煤礦供電系統防雷技術改造研究

杜鵬程

（西山煤電集團東曲礦，山西 太原 030200）

1 煤礦供電系統簡介

西山煤電東曲礦供電系統是由35kV變電所引出的10kV供電出現，負責向各個部門提供電能。35kV變電站需要自臨近的兩座35kV變電站引入，并同時向兩回35kV供電線路供電。該變電站內的兩臺主變變壓器在出線過程中實施兩回同時供電形式，利用母聯開關完成連接，通過這種方式，即便35kV主變變壓器在進線或出線的任何回路停電，另一回路仍可繼續完成供電任務，這也形成了煤礦供電系統運行持續性的保障。煤礦供電系統接線圖見圖1。

圖1 煤礦供電系統接線圖

2 煤礦供電系統存在的主要問題

2.1 輸電線路絕緣設計的不足

山西省大部分煤礦在設計輸電線路防雷保護的過程中，為了防止因雷擊導致的跳閘事故，加之缺乏精確的計算，通常將輸電線路的絕緣強度設定在絕緣子之下。本研究所調研的東曲礦在對35kV線路進行設計的過程中，選用了型號為XWP-70的懸掛絕緣子4片。

通過對以上絕緣子進行了U50%沖擊擊穿實驗，將每片絕緣子的擊穿電壓設定為100kV，將4片絕緣子串聯的擊穿電壓設定為420kV。根據電力規程可知，主變變壓器的耐壓水平約為200kV，雷電流的電壓幅值介于200kV～420kV之間，若雷擊事故發生，雷電的電壓值低于絕緣子的閃絡臨界值，絕緣子不動作，雷電流會沿著輸電線路傳送至主變變壓器，這也容易導致主變變壓器因瞬時電壓過大而燒壞。嚴重的甚至會在變壓器電磁感應的作用下，于低壓側產生較高過電壓，導致二次系統設備被燒壞。

2.2 變壓器防雷設計的不足

目前，部分煤礦在設計供電系統的過程中，為了最大限度節約成本，只關注到對主變變壓器的過電保護，將避雷器安裝在變壓器的高壓側，并未認識到在電磁感應作用下，變壓器高壓側的過電壓可能會傳遞到低壓側。大部分情況下，雷電過電壓在進入變壓器前會逐級釋放，在到達高壓側時，過電壓通常在高壓側的耐壓范圍，不會對高壓側的絕緣性能產生影響。但低壓側的電力設備的耐壓值較低，需要利用二次低壓設備完成對感應帶過電壓的釋放，從而起到良好的過電壓防護效果。

主變變壓器在設計接地裝置的過程中，只是將一圈均壓環加裝在變壓器處，并未對其進行特殊的沖擊優化。變壓器通常位于一次和二次的交界處，在雷擊事故發生的同時，在交界處會產生過電壓，若不能利用相關設備使過電壓得到充分釋放，不僅會損害變壓器的絕緣性能，也會威脅到二次設備的正常運行。

3 煤礦供電系統的防雷改造措施

3.1 線路保護間隙的完善

調研發現，該煤礦的輸電線路絕緣設計存在明顯不足。結合對絕緣子U50%沖擊擊穿實驗結果的分析可知，受絕緣子片數過多的影響，雷擊事故所產生的過電壓無法在第一時間得到釋放是導致設備被燒壞的主要原因。因此，應將絕緣子進行并聯，形成保護間隙，結合線路電壓等級對保護間隙的距離進行合理設定，使二者之間能夠相互配合，利用保護間隙釋放過電壓，防止巨大雷電流沿輸電線路進入主變變壓器，燒壞設備。通過對保護間隙進行沖擊試驗，獲取數據見表1。

表1 保護間隙沖擊試驗數據

圖2 可調式保護間隙安裝圖

無論是針對不同電壓等級的輸電線路，還是針對保護間隙，在對保護間隙的距離進行調整前，需要將沖擊試驗結果作為參考依據，合理設定保護間隙的距離，隨后完成安裝工作。圖2為可調式保護間隙安裝圖。

3.2 變壓器防雷的優化設計

對接地進行沖擊優化以及在高壓側安裝避雷器是本次對變壓器防雷設計進行優化設計的主要措施?，F階段，許多煤礦僅僅將避雷器安裝在變電站的高壓側，原因是雷電產生的過電壓會沿著輸電線路進入主變變壓器，在此過程中若能夠對輸電線路加以避雷保護，過電壓會逐級釋放，不會傳遞到低壓側。但相關事故表明，一次側產生的過電壓會在電磁感應的作用下傳遞至二次側，燒毀二次設備。例如，山西煤礦集團2014年低壓開關柜被燒毀的原因是未在低壓側設置避雷器。實踐研究證實，雷擊事故發生時，在地電位的反擊作用下，也會產生巨大的過電壓，若不能借助于避雷器釋放過電壓，極容易導致設備燒毀事件的發生。因此，需要在高壓側和低壓側同時安裝避雷器，并確保至少一點接地。低壓側安裝避雷器示意圖見圖3。

圖3 低壓側安裝避雷器示意圖

圖4 變壓器基地的沖擊優化

在對主變變壓器實施局部沖擊優化的過程中，需要在原有接地的基礎上，結合主變變壓器的地理位置，增設均壓環。通常情況下，35kV的主變位于外部，具有良好的空地條件，方便對其進行沖擊優化（見圖4）。本研究將扁鋼作為變壓器沖擊的主要工具，圖中的黑點代表垂直接地體，采用高效膨潤土對垂直接地體和扁鋼實施包裹，各個煤礦可根據自身實際需要，適當增加沖擊優化的范圍，借助于扁鋼連接均壓環與變電站主接地網，促進雷電流的充分釋放，確保供電系統在雷電流發生時能夠穩定運行。

4 仿真分析

4.1 輸電線路保護間隙的仿真分析

運用電磁暫態仿真軟件對煤礦輸電線路保護間隙過電壓的保護效果進行仿真分析，根據歷史雷電流值，將雷電模擬電流設定在100kA，直擊輸電線路B相，運用電壓探針檢測輸電線路的過電壓，模擬仿真電路圖見圖5。

圖5 模擬仿真電路

圖5 的模擬仿真電路對B相進行雷電直擊基于未增設保護間隙的情況下，所測得的高壓側電壓幅值和低壓側電壓幅值波形圖分別見圖6和圖7。

圖6 高壓側過電壓波形圖

圖7 低壓側過電壓波形圖

結合對圖6和圖7的分析可以獲悉，基于未安裝保護間隙的條件下，高壓側過電壓最高值約為300kV，超出耐壓范圍，但未超過絕緣子的閃絡臨界值，因而不會對地放電，而會進入變壓器，對其絕緣性能造成威脅，甚至會導致變壓器被燒毀。低壓側過電壓的最大值約為100kV，但由于二次低壓設備的耐壓性能和絕緣等級較低，極容易損壞二次設備，對變電站運行構成威脅。

結合對保護間隙的沖擊試驗結果，認為應在變壓器高壓側加裝保護間隙，根據輸電線路的絕緣等級，確定動作值為180kV。圖8和圖9結果顯示，在完成保護間隙的設定會，高壓側和低壓側的電壓幅值分別為35kV到100kV之間，處于安全絕緣范圍。

圖8 加裝間隙高壓側過電波形圖

圖9 加裝間隙低壓側過電波形圖

4.2 低壓側避雷器防雷的仿真分析

在加裝保護間隙的基礎上，在低壓側加裝避雷器，將避雷器的導通電壓值設定為10kV。圖10顯示，加裝避雷器后，低壓側的過電壓幅值為15kV，相比較于仿真結果，降低約19kV，表明避雷器的使用形成了對二次設備的有效保護。

圖10 避雷器保護電壓波形圖

5 結 語

本研究主要分析了某煤礦現有供電系統防雷設計的不足，主要為變壓器防雷設計以及絕緣子串設計的缺陷，提出實施保護間隙、在低壓側加裝避雷器等措施，通過進行仿真分析可知，以上措施的施行，既能夠解決絕緣子串誤用的問題，又能夠實現對雷擊過電壓的有效防護，實現了對該煤礦供電系統的整體優化。