置在水平位置，接地电阻表生产转速一般为120转/min。

6 结语

选用电阻接地中的电流接地电缆在经济上能够节省资金投入，技术上能够保障安全，同时具备较多的实践经验证实电阻接地的科学性。因此这种接地方法值得被推广，属于先进技术类型之一。要对国内现存的3～110kV 系统非接地小电流系统进行改革升级，落实铁矿井下供配电变压器中性点不接地和保护接地措施，升级系统具备关键的现实价值。