煤礦供電系統(tǒng)防雷技術(shù)改造研究

杜鵬程

（西山煤電集團(tuán)東曲礦，山西 太原 030200）

1 煤礦供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

西山煤電東曲礦供電系統(tǒng)是由35kV變電所引出的10kV供電出現(xiàn)，負(fù)責(zé)向各個(gè)部門提供電能。35kV變電站需要自臨近的兩座35kV變電站引入，并同時(shí)向兩回35kV供電線路供電。該變電站內(nèi)的兩臺(tái)主變變壓器在出線過(guò)程中實(shí)施兩回同時(shí)供電形式，利用母聯(lián)開(kāi)關(guān)完成連接，通過(guò)這種方式，即便35kV主變變壓器在進(jìn)線或出線的任何回路停電，另一回路仍可繼續(xù)完成供電任務(wù)，這也形成了煤礦供電系統(tǒng)運(yùn)行持續(xù)性的保障。煤礦供電系統(tǒng)接線圖見(jiàn)圖1。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)接線圖

2 煤礦供電系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

2.1 輸電線路絕緣設(shè)計(jì)的不足

山西省大部分煤礦在設(shè)計(jì)輸電線路防雷保護(hù)的過(guò)程中，為了防止因雷擊導(dǎo)致的跳閘事故，加之缺乏精確的計(jì)算，通常將輸電線路的絕緣強(qiáng)度設(shè)定在絕緣子之下。本研究所調(diào)研的東曲礦在對(duì)35kV線路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，選用了型號(hào)為XWP-70的懸掛絕緣子4片。

通過(guò)對(duì)以上絕緣子進(jìn)行了U50%沖擊擊穿實(shí)驗(yàn)，將每片絕緣子的擊穿電壓設(shè)定為100kV，將4片絕緣子串聯(lián)的擊穿電壓設(shè)定為420kV。根據(jù)電力規(guī)程可知，主變變壓器的耐壓水平約為200kV，雷電流的電壓幅值介于200kV～420kV之間，若雷擊事故發(fā)生，雷電的電壓值低于絕緣子的閃絡(luò)臨界值，絕緣子不動(dòng)作，雷電流會(huì)沿著輸電線路傳送至主變變壓器，這也容易導(dǎo)致主變變壓器因瞬時(shí)電壓過(guò)大而燒壞。嚴(yán)重的甚至?xí)谧儔浩麟姶鸥袘?yīng)的作用下，于低壓側(cè)產(chǎn)生較高過(guò)電壓，導(dǎo)致二次系統(tǒng)設(shè)備被燒壞。

2.2 變壓器防雷設(shè)計(jì)的不足

目前，部分煤礦在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)的過(guò)程中，為了最大限度節(jié)約成本，只關(guān)注到對(duì)主變變壓器的過(guò)電保護(hù)，將避雷器安裝在變壓器的高壓側(cè)，并未認(rèn)識(shí)到在電磁感應(yīng)作用下，變壓器高壓側(cè)的過(guò)電壓可能會(huì)傳遞到低壓側(cè)。大部分情況下，雷電過(guò)電壓在進(jìn)入變壓器前會(huì)逐級(jí)釋放，在到達(dá)高壓側(cè)時(shí)，過(guò)電壓通常在高壓側(cè)的耐壓范圍，不會(huì)對(duì)高壓側(cè)的絕緣性能產(chǎn)生影響。但低壓側(cè)的電力設(shè)備的耐壓值較低，需要利用二次低壓設(shè)備完成對(duì)感應(yīng)帶過(guò)電壓的釋放，從而起到良好的過(guò)電壓防護(hù)效果。

主變變壓器在設(shè)計(jì)接地裝置的過(guò)程中，只是將一圈均壓環(huán)加裝在變壓器處，并未對(duì)其進(jìn)行特殊的沖擊優(yōu)化。變壓器通常位于一次和二次的交界處，在雷擊事故發(fā)生的同時(shí)，在交界處會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，若不能利用相關(guān)設(shè)備使過(guò)電壓得到充分釋放，不僅會(huì)損害變壓器的絕緣性能，也會(huì)威脅到二次設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 煤礦供電系統(tǒng)的防雷改造措施

3.1 線路保護(hù)間隙的完善

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該煤礦的輸電線路絕緣設(shè)計(jì)存在明顯不足。結(jié)合對(duì)絕緣子U50%沖擊擊穿實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，受絕緣子片數(shù)過(guò)多的影響，雷擊事故所產(chǎn)生的過(guò)電壓無(wú)法在第一時(shí)間得到釋放是導(dǎo)致設(shè)備被燒壞的主要原因。因此，應(yīng)將絕緣子進(jìn)行并聯(lián)，形成保護(hù)間隙，結(jié)合線路電壓等級(jí)對(duì)保護(hù)間隙的距離進(jìn)行合理設(shè)定，使二者之間能夠相互配合，利用保護(hù)間隙釋放過(guò)電壓，防止巨大雷電流沿輸電線路進(jìn)入主變變壓器，燒壞設(shè)備。通過(guò)對(duì)保護(hù)間隙進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 保護(hù)間隙沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 可調(diào)式保護(hù)間隙安裝圖

無(wú)論是針對(duì)不同電壓等級(jí)的輸電線路，還是針對(duì)保護(hù)間隙，在對(duì)保護(hù)間隙的距離進(jìn)行調(diào)整前，需要將沖擊試驗(yàn)結(jié)果作為參考依據(jù)，合理設(shè)定保護(hù)間隙的距離，隨后完成安裝工作。圖2為可調(diào)式保護(hù)間隙安裝圖。

3.2 變壓器防雷的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)接地進(jìn)行沖擊優(yōu)化以及在高壓側(cè)安裝避雷器是本次對(duì)變壓器防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要措施。現(xiàn)階段，許多煤礦僅僅將避雷器安裝在變電站的高壓側(cè)，原因是雷電產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)沿著輸電線路進(jìn)入主變變壓器，在此過(guò)程中若能夠?qū)旊娋€路加以避雷保護(hù)，過(guò)電壓會(huì)逐級(jí)釋放，不會(huì)傳遞到低壓側(cè)。但相關(guān)事故表明，一次側(cè)產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)在電磁感應(yīng)的作用下傳遞至二次側(cè)，燒毀二次設(shè)備。例如，山西煤礦集團(tuán)2014年低壓開(kāi)關(guān)柜被燒毀的原因是未在低壓側(cè)設(shè)置避雷器。實(shí)踐研究證實(shí)，雷擊事故發(fā)生時(shí)，在地電位的反擊作用下，也會(huì)產(chǎn)生巨大的過(guò)電壓，若不能借助于避雷器釋放過(guò)電壓，極容易導(dǎo)致設(shè)備燒毀事件的發(fā)生。因此，需要在高壓側(cè)和低壓側(cè)同時(shí)安裝避雷器，并確保至少一點(diǎn)接地。低壓側(cè)安裝避雷器示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 低壓側(cè)安裝避雷器示意圖

圖4 變壓器基地的沖擊優(yōu)化

在對(duì)主變變壓器實(shí)施局部沖擊優(yōu)化的過(guò)程中，需要在原有接地的基礎(chǔ)上，結(jié)合主變變壓器的地理位置，增設(shè)均壓環(huán)。通常情況下，35kV的主變位于外部，具有良好的空地條件，方便對(duì)其進(jìn)行沖擊優(yōu)化（見(jiàn)圖4）。本研究將扁鋼作為變壓器沖擊的主要工具，圖中的黑點(diǎn)代表垂直接地體，采用高效膨潤(rùn)土對(duì)垂直接地體和扁鋼實(shí)施包裹，各個(gè)煤礦可根據(jù)自身實(shí)際需要，適當(dāng)增加沖擊優(yōu)化的范圍，借助于扁鋼連接均壓環(huán)與變電站主接地網(wǎng)，促進(jìn)雷電流的充分釋放，確保供電系統(tǒng)在雷電流發(fā)生時(shí)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

4 仿真分析

4.1 輸電線路保護(hù)間隙的仿真分析

運(yùn)用電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)煤礦輸電線路保護(hù)間隙過(guò)電壓的保護(hù)效果進(jìn)行仿真分析，根據(jù)歷史雷電流值，將雷電模擬電流設(shè)定在100kA，直擊輸電線路B相，運(yùn)用電壓探針檢測(cè)輸電線路的過(guò)電壓，模擬仿真電路圖見(jiàn)圖5。

圖5 模擬仿真電路

圖5 的模擬仿真電路對(duì)B相進(jìn)行雷電直擊基于未增設(shè)保護(hù)間隙的情況下，所測(cè)得的高壓側(cè)電壓幅值和低壓側(cè)電壓幅值波形圖分別見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 高壓側(cè)過(guò)電壓波形圖

圖7 低壓側(cè)過(guò)電壓波形圖

結(jié)合對(duì)圖6和圖7的分析可以獲悉，基于未安裝保護(hù)間隙的條件下，高壓側(cè)過(guò)電壓最高值約為300kV，超出耐壓范圍，但未超過(guò)絕緣子的閃絡(luò)臨界值，因而不會(huì)對(duì)地放電，而會(huì)進(jìn)入變壓器，對(duì)其絕緣性能造成威脅，甚至?xí)?dǎo)致變壓器被燒毀。低壓側(cè)過(guò)電壓的最大值約為100kV，但由于二次低壓設(shè)備的耐壓性能和絕緣等級(jí)較低，極容易損壞二次設(shè)備，對(duì)變電站運(yùn)行構(gòu)成威脅。

結(jié)合對(duì)保護(hù)間隙的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為應(yīng)在變壓器高壓側(cè)加裝保護(hù)間隙，根據(jù)輸電線路的絕緣等級(jí)，確定動(dòng)作值為180kV。圖8和圖9結(jié)果顯示，在完成保護(hù)間隙的設(shè)定會(huì)，高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓幅值分別為35kV到100kV之間，處于安全絕緣范圍。

圖8 加裝間隙高壓側(cè)過(guò)電波形圖

圖9 加裝間隙低壓側(cè)過(guò)電波形圖

4.2 低壓側(cè)避雷器防雷的仿真分析

在加裝保護(hù)間隙的基礎(chǔ)上，在低壓側(cè)加裝避雷器，將避雷器的導(dǎo)通電壓值設(shè)定為10kV。圖10顯示，加裝避雷器后，低壓側(cè)的過(guò)電壓幅值為15kV，相比較于仿真結(jié)果，降低約19kV，表明避雷器的使用形成了對(duì)二次設(shè)備的有效保護(hù)。

圖10 避雷器保護(hù)電壓波形圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究主要分析了某煤礦現(xiàn)有供電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)的不足，主要為變壓器防雷設(shè)計(jì)以及絕緣子串設(shè)計(jì)的缺陷，提出實(shí)施保護(hù)間隙、在低壓側(cè)加裝避雷器等措施，通過(guò)進(jìn)行仿真分析可知，以上措施的施行，既能夠解決絕緣子串誤用的問(wèn)題，又能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雷擊過(guò)電壓的有效防護(hù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該煤礦供電系統(tǒng)的整體優(yōu)化。