煤礦電力系統(tǒng)防雷技術(shù)研究

鄧海利，趙京峰，王曉默（1．南京信息工程大學(xué)，南京　10044；．濟寧市氣象局，山東　濟寧　7000）

煤礦電力系統(tǒng)防雷技術(shù)研究

鄧海利1，2，趙京峰2，王曉默2
（1．南京信息工程大學(xué)，南京210044；2．濟寧市氣象局，山東濟寧272000）

摘要：為尋求煤礦電力系統(tǒng)防雷方法，首先介紹煤礦電力系統(tǒng)的特點及其雷電防護的重要性。根據(jù)35kV進線特點，建議使用保護角法對線路保護，并對布線方式和避雷線的設(shè)置提出建議。通過對雷電流和電力桿塔自身特性的分析、計算提出了相應(yīng)的防護措施。提出煤礦變電所應(yīng)當(dāng)進行防雷類別劃分，并根據(jù)變電所區(qū)域防雷保護對象的特點，計算“滾球法”和“折線法”的保護范圍，經(jīng)過對比，提出不同高度避雷針保護范圍的計算方法。最后對安全距離、SPD設(shè)置等煤礦電力系統(tǒng)防雷的其它問題進行了說明。

關(guān)鍵詞：煤礦；防雷保護；電涌保護器

中圖分類號：P483

文獻標(biāo)識碼：識碼：B

文章編號：號：1005–0582（2015）02–0048–06

收稿日期：2014-08-12

作者簡介：鄧海利（1979—），男，山東金鄉(xiāng)人，學(xué)士，工程師，主要從事雷電防護技術(shù)工作。

引言

《氣象法》實施以來，防雷安全由氣象部門歸口管理，但是電力系統(tǒng)由于其自身的特殊性，高壓電力設(shè)施的防雷安全仍由其自身管理。對于煤礦系統(tǒng)，既有高壓系統(tǒng)也有低壓系統(tǒng)，單純按照電力規(guī)程或者建筑物防雷設(shè)計規(guī)范都不能很好地對煤礦電力系統(tǒng)進行防雷保護。所以，尋求一套安全合理的保護方法對煤礦電力系統(tǒng)進行防雷保護，是很有必要的。

1　煤礦供電系統(tǒng)特點

供電系統(tǒng)對煤礦安全生產(chǎn)尤為重要，其壓風(fēng)機房、礦井提升設(shè)施、井下排水系統(tǒng)、高瓦斯通風(fēng)設(shè)施等關(guān)系到人員生命安全的設(shè)施，都依賴于穩(wěn)定的電力供應(yīng)系統(tǒng)[1-3]。目前，煤礦采用雙回交流電源供電，即從地方區(qū)域變電所架設(shè)兩路35kV線路進入煤礦變電所，煤礦變電所降壓為10kV后雙回路電源供給礦區(qū)各地面配電室和井下變電所。根據(jù)近幾年來國內(nèi)各網(wǎng)省公司輸電線路運行狀況的有關(guān)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電力系統(tǒng)中輸電線路故障的起因有50%～60%是由于雷擊造成的，即雷害是引起線路故障的主要原因[4]。而煤礦一般地處郊區(qū)空曠地帶，同時其井架、高桿燈、輸電桿塔均為高大建（構(gòu)）筑物，雷擊概率較大。對于煤礦電力系統(tǒng)防雷保護既涉及到35kV高壓架空進線，又涉及到其礦區(qū)變電所內(nèi)的變配電設(shè)施和礦區(qū)各個配電室。煤礦電力系統(tǒng)雷電防護工作涉及面廣而意義重大。

2　35kV進線防雷保護問題

2.1架空進線防護

電源在進入煤礦變電所之前，有一段35kV架空線路，該線路應(yīng)該使用架空避雷線進行直

擊雷防護。對于架空避雷線的保護范圍，國標(biāo)GB50057-2010提供的是“滾球法”[5]，而電力規(guī)程則提供了保護角法[6]。對于“滾球法”而言，在避雷線低于滾球半徑的情況下，架設(shè)高度越高保護范圍越大，雷擊概率越小，這與后文提到的繞擊率恰恰相反，同時鑒于架空線路的避雷線保護目標(biāo)單一，僅僅針對架空線路進行保護，這里選用電力規(guī)程提供的保護角法。架空避雷線的目的首先是防止閃電直接擊中電力導(dǎo)線；同時在閃電擊中電力桿塔時可分流雷電流，減小經(jīng)過被擊中桿塔泄入大地的雷電流，從而降低塔頂對地電壓，并對導(dǎo)線有耦合作用，降低作用在被擊中桿塔絕緣子串和空氣間隙上的電壓；另外，雙根架空避雷線對導(dǎo)線有屏蔽作用，可以降低導(dǎo)線上的雷電感應(yīng)過電壓。對于煤礦35kV進線可考慮進線段設(shè)三根避雷線[7]，從而使雷擊點盡量遠離桿塔電涌保護器，通過一段時間，線路上的沖擊電暈使雷電流波形發(fā)生衰減和變形，最終降低波前陡度和幅值。

據(jù)國外資料統(tǒng)計，線路雷擊事故主要是由繞擊引起的[8]，所以降低繞擊率十分重要。根據(jù)線路運行經(jīng)驗、現(xiàn)場實測和模擬試驗，繞擊率可按下式計算[6]：

對平原線路：

對山區(qū)線路：

式中α為避雷線對邊導(dǎo)線的保護角（°）；ht為桿塔高度（m）；Pα為線路繞擊率。由繞擊率公式可知α與Pα成正比，所以要減小保護角α來降低繞擊率。對于山區(qū)線路，繞擊率約為平原線路的3倍，或相當(dāng)于保護角增大8°，所以山區(qū)線路應(yīng)設(shè)置更小的保護角。但并不能一味降低保護角而忽略了避雷線與導(dǎo)線的安全距離。為防止避雷線對導(dǎo)線的反擊，避雷線距導(dǎo)線應(yīng)大于3m。

除設(shè)置架空避雷線外，合理排列導(dǎo)線架設(shè)方式也可以降低線路雷擊故障率。煤礦采用雙回交流輸電線路，對于這種線路導(dǎo)線一般有三種排列方式：正序排列（圖1a）、逆序排列（圖1b）和上下三角形排列（圖1c）。

圖1　雙回交流輸電線路導(dǎo)線排序方式

分別計算三種方式下的反擊跳閘率，如表1[7]：

表1　不同導(dǎo)線排列方式下的反擊跳閘率　次·（100km·a）-1

對于不允許雙路同時跳閘的煤礦來說，35kV進線導(dǎo)線應(yīng)按上下三角方式排序。

2.2桿塔防護

2.2.1電涌保護器的安裝

35kV電力導(dǎo)線通過絕緣子固定在桿塔上，而雷擊斷線事故多發(fā)生在導(dǎo)線與絕緣子串聯(lián)的線夾附近。這是因為桿塔接閃后，在塔頂具有較高的電位，首先在與線路絕緣水平最低的地方（絕緣子串）對線路反擊。在雷擊桿塔頂部時，直擊雷過電壓可按下列公式計算：

（3）式中，Utop為桿塔頂部直擊雷過電壓（kV）；I為雷電流強度（kA）；Ri為桿塔沖擊接地電阻（?）；L為桿塔電感（μH）。假設(shè)，雷電流為150kA（按第二類防雷規(guī)定的雷電流）；雷

電流波形采用10/350μs；桿塔沖擊接地電阻為4?；桿塔電感為10μH（20m高鐵塔）；50%的雷電流經(jīng)該桿塔泄流。那么桿塔頂部的雷擊過電壓為：375kV。

35kV桿塔絕緣子耐壓公式可按下式確定[9]：

其中n為35kV桿塔架設(shè)線路數(shù)量。

根據(jù)公式（4）可以計算桿塔35kV線路采用（3×X-4.5）型號絕緣子的線桿U50%約為350kV。也就是說在不考慮感應(yīng)過電壓的情況下，該桿塔絕緣水平并不能耐受150kA的雷電流。當(dāng)塔頂電位高于350kV時，塔頂就有可能對導(dǎo)線產(chǎn)生閃絡(luò)反擊。若僅對一相導(dǎo)線產(chǎn)生反擊，將引起單項工頻短路。由于35kV系統(tǒng)為小接地短路電流系統(tǒng)，其短路電流為電容電流，數(shù)值很小，不足以引起跳閘，但這時若再引起第二相導(dǎo)線反擊，形成相間短路，則引起跳閘。

為解決反擊問題，在桿塔進線處應(yīng)安裝電涌保護器。電涌保護器與絕緣子串并聯(lián)安裝，正常情況下電涌保護器為高阻抗?fàn)顟B(tài)，當(dāng)有雷電擊中桿塔時，電涌保護器對地導(dǎo)通，分流了雷電流保證了絕緣子串不被擊穿。其原理圖如圖2：

圖2　電涌保護器安裝原理圖

圖中，R1為絕緣子串電阻；R2為桿塔接地電阻；SPD為電涌保護器。

在雷電流作用下，電涌保護器的50%沖擊放電電壓（Ub50%）應(yīng)小于被保護的絕緣子串的50%沖擊放電電壓（Uj50%）。若雷電沖擊放電電壓偏差為δ，為確保電涌保護器能先行放電，Ub50%和Uj50%應(yīng)至少滿足下列關(guān)系：

一般情況下δ=0.03，所以（Uj50%－Ub50%）/ Uj50%=16.5%。所以電涌保護器的放電電壓應(yīng)至少比絕緣子的放電電壓低16.5%[10]。另外，根據(jù)規(guī)程[6]，35kV系統(tǒng)雷電沖擊耐受電壓相對地及相間均為185kV，則35kV桿塔電涌保護器的沖擊放電電壓應(yīng)小于154.5kV。

另外電涌保護器應(yīng)能保證線路運行電壓、工頻過電壓、操作過電壓等情況下不動作。所以規(guī)程[6]規(guī)定了35kV系統(tǒng)工頻過電壓對于不接地系統(tǒng)、消弧線圈接地系統(tǒng)和電阻接地系統(tǒng)應(yīng)分別限制在3.5倍、3.2倍、2.5倍及以下，并考慮到大風(fēng)、大雨等氣象條件，35kV電涌保護器的最低工頻耐受電壓不應(yīng)低于：

若固定波頭長度τt=2.6 μs，則針對不同的雷電流桿塔的耐雷水平為[6]：

2.2.2桿塔接地電阻的降低

（7）式中，I1為雷擊桿塔頂部時的耐雷水平（kA）；β為桿塔分流系數(shù)；k為導(dǎo)線和避雷線間的耦合系數(shù)；R1為桿塔沖擊接地電阻（?）；u為雷擊過電壓（kV）；ha為橫擔(dān)對地高度（m）；ht為桿塔高度（m）；Lt為桿塔電感（μH）；hg為避雷線對地平均高度（m）；hc為導(dǎo)線平均高度（m）；k0為導(dǎo)線和避雷線間的幾何耦合系數(shù)；

從公式（7）可以看出沖擊接地電阻Ri與桿塔耐雷水平I1相關(guān)，接地電阻越小桿塔耐雷水平越高，所以降低桿塔的接地電阻可以提高桿塔耐雷水平。

單根垂直接地體電阻計算公式為[11]：

多根垂直接地體的接地電阻計算公式為[11]：

水平接地體的接地電阻計算公式為[11]：等效環(huán)形接地體的接地電阻計算公式為[5]：

式中：ρ為土壤電阻率（?·m）；l1為垂直接地極長度（m）；d為接地極等效直徑（m）；η為接地體的利用系數(shù)；n為垂直接地極數(shù)量（根）；L為水平接地極總長度（m）；h為水平接地極埋設(shè)深度（m）；A為水平接地體的形狀系數(shù)；S為環(huán)形接地體所圍面積（m2）。

從公式（8）（9）（10）（11）可以看出土壤電阻率和接地電阻成正比，所以煤礦供電桿接地極應(yīng)盡量敷設(shè)在低土壤電阻率土壤中；除土壤電阻率外，接地電阻同接地極的數(shù)量、長度、埋設(shè)深度、包圍面積、敷設(shè)方式等相關(guān)。

對于高土壤電阻率地區(qū)，應(yīng)當(dāng)采取如下方式降低接地電阻：①采用多支線外引接地裝置，外引長度不應(yīng)大于有效長度。②接地體埋于較深的低電阻率土壤中。③采用降阻劑。④換土。

3　變電所區(qū)域防雷問題

3.1防雷類別

在電力規(guī)程中并沒有對變電所區(qū)域進行防雷類別劃分，但是為了因地制宜地采取防雷措施，并為防雷措施提供依據(jù)，應(yīng)當(dāng)首先判斷煤礦變電所的防雷類別。防雷類別的判斷方法可根據(jù)變電所區(qū)域所處地理位置的雷電活動規(guī)律、區(qū)域內(nèi)建（構(gòu)）筑物的形狀尺寸來計算年預(yù)計雷擊次數(shù)，并由該數(shù)據(jù)來判定。具體方法《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[5]有詳細(xì)介紹，這里不再贅述。

3.2滾球法和折線法的選擇

對于避雷針保護范圍的計算，電力規(guī)程使用折線法，而國標(biāo)則提供了“滾球法”。折線法的保護范圍，是假設(shè)雷電定位高度 H 為基準(zhǔn)進行雷擊模擬實驗的結(jié)果制定的；“滾球法”是假設(shè)球半徑為 hr，沿避雷針和地面滾動，不被球面接觸的部分則認(rèn)為是保護范圍。單支避雷針的保護范圍如圖3a、圖3b所示：

圖3　單針折線法（a）和“滾球法”（b）保護范圍

折線法中，避雷針高度越高保護范圍越大；而“滾球法”中超出滾球半徑高度部分不被保護，其滾球半徑對保護范圍影響較大。國標(biāo)中把第一、二、三類防雷建（構(gòu)）筑物針對的滾球半徑

分別設(shè)置為30m，45m和60m。

在煤礦變電所區(qū)域中，一般高壓線路及設(shè)施的高度不超過10m，室外變壓器及其附屬的高低壓設(shè)備高度一般不超過4m。那么，應(yīng)該在這兩個高度平面上對比折線法和“滾球法”的保護范圍。

如果按照國標(biāo)劃分防雷類別的話，煤礦變電所一般劃分為二類或者三類。從表2和表3可以看出在避雷針高度為15m時，折線法計算的保護范圍略小于“滾球法”計算出的保護范圍；避雷針高度增加折線法計算出的范圍比“滾球法”計算出的范圍變大。也就是說避雷針高度在15m之下時使用折線法來計算避雷針的保護范圍，防雷安全度要高；在15m之上時使用“滾球法”計算避雷針的保護范圍，防雷安全度要高。若按照兩種方法的理論計算會有以下結(jié)論：當(dāng)避雷針高度h≤0.293hr時折線法確定的保護范圍小于滾球法確定的保護范圍；當(dāng)h =（0.293～0.4）hr時，兩種方法確定的保護范圍基本相當(dāng)；當(dāng)h=（0.4～0.5）hr時，折線法確定的保護范圍略大于滾球法確定的保護范圍；當(dāng)h>0.5hr時，折線法確定的保護范圍遠遠大于“滾球法”確定的保護范圍[12]。按照第二類或者第三類防雷建筑物計算的話和上述的定量計算，基本一致。

表2　10m高度平面上不同高度避雷針的保護范圍　　　m

表3　4m高度平面上不同高度避雷針的保護范圍　　　m

考慮到煤礦變電所的實際情況以及方便具體工程應(yīng)用，在煤礦變電所中，安裝高度超過15m的避雷針時，其保護范圍應(yīng)按“滾球法”計算；而安裝高度低于15m的避雷針時，其保護范圍應(yīng)按折線法計算。

3.3避雷針和變電所地網(wǎng)安全距離問題

在條件允許的情況下，煤礦變電所優(yōu)先選用獨立避雷針。為防止雷電反擊，避雷針與被保護的電氣設(shè)備或線路應(yīng)保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x，同時獨立避雷針的接地裝置和變電所共用接地系統(tǒng)之間也應(yīng)保持安全距離。避雷針與設(shè)備之間的空中距離按公式（12）確定。

（12）（13）式中Sa為空中距離（m）；Se為地中距離（m）；Ri為避雷針沖擊接地電阻（?）；h為避雷針校驗點的高度（m）。獨立避雷針和設(shè)備之間的安全距離除滿足上述公式外，Sa不宜小于5m，Se不宜小于3m。除保持上述安全距離外，獨立避雷針不應(yīng)設(shè)在人經(jīng)常通行的地方，避雷針及其接地裝置與道路或出入口等的距離不宜小于3m，否則應(yīng)采取均壓措施，或鋪設(shè)礫石或瀝青地面，也可鋪設(shè)混凝土地面。

一般情況，獨立避雷針接地電阻不應(yīng)大于10?，在高土壤電阻率地區(qū)，可以通過文中2.2.2提到的方法降低接地電阻。當(dāng)條件限制無法達到接地阻值要求時，可以將避雷針接地系統(tǒng)鏈接到變電所主地網(wǎng)上，但其與主接地網(wǎng)的地下連接點至設(shè)備與主接地網(wǎng)的地下連接點之間，沿接地體的長度不得小于15m[6]。

獨立避雷針的接地裝置與變電所共用接地系統(tǒng)之間距離按公式（13）確定。

4　礦區(qū)其它配電室防雷問題

對于礦區(qū)配電室，首先要進行直擊雷防護，在直擊雷防護完善的前提下設(shè)置電涌保護器

（SPD）。SPD的設(shè)置首先應(yīng)考慮線路電壓水平和導(dǎo)線上預(yù)計雷電流的大小，據(jù)此選用適當(dāng)參數(shù)的SPD。需要說明的是SPD需要多級設(shè)置，具體設(shè)置級數(shù)應(yīng)考慮SPD的有效保護距離。負(fù)載為電阻時，當(dāng)電阻大于電纜波阻抗時電阻越大負(fù)載上電壓振蕩越劇烈，SPD的保護距離越短；負(fù)載為電容時，電容越大，SPD的有效保護距離越長；負(fù)載為電感時，電感越大，SPD的有效保護距離越短。具體可以參考表4[13]：

表4　不同負(fù)載的SPD有效保護距離（針對I類耐沖擊電壓設(shè)備）

5　結(jié)語

煤礦電力系統(tǒng)不同于其它民用電力系統(tǒng)，其電壓等級較多，布線較為復(fù)雜，用電對象對電力穩(wěn)定性要求較高。對于SPD的安裝，除文中提出的方法外，其安裝選型和安裝方式還需要進一步研究。煤礦不同的部位防護重點不同，35kV進線及變電所部分的重點是直擊雷和閃電感應(yīng)過電壓的防護，而其它部分的重點是閃電電磁脈沖及雷電波侵入的防護。鑒于煤礦電力系統(tǒng)的特殊性，需要參照電力規(guī)程、國家標(biāo)準(zhǔn)和其它資料，根據(jù)其雷電活動規(guī)律，因地制宜的采取防護措施。

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