趙雨晴

(長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙　410000)

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礦區(qū)配電架空線路雷電波過電壓事故分析

趙雨晴

(長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙410000)

摘要針對風(fēng)機(jī)房進(jìn)線架空線路雷電事故的問題,從差異性、精細(xì)化防雷準(zhǔn)則入手,采用進(jìn)線段保護(hù)加裝保護(hù)間隙與線路絕緣子進(jìn)行絕緣配合、降低線路避雷器接地體接地電阻以及用雙曲折防雷變壓器替代風(fēng)機(jī)房所用變壓等改造措施,使雷電流取5 mA時(shí)風(fēng)機(jī)房進(jìn)線端沖擊電壓81.33 kV降低到12.56 kV。利用暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP對線路絕緣子并聯(lián)保護(hù)間隙和線路避雷器接地電阻進(jìn)行仿真驗(yàn)證,驗(yàn)證改造措施的防雷效果。

關(guān)鍵詞雷電波;風(fēng)機(jī)房;絕緣子;避雷器;接地電阻;ATP-EMTP

雷擊是10 kV雷電線路發(fā)生事故的主要原因,對配電系統(tǒng)造成的完全可靠運(yùn)行造成了威脅。日本50%的電力系統(tǒng)故障是由雷擊引起;有關(guān)資料表明,絕緣導(dǎo)線在運(yùn)行中,其總故障為裸導(dǎo)線總故障的15.3%,故障率大幅下降;其中絕緣導(dǎo)線雷擊事故占總事故的36.8%,而雷擊斷線率為96.8%[1-6]。現(xiàn)在普遍采取的防雷措施有增加絕緣水平、安裝架空地線、安裝避雷器。避雷器有失敗的可能,會(huì)增加系統(tǒng)維修的工作量[7-8]。廣東電網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示,55.3%的雷電過電壓是因?yàn)楸芾灼魇　Ｒ騼r(jià)格昂貴,架空地線較少在中國煤礦使用,因此,研究礦區(qū)配電架空線路的防雷改造措施是必要的。

1雷擊事故原因分析

(1)10 kV輸電線路在絕緣配合上存在問題。根據(jù)絕緣子防雷動(dòng)作理論可知,當(dāng)發(fā)生雷擊輸電線路時(shí),雷電過電壓將沿著線路傳輸?shù)綏U塔處,高的雷電過電壓將首先使絕緣子動(dòng)作導(dǎo)通,使很高的雷電過電壓通過絕緣子迅速泄入大地。

根據(jù)實(shí)地勘察,山西煤礦豹子溝風(fēng)機(jī)房10 kV進(jìn)線線路桿塔上采用2片普通瓷式絕緣子,根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,2片普通瓷式絕緣子的全波雷電沖擊放電電壓通常約為210 kV。當(dāng)發(fā)生雷擊輸電線路時(shí),雷擊點(diǎn)將產(chǎn)生較高(約97 kV)的雷電過電壓[9],但這個(gè)過電壓還沒有使2片普通瓷式絕緣子動(dòng)作導(dǎo)通,因而雷電過電壓將無法通過絕緣子釋放到大地,雷電過電壓將沿著輸電線路傳遞到終端桿塔,從而傳到風(fēng)機(jī)房內(nèi)。

(2)線路避雷器接地電阻偏大。在煤礦的架空輸電線路中,由于線路桿塔大部分架設(shè)在山坡上,土質(zhì)多為黃土,土壤干燥,保水性能差,土壤電阻率高。由于土壤保水性能差,線路避雷器接地體很容易發(fā)生腐蝕使電阻變大。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí),由于雷電過電壓很高,首先促使避雷器動(dòng)作,避雷器動(dòng)作時(shí),風(fēng)機(jī)房進(jìn)線處可視為零電位,但由于避雷器存在殘壓,以及接地引下線和接地體存在較大的電阻,這部分上也會(huì)產(chǎn)生較高的殘壓,所以線路上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的過電壓,沿著輸電線路進(jìn)入風(fēng)機(jī)房而發(fā)生事故。

圖1　避雷器接地

(4)風(fēng)機(jī)房缺乏良好的局部均壓措施,沖擊接地電阻過大。在現(xiàn)場了解到,風(fēng)機(jī)房在建設(shè)時(shí)就缺少?zèng)_擊接地優(yōu)化等均壓措施,僅圍繞著主變變壓器周圍鋪設(shè)了一個(gè)環(huán)形接地體,加之該地區(qū)土質(zhì)干燥,該風(fēng)機(jī)房所處的土質(zhì)為黃土土壤,土壤含水性和保水性能都比較差。再加上單根環(huán)形水平接地裝置的熱容量小,在多次雷電流入地時(shí),接地阻抗會(huì)變大,從而發(fā)生反擊,打壞設(shè)備。

2改造措施

(1)架空線路及進(jìn)線段保護(hù)改造。用PKJ-10/35可調(diào)過電壓保間隙保護(hù)裝置并聯(lián)在10 kV線路桿塔絕緣子串,調(diào)整間隙的雷電沖擊動(dòng)作值使之為兩片絕緣子串的50%,雷擊放電電壓的70%～80%[10-12],用可調(diào)過電壓保護(hù)間隙保護(hù)絕緣子,轉(zhuǎn)移雷擊接地電弧通道,降低線路雷擊建弧率,進(jìn)而降低雷擊跳閘率。對配電線路進(jìn)風(fēng)機(jī)房的前5級桿塔設(shè)置特殊進(jìn)線段保護(hù),從第5級起,逐步降低可調(diào)式保護(hù)間隙的雷電沖擊動(dòng)作值,到風(fēng)機(jī)房進(jìn)線的終端桿,保護(hù)間主隙的雷電沖擊動(dòng)作值與風(fēng)機(jī)房設(shè)備的雷水平相配合,保護(hù)風(fēng)機(jī)房主設(shè)備不受到由線路侵入的雷電波危害。

圖2　PKJ過電壓保護(hù)間隙安裝示意圖

(2)對桿塔線路避雷器接地體接地電阻進(jìn)行測量,按照規(guī)程對于煤礦風(fēng)機(jī)房接地電阻應(yīng)<5 Ω,對于桿塔接地電阻不符合要求的應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化,增設(shè)接地體;對于桿塔接地電阻很大的要進(jìn)行鋪設(shè)接地網(wǎng),或者外引輔助接地網(wǎng)。

山西煤礦為黃土土質(zhì),其保水性差,土壤電阻率過高,接地體很容易發(fā)生腐蝕,一旦發(fā)生雷電過電壓將在桿塔頂端產(chǎn)生很高的過電壓[11-14],造成反擊輸電線路的事故,造成跳閘,影響供電可靠性。

所謂的局部沖擊優(yōu)化就是在原有的桿塔接地體(網(wǎng))上按一定的規(guī)格打入垂直接地體,并焊接到水平接地體(網(wǎng))上,并對接地體用高效防腐降阻劑進(jìn)行包裹,高效降阻劑不僅能夠降低土壤電阻率,且能保護(hù)接地體不易發(fā)生腐蝕。

圖3　局部接地沖擊優(yōu)化

(3)對風(fēng)機(jī)進(jìn)線安裝FCD磁吹式避雷器。FCD磁吹式避雷器采用磁吹滅弧間隙,增大了滅弧能力,同時(shí)增大了續(xù)流值,相應(yīng)的降低了避雷器的殘壓。在火化間隙旁并聯(lián)分路電阻,使過電壓沿火化間隙均勻分布,提高工頻放電電壓,改善了雷電流的沖擊系數(shù),且利用改變間隙的主電容或雜散電容的辦法,使間隙組之間的雜散沖擊電壓分布不均勻,以降低避雷器的沖擊放電電壓,使其有較好的保護(hù)特性[15]。

3ATP-EMTP 仿真

由于輸電線路為10 kV的架空線路,所以模擬雷擊時(shí)雷電波峰值取5 kA,標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)波為20/50 μs,桿塔采用JMarti集中參數(shù)模型,保護(hù)間隙模型采用動(dòng)作電壓值為12 kV,終端桿塔上線路避雷器取YH5WZ-13.6/54,線路避雷器動(dòng)作電壓值為13.6 kV,避雷器殘壓為54 kV,線路避雷器接地電阻取安全規(guī)程中的最大值5 Ω。

圖4　線路絕緣子加裝保護(hù)間隙仿真電路

圖5　加裝保護(hù)間隙前風(fēng)機(jī)房進(jìn)線端電壓值

圖6　加裝保護(hù)間隙后風(fēng)機(jī)房進(jìn)線端電壓值

由上圖可知,當(dāng)雷電流取5 kA時(shí),在加裝保護(hù)間隙前風(fēng)機(jī)房進(jìn)線端沖擊電壓達(dá)到81.33 kV,加裝保護(hù)間隙后風(fēng)機(jī)房進(jìn)線端沖擊電壓為12.56 kV,由于煤礦風(fēng)機(jī)房架空進(jìn)線絕緣子絕緣配合不合理,在并聯(lián)加裝保護(hù)間隙后,對于風(fēng)機(jī)房進(jìn)線端過電壓降低效果明顯。

根據(jù)仿真模擬電路,模擬不同線路避雷器的接地電阻的大小,測試不同接地電阻值大小情況下風(fēng)機(jī)房進(jìn)線雷電沖擊電壓幅值。具體記錄電壓值如表1所示。

表1　不同接電阻下過電壓

由表1中的數(shù)據(jù)結(jié)果可知,線路避雷器的接地電阻的大小對避雷器頂端的過電壓影響較大,按照煤礦10 kV配網(wǎng)接地電阻5 Ω的要求,只有對避雷器接地體進(jìn)行優(yōu)化,保持接地電阻的要求,并對接地體進(jìn)行局部沖擊優(yōu)化,用降阻劑進(jìn)行降低電阻率和防止接地體的腐蝕。因一旦腐蝕,接地體的接地電阻將會(huì)變大,嚴(yán)重時(shí)將腐蝕斷裂,斷裂后避雷器則不再起作用,對應(yīng)的避雷器頂端電位將會(huì)很大。

4結(jié)束語

針對山西煤礦集團(tuán)豹子溝礦業(yè)風(fēng)機(jī)房雷電事故,遵行精細(xì)化、差異性防雷理念采取線路加裝線路保護(hù)間隙,對線路避雷器接地電阻進(jìn)行沖擊優(yōu)化,對風(fēng)機(jī)房所用變采用特種防雷變壓器是有效果的,此種防雷改造措施也可用于其他煤礦。

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Analysis of Distribution Overhead Line Thunder ElectricWave Overvoltage Accident in Mining Area

ZHAO Yuqing

(School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410000,China)

AbstractContrary to the problem of mining machine into line overhead line lightning,lightning protection standards from the differences and intensification of into line with protect clearance and line insulator insulation coordination,maked out reform measures that reducing line lightning arrester grounding resistance grounding body and replace the wind machine room with double zigzag lightningproof transformer .When lighting current takes 5mA,the line side fan room impulse voltage 81.33 kV reduced to 12.56 kV.At the same time,using ATP-EMTP transient simulation software to simulation the line insulator parallel gap and line lightning arrester grounding resistance,validation the effect of lightning protection measures .

Keywordsray waves;the wind machine room;insulator;lightning arrester;grounding resistance;ATP-EMTP

中圖分類號(hào)TD684

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)04-176-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.047

作者簡介:趙雨晴(1989—),女,碩士研究生。研究方向:高電壓防雷與接地技術(shù)。

收稿日期:2016- 03- 03