鐵礦配電、通訊系統(tǒng)防雷問題分析及解決

張海榮

（通化鋼鐵集團板石礦業(yè)有限責(zé)任公司）

我國絕大部分鐵礦地處野外，受雷電危害較大。其中磁性鐵礦石礦山由于特有的易引雷屬性，即使年平均雷暴日不超過40 個，主流設(shè)計也會將主供電系統(tǒng)、重要生產(chǎn)建筑物等防雷措施提級防護。但考慮經(jīng)濟因素，設(shè)計人員要兼顧工程投資和日常運行成本，這使得大部分配電、通訊系統(tǒng)并未采用提級防護措施，而這兩大系統(tǒng)一旦遭受雷擊，會造成配電回路跳閘，線路絕緣下降，運行故障增多；同時造成通訊系統(tǒng)中斷，甚至通訊設(shè)備燒毀。這些事故嚴(yán)重影響了生產(chǎn)組織秩序，給生產(chǎn)經(jīng)營造成了經(jīng)濟損失。找到更經(jīng)濟、更實用的防雷技術(shù)措施，從而降低配電、通訊系統(tǒng)運行過程中受雷擊損壞的概率，是礦山企業(yè)面臨的難題之一［1-5］。

1 礦區(qū)配電、通訊系統(tǒng)受雷擊原因分析

經(jīng)過資料收集、現(xiàn)場實地調(diào)查、雷擊故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出鐵礦礦區(qū)在防雷工作中存在的共性問題。

1.1 雷電直擊和繞擊原因分析

絕大部分鐵礦采用6 kV（3 kV）配電系統(tǒng)，建設(shè)時采用國家推薦標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，全程未裝設(shè)避雷線，部分較長的線路在荒蕪山野經(jīng)過的桿塔，成為直擊雷的主要接引器，受雷電直擊概率大，造成斷電和損壞設(shè)備的概率亦較大。當(dāng)發(fā)生強直擊時，即使不對線路放電，也會產(chǎn)生強電磁感應(yīng)，危害配電設(shè)備安全。同時，礦區(qū)配電線路按照少雷區(qū)建設(shè)，不采取預(yù)防雷電繞擊的措施，鐵礦石磁性較大時，尤其分支流注演變?yōu)椤扒蚶住睍r，局部電位更高，危害更大，發(fā)生雷擊斷電和相應(yīng)設(shè)備損壞的事故也就成為必然。

1.2 雷電過電壓情況分析

外部過電壓的絕緣配合是指避雷器的殘壓與設(shè)備絕緣強度相配合。按照規(guī)定，避雷器的殘壓應(yīng)比設(shè)備的絕緣強度低20%～30%。目前預(yù)防感應(yīng)雷電主要設(shè)備為線路首端、末端避雷器和變電所避雷器。線路上的避雷器主要型號為YH5WS-10/30，變電所母線側(cè)普遍采用YH5WZ-10/27 型號的避雷器，這2種避雷器的殘壓高，絕緣配合裕度低，同時通流能力小，保護效果較差，如YH5WS-10/30型的絕緣配合裕度近似為零，YH5WZ-10/27型僅為10%。

1.3 接地運行方式對過電壓影響分析

按照《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求，礦山向井下供電的系統(tǒng)不得采用中性點直接接地運行方式。電網(wǎng)中性點接地方式不僅關(guān)系到內(nèi)部過電壓防護水平，在系統(tǒng)防雷問題上亦關(guān)系到2 個問題：一是雷電入射電壓能否有效釋放；二是雷電擊穿單相絕緣演變的內(nèi)部過電壓能否有效抑制。

（1）入射電壓波頭危害。無論是感應(yīng)雷電或雷擊導(dǎo)線，其入射電壓波頭（非工頻）都要以300 m/s 的速度迅速侵入全網(wǎng)，當(dāng)有條件釋放沖擊波頭時，則可減輕或消除雷電侵害；當(dāng)沒有釋放條件時，沖擊波將沿導(dǎo)線折返形成第二次沖擊，加劇對絕緣的傷害。當(dāng)?shù)谝粵_擊波頭和第二沖擊波頭進入到整流回路時將產(chǎn)生較高電壓，即使接地良好，因瞬時釋放容量有限，仍要受到傷害。

（2）雷電擊穿絕緣演變的內(nèi)部過電壓。當(dāng)雷電強直擊和繞擊時，多數(shù)情況一般只擊穿單相絕緣即已完成雷電放電過程，之所以發(fā)生設(shè)備的另一相絕緣擊穿導(dǎo)致相間短路，多數(shù)情況下屬于電弧重燃過電壓所致，即由雷電擊穿絕緣演變的內(nèi)部過電壓。這種形式的過電壓幅值隨著電弧重燃次數(shù)的增加持續(xù)升高，直至擊穿另一相絕緣導(dǎo)致短路跳閘為止，有時甚至可發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)的多點故障。以板石礦區(qū)的配電系統(tǒng)為例，經(jīng)計算，該礦區(qū)配電系統(tǒng)對地電容電流為11.7 A，不具備工頻電弧重燃條件，但是因為系統(tǒng)本身存在一定分量的諧波電流成分，高頻電弧重燃現(xiàn)象還是會發(fā)生，而高頻電弧重燃過電壓是導(dǎo)致事故的主要因素，因為高頻電流即使很小（＜1 A）也會發(fā)生連續(xù)的電弧重燃，且在重燃過程中不斷放大，形成惡性循環(huán)，直至發(fā)生相間短路跳閘為止。

中性點不接地系統(tǒng)的優(yōu)點主要是發(fā)生單相接地時能持續(xù)運行2 h 左右，接地電流相對較小，跨步電壓和接觸電壓相對較小，對信息系統(tǒng)的干擾和對低壓網(wǎng)的反擊等亦相對較?。蝗秉c是弧光接地過電壓倍數(shù)高，過電壓持續(xù)時間長，遍及全網(wǎng)，其接地電弧均存在多次重燃問題，使過電壓與振蕩頻率持續(xù)升高，危害設(shè)備絕緣，在小于0.02 s 的時間內(nèi)即可能擴大為多點故障甚至發(fā)生火災(zāi)。

經(jīng)計算，接地電弧每經(jīng)過半個周波再次重燃時，過電壓持續(xù)升高，直至擊穿另一相或兩相絕緣，或多點故障短路燒毀設(shè)備為止。綜上所述，中性點不接地系統(tǒng)對于諧振過電壓、弧光接地過電壓和雷電入射電壓無任何限制措施。

1.4 通訊系統(tǒng)受雷擊原因分析

目前礦區(qū)普遍使用的通訊系統(tǒng)保護接地和工作接地雖然符合國家規(guī)定的電阻值，但并不能完全解決多雷區(qū)的特殊問題。因為防雷接地的效果與分布在被保護設(shè)備上的雷電分布電壓高低及持續(xù)時間密切相關(guān)，接地電阻大時則雷電分布電壓高，持續(xù)時間長；反之接地電阻小時則分布電壓幅值低，持續(xù)時間短。核心是散流容量和速度問題，通常稱為“釋放”或“泄流”。

通訊設(shè)備上的雷電分布電壓與接地電阻成正比。這種降低接地電阻的辦法從廣義上講，作為單體設(shè)備設(shè)施降低雷電分布電壓是無可爭議的，設(shè)備的接地電阻越小越好。當(dāng)保護與工作接地電阻超過1.0 Ω 時（個別系統(tǒng)要求0.4 或0.7 Ω），由于地電位相對較高，對來自非工頻的電流信號不能及時導(dǎo)入大地，而發(fā)生信號誤動或誤判斷，甚至諧波電壓高時燒壞設(shè)備。除此之外，諧波對微機的影響也很大，實驗證明微機設(shè)備、元件、含單片機和微機保護裝置在諧振頻率≥200 Hz 時大多出現(xiàn)“死機”或“誤動”。通訊系統(tǒng)設(shè)備本身即屬弱絕緣設(shè)備，對過電壓的適應(yīng)能力差。因此受雷擊過電壓的影響較大，當(dāng)雷電電壓幅值較高時，不僅損壞程控交換機主板和用戶板，甚至連信號及電源避雷器本身也要發(fā)生損壞，失去保護作用。

1.5 電位差與雷電反擊原因分析

雷電反擊是高電位物體或接地網(wǎng)向低電位物體放電現(xiàn)象，放電渠道一是空氣間隙，二是通過接地網(wǎng)等地下隱蔽物向地面物體放電。電位過高時，氣體擊穿距離可達四十余米，可同時擊穿多個目標(biāo)。除雷電感應(yīng)第一波頭和第二波頭沖擊因素之外，由避雷針接地網(wǎng)的高電位向通訊系統(tǒng)低電位接地網(wǎng)反擊也是重要因素。

對于井下通訊設(shè)備和機房通訊設(shè)備而言，能構(gòu)成雷電侵害的因素有外部傳導(dǎo)、感應(yīng)和反擊，與交流電源系統(tǒng)亦有一定關(guān)系。信號方面，大部分通訊線路采用無屏蔽層線路，數(shù)百米架空線路引入后，雷電產(chǎn)生的強磁場在金屬線上產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電壓在幾千伏以上。以板石礦通訊機房一樓處電話線芯線作為過電壓計算案例，以云中放電距離1 500 m，通過近2 a閃電定位儀測定的平均放電電流40 kA，線高5 m，計算每芯線上電壓為165 V，足以對正常48 V 運行的通訊線路產(chǎn)生破壞。同理，無屏蔽接地的有線電視線路產(chǎn)生的電壓也為3.3 kV，芯線將產(chǎn)生與屏蔽層方向相反的電動勢，進入電視電源，即使良好接地，電壓仍為3.3 kV的20%，即600～700 V，普通電視機絕緣無法承受此電壓。

1.6 客觀條件及設(shè)備本體絕緣影響分析

受溫室效應(yīng)等因素影響，我國平均雷電強度亦不斷增大，與歷史相比，不僅雷暴日增多，雷暴時間亦不斷延長。特別是老礦山，礦區(qū)大部分線路和變電所設(shè)備運行時間已有幾十年，加之長期受到外部和內(nèi)部過電壓事故對設(shè)備絕緣的沖擊傷害，其整個系統(tǒng)的絕緣水平普遍較低，一般性的過電壓即可能引發(fā)絕緣擊穿事故，也是故障率較高的一個客觀因素。

2 鐵礦防雷技術(shù)措施

經(jīng)過系統(tǒng)研究，運用理論手段分析，定量研究雷擊數(shù)據(jù)，同時兼顧投資性價比原則，有針對性地提出解決方法。

2.1 特殊地點防護

完整的防雷應(yīng)為網(wǎng)狀防護或全程裝設(shè)避雷線，因投資巨大，僅有重要的供電線路使用。為了解決直擊、繞擊配電線路問題，以板石礦區(qū)為例，實施了重點礦區(qū)（荒蕪山野）配置導(dǎo)閃塔6基，實施接地阻抗匹配。外移式防雷保護由6 基避雷塔和接地阻抗匹配系統(tǒng)構(gòu)成；在6.3 kV 長線路新增設(shè)避雷器2 只，避雷器與接地網(wǎng)連接線采用在水泥桿內(nèi)置，防止人為損壞；在荒蕪的山坡上新安裝4 組避雷器，并新建設(shè)了相應(yīng)的6個避雷器接地網(wǎng)，合并為一個完整的外移式防雷保護系統(tǒng)，保護范圍大幅度加大，使被保護區(qū)不發(fā)生雷電閃擊、繞擊，降低雷電在設(shè)備上的分布電壓。安裝線路避雷塔和接地網(wǎng)改造后，雷電流釋放速度會提高4倍以上，以此實現(xiàn)對配電線路的保護。

2.2 提高絕緣配合裕度

在變電所母線配置2 組新型YH5WZ-10/26D 型低殘壓避雷器；將原有架空線線路首尾端各配置一組YH5WX-10/26D 型低殘壓避雷器，以此保護設(shè)備在發(fā)生雷電時，避雷器可靠動作，釋放雷電流，同時限制雷電在設(shè)備上的分布電壓，防止雷電電壓高于設(shè)備絕緣強度，擊穿設(shè)備絕緣。

2.3 中性點采用高阻尼電阻接地

設(shè)備雷擊分布電壓由電阻決定，不會趨于無窮大。所以，發(fā)揮高阻尼電阻作用，以此破壞諧振條件，使諧振不再發(fā)生，并有效限制了工頻電弧重燃，將弧光接地過電壓幅值控制在2.3 倍相電壓以下，絕緣配合裕度高，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，不會擴大事故，防止突發(fā)性多點故障引發(fā)火災(zāi)事故；同時有效抑制了高頻電弧重燃過電壓，中性點經(jīng)電阻接地的系統(tǒng)不發(fā)生高頻電弧重燃；發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)仍然可帶電接地運行2 h 左右，有效降低系統(tǒng)中性點位移電壓；降低和釋放了雷電入射電壓，限制內(nèi)部過電壓。

由于抑制了諧振過電壓，降低了弧光接地過電壓幅值，整個系統(tǒng)的過電壓情況得到有效控制，相當(dāng)于提高了系統(tǒng)設(shè)備的絕緣水平，即設(shè)備絕緣強度不低于2.3 倍相電壓時，均可實現(xiàn)安全運行，提高了整個系統(tǒng)的供電可靠性。

2.4 通訊系統(tǒng)等電位連接

為了避免通訊機房因電位差較大，進而損壞通訊設(shè)備，對內(nèi)部設(shè)備的接地采取等電位連接。由于電源線路和通訊線路上因雷電感應(yīng)產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓，為保護通訊設(shè)備，在入戶處也做了總等電位連接。將外部防雷裝置的外敷引下線，在靠近地平線處，與總等電位連接端子連接。有多個電源進線和多個接地母排的情況，需將這些接地母排互相連通。機房六面敷設(shè)金屬屏蔽網(wǎng)，屏蔽網(wǎng)與機房內(nèi)環(huán)形接地母線均勻多點連接，特別采用短線技術(shù)，將設(shè)備間的連接線盡可能采用較短的導(dǎo)線連接，以減小導(dǎo)線上的雷電感應(yīng)電壓幅值。

為了解決雷電反擊及電位差問題，將通訊機房避雷帶下方接地網(wǎng)與通訊設(shè)備及PLC 自動控制設(shè)備接地網(wǎng)等分別實施等電位連接，避雷針和彩鋼瓦廠房下方增設(shè)阻抗匹配單元，對靠近通訊機臺設(shè)備的井下設(shè)施、井口設(shè)備設(shè)施分別實施等電位連接，降低電位差；同時將房屋周圍所有金屬管線及其他金屬物體和電纜金屬護層、光纜鋼芯等做等電位連接，接地電阻降低到1 Ω以下。

3 結(jié)論

（1）針對無直擊雷防護的配電線路，對特殊地段、特別回路進行防直擊雷、防雷電繞擊改造。抓住重點問題，以較小的投資，降低配電系統(tǒng)故障率。

（2）采用低殘壓避雷器，提高絕緣配合裕度，避免雷電殘壓對設(shè)備絕緣的影響。

（3）通過中性點接地方式的理論論證和實際應(yīng)用，采用高阻接地即符合礦山井下供電系統(tǒng)的安全要求，又保留了出現(xiàn)單相接地故障后可持續(xù)運行2 h不斷電的優(yōu)點，同時能有效降低系統(tǒng)中性點位移電壓，降低和釋放了雷電入侵電壓，限制了雷電擊穿絕緣演變的內(nèi)部過電壓。

（4）優(yōu)化整個通訊系統(tǒng)的等電位連接，接地電阻的阻值全面降低，使過電壓幅值得到全面抑制，杜絕雷電反擊及電位差問題再次發(fā)生。