煤礦110 kV變電站的防雷保護措施

管飛飛

(西山煤電集團有限公司， 山西 古交 030200)

0 引言

煤礦110 kV變電站是礦區供電體系的樞紐，山西省內礦區多位于山嶺地帶，相應變電站也多位于地勢較高、位置偏僻、遠離居民區的位置，由于該位置山嶺多、土壤電阻率高，故夏季雷暴災害發生頻繁，一旦雷電入侵電網線路，極易導致跳閘、設備損壞等事故，嚴重影響煤礦的穩定生產和生活[1-3]。據統計，由于雷電入侵導致的供電問題占煤礦變電站總事故量的近1/3，因此，合理的技術措施對變電站的一次側和二次側設備進行防護對煤礦的穩定供電具有重要意義。

1 雷電入侵途徑及危害

1) 雷電直擊站內設備。雷電直擊站內設備時產生的高電壓、高電流將損壞設備結構和電路，甚至引起火災。因變電站設備在設計初期考慮了防雷要求，具有了良好的防雷性能。但近些年來，部分變電站在智能化改造過程中，引進新設備而未進行此方面考慮，為雷電直擊埋下了隱患。

2) 高壓反擊雷損害電子設備。避雷針是常見的防雷設備，它利用金屬尖端引雷，然后導入大地。由于變電站附近土壤電阻較高，故電荷無法瞬間釋放，從而導致土壤局部的電位升高，與周邊出現電勢差，當該電勢差位置與變電站設備距離小于安全值時，容易出現高壓反擊。

3) 感應雷損害電子設備。雷電在近地位置發生時，通常會通過大地釋放電流，由此在釋放位置附近形成一處快速變化的運動磁場，當設備電源線或其它弱電電纜在其運動范圍內時，線纜內的金屬快速切割磁場而產生瞬間感應高壓，從而擊毀與之相連的其它電氣設備；

4) 雷電由電源線或GPS天線侵入電子設備。雷電擊中無防雷措施的電源線或GPS天線后，便由此線路進入二次側設備內，瞬間高壓將嚴重影響電子設備的安全[4,5]。

2 一次側防雷保護措施

2.1 避雷線

1) 對于變電站進線段的防雷保護，一般通過合理架設避雷線來實現，避雷線可將雷電波通過導線導入大地，從而提高線路的耐雷水平;避雷線也可降低雷電波侵入的概率，并降低侵入波的陡度和幅值，減小雷電侵入對設備的傷害。

2) 在避雷線接地終端泄流時，應采取合理的均壓措施。如圖1所示，以接地點為中心，從中引出3條等角度分布的長度約為3 m的水平接地極，材質選用鍍鋅扁鋼，由此分散電流；然后在半徑約1.2～1.5 m處布置閉合均壓環，材質為Ф16圓鋼，再在均壓環與避雷線交叉處埋置垂直接地極,最后再用扁鋼將水平接地極與主接地網連接。

圖1 避雷線接地均壓措施

2.2 避雷針

110 kV變電站各種戶外設備的防雷，一般采用避雷針。避雷針應安裝在鐵塔、建筑物頂部等地勢較高位置，同時保證鐵桿具有良好的接地裝置，接地電阻不大于10 Ω。同時，為避免避雷針與周邊被保護設備發生反擊，應控制避雷針與被保護設備的距離滿足以下公式：

s≥0.3Ri+0.1h

(1)

式中:Ri為避雷針接地裝置電阻；h為被保護設備的高度。

如圖2所示，一般要求避雷針與被保護設備之間的距離s(也稱為空氣氣隙距離)大于5 m，同時兩者的地下接地裝置的距離s′不應小于3 m，以防止土壤擊穿。

2.3 避雷器

對于110 kV母線和變壓器等重要設備，應采用避雷器進行防雷保護。目前，普遍應用的避雷器主要由氧化鋅電阻材料制作而成，其伏安特性較好，具有較強的通流能力。正常電壓狀態下，避雷器的電阻無限大，經過電流僅為毫安級別，但當線路電壓超過避雷器設計極限值時，其電阻值瞬間降低，流過的電流可達數千安，故可實現對線路和變壓器的過壓保護。

圖2 避雷針與被保護設備的距離

在110 kV母線上，氧化鋅避雷器與絕緣子并聯安裝，且與接地端相連，當110 kV母線發生雷擊過電壓時，一但超過避雷器的動作電壓，避雷器導通，將雷擊電流導入大地。由于該類型避雷器的泄流時間僅為100 ms，然后迅速恢復正常狀態，故可承受連續雷電壓沖擊。對于站內變壓器，避雷器應盡量安裝在靠近變壓器的位置，減少線路長度，同時避雷器應與變壓器的金屬外殼和低壓側中心點相連。

3 二次側防雷保護措施

1) 電源線防雷:當變電站室外高壓線發生雷擊過電壓時，盡管可通過避雷器等防雷設備泄流一部分電壓，但殘余部分電壓仍偏高，可傳導至母線，并經由變壓器等設備最終進入站內二次側系統電源線，引起電源模塊及其它電子設備的損壞。故應針對二次側電源系統進行三級防雷保護：

第一級位于交流屏電壓輸出端，該部分電線由外部的變壓器引入且無屏蔽措施，容易產生較大的感應雷擊電流，能量密度較高，故應安裝三相電源防雷箱，將雷電流泄入大地。

第二級位于充電機屏的交流輸入側及二次交流屏的各段母線，可通過在以上位置安裝電源防雷器，進一步降低侵入電壓影響。

第三級重點對站內的監控設備、計算機等進行保護，其單相交流防雷器可安裝在運動屏、后臺、小電流接地屏等輸入端。

另外，變電站內的控制、通訊系統一般采用直流電，但電壓較低，通訊電壓僅為48 V。站內直流電由直流屏通過專用電纜引入控制室內，其遭受雷擊感應電流的概率也較大，因此同樣應加強直流配電線路的防雷保護。

2) 通訊線防雷:變電站控制室內外有多種信號傳輸線路，而信號傳輸電壓一般僅為5 V左右，且線路數量較多，為保證最終信號不受干擾,且信號傳輸設備不受雷電流損壞，應對站內通訊系統進行防雷保護。對于運動屏到調制解調器之間的線路，可設置信號線防雷器；對于高壓開關配電室到控制線的線路，則需要安裝信號浪涌保護器；另外，還需要在網絡交換機上增加浪涌保護器，在電話通訊設備上安裝信號防雷器。

3) GPS天線防雷:GPS時鐘對于變電站設備的正常運行和維護有著重要意義，其應用廣泛，設備精密，且靈敏度高，因此抵抗雷電災害的能力較強，GPS系統是變電站內需重點防雷保護的設備。GPS天線位于控制室外部，為避免雷擊過電壓通過天饋線影響二次側設備，需要在天饋線的輸入端安裝浪涌保護器，削弱電涌電壓。

4 防雷接地方式

1) 二次回路接地。二次回路接地有單點、懸浮和多點接地3種方式。其中，單點接地是將各站內設備的接電線連接至接地母線上，由此可消除傳導耦合干擾，降低系統中低頻信號的影響，將干擾電流的回路切斷；懸浮接地容易發生局部放電，較少采用；多點接地時，各設備就近接地，降低了接地線長度和接地阻抗，避免了各接地線上分布電容引起的信號耦合，適用于高頻電氣設備，可顯著提高系統工作穩定性。

2) 等電位接地。在受到雷擊后，二次設備之間可能出現較大電位差，由此引起地位反擊，影響二次側設備安全。在此情況下，應進行等電位連接，具體方法是將室內設備的金屬柜、導線屏蔽層、SPD接地端等與變電站的等電位網相連接，由此消除設備間的電位差，防止出現過電壓。

3) 屏蔽電纜接地。為防止外部電流產生的磁場對信號電纜內信號電流的影響，一般采用屏蔽電纜。電纜屏蔽層的接地方式有單端接地和雙端接地2種。單端接地可有效消除地電位升高帶來的危害，但對于感應耦合的磁場干擾，需采用雙端接地。

5 結論

為保證煤礦110 kV變電站一次側和二次側設備的安全，防止受到雷擊損壞，分析了雷電入侵變電站的主要途徑和危害，并針對一次側防雷，分別從避雷線、避雷針和避雷器3種設備的安裝和使用等方面進行了研究，隨后又對二次側防雷設備的安裝、防雷接地方式的選擇等內容進行了分析。