礦區35kV配電線路雷害事故分析與防雷措施

鄭 暉 尚育晶 李既明 鄧杰文 滿超楠

（1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410076；2.珠海電力設計院有限公司，廣東 珠海 519000）

山西省素有“煤海之城”的美稱，據資料顯示目前已探明煤炭儲量2654億t，占全國總儲量的26%。全省3200多個礦井大部分分散在地勢空曠的山區，電氣設施易遭受雷擊，是安全生產的管理難點。2011年5月，位于該省陽泉市內的新景煤礦發生一起雷擊事故，造成重大經濟損失，通過對該次雷擊事件的調查分析，尋找事故發生的原因，并提出煤礦雷電防護措施。

1 雷擊事故調查

1.1 事故概況

新景礦隸屬山西陽煤集團，年產量400萬t，電網全長30km。2011年5月8日，因雷擊礦黃2#線路，引起新景礦黃沙嘴變電站礦黃 35kV高壓進線柜內310開關母線側三支穿墻套管和線路側三只支柱瓷瓶嚴重燒毀，過電壓導致柜內相間弧光短路跳閘，造成新景礦全部停電 10min，礦下員工緊急升井。這次事故雖未造成人員傷亡，但嚴重影響礦區正常生產，帶來極大的直接和間接經濟損失，并且嚴重威脅礦下工作人員的生命安全。經查發現，故障點是礦黃2#線1號桿塔，根據登桿檢查發現雷擊點和絕緣子閃絡燒傷痕跡，初步判定為雷擊桿塔后引起的“反擊”事故。

1.2 現場基本狀況

新景礦位于陽泉市西部山區，地形復雜多變，平均年雷暴日為40左右，屬于多雷區，雷電活動較為頻繁。35kV礦黃 2#線，礦五變電站出線至黃沙嘴變電站，全長6.44km，線路全線架設單避雷線，保護角約為25°。全線共28基桿塔，均為鐵塔，采用FXBW-35/70復合懸式絕緣子和4片XWP2-70懸式耐張絕緣子，其中本次發生故障的1號桿塔為進線段第一基桿塔，采用消雷器和避雷針保護，如圖 1所示。站內在35kVⅠ、Ⅱ段母線處裝設型號為YH5WS-34/95的氧化鋅避雷器對站內設備進行過電壓保護。

圖1 黃沙嘴站35kV礦黃2#線路在進線塔采用消雷器和避雷針保護

據統計71%雷電波入侵變電站事故是雷擊變電站進出線3km內線路，所以我們在現場對進線段前六基桿塔進行了接地電阻測量，結果見表1。其中1號桿塔測得土壤電阻率為154.7?·m，5號桿塔測得土壤電阻率為84.3?·m。

表1 35kV礦黃2#線1－6號桿塔接地電阻值

1.3 實驗室試驗

將線路上使用過的FXBW-35/70復合懸式絕緣子和4片XWP2-70懸式耐張絕緣子取下后進行絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗（如圖2所示），圖3所示為絕緣子沿面放電。試驗設備為能夠產生峰值為1200kV沖擊電壓和1.2/50μs的標準雷電波形的沖擊電壓發生器。試驗數據見表2和表3。

圖2 4片XWP2-70絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗圖

圖3 4片XWP2-70絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗時絕緣子沿面放電

表2 礦黃2#線桿塔FXBW-35/70復合懸式絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗數據

表3 礦黃2#線桿塔4片XWP2-70絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗數據

通過高電壓實驗室試驗，由表2和表3可知35kV礦黃2#線運行的FXBW-35/70復合懸式絕緣子和4片XWP2-70絕緣子 U50%沖擊放電電壓約為 402.4kV和472.0kV。

2 雷擊事故分析

2.1 線路防雷措施不當

消雷器的主要原理是能夠產生足夠多的和雷云異性的電荷來中和雷云中的電荷，以達到消雷的目的。而要產生足夠多的電荷去中和雷云的電荷，可知消雷器的面積要較大才可以，由圖1可知，現場安裝的消雷器面積相對于雷云面積還是較小，不可能產生足夠多的異性電荷中和雷云的電荷而達到消雷的目的，在雷云靠近時，散狀消雷器所產生的電暈電流較單根避雷針相差不多，更容易起到引雷而不是消雷的效果。

避雷針由于在上方有雷云時會造成空間電場畸變而具有很強的引雷作用，不適合使用于 35kV及以下水平的線路，因為 35kV及以下水平的線路整體絕緣水平較低，當雷擊避雷針，雷電流入地時，會形成一個很高的塔頂電位，導致設備損壞。所以在 35kV及以下水平的線路上裝設避雷針不但起不到防雷的效果，反而適得其反，起到了引雷的作用，該線路多次發生雷害事故，就與線路避雷針的引雷作用有關。同時，將避雷針用在發電廠、變電所的進線段上，會誘發線路遭到雷擊，而雷電波得不到衰減使得侵入到發電廠、變電所的雷電波過強而容易打壞發電廠、變電所設備。

2.2 接地情況分析

有避雷線的線路，每基桿塔不連避雷線時的工頻接地電阻，在雷季干燥時，不宜超過下表4所列數值[1]，對比表 1可以看出進線段部分桿塔接地電阻超標。

表4 有避雷線的線路桿塔的工頻接地電阻

同時，根據現場勘查發現，接地裝置沒有得到有效維護，部分接地極有銹蝕和斷裂的情況，這樣一旦線路某處遭受雷擊，由于接地不良，雷電流不能有效快速地通過接地裝置散流勢必對線路絕緣子沖擊耐壓造成不良影響。

2.3 線路與配電設備絕緣配合不當

據調查90%以上的發電廠、變電所雷害事故都是由線路侵入的雷電波造成的，為了降低線路的雷擊跳閘率，大都采取了提高線路絕緣水平的措施，但線路絕緣提高后，線路上的雷電過電壓不能泄放勢必會造成侵入到發電廠、變電所的雷電過電壓過高，若變電所的防雷措施存在漏洞勢必會導致雷電打壞發電廠、變電所內的主變壓器、開關、刀閘和穿墻套管等，還會造成變電所低壓二次系統的雷害事故。在電力行標[1]里要求 35kV 穿墻套管和支柱式瓷瓶耐壓200kV，通過表2和表3可知35kV礦黃 2#線路 FXBW-35/70復合懸式絕緣子和 4片XWP2-70懸式耐張絕緣子的50%雷電沖擊放電電壓均為400kV以上，可以看出線路的絕緣水平遠高于變電設備的絕緣水平，極易導致由線路侵入的雷電過電壓打壞變電設備。

2.4 地形地貌和周邊環境的影響

地形地貌和周邊環境對雷擊事故的發生有非常重要的影響。本次出現故障情況的 1號塔，如圖 4所示，處在山坡的半山腰上，線路處于東西方向隘口，西北和東南面為高山，地勢對雷云活動影響較大。此處季風主要為北風，在季風的影響下，雷云從東西峽谷進入，因受到西北和東南面高山阻擋而回折，從東西方向隘口穿越線路或桿塔流動，或雷云直接沿東西方向隘口穿越線路，桿塔處電場畸變，桿塔處的場強較檔距中央大，因此桿塔比檔距中央更易遭受雷擊。

圖4 35kV礦黃線1號桿塔所處地形

3 防雷措施探討

3.1 拆除不合理的防雷保護設備

通過上述的分析可知，35kV及以下水平的線路不適合安裝消雷器和避雷針，它們不僅起不到防雷的作用，反而會引雷造成雷擊事故，特別是在發電廠、變電所的進線段上，會誘發線路遭到雷擊，而雷電波得不到衰減使得侵入到發電廠、變電所的雷電波過強而容易打壞發電廠、變電所設備。因此應當拆除線路上的消雷器和避雷針。

3.2 降低桿塔接地電阻

當桿塔接地電阻降低時，雷擊塔頂時塔頂電位升高的程度降低，絕緣子所承受的過電壓程度也降低，從而使線路的反擊耐雷水平提高。雷擊桿塔時的耐雷水平計算公式為

將分流系數β=0.9；桿塔等值電感Lgt=10μH；進線段 1號桿塔沖擊接地電阻 Rch=18?；導地線間的耦合系數 k=0.1311；FXBW-35/70復合懸式絕緣子的50%沖擊閃絡電壓U50%=402.4kV帶入公式（1），計算得出線路平均耐雷水平I1=17.306kA，作為發電廠站進線段第一基桿塔，耐雷水平應在30kA以上，該桿塔耐雷水平未滿足DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規程要求[1]。

若將35kV礦黃1號桿塔接地電阻R降低到5?左右，帶入公式（1），經過計算線路耐雷水平可提高至 I1=32.29kA。就能夠滿足發電廠進線段防雷保護要求，可見降低桿塔接地電阻是提高線路耐雷水平的有效手段。

3.3 設置進線段防雷措施

1）安裝線路避雷器

避雷器對于線路中的雷電過電壓的防護具有很好的效果，對于雷害事故較多發生的進線段線路，應該安裝線路避雷器，降低線路雷電波侵入后的殘壓水平。

2）安裝過電壓保護間隙

采用配電型可調過電壓保護間隙，對配電線路進變電所的前10級桿塔設置特殊進線段保護，對6～10級桿塔，可調式保護間隙的保護與線路絕緣子的雷電沖擊動作值相配合，讓間隙的雷擊動作值低于線路絕緣子的雷電沖擊動作值5%左右，保護絕緣子在雷擊時不被打壞，從第5級起，逐步降低可調式保護間隙的雷電沖擊動作值，到變電所的終端桿，保護間隙的雷電沖擊動作值與變電所主設備的耐雷水平相配合，保護變電所設備受到由線路侵入的雷電波的危害，這樣還能為變電所在任何運行方式下提供保護。圖5所示為絕緣子加裝過電壓保護裝置示意圖，圖6所示為4片XWP2-70絕緣子加裝過電壓保護裝置試驗實物接線圖，圖7所示為對4片XWP2-70絕緣子進行U50%沖擊放電電壓試驗時保護間隙放電的情形。

圖5 絕緣子加裝過電壓保護裝置示意圖

圖6 4片XWP2-70絕緣子加裝過電壓保護裝置試驗實物接線圖

圖7 4片XWP2-70絕緣子進行U50%沖擊放電電壓試驗時保護間隙放電

3.4 其他

1）針對線路上接地裝置沒有得到有效維護，部分接地極有銹蝕和斷裂的情況，應當制定相應的標準：①接地引下線應采用40×5或50×5的熱鍍鋅扁鋼，以防止在長期運行后出現的腐蝕問題；②接地引下線與接地體連接處應采用螺栓進行連接，并定期進行維護，防止出現銹死現象，保證日后的接地電阻測量。

2）變電站由于在礦區內，絕緣設備受到污穢影響較嚴重。在現場調研的新景礦黃沙嘴變電站進線桿塔與變電站相隔一條運煤公路，根據集團工作人員描述，那條公路平時只有運煤車經過。這就造成變電站與桿塔絕緣設備上有不少的污穢累積，在綜合分析電網絕緣時應給予足夠重視。

4 結論

礦區安全生產至關重要，因此要切實做好防雷工作，通過對新景礦35kV礦黃線雷害事故進行分析，我們提出了相應的防雷改造措施，提高礦區的防雷水平。

1）變電站進線段桿塔安裝消雷器和避雷針，不僅不能防雷，反而會誘發線路遭到雷擊，因此應當拆除進線段桿塔上的消雷器和避雷針。

2）由于進線段線路是進站的重要地段，通過計算證明了降低進線段桿塔接地電阻是有效提高線路的耐雷水平，減小雷擊危害的經濟有效的方法。

3）線路與配電設備絕緣水平配合不當，易導致侵入到發電廠、變電所的雷電過電壓過高，從而打壞發電廠、變電所設備，采用避雷器和保護間隙對進線段的保護，能夠提高線路與配電設備絕緣水平配合水平，減少雷電侵入波對變電設備的損壞。

4）應該定期測試接地裝置的接地電阻，檢查設備接地引下線，及時處理不合格的接地，使之處于良好的運行狀態。

[1]DL/T620-1997,《交流電氣裝置的過電壓保護與絕緣配合》[S].北京:中國電力出版社,1998.

[2]李景祿.高電壓技術[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[3]李景祿.實用電力接地技術[M].北京:中國電力出版社,2002.

[4]劉吉克.從消雷器應用效果談消雷器[J].電網技術, 1996(11):20-23.

[5]陳國盛,仇煒,李景祿.110kV貴州劍牽線雷害事故分析及防雷措施的探討[J].電瓷避雷器,2009（5）:23-27

[6]劉源,彭利強,王偉平,李景祿. 配電網架空線路并聯可調間隙保護裝置研究[J].高壓電器,2011(4):46-49.

[7]NAHMAN J M, SALAMON D D. Safety analysis at overhead line towers in close proximity to the substation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2010, 7, 25 (3): 1508-1515.

[8]KARTHIK M, VIJAY V, GERALD T, HEYDT, et al. A practical evaluation of surge arrester placement for transmission line lightning protection [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2010,7,25(3):1742-1748.

[9]陳智,陶鳳源,周峰,張鑫.某 35kV 配電架空線路防雷保護裝置應用研究[J].電磁避雷器,2011(6):46-49.

[10]李志娟,李景祿,宋珂.關于農網35kV線路防雷措施探討[J].電磁避雷器,2007(5):39-42.

[11]陳維江,孫昭英,李富國.110kV和220kV架空線路并聯間隙防雷保護研究[J].電網技術,2006,30(13):70-75.