煤礦供電系統防雷安全研究

宋峰，張寧馨，鄧海利

（鄒城市氣象局，山東 鄒城 273500）

鄒城市煤礦眾多，是著名的兗礦集團公司所在地，其境內的鮑店煤礦、東灘煤礦、南屯煤礦等煤礦年產量都在300萬噸以上。煤礦的通風設施、絞車房、提升設施、給排水設施、救援設施等均關系到礦工的生命安全。據統計，一般礦井均采用雙回路，也就是從不同地區分別單獨架設線路獨立進入煤礦變電站，變電站通過變配電處理供給礦區地面和井下使用。根據國內各電網公司統計，近年來，電力系統中輸配電線路故障50%～60%是由雷電的各種效應引起的，雷電災害是供電線路的主要災害源。另一方面，鄒城地區礦井大多處于空曠地帶，其區域內金屬井架、高桿燈、輸煤棧橋、煤倉等均為高大建筑物，且較為突兀，雷擊概率較大。做好煤礦供配電系統的防雷保護涉及面廣，不僅需要對變電所、架空線路進行防護，更需要對礦區內的變配電設施、機房、配電室等進行防護。所以，供電安全是煤礦的生命線，做好煤礦供電防雷安全尤為重要。

1 變電所35kV進線的防雷保護

1.1 35kV架空線路防雷保護

煤礦電源在進入礦變電所時，首先，經過架空線路，線路高度一般超過10m，電壓為電源35kV，這段線路是雷擊的重點部位，應使用架空避雷線進行直擊雷防護。架空避雷線的保護范圍，國標《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010給出的是“滾球法”，但電力行業規程則使用保護角法。從原理上看“滾球法”在避雷線架設高度小于滾球半徑（hr）的范圍內，架設高度越高保護效果越好，這恰恰與雷擊線路的繞擊率相反，所以，在輸配電架空線路中應當使用保護角法計算保護范圍。輸配電線路中使用架空避雷線的目的有四個：一是降低直擊雷的概率；二是閃電擊中電力桿塔時，起到分流作用，降低桿塔對地電壓；三是對輸電線路有耦合作用，降低線路避雷器上的電壓；四是多根避雷線對下方的電源導線有屏蔽作用，可以降低雷擊感應過電壓。對于煤礦35kV進線可考慮進線段設三根避雷線，從而使雷擊點盡量遠離桿塔避雷器，通過一段時間，線路上的沖擊電暈使雷電流波形發生衰減和變形，最終降低波前陡度和幅值。

雷電繞擊是線路雷擊事故的主因，故降低雷擊繞擊率是線路防護的重點。據電力線路運行經驗、現場測試和模擬試驗，繞擊率可按下式計算：

保護角的降低意味著避雷線與輸電導線距離的減小，同時，帶來了安全距離問題。為防止避雷線對輸電導線的反擊，根據GB50057-2010避雷線距導線應大于3m。

設置避雷線是輸電線路的重要防雷保護方式，除此之外，雷擊概率跟輸電導線的布置方式也具有相關性架空輸電線路有三種排列方式，如圖1所示。

圖1 架空輸電導線排序方式

通過實際運行，統計出三種線路排序方式所對應的跳閘率，如表1。

由表1可以看出，上下三角排序方式下雙回路同時跳閘率為0．000，所以，對于煤礦這種重要場所，應按上下三角方式排序。

表1 不同排序對應的跳閘率(次·（100km·a）-1)

1.2 桿塔防護方式

通過對雷擊斷線概率統計，發生在導線與絕緣子連接處的概率較大。因為電力桿塔接閃后，頂端對地電位最高，高電位首先對絕緣水平低的部位進行反擊。電力桿塔接閃后，雷擊過電壓可按下列公式計算：

式（3）中，Utop為桿塔頂部電壓（kV）；I為雷電流幅值（kA）；Ri為電力桿塔接地沖擊電阻（Ω）；L為桿塔自身電感（μH）。假設，雷電流幅值為150kA（二類防雷構筑物）；雷電流波形采用10/350μs；桿塔沖擊接地電阻為4Ω；桿塔電感為10μH（20米高鐵塔）；約50%的能量經接地系統泄流入地。經計算，桿塔頂部的電位為：375．0kV。

架線桿塔的絕緣耐受電壓水平如下：

根據式（4）能計算桿塔35kV線路采用3×X-4．5絕緣子的線桿電壓U50%約為350kV。可以看出在未考閃電感應和電磁脈沖時，桿塔已經會被擊穿。所以，當塔頂部電位高于350kV時，就會對導線產生反擊。若對一相線路產生反擊，將引起單相工頻短路。由于35kV電力系統為小接地短路電流系統，其短路電流為電容性電流，數值很小，可能不足以引起跳閘，但若同時引起第二相導線反擊，形成相間短路，則引起跳閘。

安裝相匹配的避雷器是解決反擊問題的關鍵。避雷器與絕緣子并聯安裝，在沒有過電壓的情況下，避雷器為高阻抗狀態，出現高電壓電涌時，避雷器會對地泄流，保障了線路的正常運行。避雷器原理如圖2所示。

在使用中，SPD的沖擊放電電壓（Ub50%）應小于絕緣子串的50%沖擊放電電壓（Uj50%）。若雷電沖擊放電電壓偏差為δ，為確保避雷器能先行放電，Ub50%和Uj50%應至少滿足下列關系：

圖2 避雷器安裝示意圖

一般情況下，δ=0.03，所以。所以SPD的觸發電壓至少應比絕緣子的擊穿電壓低16．5%。根據電力規程要求，35kV電力系統雷電沖擊耐受電壓，相對地及相間均為185kV，則 35kV 桿 塔SPD的沖擊放電電壓應小于 154．5kV。

2 礦區35kV變電站防護

2.1 劃分防雷類別

在電力規程中，沒有對變電所區域進行防雷類別的劃分，但GB50057-2010中要求對所有防雷建（構）筑物首先進行類別劃分，從而更科學有效地采取針對性的防雷措施，這里提倡對煤礦變電所進行防雷類別的判定。

2.2 優化避雷針保護范圍計算方法

不同的行業規范對于避雷針保護范圍的計算不同，我國的電力規程使用“折線法”，而《建筑物防雷設計規范》則要求使用“滾球法”。“折線法”的保護范圍是假設雷電定位高度H1為基準進行模擬實驗的結果制定的；“滾球法”是假設一個球，半徑為hr，沿避雷針和地面滾動，不被球面接觸的部分則是保護范圍。“折線法”中，避雷針高度與保護范圍成正比；“滾球法”中高度超出滾球半徑部分不被保護，滾球半徑對保護范圍的影響大。國家標準中，把第一、二、三類防雷建（構）筑物對應的滾球半徑分別設定為30m、45m、60m。

在煤礦變電所中，高壓線路及設施的高度一般不超過12m，室外高低壓設備高度一般不超過5m。所以，在這兩個高度平面上對比“折線法”和“滾球法”的保護范圍。

表2 12m高度面上避雷針的保護范圍（單位：m）

表3 5m高度面上避雷針的保護范圍（單位：m）

按照GB50057-2010的標準劃分防雷類別，煤礦變電所被劃分為第二類防雷場所的可能性較大。從上表2和表3得出，在二類防雷場所避雷針高度為15m時，“折線法”計算出的避雷針保護范圍略小于“滾球法”計算出的范圍。增加避雷針的高度，“折線法”計算出的保護范圍比“滾球法”計算出的范圍明顯變大。

根據滾球法和折線法的理論計算可以得出：當針高h≤0．293hr時，“折線法”確定的保護范圍小于“滾球法”確定的范圍；當針高h=(0．293～0．4)hr時，兩種方法確定的保護范圍基本相當；當針高h=(0．4～0．5)hr時，“折線法”確定的保護范圍略大于“滾球法”確定的范圍；當針高h＞0．5hr時，“折線法”確定的保護范圍遠大于“滾球法”確定的保護范圍。這里提出以下應用：在煤礦變電所中，設置高度超過15m的避雷針時，保護范圍應按“滾球法”計算；避雷針高度低于15m時，推薦使用“折線法”計算保護范圍。

3 結語

在煤礦企業中礦井設備、機房設施、信息系統對供電穩定性要求很高。對于電涌保護器（SPD）的安裝，除本文提出的方法外，針對不同電壓級別和不同防護對象的保護還需要進一步研究。