淺談鶴煤九礦變電站防雷系統優化改造

摘要：文章對九礦變電站增加避雷針的必要性進行了說明，對避雷針的防雷原理、保護范圍等做了分析闡述，并通過公式計算確定避雷針安裝位置。

關鍵詞：變電站 避雷針 保護范圍

1 項目背景

鶴煤礦區有10個35kV級及以上變電站，主要擔負集團公司礦井、地面生產企業供電任務。變電站是電力系統的樞紐，直接關系到煤礦電網的安全性、可靠性。

變電站內安置的變壓器、互感器、斷路器、母線等高壓電氣設備的匯集，使得變電站容易遭受雷擊。雷擊變電站一方面會引起大面積的停電事故，造成重大損失；另一方面，雷擊極易造成電氣設備的絕緣損壞，維修或更換設備的費用很高且用時較長，將造成更大的不良影響。因此，對變電站的防雷保護顯得非常重要。

鶴煤九礦變電站于2011年雷雨天氣密集的夏季發生一次雷擊事故，造成站內通訊管理機燒毀，導致鶴煤電調遠動系統不能對變電站進行實時采集、實時監控，電調無法實時掌握電網運行情況，給煤礦安全供電帶來巨大隱患。

經對九礦變電站實地考察和分析，并對站內現有避雷針保護范圍進行計算，發現6kV高壓室西南側不在聯合保護范圍內，是導致此次雷擊事故的主要原因。

2 避雷針防雷原理及保護范圍分析

2.1 避雷針防雷原理 避雷針由接閃器、引下線和接地裝置組成，它的保護原理為：避雷針能將被保護物上方的雷電吸引到自身，并通過引下線和接地裝置泄入大地，從而達到保護被保護物不受雷擊的作用。整個保護過程有兩個關鍵環節，一是高概率的接閃，二是迅速有效地泄入大地。避雷針正是利用高于被保護而產生的屏蔽和迎面先導放電，使得本區域內的雷擊能被避雷針吸引，而不至于擊于被保護物；避雷針自身良好的導電性，配以較小的接地電阻，使得雷電流安全泄入大地。

2.2 避雷針保護范圍分析 避雷針的保護范圍計算方法有多種，且計算結果均不能定量，這是因為避雷針的保護范圍受多種不可定量因素的影響。目前，我國現用的計算方法有兩種：對于建筑物，我國GB 50057-94《建筑物防雷設計規范》規定，避雷針的保護范圍按滾球法計算；對于電力裝置，我國DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規定，避雷針的保護范圍按折線法計算。故九礦變電站安裝避雷針應以折線法計算其保護范圍。用以上方法計算出的避雷針的保護范圍，并沒有考慮當雷電流沿避雷針泄入大地時對靠近避雷針的被保護物的反擊的可能性，也就是說，靠近避雷器的一定距離內，也不能算是避雷針的保護范圍。所以，避雷針的保護范圍就存在內、外兩個邊界，現分別予以說明。

2.2.1 避雷針保護范圍的外邊界 ①單支避雷針的保護范圍（圖1）：

a避雷針在地面上的保護半徑，應按下式計算：

r=1.5hP

式中：r——保護半徑，m；h——避雷針的高度，m； P——高度影響系數，h≤30m，P=1；30m120m時，取其等于120m。

b在被保護物高度hx水平面上的保護半徑應按下列方法確定：

當hx≥0.5h時，rx=（h-hx）P=haP

式中：rx——避雷針在hx水平面上的保護半徑，m； hx——被保護物的高度，m；ha——避雷針的有效高度，m。

當hx<0.5h時，rx=（1.5h-2hx）P

②兩支等高避雷針的保護范圍（圖2）：

a兩針外側的保護范圍應按單支避雷針的計算方法確定。b兩針間的保護范圍應按通過兩針頂點及保護范圍上部邊緣最低點O的圓弧確定，圓弧的半徑為R′O。O點為假想避雷針的頂點，其高度應按下式計算：

式中：h0——兩針間保護范圍上部邊緣最低點高度，m；D——兩避雷針間的距離，m。

兩針間hx水平面上保護范圍的一側最小寬度應按圖4確定。當bx>rx時，取bx=rx。求得bx后，可按圖3繪出兩針間的保護范圍。兩針間距離與針高之比D/h不宜大于5。

③多支等高避雷針的保護范圍（圖3）：

（a）三支等高避雷針在hx水平面上的保護范圍

（b）四支等高避雷針在hx水平面上的保護范圍

a三支等高避雷針所形成的三角形的外側保護范圍應分別按兩支等高避雷針的計算方法確定。如在三角形內被保護物最大高度hx水平面上，各相鄰避雷針間保護范圍的一側最小寬度bx≥0時，則全部面積受到保護。b四支及以上等高避雷針所形成的四角形或多角形，可先將其分成兩個或數個三角形，然后分別按三支等高避雷針的方法計算。如各邊的保護范圍一側最小寬度bx≥0，則全部面積即受到保護。

2.2.2 避雷針保護范圍的內邊界 當雷電擊中避雷針后，有很大的雷電流通過避雷針流向大地，這個電流會在避雷針引下線上形成較大的電壓，如果被保護物距離避雷針過近，引下線上的電壓會擊穿與被保護物之間的空氣，造成二次反擊。我國電氣設計規定：①對于35kV及其以下變電站，因其絕緣水平低，必須裝設獨立的避雷針。②獨立避雷針與被保護物之間應有不小于5m的空氣距離。③獨立避雷針宜設獨立的接地裝置，與接地網間地中距離不小于3m。

3 方案分析

根據避雷針防雷原理及保護范圍分析，結合九礦變電站避雷針現狀及站內地形，設計新增1基避雷針，對站內電力設備進行全面保護。

①新立5#避雷針為18m水泥桿，接閃器高2m；桿立于變電站西南角圍墻東側，此處高于地面3m。

②主變構架高7.3m，其他構架及設備高均低于7.3m。

③避雷針實際全高為20m，按最高保護物高度7.3m，計算公式：rx=（1.5h-2hx）P，（P——高度影響系數1）得出：rx=（1.5*20-2*7.3）=15.4m。所以：整個6kV高壓室均在保護范圍內。

4 結束語

經過對九礦變電站防雷系統進行改造，將會對整個變電站的安全性起到關鍵性作用，給煤礦電網的安全性、可靠性提供了強大的保障。

但對于安裝避雷針而言，其僅僅是變電站直擊雷方面保護，多變性因素較多：①避雷針對雷電的攔截效應是受多種隨機性因素決定的，即使按相關方法正確安裝了避雷針的變電站，也有可能受到雷電的繞擊和反擊等事故；②避雷針的保護范圍是針對被保護物在此空間內受到雷電侵害的概率而言的，目前國際上運用的確定避雷針的保護范圍的計算方法，都是經驗公式，沒有絕對性。

參考文獻：

[1]張克超，常馨.35kV變電站智能防雷系統[J].中國個體防護裝備，2012（05）.

[2]張宇.變電站運行中的防雷改進措施研究[J].科技創新與應用，2013（04）.

[3]朱健強.配電系統的防雷保護[D].華南理工大學，2010.

作者簡介：郝林杰（1982-），河南林州人，鶴煤集團公司供電處生產安監科，助理工程師。