杜鵬程

（西山煤電集團(tuán)東曲礦，山西 太原 030200）

1 煤礦供電系統(tǒng)簡介

西山煤電東曲礦供電系統(tǒng)是由35kV變電所引出的10kV供電出現(xiàn)，負(fù)責(zé)向各個部門提供電能。35kV變電站需要自臨近的兩座35kV變電站引入，并同時向兩回35kV供電線路供電。該變電站內(nèi)的兩臺主變變壓器在出線過程中實施兩回同時供電形式，利用母聯(lián)開關(guān)完成連接，通過這種方式，即便35kV主變變壓器在進(jìn)線或出線的任何回路停電，另一回路仍可繼續(xù)完成供電任務(wù)，這也形成了煤礦供電系統(tǒng)運行持續(xù)性的保障。煤礦供電系統(tǒng)接線圖見圖1。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)接線圖

2 煤礦供電系統(tǒng)存在的主要問題

2.1 輸電線路絕緣設(shè)計的不足

山西省大部分煤礦在設(shè)計輸電線路防雷保護(hù)的過程中，為了防止因雷擊導(dǎo)致的跳閘事故，加之缺乏精確的計算，通常將輸電線路的絕緣強度設(shè)定在絕緣子之下。本研究所調(diào)研的東曲礦在對35kV線路進(jìn)行設(shè)計的過程中，選用了型號為XWP-70的懸掛絕緣子4片。

通過對以上絕緣子進(jìn)行了U50%沖擊擊穿實驗，將每片絕緣子的擊穿電壓設(shè)定為100kV，將4片絕緣子串聯(lián)的擊穿電壓設(shè)定為420kV。根據(jù)電力規(guī)程可知，主變變壓器的耐壓水平約為200kV，雷電流的電壓幅值介于200kV～420kV之間，若雷擊事故發(fā)生，雷電的電壓值低于絕緣子的閃絡(luò)臨界值，絕緣子不動作，雷電流會沿著輸電線路傳送至主變變壓器，這也容易導(dǎo)致主變變壓器因瞬時電壓過大而燒壞。嚴(yán)重的甚至?xí)谧儔浩麟姶鸥袘?yīng)的作用下，于低壓側(cè)產(chǎn)生較高過電壓，導(dǎo)致二次系統(tǒng)設(shè)備被燒壞。

2.2 變壓器防雷設(shè)計的不足

目前，部分煤礦在設(shè)計供電系統(tǒng)的過程中，為了最大限度節(jié)約成本，只關(guān)注到對主變變壓器的過電保護(hù)，將避雷器安裝在變壓器的高壓側(cè)，并未認(rèn)識到在電磁感應(yīng)作用下，變壓器高壓側(cè)的過電壓可能會傳遞到低壓側(cè)。大部分情況下，雷電過電壓在進(jìn)入變壓器前會逐級釋放，在到達(dá)高壓側(cè)時，過電壓通常在高壓側(cè)的耐壓范圍，不會對高壓側(cè)的絕緣性能產(chǎn)生影響。但低壓側(cè)的電力設(shè)備的耐壓值較低，需要利用二次低壓設(shè)備完成對感應(yīng)帶過電壓的釋放，從而起到良好的過電壓防護(hù)效果。

主變變壓器在設(shè)計接地裝置的過程中，只是將一圈均壓環(huán)加裝在變壓器處，并未對其進(jìn)行特殊的沖擊優(yōu)化。變壓器通常位于一次和二次的交界處，在雷擊事故發(fā)生的同時，在交界處會產(chǎn)生過電壓，若不能利用相關(guān)設(shè)備使過電壓得到充分釋放，不僅會損害變壓器的絕緣性能，也會威脅到二次設(shè)備的正常運行。

3 煤礦供電系統(tǒng)的防雷改造措施

3.1 線路保護(hù)間隙的完善

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該煤礦的輸電線路絕緣設(shè)計存在明顯不足。結(jié)合對絕緣子U50%沖擊擊穿實驗結(jié)果的分析可知，受絕緣子片數(shù)過多的影響，雷擊事故所產(chǎn)生的過電壓無法在第一時間得到釋放是導(dǎo)致設(shè)備被燒壞的主要原因。因此，應(yīng)將絕緣子進(jìn)行并聯(lián)，形成保護(hù)間隙，結(jié)合線路電壓等級對保護(hù)間隙的距離進(jìn)行合理設(shè)定，使二者之間能夠相互配合，利用保護(hù)間隙釋放過電壓，防止巨大雷電流沿輸電線路進(jìn)入主變變壓器，燒壞設(shè)備。通過對保護(hù)間隙進(jìn)行沖擊試驗，獲取數(shù)據(jù)見表1。

表1 保護(hù)間隙沖擊試驗數(shù)據(jù)

圖2 可調(diào)式保護(hù)間隙安裝圖

無論是針對不同電壓等級的輸電線路，還是針對保護(hù)間隙，在對保護(hù)間隙的距離進(jìn)行調(diào)整前，需要將沖擊試驗結(jié)果作為參考依據(jù)，合理設(shè)定保護(hù)間隙的距離，隨后完成安裝工作。圖2為可調(diào)式保護(hù)間隙安裝圖。

3.2 變壓器防雷的優(yōu)化設(shè)計

對接地進(jìn)行沖擊優(yōu)化以及在高壓側(cè)安裝避雷器是本次對變壓器防雷設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的主要措施。現(xiàn)階段，許多煤礦僅僅將避雷器安裝在變電站的高壓側(cè)，原因是雷電產(chǎn)生的過電壓會沿著輸電線路進(jìn)入主變變壓器，在此過程中若能夠?qū)旊娋€路加以避雷保護(hù)，過電壓會逐級釋放，不會傳遞到低壓側(cè)。但相關(guān)事故表明，一次側(cè)產(chǎn)生的過電壓會在電磁感應(yīng)的作用下傳遞至二次側(cè)，燒毀二次設(shè)備。例如，山西煤礦集團(tuán)2014年低壓開關(guān)柜被燒毀的原因是未在低壓側(cè)設(shè)置避雷器。實踐研究證實，雷擊事故發(fā)生時，在地電位的反擊作用下，也會產(chǎn)生巨大的過電壓，若不能借助于避雷器釋放過電壓，極容易導(dǎo)致設(shè)備燒毀事件的發(fā)生。因此，需要在高壓側(cè)和低壓側(cè)同時安裝避雷器，并確保至少一點接地。低壓側(cè)安裝避雷器示意圖見圖3。

圖3 低壓側(cè)安裝避雷器示意圖

圖4 變壓器基地的沖擊優(yōu)化

在對主變變壓器實施局部沖擊優(yōu)化的過程中，需要在原有接地的基礎(chǔ)上，結(jié)合主變變壓器的地理位置，增設(shè)均壓環(huán)。通常情況下，35kV的主變位于外部，具有良好的空地條件，方便對其進(jìn)行沖擊優(yōu)化（見圖4）。本研究將扁鋼作為變壓器沖擊的主要工具，圖中的黑點代表垂直接地體，采用高效膨潤土對垂直接地體和扁鋼實施包裹，各個煤礦可根據(jù)自身實際需要，適當(dāng)增加沖擊優(yōu)化的范圍，借助于扁鋼連接均壓環(huán)與變電站主接地網(wǎng)，促進(jìn)雷電流的充分釋放，確保供電系統(tǒng)在雷電流發(fā)生時能夠穩(wěn)定運行。

4 仿真分析

4.1 輸電線路保護(hù)間隙的仿真分析

運用電磁暫態(tài)仿真軟件對煤礦輸電線路保護(hù)間隙過電壓的保護(hù)效果進(jìn)行仿真分析，根據(jù)歷史雷電流值，將雷電模擬電流設(shè)定在100kA，直擊輸電線路B相，運用電壓探針檢測輸電線路的過電壓，模擬仿真電路圖見圖5。

圖5 模擬仿真電路

圖5 的模擬仿真電路對B相進(jìn)行雷電直擊基于未增設(shè)保護(hù)間隙的情況下，所測得的高壓側(cè)電壓幅值和低壓側(cè)電壓幅值波形圖分別見圖6和圖7。

圖6 高壓側(cè)過電壓波形圖

圖7 低壓側(cè)過電壓波形圖

結(jié)合對圖6和圖7的分析可以獲悉，基于未安裝保護(hù)間隙的條件下，高壓側(cè)過電壓最高值約為300kV，超出耐壓范圍，但未超過絕緣子的閃絡(luò)臨界值，因而不會對地放電，而會進(jìn)入變壓器，對其絕緣性能造成威脅，甚至?xí)?dǎo)致變壓器被燒毀。低壓側(cè)過電壓的最大值約為100kV，但由于二次低壓設(shè)備的耐壓性能和絕緣等級較低，極容易損壞二次設(shè)備，對變電站運行構(gòu)成威脅。

結(jié)合對保護(hù)間隙的沖擊試驗結(jié)果，認(rèn)為應(yīng)在變壓器高壓側(cè)加裝保護(hù)間隙，根據(jù)輸電線路的絕緣等級，確定動作值為180kV。圖8和圖9結(jié)果顯示，在完成保護(hù)間隙的設(shè)定會，高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓幅值分別為35kV到100kV之間，處于安全絕緣范圍。

圖8 加裝間隙高壓側(cè)過電波形圖

圖9 加裝間隙低壓側(cè)過電波形圖

4.2 低壓側(cè)避雷器防雷的仿真分析

在加裝保護(hù)間隙的基礎(chǔ)上，在低壓側(cè)加裝避雷器，將避雷器的導(dǎo)通電壓值設(shè)定為10kV。圖10顯示，加裝避雷器后，低壓側(cè)的過電壓幅值為15kV，相比較于仿真結(jié)果，降低約19kV，表明避雷器的使用形成了對二次設(shè)備的有效保護(hù)。

圖10 避雷器保護(hù)電壓波形圖

5 結(jié) 語

本研究主要分析了某煤礦現(xiàn)有供電系統(tǒng)防雷設(shè)計的不足，主要為變壓器防雷設(shè)計以及絕緣子串設(shè)計的缺陷，提出實施保護(hù)間隙、在低壓側(cè)加裝避雷器等措施，通過進(jìn)行仿真分析可知，以上措施的施行，既能夠解決絕緣子串誤用的問題，又能夠?qū)崿F(xiàn)對雷擊過電壓的有效防護(hù)，實現(xiàn)了對該煤礦供電系統(tǒng)的整體優(yōu)化。