宋峰，張寧馨，鄧海利

（鄒城市氣象局，山東 鄒城 273500）

鄒城市煤礦眾多，是著名的兗礦集團(tuán)公司所在地，其境內(nèi)的鮑店煤礦、東灘煤礦、南屯煤礦等煤礦年產(chǎn)量都在300萬(wàn)噸以上。煤礦的通風(fēng)設(shè)施、絞車房、提升設(shè)施、給排水設(shè)施、救援設(shè)施等均關(guān)系到礦工的生命安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般礦井均采用雙回路，也就是從不同地區(qū)分別單獨(dú)架設(shè)線路獨(dú)立進(jìn)入煤礦變電站，變電站通過變配電處理供給礦區(qū)地面和井下使用。根據(jù)國(guó)內(nèi)各電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)，近年來，電力系統(tǒng)中輸配電線路故障50%～60%是由雷電的各種效應(yīng)引起的，雷電災(zāi)害是供電線路的主要災(zāi)害源。另一方面，鄒城地區(qū)礦井大多處于空曠地帶，其區(qū)域內(nèi)金屬井架、高桿燈、輸煤棧橋、煤倉(cāng)等均為高大建筑物，且較為突兀，雷擊概率較大。做好煤礦供配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)涉及面廣，不僅需要對(duì)變電所、架空線路進(jìn)行防護(hù)，更需要對(duì)礦區(qū)內(nèi)的變配電設(shè)施、機(jī)房、配電室等進(jìn)行防護(hù)。所以，供電安全是煤礦的生命線，做好煤礦供電防雷安全尤為重要。

1 變電所35kV進(jìn)線的防雷保護(hù)

1.1 35kV架空線路防雷保護(hù)

煤礦電源在進(jìn)入礦變電所時(shí)，首先，經(jīng)過架空線路，線路高度一般超過10m，電壓為電源35kV，這段線路是雷擊的重點(diǎn)部位，應(yīng)使用架空避雷線進(jìn)行直擊雷防護(hù)。架空避雷線的保護(hù)范圍，國(guó)標(biāo)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010給出的是“滾球法”，但電力行業(yè)規(guī)程則使用保護(hù)角法。從原理上看“滾球法”在避雷線架設(shè)高度小于滾球半徑（hr）的范圍內(nèi)，架設(shè)高度越高保護(hù)效果越好，這恰恰與雷擊線路的繞擊率相反，所以，在輸配電架空線路中應(yīng)當(dāng)使用保護(hù)角法計(jì)算保護(hù)范圍。輸配電線路中使用架空避雷線的目的有四個(gè)：一是降低直擊雷的概率；二是閃電擊中電力桿塔時(shí)，起到分流作用，降低桿塔對(duì)地電壓；三是對(duì)輸電線路有耦合作用，降低線路避雷器上的電壓；四是多根避雷線對(duì)下方的電源導(dǎo)線有屏蔽作用，可以降低雷擊感應(yīng)過電壓。對(duì)于煤礦35kV進(jìn)線可考慮進(jìn)線段設(shè)三根避雷線，從而使雷擊點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離桿塔避雷器，通過一段時(shí)間，線路上的沖擊電暈使雷電流波形發(fā)生衰減和變形，最終降低波前陡度和幅值。

雷電繞擊是線路雷擊事故的主因，故降低雷擊繞擊率是線路防護(hù)的重點(diǎn)。據(jù)電力線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和模擬試驗(yàn)，繞擊率可按下式計(jì)算：

保護(hù)角的降低意味著避雷線與輸電導(dǎo)線距離的減小，同時(shí)，帶來了安全距離問題。為防止避雷線對(duì)輸電導(dǎo)線的反擊，根據(jù)GB50057-2010避雷線距導(dǎo)線應(yīng)大于3m。

設(shè)置避雷線是輸電線路的重要防雷保護(hù)方式，除此之外，雷擊概率跟輸電導(dǎo)線的布置方式也具有相關(guān)性架空輸電線路有三種排列方式，如圖1所示。

圖1 架空輸電導(dǎo)線排序方式

通過實(shí)際運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)出三種線路排序方式所對(duì)應(yīng)的跳閘率，如表1。

由表1可以看出，上下三角排序方式下雙回路同時(shí)跳閘率為0．000，所以，對(duì)于煤礦這種重要場(chǎng)所，應(yīng)按上下三角方式排序。

表1 不同排序?qū)?yīng)的跳閘率(次·（100km·a）-1)

1.2 桿塔防護(hù)方式

通過對(duì)雷擊斷線概率統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在導(dǎo)線與絕緣子連接處的概率較大。因?yàn)殡娏U塔接閃后，頂端對(duì)地電位最高，高電位首先對(duì)絕緣水平低的部位進(jìn)行反擊。電力桿塔接閃后，雷擊過電壓可按下列公式計(jì)算：

式（3）中，Utop為桿塔頂部電壓（kV）；I為雷電流幅值（kA）；Ri為電力桿塔接地沖擊電阻（Ω）；L為桿塔自身電感（μH）。假設(shè)，雷電流幅值為150kA（二類防雷構(gòu)筑物）；雷電流波形采用10/350μs；桿塔沖擊接地電阻為4Ω；桿塔電感為10μH（20米高鐵塔）；約50%的能量經(jīng)接地系統(tǒng)泄流入地。經(jīng)計(jì)算，桿塔頂部的電位為：375．0kV。

架線桿塔的絕緣耐受電壓水平如下：

根據(jù)式（4）能計(jì)算桿塔35kV線路采用3×X-4．5絕緣子的線桿電壓U50%約為350kV?？梢钥闯鲈谖纯奸W電感應(yīng)和電磁脈沖時(shí)，桿塔已經(jīng)會(huì)被擊穿。所以，當(dāng)塔頂部電位高于350kV時(shí)，就會(huì)對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生反擊。若對(duì)一相線路產(chǎn)生反擊，將引起單相工頻短路。由于35kV電力系統(tǒng)為小接地短路電流系統(tǒng)，其短路電流為電容性電流，數(shù)值很小，可能不足以引起跳閘，但若同時(shí)引起第二相導(dǎo)線反擊，形成相間短路，則引起跳閘。

安裝相匹配的避雷器是解決反擊問題的關(guān)鍵。避雷器與絕緣子并聯(lián)安裝，在沒有過電壓的情況下，避雷器為高阻抗?fàn)顟B(tài)，出現(xiàn)高電壓電涌時(shí)，避雷器會(huì)對(duì)地泄流，保障了線路的正常運(yùn)行。避雷器原理如圖2所示。

在使用中，SPD的沖擊放電電壓（Ub50%）應(yīng)小于絕緣子串的50%沖擊放電電壓（Uj50%）。若雷電沖擊放電電壓偏差為δ，為確保避雷器能先行放電，Ub50%和Uj50%應(yīng)至少滿足下列關(guān)系：

圖2 避雷器安裝示意圖

一般情況下，δ=0.03，所以。所以SPD的觸發(fā)電壓至少應(yīng)比絕緣子的擊穿電壓低16．5%。根據(jù)電力規(guī)程要求，35kV電力系統(tǒng)雷電沖擊耐受電壓，相對(duì)地及相間均為185kV，則 35kV 桿 塔SPD的沖擊放電電壓應(yīng)小于 154．5kV。

2 礦區(qū)35kV變電站防護(hù)

2.1 劃分防雷類別

在電力規(guī)程中，沒有對(duì)變電所區(qū)域進(jìn)行防雷類別的劃分，但GB50057-2010中要求對(duì)所有防雷建（構(gòu)）筑物首先進(jìn)行類別劃分，從而更科學(xué)有效地采取針對(duì)性的防雷措施，這里提倡對(duì)煤礦變電所進(jìn)行防雷類別的判定。

2.2 優(yōu)化避雷針保護(hù)范圍計(jì)算方法

不同的行業(yè)規(guī)范對(duì)于避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算不同，我國(guó)的電力規(guī)程使用“折線法”，而《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》則要求使用“滾球法”?！罢劬€法”的保護(hù)范圍是假設(shè)雷電定位高度H1為基準(zhǔn)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果制定的；“滾球法”是假設(shè)一個(gè)球，半徑為hr，沿避雷針和地面滾動(dòng)，不被球面接觸的部分則是保護(hù)范圍?！罢劬€法”中，避雷針高度與保護(hù)范圍成正比；“滾球法”中高度超出滾球半徑部分不被保護(hù)，滾球半徑對(duì)保護(hù)范圍的影響大。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，把第一、二、三類防雷建（構(gòu)）筑物對(duì)應(yīng)的滾球半徑分別設(shè)定為30m、45m、60m。

在煤礦變電所中，高壓線路及設(shè)施的高度一般不超過12m，室外高低壓設(shè)備高度一般不超過5m。所以，在這兩個(gè)高度平面上對(duì)比“折線法”和“滾球法”的保護(hù)范圍。

表2 12m高度面上避雷針的保護(hù)范圍（單位：m）

表3 5m高度面上避雷針的保護(hù)范圍（單位：m）

按照GB50057-2010的標(biāo)準(zhǔn)劃分防雷類別，煤礦變電所被劃分為第二類防雷場(chǎng)所的可能性較大。從上表2和表3得出，在二類防雷場(chǎng)所避雷針高度為15m時(shí)，“折線法”計(jì)算出的避雷針保護(hù)范圍略小于“滾球法”計(jì)算出的范圍。增加避雷針的高度，“折線法”計(jì)算出的保護(hù)范圍比“滾球法”計(jì)算出的范圍明顯變大。

根據(jù)滾球法和折線法的理論計(jì)算可以得出：當(dāng)針高h(yuǎn)≤0．293hr時(shí)，“折線法”確定的保護(hù)范圍小于“滾球法”確定的范圍；當(dāng)針高h(yuǎn)=(0．293～0．4)hr時(shí)，兩種方法確定的保護(hù)范圍基本相當(dāng)；當(dāng)針高h(yuǎn)=(0．4～0．5)hr時(shí)，“折線法”確定的保護(hù)范圍略大于“滾球法”確定的范圍；當(dāng)針高h(yuǎn)＞0．5hr時(shí)，“折線法”確定的保護(hù)范圍遠(yuǎn)大于“滾球法”確定的保護(hù)范圍。這里提出以下應(yīng)用：在煤礦變電所中，設(shè)置高度超過15m的避雷針時(shí)，保護(hù)范圍應(yīng)按“滾球法”計(jì)算；避雷針高度低于15m時(shí)，推薦使用“折線法”計(jì)算保護(hù)范圍。

3 結(jié)語(yǔ)

在煤礦企業(yè)中礦井設(shè)備、機(jī)房設(shè)施、信息系統(tǒng)對(duì)供電穩(wěn)定性要求很高。對(duì)于電涌保護(hù)器（SPD）的安裝，除本文提出的方法外，針對(duì)不同電壓級(jí)別和不同防護(hù)對(duì)象的保護(hù)還需要進(jìn)一步研究。