煤礦供電系統(tǒng)防雷技術(shù)

李偉生

本文對(duì)煤礦供電系統(tǒng)防雷技術(shù)進(jìn)行研究，首先介紹了雷電的形成和危害，然后針對(duì)煤礦供電系統(tǒng)防雷，分地面輸電線路、變電站兩部分進(jìn)行介紹。地面輸電線路的防雷措施有架設(shè)避雷線等，變電站防雷主要為裝設(shè)避雷器等。

煤礦供電系統(tǒng)對(duì)供電的可靠性要求嚴(yán)格，在雷電多發(fā)區(qū)如山區(qū)等地，為防止雷電入侵煤礦供電系統(tǒng)，毀壞設(shè)備，造成供電中斷，也為了避免在惡劣的情況下，雷電入侵到煤礦井下電力系統(tǒng)，造成井下瓦斯爆炸，人員傷亡的嚴(yán)重事故，需要對(duì)煤礦供電系統(tǒng)的防雷保護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

煤礦供電系統(tǒng)對(duì)供電的可靠性要求嚴(yán)格，在雷電多發(fā)區(qū)如山區(qū)等地，為防止雷電入侵煤礦供電系統(tǒng)，毀壞設(shè)備，造成供電中斷，也為了避免在惡劣的情況下，雷電入侵到煤礦井下電力系統(tǒng)，造成井下瓦斯爆炸，人員傷亡的嚴(yán)重事故，需要對(duì)煤礦供電系統(tǒng)的防雷保護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 雷電的形成與危害

自然界中實(shí)際雷電的形成過(guò)程復(fù)雜，但僅從雷電造成的后果來(lái)看，雷擊過(guò)程可簡(jiǎn)單地理解為一個(gè)大的電流波通過(guò)空氣中的放電通道注入地面的雷擊點(diǎn)，若擊中輸電線路或是信號(hào)線上，則雷電流繼續(xù)沿著線路分左右方向前進(jìn)。雷云放電時(shí)電流最大能達(dá)到300KA 左右，持續(xù)80us 左右。如此大的雷電流通過(guò)線路流入配電系統(tǒng)中的變配電所中，會(huì)直接燒毀變配電所中的設(shè)備，造成供電中斷。

有的雷電雖然不會(huì)直接打在線路或輸配電設(shè)備上，但雷電流會(huì)引起雷擊點(diǎn)附近的輸電線路或是信號(hào)線產(chǎn)生電磁感應(yīng)，感應(yīng)出過(guò)電壓。感應(yīng)雷這種過(guò)高的電壓直接加在變配電所中的設(shè)備上會(huì)造成設(shè)備的擊穿毀壞。感應(yīng)雷波及的范圍廣，雷擊點(diǎn)方圓2km 的范圍內(nèi)的線路都可能感應(yīng)出過(guò)電壓，從而造成設(shè)備損壞。

雷擊發(fā)生時(shí)，雷電流經(jīng)過(guò)接地電阻流入大地，由U=IR+L（di/dt）獲知接地網(wǎng)的電位會(huì)被抬高。變配電所中的設(shè)備外殼通過(guò)地線與接地網(wǎng)進(jìn)行等電位連接，其電位也會(huì)被提升，造成與電源線、信號(hào)線較大的電壓差，從而進(jìn)行反擊，毀壞設(shè)備，且可能對(duì)人員造成危害。

地面輸電線路防雷

煤礦供電系統(tǒng)進(jìn)線多為架空線，一般均需架設(shè)避雷線，特別是在雷電多發(fā)的山區(qū)等地。避雷線不僅能夠防止雷電直接擊中輸電線路，而且能夠降低雷電加在線路絕緣子上的過(guò)電壓防止閃絡(luò)，并且可以減小輸電線路感應(yīng)出的過(guò)電壓。

在架設(shè)有避雷線的桿塔接地電阻值不應(yīng)超過(guò)表1 所列的數(shù)值。為降低接地電阻可增大人工接地體的面積，可采用降阻試劑的方法。降阻試劑是由幾種化學(xué)物質(zhì)混合而成的試劑，具有良好的導(dǎo)電性，把降阻試劑鋪設(shè)在接地體周?chē)寥乐心軌蛴行Ы档蜅U塔接地電阻。另外也可通過(guò)爆破技術(shù)，將低電阻率物質(zhì)填充入接地體周?chē)寥乐校纳仆寥缹?dǎo)電能力從而降低接地電阻。

通過(guò)裝設(shè)線路避雷器，能夠有效地起到防雷的作用。雷電打到線路上時(shí)，一部分雷電流沿線路、桿塔流入地下，一部分雷電流則會(huì)因避雷器動(dòng)作，流入地下。避雷器有鉗制電位的作用，防止雷電過(guò)電壓的產(chǎn)生，防雷效果顯著，且對(duì)接地電阻要求并不嚴(yán)格。

2 煤礦供電系統(tǒng)的防雷

表1 設(shè)有避雷線的桿塔接地電阻值要求

煤礦供電系統(tǒng)地面輸電線路防雷措施還有裝設(shè)重合閘設(shè)備、合理設(shè)計(jì)線路絕緣等。

地面變電所防雷

煤礦供電系統(tǒng)地面變電所一般均裝有防雷保護(hù)系統(tǒng)。一是為了防止雷電流通過(guò)線路入侵煤礦供電系統(tǒng)中的地面變電所，或是線路上感應(yīng)出的雷電過(guò)電壓入侵地面變電所，造成變電所設(shè)備毀壞的事故；二是為了防止雷電通過(guò)煤礦地面供電系統(tǒng)入侵到井下變電所，造成設(shè)備損毀、嚴(yán)重情況下可能造成瓦斯爆炸、人員傷亡的嚴(yán)重后果。

煤礦供電系統(tǒng)地面變電所防雷保護(hù)可分為外部防雷保護(hù)和內(nèi)部防雷保護(hù)。

外部防雷保護(hù)主要防護(hù)直擊雷，在變電所外部裝設(shè)接閃器（避雷針、避雷帶等）、引下線、接地體等。接閃器的設(shè)計(jì)方法有滾球法、網(wǎng)格法、保護(hù)角法等。其中保護(hù)角法適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的建筑物或大型建筑物的一部分，煤礦地面變電站安裝接閃器便可以采用保護(hù)角法進(jìn)行設(shè)計(jì)；滾球法實(shí)用范圍廣，可以應(yīng)用于各種建筑物；網(wǎng)格法特別適合于平面的保護(hù)。引下線的作用是把接閃器接收的大的雷電流引導(dǎo)到地下接地體，使雷電流流向大地深處，在煤礦地面變電站中可以采用墻體內(nèi)部的鋼筋作為引下線。接地體同樣也可以采用煤礦地面變電站地基內(nèi)的鋼筋，當(dāng)然也可以人工鋪設(shè)地下接地體，接地電阻大小值一般推薦小于10 歐。

煤礦供電系統(tǒng)地面變電所內(nèi)部防雷指的是裝設(shè)防雷保護(hù)裝置（也稱(chēng)為浪涌保護(hù)器），其作用是泄放瞬時(shí)性的大雷電浪涌電流、限制雷電感應(yīng)巨大的瞬時(shí)過(guò)電壓或者操作過(guò)電壓，避免因雷電等瞬時(shí)故障造成設(shè)備毀壞。防雷保護(hù)裝置并聯(lián)在煤礦供電系統(tǒng)地面變電所電器設(shè)備的兩端，其工作原理如圖1 所示。在變電站被保護(hù)設(shè)備正常工作時(shí)，與它并聯(lián)的防雷保護(hù)裝置成高阻狀態(tài)，對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行沒(méi)有影響。當(dāng)雷電流入侵時(shí)，防雷保護(hù)裝置阻值迅速降低，雷電流會(huì)沿著防雷保護(hù)裝置通過(guò)接地體泄放入地下，避免雷電流燒毀設(shè)備，并且防雷保護(hù)裝置能夠在雷電入侵時(shí)，把被保護(hù)設(shè)備兩端的電壓鉗制在較低的水平，防止雷電過(guò)電壓對(duì)設(shè)備的毀壞。當(dāng)瞬時(shí)性雷擊結(jié)束后，防雷保護(hù)裝置又立馬恢復(fù)到高阻狀態(tài)，變電站設(shè)備也恢復(fù)到在正常電壓供電下的工作狀態(tài)。

防雷保護(hù)裝置按照不同材質(zhì)大體上可分為火花間隙型、壓敏電阻型、二極管型三類(lèi)，如圖2 所示。按泄流能力的大小又可分為I 級(jí)、II 級(jí)、III 級(jí)防雷保護(hù)裝置。在煤礦供電系統(tǒng)地面變電所中，常采用三級(jí)防雷保護(hù)的設(shè)計(jì)方法。第I 級(jí)防雷保護(hù)裝置泄放電流能力強(qiáng)，一般采用火花間隙型，安裝在變電站線路入口處，減小后續(xù)防雷保護(hù)裝置的泄流能力。第II 級(jí)防雷保護(hù)裝置主要限制雷電過(guò)電壓，一般采用壓敏電阻型，安裝在變電站設(shè)備附近，但泄流能力比第I 級(jí)防雷保護(hù)裝置要小。第III 級(jí)防雷保護(hù)裝置用于提供精細(xì)保護(hù)，可保護(hù)監(jiān)控后臺(tái)、工程師站電腦等設(shè)備，一般采用壓敏電阻型或二級(jí)管型。

圖1 防雷保護(hù)裝置工作示意圖

圖2 防雷保護(hù)裝置分類(lèi)圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)煤礦供電系統(tǒng)防雷技術(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究了地面輸電線路、變電站防雷技術(shù)。防雷技術(shù)應(yīng)用在煤礦供電系統(tǒng)特別是雷電多發(fā)區(qū)如山區(qū)等地，能有效防止雷電的危害，避免雷電毀壞電氣設(shè)備，造成惡性安全事故，保證供電的安全可靠。