礦區(qū)35kV配電線路雷害事故分析與防雷措施

鄭 暉 尚育晶 李既明 鄧杰文 滿(mǎn)超楠

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076；2.珠海電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 珠海 519000）

山西省素有“煤海之城”的美稱(chēng)，據(jù)資料顯示目前已探明煤炭?jī)?chǔ)量2654億t，占全國(guó)總儲(chǔ)量的26%。全省3200多個(gè)礦井大部分分散在地勢(shì)空曠的山區(qū)，電氣設(shè)施易遭受雷擊，是安全生產(chǎn)的管理難點(diǎn)。2011年5月，位于該省陽(yáng)泉市內(nèi)的新景煤礦發(fā)生一起雷擊事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，通過(guò)對(duì)該次雷擊事件的調(diào)查分析，尋找事故發(fā)生的原因，并提出煤礦雷電防護(hù)措施。

1 雷擊事故調(diào)查

1.1 事故概況

新景礦隸屬山西陽(yáng)煤集團(tuán)，年產(chǎn)量400萬(wàn)t，電網(wǎng)全長(zhǎng)30km。2011年5月8日，因雷擊礦黃2#線路，引起新景礦黃沙嘴變電站礦黃 35kV高壓進(jìn)線柜內(nèi)310開(kāi)關(guān)母線側(cè)三支穿墻套管和線路側(cè)三只支柱瓷瓶嚴(yán)重?zé)龤В^(guò)電壓導(dǎo)致柜內(nèi)相間弧光短路跳閘，造成新景礦全部停電 10min，礦下員工緊急升井。這次事故雖未造成人員傷亡，但嚴(yán)重影響礦區(qū)正常生產(chǎn)，帶來(lái)極大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失，并且嚴(yán)重威脅礦下工作人員的生命安全。經(jīng)查發(fā)現(xiàn)，故障點(diǎn)是礦黃2#線1號(hào)桿塔，根據(jù)登桿檢查發(fā)現(xiàn)雷擊點(diǎn)和絕緣子閃絡(luò)燒傷痕跡，初步判定為雷擊桿塔后引起的“反擊”事故。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)基本狀況

新景礦位于陽(yáng)泉市西部山區(qū)，地形復(fù)雜多變，平均年雷暴日為40左右，屬于多雷區(qū)，雷電活動(dòng)較為頻繁。35kV礦黃 2#線，礦五變電站出線至黃沙嘴變電站，全長(zhǎng)6.44km，線路全線架設(shè)單避雷線，保護(hù)角約為25°。全線共28基桿塔，均為鐵塔，采用FXBW-35/70復(fù)合懸式絕緣子和4片XWP2-70懸式耐張絕緣子，其中本次發(fā)生故障的1號(hào)桿塔為進(jìn)線段第一基桿塔，采用消雷器和避雷針保護(hù)，如圖 1所示。站內(nèi)在35kVⅠ、Ⅱ段母線處裝設(shè)型號(hào)為YH5WS-34/95的氧化鋅避雷器對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)。

圖1 黃沙嘴站35kV礦黃2#線路在進(jìn)線塔采用消雷器和避雷針保護(hù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)71%雷電波入侵變電站事故是雷擊變電站進(jìn)出線3km內(nèi)線路，所以我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)對(duì)進(jìn)線段前六基桿塔進(jìn)行了接地電阻測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。其中1號(hào)桿塔測(cè)得土壤電阻率為154.7?·m，5號(hào)桿塔測(cè)得土壤電阻率為84.3?·m。

表1 35kV礦黃2#線1－6號(hào)桿塔接地電阻值

1.3 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

將線路上使用過(guò)的FXBW-35/70復(fù)合懸式絕緣子和4片XWP2-70懸式耐張絕緣子取下后進(jìn)行絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗(yàn)（如圖2所示），圖3所示為絕緣子沿面放電。試驗(yàn)設(shè)備為能夠產(chǎn)生峰值為1200kV沖擊電壓和1.2/50μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電波形的沖擊電壓發(fā)生器。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3。

圖2 4片XWP2-70絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗(yàn)圖

圖3 4片XWP2-70絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗(yàn)時(shí)絕緣子沿面放電

表2 礦黃2#線桿塔FXBW-35/70復(fù)合懸式絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 礦黃2#線桿塔4片XWP2-70絕緣子U50%沖擊放電電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)高電壓實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，由表2和表3可知35kV礦黃2#線運(yùn)行的FXBW-35/70復(fù)合懸式絕緣子和4片XWP2-70絕緣子 U50%沖擊放電電壓約為 402.4kV和472.0kV。

2 雷擊事故分析

2.1 線路防雷措施不當(dāng)

消雷器的主要原理是能夠產(chǎn)生足夠多的和雷云異性的電荷來(lái)中和雷云中的電荷，以達(dá)到消雷的目的。而要產(chǎn)生足夠多的電荷去中和雷云的電荷，可知消雷器的面積要較大才可以，由圖1可知，現(xiàn)場(chǎng)安裝的消雷器面積相對(duì)于雷云面積還是較小，不可能產(chǎn)生足夠多的異性電荷中和雷云的電荷而達(dá)到消雷的目的，在雷云靠近時(shí)，散狀消雷器所產(chǎn)生的電暈電流較單根避雷針相差不多，更容易起到引雷而不是消雷的效果。

避雷針由于在上方有雷云時(shí)會(huì)造成空間電場(chǎng)畸變而具有很強(qiáng)的引雷作用，不適合使用于 35kV及以下水平的線路，因?yàn)?35kV及以下水平的線路整體絕緣水平較低，當(dāng)雷擊避雷針，雷電流入地時(shí)，會(huì)形成一個(gè)很高的塔頂電位，導(dǎo)致設(shè)備損壞。所以在 35kV及以下水平的線路上裝設(shè)避雷針不但起不到防雷的效果，反而適得其反，起到了引雷的作用，該線路多次發(fā)生雷害事故，就與線路避雷針的引雷作用有關(guān)。同時(shí)，將避雷針用在發(fā)電廠、變電所的進(jìn)線段上，會(huì)誘發(fā)線路遭到雷擊，而雷電波得不到衰減使得侵入到發(fā)電廠、變電所的雷電波過(guò)強(qiáng)而容易打壞發(fā)電廠、變電所設(shè)備。

2.2 接地情況分析

有避雷線的線路，每基桿塔不連避雷線時(shí)的工頻接地電阻，在雷季干燥時(shí)，不宜超過(guò)下表4所列數(shù)值[1]，對(duì)比表 1可以看出進(jìn)線段部分桿塔接地電阻超標(biāo)。

表4 有避雷線的線路桿塔的工頻接地電阻

同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，接地裝置沒(méi)有得到有效維護(hù)，部分接地極有銹蝕和斷裂的情況，這樣一旦線路某處遭受雷擊，由于接地不良，雷電流不能有效快速地通過(guò)接地裝置散流勢(shì)必對(duì)線路絕緣子沖擊耐壓造成不良影響。

2.3 線路與配電設(shè)備絕緣配合不當(dāng)

據(jù)調(diào)查90%以上的發(fā)電廠、變電所雷害事故都是由線路侵入的雷電波造成的，為了降低線路的雷擊跳閘率，大都采取了提高線路絕緣水平的措施，但線路絕緣提高后，線路上的雷電過(guò)電壓不能泄放勢(shì)必會(huì)造成侵入到發(fā)電廠、變電所的雷電過(guò)電壓過(guò)高，若變電所的防雷措施存在漏洞勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致雷電打壞發(fā)電廠、變電所內(nèi)的主變壓器、開(kāi)關(guān)、刀閘和穿墻套管等，還會(huì)造成變電所低壓二次系統(tǒng)的雷害事故。在電力行標(biāo)[1]里要求 35kV 穿墻套管和支柱式瓷瓶耐壓200kV，通過(guò)表2和表3可知35kV礦黃 2#線路 FXBW-35/70復(fù)合懸式絕緣子和 4片XWP2-70懸式耐張絕緣子的50%雷電沖擊放電電壓均為400kV以上，可以看出線路的絕緣水平遠(yuǎn)高于變電設(shè)備的絕緣水平，極易導(dǎo)致由線路侵入的雷電過(guò)電壓打壞變電設(shè)備。

2.4 地形地貌和周邊環(huán)境的影響

地形地貌和周邊環(huán)境對(duì)雷擊事故的發(fā)生有非常重要的影響。本次出現(xiàn)故障情況的 1號(hào)塔，如圖 4所示，處在山坡的半山腰上，線路處于東西方向隘口，西北和東南面為高山，地勢(shì)對(duì)雷云活動(dòng)影響較大。此處季風(fēng)主要為北風(fēng)，在季風(fēng)的影響下，雷云從東西峽谷進(jìn)入，因受到西北和東南面高山阻擋而回折，從東西方向隘口穿越線路或桿塔流動(dòng)，或雷云直接沿東西方向隘口穿越線路，桿塔處電場(chǎng)畸變，桿塔處的場(chǎng)強(qiáng)較檔距中央大，因此桿塔比檔距中央更易遭受雷擊。

圖4 35kV礦黃線1號(hào)桿塔所處地形

3 防雷措施探討

3.1 拆除不合理的防雷保護(hù)設(shè)備

通過(guò)上述的分析可知，35kV及以下水平的線路不適合安裝消雷器和避雷針，它們不僅起不到防雷的作用，反而會(huì)引雷造成雷擊事故，特別是在發(fā)電廠、變電所的進(jìn)線段上，會(huì)誘發(fā)線路遭到雷擊，而雷電波得不到衰減使得侵入到發(fā)電廠、變電所的雷電波過(guò)強(qiáng)而容易打壞發(fā)電廠、變電所設(shè)備。因此應(yīng)當(dāng)拆除線路上的消雷器和避雷針。

3.2 降低桿塔接地電阻

當(dāng)桿塔接地電阻降低時(shí)，雷擊塔頂時(shí)塔頂電位升高的程度降低，絕緣子所承受的過(guò)電壓程度也降低，從而使線路的反擊耐雷水平提高。雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平計(jì)算公式為

將分流系數(shù)β=0.9；桿塔等值電感Lgt=10μH；進(jìn)線段 1號(hào)桿塔沖擊接地電阻 Rch=18?；導(dǎo)地線間的耦合系數(shù) k=0.1311；FXBW-35/70復(fù)合懸式絕緣子的50%沖擊閃絡(luò)電壓U50%=402.4kV帶入公式（1），計(jì)算得出線路平均耐雷水平I1=17.306kA，作為發(fā)電廠站進(jìn)線段第一基桿塔，耐雷水平應(yīng)在30kA以上，該桿塔耐雷水平未滿(mǎn)足DL/T620-1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)程要求[1]。

若將35kV礦黃1號(hào)桿塔接地電阻R降低到5?左右，帶入公式（1），經(jīng)過(guò)計(jì)算線路耐雷水平可提高至 I1=32.29kA。就能夠滿(mǎn)足發(fā)電廠進(jìn)線段防雷保護(hù)要求，可見(jiàn)降低桿塔接地電阻是提高線路耐雷水平的有效手段。

3.3 設(shè)置進(jìn)線段防雷措施

1）安裝線路避雷器

避雷器對(duì)于線路中的雷電過(guò)電壓的防護(hù)具有很好的效果，對(duì)于雷害事故較多發(fā)生的進(jìn)線段線路，應(yīng)該安裝線路避雷器，降低線路雷電波侵入后的殘壓水平。

2）安裝過(guò)電壓保護(hù)間隙

采用配電型可調(diào)過(guò)電壓保護(hù)間隙，對(duì)配電線路進(jìn)變電所的前10級(jí)桿塔設(shè)置特殊進(jìn)線段保護(hù)，對(duì)6～10級(jí)桿塔，可調(diào)式保護(hù)間隙的保護(hù)與線路絕緣子的雷電沖擊動(dòng)作值相配合，讓間隙的雷擊動(dòng)作值低于線路絕緣子的雷電沖擊動(dòng)作值5%左右，保護(hù)絕緣子在雷擊時(shí)不被打壞，從第5級(jí)起，逐步降低可調(diào)式保護(hù)間隙的雷電沖擊動(dòng)作值，到變電所的終端桿，保護(hù)間隙的雷電沖擊動(dòng)作值與變電所主設(shè)備的耐雷水平相配合，保護(hù)變電所設(shè)備受到由線路侵入的雷電波的危害，這樣還能為變電所在任何運(yùn)行方式下提供保護(hù)。圖5所示為絕緣子加裝過(guò)電壓保護(hù)裝置示意圖，圖6所示為4片XWP2-70絕緣子加裝過(guò)電壓保護(hù)裝置試驗(yàn)實(shí)物接線圖，圖7所示為對(duì)4片XWP2-70絕緣子進(jìn)行U50%沖擊放電電壓試驗(yàn)時(shí)保護(hù)間隙放電的情形。

圖5 絕緣子加裝過(guò)電壓保護(hù)裝置示意圖

圖6 4片XWP2-70絕緣子加裝過(guò)電壓保護(hù)裝置試驗(yàn)實(shí)物接線圖

圖7 4片XWP2-70絕緣子進(jìn)行U50%沖擊放電電壓試驗(yàn)時(shí)保護(hù)間隙放電

3.4 其他

1）針對(duì)線路上接地裝置沒(méi)有得到有效維護(hù)，部分接地極有銹蝕和斷裂的情況，應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)：①接地引下線應(yīng)采用40×5或50×5的熱鍍鋅扁鋼，以防止在長(zhǎng)期運(yùn)行后出現(xiàn)的腐蝕問(wèn)題；②接地引下線與接地體連接處應(yīng)采用螺栓進(jìn)行連接，并定期進(jìn)行維護(hù)，防止出現(xiàn)銹死現(xiàn)象，保證日后的接地電阻測(cè)量。

2）變電站由于在礦區(qū)內(nèi)，絕緣設(shè)備受到污穢影響較嚴(yán)重。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的新景礦黃沙嘴變電站進(jìn)線桿塔與變電站相隔一條運(yùn)煤公路，根據(jù)集團(tuán)工作人員描述，那條公路平時(shí)只有運(yùn)煤車(chē)經(jīng)過(guò)。這就造成變電站與桿塔絕緣設(shè)備上有不少的污穢累積，在綜合分析電網(wǎng)絕緣時(shí)應(yīng)給予足夠重視。

4 結(jié)論

礦區(qū)安全生產(chǎn)至關(guān)重要，因此要切實(shí)做好防雷工作，通過(guò)對(duì)新景礦35kV礦黃線雷害事故進(jìn)行分析，我們提出了相應(yīng)的防雷改造措施，提高礦區(qū)的防雷水平。

1）變電站進(jìn)線段桿塔安裝消雷器和避雷針，不僅不能防雷，反而會(huì)誘發(fā)線路遭到雷擊，因此應(yīng)當(dāng)拆除進(jìn)線段桿塔上的消雷器和避雷針。

2）由于進(jìn)線段線路是進(jìn)站的重要地段，通過(guò)計(jì)算證明了降低進(jìn)線段桿塔接地電阻是有效提高線路的耐雷水平，減小雷擊危害的經(jīng)濟(jì)有效的方法。

3）線路與配電設(shè)備絕緣水平配合不當(dāng)，易導(dǎo)致侵入到發(fā)電廠、變電所的雷電過(guò)電壓過(guò)高，從而打壞發(fā)電廠、變電所設(shè)備，采用避雷器和保護(hù)間隙對(duì)進(jìn)線段的保護(hù)，能夠提高線路與配電設(shè)備絕緣水平配合水平，減少雷電侵入波對(duì)變電設(shè)備的損壞。

4）應(yīng)該定期測(cè)試接地裝置的接地電阻，檢查設(shè)備接地引下線，及時(shí)處理不合格的接地，使之處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。

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