煤礦供電防雷措施研究

彭 宇

（太原市西山煤電電力公司，山西 太原 030053）

根據(jù)煤炭行業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)和需求，大多數(shù)煤炭企業(yè)都在礦區(qū)范圍內(nèi)建有降壓變電所，大型煤炭企業(yè)內(nèi)部甚至配置110 kV 或以上電壓等級(jí)變電所。這些站所多數(shù)為企業(yè)內(nèi)部管理，企業(yè)限于生產(chǎn)優(yōu)先、經(jīng)費(fèi)局限等因素，在站所防雷設(shè)計(jì)、防雷設(shè)備選型、防雷設(shè)施更新上，存在一些防雷設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)不符、防雷設(shè)備超限服役、防雷設(shè)施配置不完善等諸多安全隱患。這些安全隱患，雖然暫時(shí)不影響正常供電，但是在雷雨季節(jié)到來(lái)后，隨時(shí)都有可能因雷電大電流、過(guò)電壓造成停電事故，對(duì)電網(wǎng)造成無(wú)法挽回的經(jīng)濟(jì)損失，給煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了很大威脅。因此，開(kāi)展防雷電工作的研究，對(duì)確保煤礦安全生產(chǎn)是非常重要的課題，必須引起高度重視。

1 雷電對(duì)變電所和礦區(qū)變電設(shè)備的危害

1）變電所二次設(shè)備及計(jì)算機(jī)后臺(tái)系統(tǒng)燒損。

2）變電所進(jìn)出線架空線桿塔的高點(diǎn)在變電所附近，架空線被雷擊的頻次高、能量大，變電所的斷路器、PT、母線過(guò)電壓保護(hù)器易燒毀。

3）礦區(qū)架空線路雷擊燒瓷瓶、絕緣子串、避雷器、電纜頭，變電所干式所用變損毀。

4）礦區(qū)范圍內(nèi)因遭受雷擊過(guò)電壓導(dǎo)致礦井重要設(shè)備，如主扇風(fēng)機(jī)、排水泵、井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控、通訊辦公設(shè)備跳閘斷電，影響正常生產(chǎn)進(jìn)行。

2 煤礦變電所防雷電措施現(xiàn)狀

煤礦110 kV 及以下電壓等級(jí)變電所，其管理權(quán)限存在一些歷史遺留問(wèn)題。變電所建設(shè)初期由煤礦自行管理，存在設(shè)備選型混亂、設(shè)備管理無(wú)序或重視程度不夠?qū)е碌睦讚綦[患等遺留問(wèn)題。在防雷設(shè)施上體現(xiàn)得也非常明顯，如避雷器品牌不同、使用年限不一、泄漏電流等參數(shù)不同導(dǎo)致變電所基礎(chǔ)防雷能力差異比較大；接地系統(tǒng)不完善，主接地極長(zhǎng)期沒(méi)有開(kāi)挖檢查、接地電阻超過(guò)10Ω、接地網(wǎng)存在斷點(diǎn)、 獨(dú)立避雷針與變電所主網(wǎng)安全距離不夠等諸多隱患。

3 煤礦變電所防雷電措施存在的一般性問(wèn)題

1）防雷設(shè)計(jì)不規(guī)范。防雷設(shè)計(jì)不規(guī)范一般發(fā)生于獨(dú)立避雷針或接地極，主要表現(xiàn)是，獨(dú)立避雷針引下線與站內(nèi)龍門(mén)架引下線或建筑物鋼筋結(jié)構(gòu)安全距離不夠，存在雷電反擊隱患；有的是獨(dú)立避雷針引下線直接連接至被保護(hù)建筑物引下線上，且埋深不足；有的是獨(dú)立避雷針引下線少于兩處，且避雷針引下線無(wú)斷開(kāi)檢測(cè)點(diǎn)； 有的是母線避雷器安裝與變壓器電氣距離過(guò)遠(yuǎn)等[1]。

2）避雷器超期服役。變電所開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部安裝有很多避雷器，通常起到防止雷電侵入波和防止操作過(guò)電壓的作用，對(duì)避雷器的工作狀態(tài)認(rèn)知一般都是通過(guò)絕緣電阻測(cè)試、U1mA 直流參考電壓和0.75U11mA 下的泄漏電流等試驗(yàn)來(lái)判斷。有的煤礦變電所礙于資金投入限制，很多避雷器使用長(zhǎng)達(dá)10年，甚至20年。避雷器使用壽命沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，往往通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)的避雷器就可以繼續(xù)使用。但雷雨季節(jié)來(lái)臨后，經(jīng)過(guò)檢修和試驗(yàn)的避雷器有時(shí)并沒(méi)有起到防雷作用甚至在雷電侵入波作用下炸裂。

3）線路桿塔接地不規(guī)范。線路桿塔接地不規(guī)范主要表現(xiàn)在接地裝置的材質(zhì)、規(guī)格、埋深沒(méi)達(dá)到要求；引下線與接地體的接觸不好；接地電阻不合格并未及時(shí)整改； 接地體埋地及外露部分未做防腐處理；接地極回填土隨意未夯實(shí)；未按要求設(shè)置兩處接地體且無(wú)斷開(kāi)測(cè)試點(diǎn)等等。

4）防雷接地試驗(yàn)方法不規(guī)范，測(cè)試值不準(zhǔn)確。為了節(jié)約設(shè)備和人工成本，少數(shù)試驗(yàn)單位在測(cè)量線路桿塔接地電阻時(shí)存在有不測(cè)或漏測(cè)。變電所接地網(wǎng)接地電阻測(cè)量，未采用變頻大電流接地阻抗測(cè)試儀測(cè)試，有的使用鉗形接地儀表測(cè)試后，就出具正式報(bào)告等。另一種情況是由于變電所防雷接地測(cè)試點(diǎn)較多，工作馬虎，沒(méi)有按每一個(gè)接地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，就出具合格的接地電阻報(bào)告。

5）對(duì)交直流系統(tǒng)防雷易忽略，防雷設(shè)施不完善。變電所交直流系統(tǒng)是變電所運(yùn)行的主體，但是對(duì)直流系統(tǒng)的防雷措施配置不完善，如蓄電池BMS 管理系統(tǒng)未配置防雷模塊； 交直流系統(tǒng)未配置浪涌保護(hù)裝置；二次線纜截面不統(tǒng)一，并且忽視了等電位測(cè)試試驗(yàn)； 帶有牽引鋼絲的光纖電纜其牽引鋼絲未做接地連接； 控制室用電設(shè)備未使用PDU 插座等等[2]。

6）一二次電纜未分離或電纜屏蔽層未接地。大部分的雷電引起的變電所跳閘故障都是由感應(yīng)雷過(guò)電壓引起的，線路避雷措施不完善，很可能通過(guò)進(jìn)線電纜將雷電流引入變電所內(nèi)部，引起感應(yīng)過(guò)電壓。一次電纜和二次電纜之間分布在同一電纜溝內(nèi)，布線混亂相互交叉。

7）煤礦供電具有一定的特殊性。煤炭生產(chǎn)是主業(yè)，有的單位對(duì)礦井供電部門(mén)重視不夠，在資金投入上相對(duì)主業(yè)投入不足。管理制度上不夠健全。尤其是在防雷管理制度及管理措施上，存在應(yīng)急預(yù)案不完善、不具體，可操作性不強(qiáng)，防雷培訓(xùn)相對(duì)較少等問(wèn)題。

4 案例分析

2021年5月中旬，碾溝煤礦35 kV 變電所遭受雷擊，雷電侵入變電所內(nèi)部，造成變電所內(nèi)部控制室1 臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)和井下4 臺(tái)風(fēng)機(jī)燒毀。經(jīng)事后對(duì)此次事故原因分析，在防雷措施上存在以下問(wèn)題：

1）碾溝35 kV 變電站建設(shè)在山脊線制高點(diǎn)，周?chē)諘鐩](méi)有其他建筑物，站內(nèi)設(shè)有一處高度為30 m 避雷針，不但對(duì)站內(nèi)供電設(shè)施起不到防雷保護(hù)相反充當(dāng)了引雷的作用。

2）由于資金問(wèn)題，未對(duì)站內(nèi)防雷設(shè)施及線路桿塔防雷接地電阻進(jìn)行測(cè)試，也使防雷性能受到影響。

3）站內(nèi)交直流屏柜內(nèi)，BMS 管理系統(tǒng)未配置防雷模塊，交直流系統(tǒng)未連接抗浪涌保護(hù)裝置。

4）變電所只有一處電纜溝，且一次、二次電纜未有效分離，相互纏繞。

5）入井線纜的牽引鋼絲未做接地處理。

5 改進(jìn)措施研究

1）對(duì)防雷設(shè)計(jì)及時(shí)做防雷試驗(yàn)，對(duì)接地電阻不合格區(qū)域及時(shí)整改。尤其是在防雷設(shè)計(jì)時(shí)就存在的隱患或后期在防雷接地整改中新增的問(wèn)題，如避雷針獨(dú)立接地體設(shè)計(jì)點(diǎn)與變電所主接地網(wǎng)間距離不符合防雷設(shè)計(jì)規(guī)范或避雷針引下線與變電所主接地網(wǎng)直接連接等問(wèn)題，另外保證變電所內(nèi)建筑物和獨(dú)立接地體至少擁有兩個(gè)接地點(diǎn)，以保證更好的完整的泄流作用。

2）35 kV 及以上變電所接地網(wǎng)接地電阻、靠近變電所兩端桿塔的架空地線回路導(dǎo)通電阻須采用變頻大電流接地阻抗測(cè)試儀并三年測(cè)試一次，測(cè)試項(xiàng)目包括接地網(wǎng)接地阻抗、 接地引下線導(dǎo)通電阻、土壤電阻率，其他配電場(chǎng)所每?jī)赡昕刹捎媒拥負(fù)u表測(cè)試。一般情況下禁止采用鉗形接地儀表測(cè)試后出具正式報(bào)告。

3）對(duì)超過(guò)十年的接地極建議開(kāi)挖檢查，對(duì)腐蝕嚴(yán)重的接地極要進(jìn)行更換。對(duì)引下線與接地極連接部位進(jìn)行檢查，對(duì)銹蝕嚴(yán)重的進(jìn)行處理[3]。

4）35 kV、6 kV 配電型避雷器選型要合適。要求選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，方波通流容量不低于400 A。電容器設(shè)備用避雷器，方波通流容量不低于600 A。變電所限制侵入雷電波的主要設(shè)備是閥型避雷器，變電所中所有設(shè)備的絕緣都要受到閥型避雷器的可靠保護(hù)。閥型避雷器的選擇首先應(yīng)當(dāng)使母線避雷器的伏秒特性的上限比變壓器絕緣的伏秒特性的下限低。其次，避雷器應(yīng)盡量靠近變壓器，這樣，作用在變壓器上的電壓就是避雷器的放電電壓或殘壓[4]。

5）對(duì)使用年限長(zhǎng)的避雷器進(jìn)行更換。有些避雷器使用年限長(zhǎng)，也能通過(guò)預(yù)防性試驗(yàn)?zāi)蛪簻y(cè)試，但是避雷器制造材料出現(xiàn)老化，經(jīng)過(guò)雷雨季節(jié)雷電高頻次的放電，部分避雷器未能對(duì)雷電流起到限制作用。

6）采用新型防雷設(shè)備。主變中高壓側(cè)中性點(diǎn)接入避雷器。一二次電纜溝分開(kāi)，一二次高壓電纜分離；低壓交直流安裝浪涌保護(hù)器[5]；通信及調(diào)度系統(tǒng)使用SPD 插座；等電位連接及試驗(yàn)。

7）架空地線、線路避雷器的接地電阻要符合要求，引下線要牢固可靠，對(duì)35 kV 以上進(jìn)出線線路桿塔接地電阻要求值為4Ω，對(duì)線路避雷器要求值4Ω，兩者均建議高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，避免因接地電阻高導(dǎo)致泄流不暢將雷電流引入變電所內(nèi)部。

8）當(dāng)雷擊于線路導(dǎo)線時(shí)，沿導(dǎo)線就有雷電沖擊波流動(dòng)，從而會(huì)傳到變電所變壓器上，因此，變壓器中性點(diǎn)加避雷器可以有效避免此類(lèi)問(wèn)題。

9）采用新型高科技設(shè)備及產(chǎn)品完善防雷設(shè)施。如使用半導(dǎo)體少長(zhǎng)針消雷裝置配合氧化鋅避雷器對(duì)直擊雷進(jìn)行防護(hù)； 使用多間隙自熄弧避雷器進(jìn)一步減少感應(yīng)到線路的雷擊過(guò)電壓； 采用導(dǎo)電硅橡膠高分子電阻為材料制作的AR 限流避雷針延緩雷擊主放電時(shí)間，從而降低雷電流幅值，減弱雷擊AR 限流避雷針后的二次效應(yīng)； 配置雷電預(yù)警系統(tǒng)，提前預(yù)防可能遭雷擊地點(diǎn)[6]。

10）變電所管理應(yīng)健全防雷管理制度，制定可實(shí)施性強(qiáng)的應(yīng)急預(yù)案，尤其是正確處置雷電過(guò)電壓引起的斷路器或變壓器跳閘； 建立防雷設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬，定期對(duì)防雷設(shè)施檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患；加強(qiáng)對(duì)防雷裝置的作用及維護(hù)方法的培訓(xùn)，提高運(yùn)維人員職業(yè)素質(zhì)。

6 結(jié)語(yǔ)

煤礦變電所防雷技術(shù)及設(shè)施上還有很多不足，需要根據(jù)不同問(wèn)題具體分析對(duì)待。煤礦企業(yè)要充分認(rèn)識(shí)供電安全的重要性，為了有效降低雷電活動(dòng)引起的配電系統(tǒng)故障問(wèn)題，管理者應(yīng)從思想上重視供電安全問(wèn)題，加大變電所設(shè)備設(shè)施投入、加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，及時(shí)對(duì)防雷設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代；新建變電所在防雷技術(shù)和工藝上要跟上時(shí)代步伐，嘗試應(yīng)用新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品，著力打造良好完善的防雷系統(tǒng)。