煤礦供電系統防雷改造研究

黃友華，方夢鴿

(1．廣東電網韶關大江南輸變電工程有限公司，廣東 韶關 512000；2．長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410000)

煤礦供電系統防雷改造研究

黃友華1，方夢鴿2

(1．廣東電網韶關大江南輸變電工程有限公司，廣東 韶關 512000；2．長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410000)

針對目前煤礦供電系統存在的防雷缺陷及問題，結合山西某煤礦，通過對煤礦供電系統現有的防雷措施及可能存在的防雷缺陷進行調研和研究，發現煤礦供電系統存在輸電線路絕緣子串誤用以及變壓器低壓側缺少雷電過電壓防護措施等問題。提出了在輸電線路上加裝保護間隙、變電站變壓器低壓側加裝避雷器并進行接地優化的改造措施，在實驗室采用電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP對加裝保護間隙以及避雷器的防護效果進行仿真研究，研究結果表明該措施在雷電過電壓上有很好的防護效果，不僅保證了供電系統的穩定，而且對于整個煤礦的安全運行提供了可靠保障。

煤礦供電系統；保護間隙；避雷器

1 某煤礦供電系統介紹

某煤礦整個供電系統是由自身35 kV變電站引出10 kV供電出線，給煤礦各個部門進行供電。礦內35 kV變電站需要就近從兩座35 kV變電站進行引入，由兩回35 kV輸電線路同時供電。礦內35 kV變電站兩臺主變變壓器在出線時采用兩回同時供電，中間用母聯開關進行連接，這樣無論是35 kV兩臺主變變壓器進線還是出線的任何一回路出線發生停電事故，另外一回路能夠及時供電，以保證煤礦供電系統的正常運行。該煤礦供電系統接線圖如圖1所示。

圖1 某煤礦供電系統接線圖

2 煤礦供電系統問題分析

2.1 線路絕緣配合存在問題

該煤礦所在省大部分煤礦在設計輸電線路防雷保護時，由于沒有經過精確計算，同時為了減少雷擊跳閘率，往往在設計輸電線路絕緣子時使絕緣子的強度高于輸電線路的絕緣強度。該煤礦在設計自身35 kV線路時，絕緣子采用的是4片型號為XWP-70懸式絕緣子。

在實驗室進行絕緣子U50%沖擊擊穿試驗，每一片絕緣子的U50%試驗擊穿電壓為100 kV，四片絕緣子串聯進行試驗擊穿電壓達到420 kV。按照電力規程，35 kV變電站主變變壓器耐壓水平為200 kV左右，一旦發生雷擊輸電線路事故，雷電流的電壓幅值往往高于200 kV，但是低于420 kV。在發生雷擊事故時由于電壓值還沒有達到絕緣子的閃絡臨界值，絕緣子不動作。這將導致強大的雷電流沿著輸電線路傳遞到35 kV變電站的主變變壓器，導致主變變壓器產生強大的過電壓而燒壞變壓器。嚴重時由于變壓器的電磁感應，在低壓側將產生很高的過電壓，由于二次系統的耐壓水平比較低，將會燒壞二次系統的設備[1-3]。

2.2 變壓器防雷缺陷

在很多煤礦電力系統設計時為了節省成本，往往只會在變壓器高壓側安裝避雷器，僅僅考慮了雷電流經過輸電線路傳遞到變壓器進行保護，而沒有考慮在變壓器電磁感應作用下傳遞到低壓的過電壓。很多情況下，雷電過電壓在進到變壓器之前經過逐級遞減，在達到高壓測時已經將過電壓釋放在高壓側的耐壓范圍內，將不會影響高壓側的絕緣，但是由于變壓器低壓側的電力設備都是測量和控制用，一般的耐壓值很低，如果不能把感應帶低壓側的過電壓進行釋放將會傳遞到二次低壓設備上[4-6]，因此必須對變壓器低壓側的過電壓進行防護。

變電站主變變壓器接地缺乏相應的沖擊優化，在設計變壓器接地時只是在變壓器周邊增設一圈均壓環，沒有做特殊的接地優化。變電站變壓器是一次和二次的臨界處，一旦發生雷擊事故，將在變壓器處產生很高的過電壓，如果不能及時釋放這個過電壓，這個過電壓不僅對變壓器產生很大的絕緣影響，而且將對二次產生很大的威脅。

3 改造措施研究

3.1 線路保護間隙研究

由于輸電線路等級與絕緣子的絕緣配合存在問題，根據實驗室對絕緣子進行U50%的沖擊電壓試驗，得出線路絕緣子片數使用過多，在發生雷擊事故時無法進行正常的釋放而導致設備的燒毀。因此，在絕緣子兩端并聯保護間隙，調節保護間隙的間隙距離，使得線路的電壓等級與保護間隙相互配合，在雷電事故發生時能夠正常的通過間隙的釋放而不會導致雷電流沿著輸電線路傳輸到煤礦變電站主變變壓器，根據實驗室對保護間隙進行沖擊試驗得出以下間隙距離與過電壓的關系，如表1所示。

表1 保護間隙試驗數據

表1是對保護間隙進行的沖擊試驗數據，無論是對保護間隙，還是對不同電壓等級線路，在對保護間隙進行調節安裝之前都必須對其進行沖擊試驗得出保護間隙的間隙距離，然后進行安裝。可調式保護間隙安裝示意圖如圖2所示。

圖2 可調式保護間隙安裝示意圖

3.2 變壓器的改造防護

變壓器的改造防護包括兩部分：變壓器的高壓側安裝避雷器；對變壓器接地的沖擊優化。

大部分煤礦沒有在變壓器高壓側安裝避雷器。因雷電過電壓產生主要是雷擊輸電線路，強大的雷電流沿著輸電線路逐級傳播到變電站主變變壓器，導致產生強大過電壓，但是在輸電線路的保護以及進線段的保護后將只是在高壓側產生過電壓，在高壓側避雷器的作用下釋放掉，不會產生到變壓器低壓側。但是現在很多事故已經表明，由于一次側產生的過電壓通過變壓器的電磁感應傳遞到二次側產生過電壓造成二次設備燒毀，比如2014年山西煤礦集團下礦井公司的低壓開關柜燒毀以及監測平臺被打壞。經過相應研究發現，雷擊變電站內部由于地電位的反擊將在變壓器低壓側產生很高過電壓[7]，如果低壓側沒有避雷器不能及時釋放掉過電壓，將通過變壓器的正逆變換在高壓側感應很高的過電壓，對高壓側電器設備進行燒毀。因此，變壓器低壓側必須安裝避雷，并且高低壓側的避雷器必須一點接地，具體接線如圖3所示。

圖3 低壓側安裝避雷器

對變電站的主變變壓器，接地要進行局部沖擊優化。所謂的局部沖擊優化就是在原來接地的基礎上，輔助幾圈均壓環。均壓環的設置要根據主變變壓器的地理位置以及其空地而定。一般變電站35 kV的主變都是位于變電站外部，因此有足夠的空地對其進行局部沖擊優化。變壓器基地沖擊優化如圖4所示。

圖4 變壓器基地沖擊優化

圖4中，變壓器基地沖擊用的是扁鋼，黑點是垂直接地體，對于扁鋼和垂直接地體同時采用高效膨潤土進行包裹。各個煤礦根據實際情況可以適當的增大優化面積，同時把沖擊優化的均壓環通過扁鋼與變電站主接地網進行連接，增大雷電流釋放系數，一旦發生雷電過電壓能夠通過接地迅速釋放，從而保證整個供電系統的穩定運行。

4 仿真分析

4.1 保護間隙仿真效果

采用電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP對煤礦輸電線路加裝保護間隙進行雷擊線路過電壓的保護效果進行仿真。雷電模擬發生器輸出電流100 kA(該雷電流根據歷史累計入地電流的值進行設計)，對輸電線路B相進行直擊，通過仿真軟件電壓探針對輸電線路過電壓進行檢測。模型仿真電路如圖5所示。

圖5 模擬仿真電路

圖5是輸電線路在沒有增設保護間隙的條件下對其B相進行雷電直擊，分別測試變壓器高低壓側過電壓的幅值。沒有安裝保護間隙高低壓側過電壓波形圖如圖6和圖7所示。

圖6 高壓側過電壓波形

圖7 低壓側過電壓

從圖6和7 可以看出，在沒有安裝保護間隙的情況下變壓器高壓側過電壓高達300 kV，超過允許范圍值200 kV，但是沒有達到絕緣子串的閃絡電壓臨界值400 kV。因此，該過電壓不會通過線路絕緣子串對地進行放電，而是沿著輸電線路傳播到變壓器，對變壓器造成一定的絕緣損害，嚴重時燒毀變壓器。而對于低壓側，過電壓值達到100 kV左右，對于變壓器低壓側所連接的二次低壓設備，由于其絕緣等級都比較低，因此很容易造成二次設備的損壞，嚴重時影響到整個變電站的運行。

對保護間隙的效果進行研究，在輸電線路與變壓器高壓側之間加裝保護間隙，并把保護間隙的動作值設定為180 kV(根據線路的絕緣水平為200 kV)。加裝保護間隙的仿真電路見圖8。

圖8 加裝間隙仿真電路

同時，對變壓器高低壓側過電壓進行檢測，檢測結果如圖9和圖10所示。

圖9 加裝間隙高壓側過電壓波形

圖10 加裝間隙低壓側過電壓波形

從圖9和圖10可知，加裝保護間隙后高低壓測得電壓幅值分別為100 kV和35 kV左右，對于高壓側已經達到安全的絕緣水平范圍內，對于低壓側過電壓降低幅度很大。

4.2 變壓器低壓側避雷器防雷仿真效果

在間隙仿真模型基礎上在變壓器低壓側加裝避雷器，避雷器的導通電壓值為10 kV，仿真電路見圖11。加裝避雷器低側的過電壓波形見圖12。

圖11 避雷器仿真電路

圖12 避雷器保護電壓波形

圖12是加裝避雷器后變壓器低壓側過電壓的波形，過電壓幅值為15 kV左右。仿真得到的過電壓幅值達到35 kV，降低了19 kV，對于變壓器低壓側二次設備有很大的保護效果。

5 結語

本文對某煤礦供電系統存在的防雷缺陷及誤區進行分析，主要包括絕緣子串設計以及變壓器的防護設計等問題，采用了在保護間隙進行線路保護以及在變壓器低壓側加裝避雷器等措施。通過仿真軟件構建模擬電路進行防護效果研究，仿真結果表明，該防護措施不僅能夠補償該煤礦絕緣子串的誤用，而且對雷擊過電壓有很好的防護效果，提高了整個煤礦的供電系統穩定性。

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HU Haize, RONG Zhanpeng, ZHAO Jun, et al. Lightning protection for substation secondary system[J].Power & Energy, 2015, 36(4): 512-515.

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HUANG Qingshe, XU Ben, PENG Liqiang, et al. Research on lighting protection of 10 kV overhead insulated distribution lines[J]. High Voltage Apparatus , 2010, 46(12): 32-35.

[4]朱健強. 配電系統的防雷保護[D].廣州：華南理工大學,2010.

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HU Haize, WANG Lin, RONG Zhanpeng, et al. Analysis of 10 kV transformer lightning fault distributing net[J]. Transformer, 2015, 52(10): 68-72.

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(本文編輯：趙艷粉)

Lightning Protection Transformation of Colliery Power Supply System

HUANG Youhua1, FANG Mengge2

(1. Guangdong Shaoguan Dajiangnan Power Transmission and Transformation Co., Ltd., Shaoguan 512000, China; 2. School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410000, China)

In view of the current lightning protection defects and problems of coal mine power supply system, this paper made investigation and research on the lightning protection defects and problems of coal mine power supply system in a mine of Shanxi Province. The misuse of the transmission line insulator string and the lack of lightning voltage protection in the low voltage side of the transformer were found. It was suggested to install the protection clearance on the transmission line, mount lightning arrester on the low voltage side of transformer and make the grounding optimized renovation. In the laboratory, the simulation research was conducted on effects of the installed lightning protection clearance and arrestor by using ATP-EMTP electromagnetic transient simulation software. The research results show that the measures have very good protection effect on lightning overvoltage, not only guaranteeing the stability of the power supply system, and providing a credible guarantee for the safety of the coal mining operation.

colliery power supply system; protection clearance; lightning arrester

10.11973/dlyny201703024

黃友華(1987—)男，工程師，從事電氣試驗技術工作。

TM861

A

2095-1256(2017)03-0327-05

2017-03-13