煤礦變電所和地面電氣設(shè)備防雷擊探析

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摘要：雷電易對煤礦電力系統(tǒng)造成侵害，在變電所和地面電氣設(shè)備上布置和安裝防雷設(shè)施具有重要意義。按照被保護(hù)范圍不同，分別對變電所場地、線路、變壓器、主控微機(jī)和監(jiān)控設(shè)備的防雷措施進(jìn)行了探討和研究；并結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對所有防雷設(shè)施的防雷原理、配置必要性、設(shè)計要點等內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，對煤礦企業(yè)的電力系統(tǒng)可靠性改造工程具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：煤礦變電所；防雷措施；電氣設(shè)備

0引言

在雷雨天氣，運行電力系統(tǒng)極易遭受雷電侵害，雷電侵入電力系統(tǒng)后，輕則觸發(fā)電力系統(tǒng)的過電壓保護(hù)動作，造成短時跳閘停電，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電力設(shè)備和用電設(shè)備被擊穿燒毀，甚至引發(fā)火災(zāi)。特別是在煤礦變電所，雷擊輕則影響正常生產(chǎn)，重則威脅到井下作業(yè)人員的人身安全。煤礦電力系統(tǒng)和變電所等設(shè)施均有避雷針和避雷器等防雷設(shè)施，但是在實際工作中存在避雷器覆蓋范圍不完全、變壓器低壓側(cè)無防雷措施、保護(hù)間隙設(shè)置不當(dāng)、主控微機(jī)的避雷措施不完善等現(xiàn)象。對煤礦變電所及地面電氣設(shè)備所有一、二次避雷設(shè)施進(jìn)行設(shè)計校驗、改造，對提高煤礦供電系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義。

1場地防雷措施

變電所場地的防雷措施包括避雷針和避雷線，采用將雷電攔截或引導(dǎo)至接地網(wǎng)的方式進(jìn)行避雷。避雷針的設(shè)計包括引雷覆蓋范圍、空氣距離Sa、地下距離Se。煤礦35kV及以下變電所的面積不大，單只獨立氧化鋅避雷針即可將變電所內(nèi)建筑、架構(gòu)、設(shè)備等全部覆蓋。如圖1所示，空氣距離Sa指的是獨立避雷針與最近保護(hù)物的空氣距離，地下距離Se指的是獨立避雷針底線接地體與最近保護(hù)物接地體的地下距離。避雷針和被保護(hù)物的絕緣距離過小時，避雷針上引導(dǎo)的電流將向被保護(hù)物放電，產(chǎn)生“反擊”現(xiàn)象。為了避免“反擊”現(xiàn)象發(fā)生，空氣距離Sa、地下距離Se需滿足式（1）：Sa＞0．3Rsh＋0．1hSe＞0．3R｛sh．（1）其中：Rsh為避雷針的沖擊接地電阻；h為獨立避雷針與被保護(hù)物最近位置的高度?？諝饩嚯x和地下距離的下限分別為5m和3m。在裝設(shè)時，應(yīng)使用避雷針專用接地裝置和老馬支座，安裝完成后應(yīng)對接地電阻進(jìn)行測量，接地電阻最大值不應(yīng)超過10Ω。對于面積較大的變電所，如果單只避雷針無法完全覆蓋所有范圍，需要設(shè)置多只避雷針或配合避雷線。

2線路防雷措施

線路防雷措施主要包括設(shè)置進(jìn)線避雷線、斷路器兩側(cè)安裝避雷器、橫擔(dān)與導(dǎo)線選型、校驗保護(hù)間隙。

2．1設(shè)置進(jìn)線避雷線

變電所的進(jìn)線是防雷的重點設(shè)備，根據(jù)出線的電壓等級、變電所容量、當(dāng)?shù)乩缀Πl(fā)生特點設(shè)置合理的避雷線。對于35kV～110kV電壓等級的進(jìn)線，應(yīng)設(shè)置1km～2km的避雷線。避雷器和主變的距離應(yīng)保證在9m之內(nèi)，對于不合格的避雷線設(shè)置，應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化整改。

2．2斷路器兩側(cè)安裝避雷器

安裝在桿上的油開關(guān)和隔離開關(guān)的絕緣強(qiáng)度低、安裝間距有限，在受到雷擊后容易發(fā)生相間短路，在斷路器兩側(cè)裝設(shè)避雷器可顯著降低雷擊停電現(xiàn)象。注意桿上避雷器的接地線應(yīng)與油開關(guān)的金屬外殼連接良好。

2．3合理選擇橫擔(dān)與導(dǎo)線

由于普通的鐵橫擔(dān)和絕緣子只能承受額定電壓，當(dāng)雷擊過電壓后極易發(fā)生爬電擊穿現(xiàn)象，因此在雷害頻發(fā)的地區(qū)，應(yīng)盡量使用瓷質(zhì)橫擔(dān)和強(qiáng)度較高的絕緣子。由于雷擊電流瞬間很大，經(jīng)導(dǎo)線流入避雷器時會產(chǎn)生瞬間熱量，導(dǎo)線在電磁變化劇烈的瞬間會承受電動力，老化或機(jī)械強(qiáng)度不夠的導(dǎo)線容易發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致對地短路。因此盡量選擇強(qiáng)度較大的導(dǎo)線。

2．4校驗保護(hù)間隙

保護(hù)間隙是一種常見的線路防雷措施，由兩個金屬電極構(gòu)成。如圖2所示，一個金屬電極固定在導(dǎo)體，另一個金屬電極固定在接地裝置上，兩個金屬電極之間存在一個固定的間隙距離。正常情況下，導(dǎo)體受到雷擊流過的雷電電流會擊穿此空氣間隙，通過接地體放電，保護(hù)線路對側(cè)用電設(shè)備或變壓器不受到雷擊危害。在實際工作中，為了提高線路的絕緣性，線路上的支撐絕緣子片數(shù)往往超過所需，導(dǎo)致導(dǎo)線上安裝的保護(hù)間隙距離過大，雷電電流無法擊穿，導(dǎo)致保護(hù)間隙失效。為了提高保護(hù)間隙的利用率，需要對保護(hù)間隙的距離、絕緣子數(shù)量進(jìn)行嚴(yán)格校驗，減少不必要的絕緣子。也可采用如圖2所示間隙距離可調(diào)的保護(hù)間隙裝置，在安裝前需要進(jìn)行必要的高壓沖擊試驗，在模擬雷擊的高電壓沖擊下，根據(jù)不同間隙距離的絕緣擊穿率，得出合適的間隙距離。

3變壓器防雷措施

為了降低供電系統(tǒng)的建設(shè)成本，許多煤礦變電所的變壓器只在高壓側(cè)安裝避雷器，防止輸電線路側(cè)的雷電侵入變壓器，在高壓側(cè)避雷器和高壓線路保護(hù)的作用下，大部分的雷擊電流和過電壓被有效釋放，不會由變壓器傳入低壓側(cè)。但是也有研究及事故表明，一旦高壓側(cè)的防雷措施失效，將導(dǎo)致輸電線路的雷擊電流通過變壓器的電磁感應(yīng)傳播到變壓器低壓側(cè)，由于變壓器低壓側(cè)的用電設(shè)備多是對耐壓值要求不高的測量儀器或控制儀器，因此一旦發(fā)生低壓側(cè)雷擊，將極易導(dǎo)致設(shè)備損壞。根據(jù)防雷擊電氣參數(shù)計算，在雷擊電流很小的情況下，低壓線圈和高壓側(cè)中性點的電壓也很高。根據(jù)《過電壓保護(hù)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》，變壓器高低壓側(cè)均應(yīng)裝設(shè)避雷器。在配電變壓器兩側(cè)，高壓避雷器裝設(shè)在熔斷器保護(hù)范圍內(nèi)，低壓避雷器裝設(shè)在低壓桿頭附近。也有在配電變壓器高壓側(cè)中性點接避雷器的做法，這種方案成本低、接線簡單。對于煤礦變電所的主變，除了高低壓側(cè)配置避雷器，還可以在變壓器接地基礎(chǔ)上增加兩圈均壓接地網(wǎng)，對局部沖擊進(jìn)行優(yōu)化。如圖3所示，變壓器均壓接地網(wǎng)包括水平接地體和垂直接地體，形成的優(yōu)化面積還要與主接地網(wǎng)進(jìn)行連接，無論主變雷擊發(fā)生在高壓側(cè)還是低壓側(cè)，均會通過接地體流入均壓環(huán)，幫助雷擊能量迅速釋放，保護(hù)變壓器和供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4主控室防雷措施

除一次設(shè)備以外，煤礦變電所的二次設(shè)備例如微機(jī)電源、監(jiān)控設(shè)備的信號輸入輸出線纜也需要進(jìn)行防雷設(shè)計。主控室的計算機(jī)、電力電子裝置的供電電源進(jìn)行防雷設(shè)計，采用UPS不間斷電源進(jìn)行供電，這種電源采用數(shù)字化控制，主電路結(jié)構(gòu)為IGBT組成的高頻開關(guān)模塊，輸出的是恒壓恒頻的工頻正弦信號，變換器對外界電源的電能質(zhì)量要求不高，具備較好的防雷功能。在雷雨天氣，控制電纜和信號電纜周圍的電磁場會發(fā)生明顯的變化，產(chǎn)生串模干擾和共模干擾，嚴(yán)重時會導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動作。因此對監(jiān)控設(shè)備的信號線纜應(yīng)采取屏蔽線，接地方式為用截面積大于25mm2的軟質(zhì)銅線分散接地，與接地母排連接良好且與保護(hù)屏柜保持絕緣。

5結(jié)束語

本文對煤礦變電所和地面電氣設(shè)備的防雷措施進(jìn)行了總結(jié)，對變電所場地防雷采取避雷針或避雷線的方式，并設(shè)計合適的空氣距離Sa和地下距離Se，防止“反擊”。對于變電所內(nèi)線路，采取可調(diào)式保護(hù)間隙方式防雷，通過試驗不同間隙下的間隙擊穿概率，得出提高保護(hù)間隙利用率的措施，調(diào)整絕緣子片數(shù)。對于變電所主變和配電變壓器，在高壓側(cè)和低壓側(cè)均裝設(shè)避雷器。對于主控室內(nèi)微機(jī)和監(jiān)控設(shè)備，采用不間斷電源和防雷屏蔽線進(jìn)行防雷。

作者:劉志杰 單位:陽煤二礦選煤廠機(jī)電隊