雷電高發(fā)礦區(qū)防雷解決方案探討

盧建寶

（永安煤業(yè)有限責(zé)任公司 福建永安 365000）

0 引言

永安煤業(yè)公司廣平礦區(qū)35 kV 變電所及礦井10 kV 架空線路地處高山、雷電高發(fā)區(qū)，每年的雷雨季節(jié)，雷擊現(xiàn)象極為嚴(yán)重，而其地壤結(jié)構(gòu)又不好，土壤電阻率約為2 000 Ω·m，以至整個供電系統(tǒng)接地電阻值高居不下。設(shè)備及變壓器的運(yùn)行存在嚴(yán)重的安全隱患，長期困擾著礦區(qū)供電的安全運(yùn)行。打雷時經(jīng)常引起饋線跳閘，給礦井的生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的安全隱患。

1 礦區(qū)防雷存在的主要問題

礦區(qū)地處高山，井田地貌總體以中低山剝蝕構(gòu)造地形為主，供電線路山峰與山谷落差大，山脈多呈北東走向，溝谷切割較深。礦區(qū)建設(shè)時考慮征地等原因，礦區(qū)35 kV 及礦井10 kV架空線路大多數(shù)從半山腰地勢高、空曠的地方經(jīng)過，變電所周邊土壤電阻率大。

礦區(qū)屬于雷電高發(fā)地區(qū)，雷電活動造成變電所饋線跳閘頻繁。礦井10 kV 架空線是雷電重災(zāi)區(qū)，每次打雷基本都跳閘。雷電活動季節(jié)，通過礦區(qū)巡查和雷擊影響范圍看，礦區(qū)建、構(gòu)筑物避雷設(shè)施較為完善，較少遭到雷擊，雷電多數(shù)從線路侵入，架空線路水泥桿頭有明顯雷擊痕跡。礦區(qū)10 kV 變電所系統(tǒng)接地電阻值高，為7.5 Ω。線路上的土壤接地電阻率大，避雷器接地電阻值居高不下。沿線按設(shè)計布設(shè)的避雷器較少，10 kV 架空線路無專門的避雷線。除線路進(jìn)出線桿外，地勢高及空曠處未安裝避雷器。礦區(qū)地面變電所安裝了避雷網(wǎng)（帶）、避雷針，地面變壓器母線排在2020 年安裝了HY5WS 配電型避雷器。線路上的未到更換周期損傷的避雷器不易被發(fā)現(xiàn)。對更換下來的避雷器逐個進(jìn)行耐壓試驗發(fā)現(xiàn)，地面變進(jìn)線Ⅰ回進(jìn)線桿、排矸線、二采區(qū)+315Ⅰ、Ⅱ回進(jìn)線桿共5 個避雷器耐壓不足，泄漏電流偏大，避雷器內(nèi)部均受不同程度的損傷，但在非雷雨季節(jié)線路運(yùn)行正常［1］。

2 雷電活動規(guī)律及架空線路雷害形成過程

2.1 雷電活動規(guī)律

雷電活動劇烈程度與不同地區(qū)、地理位置和土壤電阻率、建（構(gòu)）筑物形狀有關(guān)［2］。熱而潮濕的地區(qū)比冷而干燥的地區(qū)雷電活動多；山區(qū)雷電活動多于平原；土壤電阻率突變的地方（如巖石和土壤、山坡和稻田交界）以及地下埋有導(dǎo)電礦藏（金屬礦、鹽礦）的地區(qū)易受雷擊；巖石山或土壤電阻率大、接地電阻大的桿塔易受雷擊；地面突出物容易被雷電擊中，架空線路對地高的地方易受雷擊；架空輸電線路越長，遭受雷擊頻率越大。

2.2 架空線路雷害形成過程

架空線路雷害的形成通常要經(jīng)歷以下過程，即：線路受到雷電過電壓的作用—線路發(fā)生閃絡(luò)—線路形成工頻續(xù)流—線路跳閘中斷供電。因此，防范雷害形成可以從4 個方面著手：①采取沿線路裝設(shè)避雷線等防雷措施，使輸電線路不遭受直擊雷；②采取加強(qiáng)線路絕緣、降低桿塔的接地電阻、在導(dǎo)線下方架設(shè)耦合地線等措施，使輸電線路遭受雷電后絕緣不發(fā)生閃絡(luò)；③采用消弧線圈接地方式、在線路上安裝避雷器等，使輸電線路發(fā)生閃絡(luò)后不建立穩(wěn)定的工頻電弧；④裝設(shè)自動重合閘、雙回路線路采用不平衡絕緣方式等措施，使輸電線路建立工頻電弧后不會中斷供電系統(tǒng)［3］。

3 架空線路雷害影響因素分析

3.1 架空線路耐雷水平分析

耐雷水平是指雷擊架空線路時，不致使線路絕緣發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流幅值。耐雷水平與不同桿頭型式、桿塔接地電阻、線路絕緣子、桿塔高度、檔距和雷電波形等因素有關(guān)，不同桿塔、線路都不一樣。有關(guān)研究表明：10 kV 配電線路的耐雷水平普遍較低，影響線路耐雷水平的主要因素是桿塔接地電阻和線路絕緣子雷電沖擊放電電壓，而桿塔高度和雷電流波前時間對耐雷水平的影響相對較小［4］。

3.2 架空線路雷害事故原因分析

雷害形成的原因是多方面的，影響因素也比較多，其中輸配電線路雷害的形成與架空線路的耐雷水平有很大關(guān)系。導(dǎo)致雷害形成的原因主要有6 個：①線路絕緣水平低，絕緣子片數(shù)不夠或未及時更換絕緣子串中有低值或零值絕緣子；②帶電部分對地間隙不夠，這其中包括桿塔、橫擔(dān)、樹木、房屋等；③桿塔或避雷器的接地電阻過大或接地不良，雷擊時不能有效地泄漏雷電流；④避雷器或線路絕緣子耐壓不足，線路導(dǎo)線與桿塔構(gòu)件、拉線之間的最小間隙不符合要求，避雷水平下降；⑤線路相互交叉跨越距離不夠，當(dāng)輸電線路互相交叉或跨越電壓較低線路時，上方導(dǎo)線與下方導(dǎo)線應(yīng)保持一定距離，如果距離不夠則容易在交叉點(diǎn)發(fā)生閃絡(luò)；⑥線路位于雷擊活動強(qiáng)烈區(qū)，易受重復(fù)雷擊，產(chǎn)生較大的破壞力［5］。

4 礦區(qū)防雷采取的措施

4.1 合理布置接地網(wǎng)

接地電阻的大小不僅與土壤電阻率有關(guān)，還與接地網(wǎng)的尺寸、形狀、接地金屬的材料、橫截面大小等因素密切相關(guān)。根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)有土質(zhì)和土壤構(gòu)造，以深埋接地極、多支外引式接地裝置來擴(kuò)大接地網(wǎng)面積、采用接地模塊和降阻劑、伸長水平接地體等方法來降低接地電阻。變電所接地要以敷設(shè)水平接地體為主、水平接地和垂直接地相結(jié)合的人工接地網(wǎng)。人工接地網(wǎng)頂部埋深0.8 m；水平接地體的間距采用5 m～10 m，變電所實測接地電阻要求小于4 Ω，避雷器接地電阻不應(yīng)大于10 Ω。如接地電阻不滿足要求時，可以在接地極增加一些降阻劑來改變周邊土壤導(dǎo)電屬性降低接地電阻。還可以做外引接地網(wǎng)，外引接地網(wǎng)與主接地網(wǎng)間應(yīng)有2 處以上的連接線，外引接地網(wǎng)及外引接地線的深度為頂部埋深的1.5 m。水平接地體宜采用鍍鋅扁鋼側(cè)埋，垂直接地體采用等邊鍍鋅角鋼或相同截面的鍍鋅鋼管，長度應(yīng)不小于2.5 m，打入地下進(jìn)行深埋。

4.2 提高架空線路的防雷措施

（1）電力線路的絕緣配合。根據(jù)礦區(qū)架空線路和已有桿塔構(gòu)件，對10 kV 線路的絕緣子進(jìn)行檢查，對不合格的針式絕緣子和瓷橫擔(dān)絕緣子進(jìn)行更換和整改。經(jīng)過污穢地區(qū)的架空線路建議采用防污絕緣子，增加耐張絕緣子串的絕緣子數(shù)量，并保證線路導(dǎo)線與桿塔構(gòu)件、拉線之間的最小間隙不小于表1的數(shù)值［2］，提高架空線路整體絕緣水平。

表1 導(dǎo)線與桿塔構(gòu)件、拉線之間的最小間隙

（2）增設(shè)架空線路避雷器組。礦區(qū)變電所高壓架空線的進(jìn)出線經(jīng)常遭受雷擊而跳閘，35 kV 線路裝有避雷線，對防雷起到比較好的效果。礦井10 kV 架空線無專門的避雷線，根據(jù)近幾年來雷擊特點(diǎn)和范圍，在原有變電所進(jìn)出線桿安裝有避雷器的基礎(chǔ)上，對線路地勢高、空曠處或有被雷擊水泥桿增設(shè)安裝氧化鋅避雷器。

（3）完善架空線路桿塔的接地裝置。在多雷區(qū)，6 kV 及以上無避雷線的線路鋼筋混凝土桿接地根據(jù)土壤構(gòu)造采用不同的接地方式，對于土壤電阻率較高的地點(diǎn)，可采用6～8 根的放射形接地極或采用連續(xù)伸長接地極。放射形接地極可采用長短結(jié)合的方式。接地極的埋設(shè)深度不宜小于0.3 m。放射形接地極每根的最大長度，應(yīng)滿足表2 的要求［2］。

表2 放射形接地極每根的最大長度

4.3 完善變電所防雷電感應(yīng)的接地裝置

鑒于礦區(qū)變電所的主體建筑在地勢較高的半山腰，礦區(qū)年平均雷暴日>15 d/a，變電所除了按第三類建筑物的防雷在房屋設(shè)計時架設(shè)避雷針和避雷帶，還應(yīng)將建筑物內(nèi)的設(shè)備、管道、構(gòu)架等主要金屬物就近接到防雷裝置或共用接地裝置上。防雷電感應(yīng)的接地裝置，其接地電阻不應(yīng)>10 Ω。屋內(nèi)接地干線與防雷電感應(yīng)接地裝置的連接，不應(yīng)少于2 處。

4.4 增設(shè)配電電涌保護(hù)器防雷電反擊

為防止雷電流流經(jīng)引下線和接地裝置時產(chǎn)生的高電位對附近金屬物或電氣和電子系統(tǒng)線路的反擊，可以在低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處裝設(shè)Ⅰ級試驗的電涌保護(hù)器，以及配電變壓器設(shè)在建筑物內(nèi)或附設(shè)于外墻處，并在低壓側(cè)配電屏的母線上裝設(shè)Ⅰ級試驗的電涌保護(hù)器。電涌保護(hù)器每一保護(hù)模式的沖擊電流值，按下式計算［當(dāng)電源線路無屏蔽層時按式（1）計算，當(dāng)有屏蔽層時按式（2）計算］［2］。

式中：I 為雷電流，kA，取100 kA；n 為地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總和，km；m 為需要確定的那一回線路內(nèi)導(dǎo)體芯線的總數(shù)；Rs為屏蔽層或鋼管每千米的電阻，Ω/km；Rc為芯線每千米的電阻，Ω/km。

4.5 定期對線路及其避雷器耐壓試驗

該礦區(qū)10 kV 高壓架空線路有地面變進(jìn)線Ⅰ回、Ⅱ回，排矸線、二采區(qū)風(fēng)井Ⅰ回、Ⅱ回，共2 路進(jìn)線3 路饋出線均使用架空線路。其中排矸線從+390 變電所906 高壓開關(guān)柜饋出，架線長度為700 m。二采風(fēng)井線+390 變電所907、908 高壓開關(guān)柜饋出，架線長度均為2 700 m。3 條架空線均經(jīng)過排矸山厚樸林，厚樸林又為雷電易發(fā)區(qū)。線路絕緣或避雷器損傷情況不易巡查的情況下，采用直流高壓發(fā)生器對線路及其避雷器進(jìn)行定期耐壓試驗。

（1）通過接地?fù)u表先檢測接地電阻是否符合要求。

（2）當(dāng)接地電阻均符合要求時，用直流高壓發(fā)生器查看泄漏電流，若出現(xiàn)晴天三相間的泄漏電流平衡或偏差較小，雨天潮濕天氣時的三相間的泄漏電流不平衡系數(shù)>2 時，線路又無其它障礙物的，可以初步判定應(yīng)該是避雷器或線路絕緣子耐壓不足。

（3）當(dāng)三相間的泄漏電流平衡，還發(fā)生打雷頻繁跳閘，則可懷疑放電電流達(dá)不到要求，則需增加避雷器組，增加雷電大電流的釋放點(diǎn)。

4.6 采用避雷器監(jiān)測裝置實現(xiàn)在線監(jiān)測

JCQ 系列避雷器在線監(jiān)測串聯(lián)在避雷器的接地回路上，以記錄避雷器動作次數(shù)和實時在線監(jiān)測避雷器泄漏電流的變化情況。根據(jù)漏電流的變化情況，及時判斷避雷器運(yùn)行過程中因內(nèi)部受潮或機(jī)械缺損等造成的異常情況。監(jiān)測器投入運(yùn)行后，電氣值班人員可以巡回監(jiān)視并定期抄錄電流表的讀數(shù)，一般要求泄漏電流比初始值增大20%以上時，應(yīng)立即引起注意并加強(qiáng)監(jiān)視；增大50%以上時，應(yīng)立即查明原因后作出處理。通過避雷器的在線監(jiān)測裝置來監(jiān)視避雷器受雷擊次數(shù)和損傷情況，及時掌握避雷器完好情況，對不合格或內(nèi)部有損傷的避雷器進(jìn)行更換，從而提高供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

5 結(jié)語

通過雷電高發(fā)礦區(qū)受雷電影響造成的饋線頻繁跳閘原因及其存在影響因素和問題分析，在礦區(qū)10 kV 架空線路現(xiàn)有避雷設(shè)施的基礎(chǔ)上采取了一系列防雷措施，有效地解決了礦區(qū)受雷擊頻繁影響問題，在實際防雷過程中取得了很好的效果。本人認(rèn)為重要的是：要做好防雷設(shè)施的日常維護(hù)，定期檢查和檢測防雷設(shè)施，對防雷措施進(jìn)一步持續(xù)改進(jìn)，才能保持礦區(qū)防雷成效。