煤礦變電所和地面電氣設備防雷擊措施

劉志杰

(陽煤二礦選煤廠 機電隊，山西 陽泉 045000)

0 引言

在雷雨天氣，運行電力系統極易遭受雷電侵害，雷電侵入電力系統后，輕則觸發電力系統的過電壓保護動作，造成短時跳閘停電，嚴重時會導致電力設備和用電設備被擊穿燒毀，甚至引發火災。特別是在煤礦變電所，雷擊輕則影響正常生產，重則威脅到井下作業人員的人身安全。煤礦電力系統和變電所等設施均有避雷針和避雷器等防雷設施，但是在實際工作中存在避雷器覆蓋范圍不完全、變壓器低壓側無防雷措施、保護間隙設置不當、主控微機的避雷措施不完善等現象。對煤礦變電所及地面電氣設備所有一、二次避雷設施進行設計校驗、改造，對提高煤礦供電系統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至接地網的方式進行避雷。避雷針的設計包括引雷覆蓋范圍、空氣距離Sa、地下距離Se。煤礦35 kV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建筑、架構、設備等全部覆蓋。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物接地體的地下距離。避雷針和被保護物的絕緣距離過小時，避雷針上引導的電流將向被保護物放電，產生“反擊”現象。為了避免“反擊”現象發生，空氣距離Sa、地下距離Se需滿足式(1)：

圖1 避雷針防“反擊”距離要求示意圖

(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物最近位置的高度。空氣距離和地下距離的下限分別為5 m和3 m。

在裝設時，應使用避雷針專用接地裝置和老馬支座，安裝完成后應對接地電阻進行測量，接地電阻最大值不應超過10 Ω。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置進線避雷線、斷路器兩側安裝避雷器、橫擔與導線選型、校驗保護間隙。

2.1 設置進線避雷線

變電所的進線是防雷的重點設備，根據出線的電壓等級、變電所容量、當地雷害發生特點設置合理的避雷線。對于35 kV～110 kV電壓等級的進線，應設置1 km～2 km的避雷線。避雷器和主變的距離應保證在9 m之內，對于不合格的避雷線設置，應進行規范化整改。

2.2 斷路器兩側安裝避雷器

安裝在桿上的油開關和隔離開關的絕緣強度低、安裝間距有限，在受到雷擊后容易發生相間短路，在斷路器兩側裝設避雷器可顯著降低雷擊停電現象。注意桿上避雷器的接地線應與油開關的金屬外殼連接良好。

2.3 合理選擇橫擔與導線

由于普通的鐵橫擔和絕緣子只能承受額定電壓，當雷擊過電壓后極易發生爬電擊穿現象，因此在雷害頻發的地區，應盡量使用瓷質橫擔和強度較高的絕緣子。由于雷擊電流瞬間很大，經導線流入避雷器時會產生瞬間熱量，導線在電磁變化劇烈的瞬間會承受電動力，老化或機械強度不夠的導線容易發生斷裂，從而導致對地短路。因此盡量選擇強度較大的導線。

2.4 校驗保護間隙

保護間隙是一種常見的線路防雷措施，由兩個金屬電極構成。如圖2所示，一個金屬電極固定在導體，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，保護線路對側用電設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往往超過所需，導致導線上安裝的保護間隙距離過大，雷電電流無法擊穿，導致保護間隙失效。為了提高保護間隙的利用率，需要對保護間隙的距離、絕緣子數量進行嚴格校驗，減少不必要的絕緣子。也可采用如圖2所示間隙距離可調的保護間隙裝置，在安裝前需要進行必要的高壓沖擊試驗，在模擬雷擊的高電壓沖擊下，根據不同間隙距離的絕緣擊穿率，得出合適的間隙距離。

圖2 線路可調式保護間隙示意圖

3 變壓器防雷措施

為了降低供電系統的建設成本，許多煤礦變電所的變壓器只在高壓側安裝避雷器，防止輸電線路側的雷電侵入變壓器，在高壓側避雷器和高壓線路保護的作用下，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。但是也有研究及事故表明，一旦高壓側的防雷措施失效，將導致輸電線路的雷擊電流通過變壓器的電磁感應傳播到變壓器低壓側，由于變壓器低壓側的用電設備多是對耐壓值要求不高的測量儀器或控制儀器，因此一旦發生低壓側雷擊，將極易導致設備損壞。根據防雷擊電氣參數計算，在雷擊電流很小的情況下，低壓線圈和高壓側中性點的電壓也很高。根據《過電壓保護設計技術規程》，變壓器高低壓側均應裝設避雷器。在配電變壓器兩側，高壓避雷器裝設在熔斷器保護范圍內，低壓避雷器裝設在低壓桿頭附近。也有在配電變壓器高壓側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，除了高低壓側配置避雷器，還可以在變壓器接地基礎上增加兩圈均壓接地網，對局部沖擊進行優化。如圖3所示，變壓器均壓接地網包括水平接地體和垂直接地體，形成的優化面積還要與主接地網進行連接，無論主變雷擊發生在高壓側還是低壓側，均會通過接地體流入均壓環，幫助雷擊能量迅速釋放，保護變壓器和供電系統的穩定運行。

圖3 變壓器局部沖擊優化示意圖

4 主控室防雷措施

除一次設備以外，煤礦變電所的二次設備例如微機電源、監控設備的信號輸入輸出線纜也需要進行防雷設計。主控室的計算機、電力電子裝置的供電電源進行防雷設計，采用UPS不間斷電源進行供電，這種電源采用數字化控制，主電路結構為IGBT組成的高頻開關模塊，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生明顯的變化，產生串模干擾和共模干擾，嚴重時會導致繼電保護裝置誤動作。因此對監控設備的信號線纜應采取屏蔽線，接地方式為用截面積大于25 mm2的軟質銅線分散接地，與接地母排連接良好且與保護屏柜保持絕緣。

5 結束語

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