煤礦供電系統(tǒng)避雷性能改進

何金龍

（晉能集團四通煤業(yè)，山西臨汾 041000）

0 引言

隨著煤礦資源的大量開采，煤礦的作業(yè)安全直接關系到作業(yè)人員及井下作業(yè)的安全性。煤礦供電系統(tǒng)運行的好壞，將會對井下設備的運行效率及企業(yè)的經(jīng)濟收入產(chǎn)生重要影響。供電系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，將會使井下設備處于無法正常運行或停機運行狀態(tài)，最終會造成井下通風情況出現(xiàn)不順暢、瓦斯不斷聚集等嚴重問題，嚴重威脅井下作業(yè)安全[1-4]。將更加先進的技術應用到供電系統(tǒng)中，已成為當下提升供電系統(tǒng)綜合性能的關鍵措施。因此，以四通煤礦供電系統(tǒng)為研究對象，針對其運行過程中出現(xiàn)的避雷性能較差問題，在對煤礦現(xiàn)場進行勘探的基礎上，采取了架設避雷線及避雷器等避雷措施，開展了提高供電系統(tǒng)避雷性能的研究分析，并對其進行了為期半年的應用統(tǒng)計。結果表明，改進后的供電系統(tǒng)具有更高的綜合性能及更長的使用壽命，能更好地滿足四通煤礦供電系統(tǒng)的使用需求，對提高煤礦供電系統(tǒng)的運行安全及企業(yè)的經(jīng)濟效益具有顯著作用。

1 供電系統(tǒng)運行時存在問題

煤礦供電系統(tǒng)在運行過程中，經(jīng)常會因使用設備短路、漏電等故障現(xiàn)象而發(fā)生不同種類的運行故障，導致了供電系統(tǒng)中電氣設備發(fā)生不同程度的損壞現(xiàn)象，繼電保護器也發(fā)生了多次跳閘現(xiàn)象，其主要故障類型包括以下幾種[5-8]。

（1）該煤礦的供電系統(tǒng)在使用過程中，由于井上架空線路的電壓及電流突然增加，導致主變壓器處的高、低壓繼電器側開開關發(fā)生了多次跳閘現(xiàn)象，間接引發(fā)變壓器出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，導致煤礦出現(xiàn)不同時間的停電現(xiàn)象，給煤礦的開采造成了重要影響。

（2）供電系統(tǒng)運行過程中會出現(xiàn)消弧現(xiàn)象，導致電壓保護柜中的熔斷器頻繁發(fā)生熔斷現(xiàn)象，并伴隨系統(tǒng)單相接地現(xiàn)象。

（3）一般在用電設備前端會配備相應的整流器、變頻器等電氣設備，而系統(tǒng)中用電設備的同時啟停，均會產(chǎn)生較大程度的電量沖擊，當沖擊電量超過整流器及變頻器的承載能力時，則會發(fā)生電氣設備的損壞現(xiàn)象。

（4）供電系統(tǒng)在使用過程中，由于用電設備的超負荷作業(yè)，加上多種用電設備同時工作，導致對供電系統(tǒng)的用電量持續(xù)增大，并在供電系統(tǒng)中伴隨大量熱量產(chǎn)生，隨著系統(tǒng)的長時間運行，將使系統(tǒng)中的電氣設備發(fā)生線路老化、熔斷等故障現(xiàn)象。

綜上分析，煤礦供電系統(tǒng)運行過程中故障現(xiàn)象的發(fā)生，將會對企業(yè)的煤礦開采量產(chǎn)生重要影響，造成重大的經(jīng)濟損失。因此，提升供電系統(tǒng)的綜合性能是當下保證煤礦生產(chǎn)效率的重點改進方向。

2 供電系統(tǒng)運行方式分析

目前，井上供電系統(tǒng)的輸入端一般為110 kV的高壓電源，通過變電站后，將其轉(zhuǎn)換為10 kV電壓，而10 kV母線采用一供一備的雙回線供電方式進行運行。變電所的供電方式一般包括兩種：一種為將用電設備直接與地面進行接觸，操作較為簡單；另一種則是將供電系統(tǒng)的出線與饋線進行連接，再與高壓設備進行供電，在此饋線上需配備10 kV的變壓器及變電所設備，以此來保證供電系統(tǒng)的運行安全性。在供電系統(tǒng)運行中，當母線通電過程發(fā)生失電故障時，執(zhí)行人工閘熱備回路方式進行開關控制，此時母線采用開關分列方式進行運行。在110 kV變電所變壓過程中，主要將負荷轉(zhuǎn)移到一根母線上，斷開另一根母線。供電系統(tǒng)采用的此種運行方式已成為當下主要的運行方式。另外，煤礦企業(yè)會根據(jù)不同類型設備的使用情況進行供電運行方式的細微調(diào)整，以此來保證供電系統(tǒng)的運行安全及運行可靠性。

3 供電系統(tǒng)防雷改造

3.1 煤礦現(xiàn)場勘探情況

四通煤礦供電系統(tǒng)在運行過程中，出現(xiàn)了供電系統(tǒng)中斷的運行故障。因此，對該煤礦進行了現(xiàn)場勘探。據(jù)考察可知，架空線上的避雷器及絕緣子出現(xiàn)了不同程度的損壞現(xiàn)象，如圖1所示。由此，對供電系統(tǒng)中變電所的值班記錄及高壓開關測控裝置中的數(shù)據(jù)記錄進行查看，整套系統(tǒng)在1個月時間內(nèi)發(fā)生了接近10次的跳閘現(xiàn)象，占全面跳閘事故的45%。其中，系統(tǒng)的電流1段用電保護動作約12次，對供電系統(tǒng)起到了較好的保護作用。同時，該煤礦中的架空線采用了三角形方式進行布局，整體具有較高的耐雷水平，而架空線路的布局相對較為平坦，容易遭受外界雷擊作用。雖在現(xiàn)有的供電系統(tǒng)中配備了避雷器及絕緣子，但由于系統(tǒng)發(fā)生了多次跳閘事故，導致所配備的電氣設備出現(xiàn)了不同程度的損壞現(xiàn)象，大大降低了供電系統(tǒng)的避雷性能，提高供電系統(tǒng)的防雷措施已成為當下提高供電系統(tǒng)綜合性能的重點內(nèi)容。

圖1 損壞的供電系統(tǒng)避雷器實物圖

3.2 架設避雷線措施

結合四通門口供電系統(tǒng)運行特點及使用中存在的問題，對其進行架設避雷線的防雷措施。其措施主要是將避雷線與大地接觸，當雷電到來時，通過避雷線將雷電傳輸至大地中進行抵消中和。鑒于避雷線采用的是與地面直接接觸，這樣可將塔桿上的電流也迅速傳遞至地面進行抵消，由此，大大提高了供電系統(tǒng)的防雷效果。同時，通過對塔桿頂部的高度、降低架空線高度兩種措施，并將設計的避雷線在全電線上進行安裝，可有效提高供電系統(tǒng)的防雷性能。另外，在避雷線安裝時，需保證其與橫擔端部邊及橫擔中部邊兩者之間的夾角控制在20°～35°范圍內(nèi)，并保證架空線的最小間距控制在1 m范圍內(nèi)，以此保證避雷線具有最佳的避雷效果。

3.3 加裝避雷器措施

結合上述分析，現(xiàn)有的避雷器在一定程度上已無法滿足當下煤礦供電系統(tǒng)的避雷防護要求。因此，需在現(xiàn)有避雷器設計基礎上加裝更多型號的避雷器。根據(jù)安裝現(xiàn)場可知，避雷器主要安裝在絕緣子旁邊，當線路中承受著較大電流時，部分電流將會沿著塔桿傳遞至地面，另一部電流則會傳遞至避雷器，最終傳遞至大地，而當電流超過避雷器的極限閥值時，避雷器因瞬間承受較大沖擊電流而將會被擊穿。避雷器的使用，將會使流經(jīng)絕緣子的電流大大降低，從而實現(xiàn)對絕緣子的有效保護。目前，避雷器的安裝方式相對較多，主要包括單相、雙相及多相等安裝方式，但不同的安裝方式將會造成不同的安裝成本。因此，針對四通煤礦的供電系統(tǒng)特點，對加裝的避雷器采用了單相方式進行安裝，可降低避雷器的成本。避雷器的安裝，大大提高了供電系統(tǒng)的耐雷水平，可有效降低雷電的電流幅值。因此，在該供電系統(tǒng)中，選用了YH5WS型避雷器，其額定電壓為17 kV，雷電擊穿電流下殘值為50，高度可達255 mm，能較好地滿足現(xiàn)有煤礦供電系統(tǒng)的避雷需求，提高整個煤礦的作業(yè)安全性。

3.4 降低桿塔接地電阻措施

當系統(tǒng)遭受雷擊時，雷電流將會擊穿避雷器傳輸至接地裝置，此時若接地電阻過大，將會產(chǎn)生較高的反擊電壓，對系統(tǒng)的運行安全構成重要影響。針對此情況，可采用降低塔桿接地處的電阻值，主要包括在接地裝置上增加降阻劑、增加接地模塊、更換土壤等措施，并對系統(tǒng)的防雷接地情況進行及時測試。因此，系統(tǒng)采用了怡佳防雷公司的TJ-03型降阻劑，該降阻劑具有使用壽命長、無污染、成本低等特點。同時，在接地電阻上增加了TJ-MK-F型接地模塊，該模塊主要由性能穩(wěn)定、導電性強的電解物、非金屬礦物、極芯等組成，而極芯則與接地電阻進行連接，增加了接地電阻的散熱面積，實現(xiàn)對接地電阻的減小作用。另外，桿塔的接地極采用Φ12 mm鍍鋅圓鋼，其間隙設置為220 mm，預埋深度增加至1.2 m，也可降低桿塔的接地電阻。由此，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)避雷性能的提升。

4 改進后效果分析

為進一步驗證上述開展的四通煤礦供電系統(tǒng)避雷性能提升設計，對其運行效果進行分析，統(tǒng)計了系統(tǒng)運行半年的使用情況。結果表明，改進后的供電系統(tǒng)在電氣及機械等方面的故障發(fā)生率得到了明顯降低，避雷器基本未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，絕緣子的使用壽命明顯提高。在整個運行過程中，供電系統(tǒng)僅發(fā)生了一次停電事故，其原因僅為電氣系統(tǒng)中其他電氣元件發(fā)生老化現(xiàn)象導致，與原有供電系統(tǒng)相比，最終使設備正常運行的時間增加了近500 h，正常運行時間提高了20%左右，保證了煤礦的正常生產(chǎn)作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，按照此運行規(guī)律，可使四通煤礦1年的產(chǎn)值提升3 500萬左右，并使電氣設備的維修費用減少250萬左右。另外，采用該供電系統(tǒng)后，大大降低了設備的運行故障率，對提高煤礦的管理水平及作業(yè)人員的安全性具有顯著作用。

5 結束語

四通煤礦現(xiàn)有供電系統(tǒng)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)短路、斷電等故障問題，其中，因雷擊導致的供電系統(tǒng)無法正常運行故障概率最為明顯，嚴重影響井下用電設備的工作效率及作業(yè)安全。隨著現(xiàn)有技術的不斷發(fā)展，將更加先進的技術應用到現(xiàn)有供電系統(tǒng)中，已成為當下煤礦企業(yè)研究的重點內(nèi)容。因此，分析了現(xiàn)有供電系統(tǒng)使用中存在的問題，通過采取架設避雷線及避雷器等改進措施，開展了供電系統(tǒng)防雷改造研究，并對其實際運行效果進行了統(tǒng)計分析。結果表明，改進后的供電系統(tǒng)具有更低的故障發(fā)生率，大大縮短了井下停電時間，提高了井下設備的運行效率和企業(yè)的經(jīng)濟效益。