煤礦供電系統(tǒng)防雷改造研究

黃友華，方夢(mèng)鴿

(1．廣東電網(wǎng)韶關(guān)大江南輸變電工程有限公司，廣東 韶關(guān) 512000；2．長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000)

煤礦供電系統(tǒng)防雷改造研究

黃友華1，方夢(mèng)鴿2

(1．廣東電網(wǎng)韶關(guān)大江南輸變電工程有限公司，廣東 韶關(guān) 512000；2．長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000)

針對(duì)目前煤礦供電系統(tǒng)存在的防雷缺陷及問題，結(jié)合山西某煤礦，通過對(duì)煤礦供電系統(tǒng)現(xiàn)有的防雷措施及可能存在的防雷缺陷進(jìn)行調(diào)研和研究，發(fā)現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)存在輸電線路絕緣子串誤用以及變壓器低壓側(cè)缺少雷電過電壓防護(hù)措施等問題。提出了在輸電線路上加裝保護(hù)間隙、變電站變壓器低壓側(cè)加裝避雷器并進(jìn)行接地優(yōu)化的改造措施，在實(shí)驗(yàn)室采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP對(duì)加裝保護(hù)間隙以及避雷器的防護(hù)效果進(jìn)行仿真研究，研究結(jié)果表明該措施在雷電過電壓上有很好的防護(hù)效果，不僅保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且對(duì)于整個(gè)煤礦的安全運(yùn)行提供了可靠保障。

煤礦供電系統(tǒng)；保護(hù)間隙；避雷器

1 某煤礦供電系統(tǒng)介紹

某煤礦整個(gè)供電系統(tǒng)是由自身35 kV變電站引出10 kV供電出線，給煤礦各個(gè)部門進(jìn)行供電。礦內(nèi)35 kV變電站需要就近從兩座35 kV變電站進(jìn)行引入，由兩回35 kV輸電線路同時(shí)供電。礦內(nèi)35 kV變電站兩臺(tái)主變變壓器在出線時(shí)采用兩回同時(shí)供電，中間用母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行連接，這樣無論是35 kV兩臺(tái)主變變壓器進(jìn)線還是出線的任何一回路出線發(fā)生停電事故，另外一回路能夠及時(shí)供電，以保證煤礦供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該煤礦供電系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

圖1 某煤礦供電系統(tǒng)接線圖

2 煤礦供電系統(tǒng)問題分析

2.1 線路絕緣配合存在問題

該煤礦所在省大部分煤礦在設(shè)計(jì)輸電線路防雷保護(hù)時(shí)，由于沒有經(jīng)過精確計(jì)算，同時(shí)為了減少雷擊跳閘率，往往在設(shè)計(jì)輸電線路絕緣子時(shí)使絕緣子的強(qiáng)度高于輸電線路的絕緣強(qiáng)度。該煤礦在設(shè)計(jì)自身35 kV線路時(shí)，絕緣子采用的是4片型號(hào)為XWP-70懸式絕緣子。

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行絕緣子U50%沖擊擊穿試驗(yàn)，每一片絕緣子的U50%試驗(yàn)擊穿電壓為100 kV，四片絕緣子串聯(lián)進(jìn)行試驗(yàn)擊穿電壓達(dá)到420 kV。按照電力規(guī)程，35 kV變電站主變變壓器耐壓水平為200 kV左右，一旦發(fā)生雷擊輸電線路事故，雷電流的電壓幅值往往高于200 kV，但是低于420 kV。在發(fā)生雷擊事故時(shí)由于電壓值還沒有達(dá)到絕緣子的閃絡(luò)臨界值，絕緣子不動(dòng)作。這將導(dǎo)致強(qiáng)大的雷電流沿著輸電線路傳遞到35 kV變電站的主變變壓器，導(dǎo)致主變變壓器產(chǎn)生強(qiáng)大的過電壓而燒壞變壓器。嚴(yán)重時(shí)由于變壓器的電磁感應(yīng)，在低壓側(cè)將產(chǎn)生很高的過電壓，由于二次系統(tǒng)的耐壓水平比較低，將會(huì)燒壞二次系統(tǒng)的設(shè)備[1-3]。

2.2 變壓器防雷缺陷

在很多煤礦電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為了節(jié)省成本，往往只會(huì)在變壓器高壓側(cè)安裝避雷器，僅僅考慮了雷電流經(jīng)過輸電線路傳遞到變壓器進(jìn)行保護(hù)，而沒有考慮在變壓器電磁感應(yīng)作用下傳遞到低壓的過電壓。很多情況下，雷電過電壓在進(jìn)到變壓器之前經(jīng)過逐級(jí)遞減，在達(dá)到高壓測(cè)時(shí)已經(jīng)將過電壓釋放在高壓側(cè)的耐壓范圍內(nèi)，將不會(huì)影響高壓側(cè)的絕緣，但是由于變壓器低壓側(cè)的電力設(shè)備都是測(cè)量和控制用，一般的耐壓值很低，如果不能把感應(yīng)帶低壓側(cè)的過電壓進(jìn)行釋放將會(huì)傳遞到二次低壓設(shè)備上[4-6]，因此必須對(duì)變壓器低壓側(cè)的過電壓進(jìn)行防護(hù)。

變電站主變變壓器接地缺乏相應(yīng)的沖擊優(yōu)化，在設(shè)計(jì)變壓器接地時(shí)只是在變壓器周邊增設(shè)一圈均壓環(huán)，沒有做特殊的接地優(yōu)化。變電站變壓器是一次和二次的臨界處，一旦發(fā)生雷擊事故，將在變壓器處產(chǎn)生很高的過電壓，如果不能及時(shí)釋放這個(gè)過電壓，這個(gè)過電壓不僅對(duì)變壓器產(chǎn)生很大的絕緣影響，而且將對(duì)二次產(chǎn)生很大的威脅。

3 改造措施研究

3.1 線路保護(hù)間隙研究

由于輸電線路等級(jí)與絕緣子的絕緣配合存在問題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)絕緣子進(jìn)行U50%的沖擊電壓試驗(yàn)，得出線路絕緣子片數(shù)使用過多，在發(fā)生雷擊事故時(shí)無法進(jìn)行正常的釋放而導(dǎo)致設(shè)備的燒毀。因此，在絕緣子兩端并聯(lián)保護(hù)間隙，調(diào)節(jié)保護(hù)間隙的間隙距離，使得線路的電壓等級(jí)與保護(hù)間隙相互配合，在雷電事故發(fā)生時(shí)能夠正常的通過間隙的釋放而不會(huì)導(dǎo)致雷電流沿著輸電線路傳輸?shù)矫旱V變電站主變變壓器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)保護(hù)間隙進(jìn)行沖擊試驗(yàn)得出以下間隙距離與過電壓的關(guān)系，如表1所示。

表1 保護(hù)間隙試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1是對(duì)保護(hù)間隙進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，無論是對(duì)保護(hù)間隙，還是對(duì)不同電壓等級(jí)線路，在對(duì)保護(hù)間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)安裝之前都必須對(duì)其進(jìn)行沖擊試驗(yàn)得出保護(hù)間隙的間隙距離，然后進(jìn)行安裝?？烧{(diào)式保護(hù)間隙安裝示意圖如圖2所示。

圖2 可調(diào)式保護(hù)間隙安裝示意圖

3.2 變壓器的改造防護(hù)

變壓器的改造防護(hù)包括兩部分：變壓器的高壓側(cè)安裝避雷器；對(duì)變壓器接地的沖擊優(yōu)化。

大部分煤礦沒有在變壓器高壓側(cè)安裝避雷器。因雷電過電壓產(chǎn)生主要是雷擊輸電線路，強(qiáng)大的雷電流沿著輸電線路逐級(jí)傳播到變電站主變變壓器，導(dǎo)致產(chǎn)生強(qiáng)大過電壓，但是在輸電線路的保護(hù)以及進(jìn)線段的保護(hù)后將只是在高壓側(cè)產(chǎn)生過電壓，在高壓側(cè)避雷器的作用下釋放掉，不會(huì)產(chǎn)生到變壓器低壓側(cè)。但是現(xiàn)在很多事故已經(jīng)表明，由于一次側(cè)產(chǎn)生的過電壓通過變壓器的電磁感應(yīng)傳遞到二次側(cè)產(chǎn)生過電壓造成二次設(shè)備燒毀，比如2014年山西煤礦集團(tuán)下礦井公司的低壓開關(guān)柜燒毀以及監(jiān)測(cè)平臺(tái)被打壞。經(jīng)過相應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，雷擊變電站內(nèi)部由于地電位的反擊將在變壓器低壓側(cè)產(chǎn)生很高過電壓[7]，如果低壓側(cè)沒有避雷器不能及時(shí)釋放掉過電壓，將通過變壓器的正逆變換在高壓側(cè)感應(yīng)很高的過電壓，對(duì)高壓側(cè)電器設(shè)備進(jìn)行燒毀。因此，變壓器低壓側(cè)必須安裝避雷，并且高低壓側(cè)的避雷器必須一點(diǎn)接地，具體接線如圖3所示。

圖3 低壓側(cè)安裝避雷器

對(duì)變電站的主變變壓器，接地要進(jìn)行局部沖擊優(yōu)化。所謂的局部沖擊優(yōu)化就是在原來接地的基礎(chǔ)上，輔助幾圈均壓環(huán)。均壓環(huán)的設(shè)置要根據(jù)主變變壓器的地理位置以及其空地而定。一般變電站35 kV的主變都是位于變電站外部，因此有足夠的空地對(duì)其進(jìn)行局部沖擊優(yōu)化。變壓器基地沖擊優(yōu)化如圖4所示。

圖4 變壓器基地沖擊優(yōu)化

圖4中，變壓器基地沖擊用的是扁鋼，黑點(diǎn)是垂直接地體，對(duì)于扁鋼和垂直接地體同時(shí)采用高效膨潤(rùn)土進(jìn)行包裹。各個(gè)煤礦根據(jù)實(shí)際情況可以適當(dāng)?shù)脑龃髢?yōu)化面積，同時(shí)把沖擊優(yōu)化的均壓環(huán)通過扁鋼與變電站主接地網(wǎng)進(jìn)行連接，增大雷電流釋放系數(shù)，一旦發(fā)生雷電過電壓能夠通過接地迅速釋放，從而保證整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 仿真分析

4.1 保護(hù)間隙仿真效果

采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP對(duì)煤礦輸電線路加裝保護(hù)間隙進(jìn)行雷擊線路過電壓的保護(hù)效果進(jìn)行仿真。雷電模擬發(fā)生器輸出電流100 kA(該雷電流根據(jù)歷史累計(jì)入地電流的值進(jìn)行設(shè)計(jì))，對(duì)輸電線路B相進(jìn)行直擊，通過仿真軟件電壓探針對(duì)輸電線路過電壓進(jìn)行檢測(cè)。模型仿真電路如圖5所示。

圖5 模擬仿真電路

圖5是輸電線路在沒有增設(shè)保護(hù)間隙的條件下對(duì)其B相進(jìn)行雷電直擊，分別測(cè)試變壓器高低壓側(cè)過電壓的幅值。沒有安裝保護(hù)間隙高低壓側(cè)過電壓波形圖如圖6和圖7所示。

圖6 高壓側(cè)過電壓波形

圖7 低壓側(cè)過電壓

從圖6和7 可以看出，在沒有安裝保護(hù)間隙的情況下變壓器高壓側(cè)過電壓高達(dá)300 kV，超過允許范圍值200 kV，但是沒有達(dá)到絕緣子串的閃絡(luò)電壓臨界值400 kV。因此，該過電壓不會(huì)通過線路絕緣子串對(duì)地進(jìn)行放電，而是沿著輸電線路傳播到變壓器，對(duì)變壓器造成一定的絕緣損害，嚴(yán)重時(shí)燒毀變壓器。而對(duì)于低壓側(cè)，過電壓值達(dá)到100 kV左右，對(duì)于變壓器低壓側(cè)所連接的二次低壓設(shè)備，由于其絕緣等級(jí)都比較低，因此很容易造成二次設(shè)備的損壞，嚴(yán)重時(shí)影響到整個(gè)變電站的運(yùn)行。

對(duì)保護(hù)間隙的效果進(jìn)行研究，在輸電線路與變壓器高壓側(cè)之間加裝保護(hù)間隙，并把保護(hù)間隙的動(dòng)作值設(shè)定為180 kV(根據(jù)線路的絕緣水平為200 kV)。加裝保護(hù)間隙的仿真電路見圖8。

圖8 加裝間隙仿真電路

同時(shí)，對(duì)變壓器高低壓側(cè)過電壓進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 加裝間隙高壓側(cè)過電壓波形

圖10 加裝間隙低壓側(cè)過電壓波形

從圖9和圖10可知，加裝保護(hù)間隙后高低壓測(cè)得電壓幅值分別為100 kV和35 kV左右，對(duì)于高壓側(cè)已經(jīng)達(dá)到安全的絕緣水平范圍內(nèi)，對(duì)于低壓側(cè)過電壓降低幅度很大。

4.2 變壓器低壓側(cè)避雷器防雷仿真效果

在間隙仿真模型基礎(chǔ)上在變壓器低壓側(cè)加裝避雷器，避雷器的導(dǎo)通電壓值為10 kV，仿真電路見圖11。加裝避雷器低側(cè)的過電壓波形見圖12。

圖11 避雷器仿真電路

圖12 避雷器保護(hù)電壓波形

圖12是加裝避雷器后變壓器低壓側(cè)過電壓的波形，過電壓幅值為15 kV左右。仿真得到的過電壓幅值達(dá)到35 kV，降低了19 kV，對(duì)于變壓器低壓側(cè)二次設(shè)備有很大的保護(hù)效果。

5 結(jié)語

本文對(duì)某煤礦供電系統(tǒng)存在的防雷缺陷及誤區(qū)進(jìn)行分析，主要包括絕緣子串設(shè)計(jì)以及變壓器的防護(hù)設(shè)計(jì)等問題，采用了在保護(hù)間隙進(jìn)行線路保護(hù)以及在變壓器低壓側(cè)加裝避雷器等措施。通過仿真軟件構(gòu)建模擬電路進(jìn)行防護(hù)效果研究，仿真結(jié)果表明，該防護(hù)措施不僅能夠補(bǔ)償該煤礦絕緣子串的誤用，而且對(duì)雷擊過電壓有很好的防護(hù)效果，提高了整個(gè)煤礦的供電系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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(本文編輯：趙艷粉)

Lightning Protection Transformation of Colliery Power Supply System

HUANG Youhua1, FANG Mengge2

(1. Guangdong Shaoguan Dajiangnan Power Transmission and Transformation Co., Ltd., Shaoguan 512000, China; 2. School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410000, China)

In view of the current lightning protection defects and problems of coal mine power supply system, this paper made investigation and research on the lightning protection defects and problems of coal mine power supply system in a mine of Shanxi Province. The misuse of the transmission line insulator string and the lack of lightning voltage protection in the low voltage side of the transformer were found. It was suggested to install the protection clearance on the transmission line, mount lightning arrester on the low voltage side of transformer and make the grounding optimized renovation. In the laboratory, the simulation research was conducted on effects of the installed lightning protection clearance and arrestor by using ATP-EMTP electromagnetic transient simulation software. The research results show that the measures have very good protection effect on lightning overvoltage, not only guaranteeing the stability of the power supply system, and providing a credible guarantee for the safety of the coal mining operation.

colliery power supply system; protection clearance; lightning arrester

10.11973/dlyny201703024

黃友華(1987—)男，工程師，從事電氣試驗(yàn)技術(shù)工作。

TM861

A

2095-1256(2017)03-0327-05

2017-03-13