煤矿地面110 kV架空电线路防雷改造应用研究

2020-05-14李娜

机电工程技术 2020年3期

李娜

（山西省长治市潞安集团电力中心，山西长治 046204）

0 引言

2016年7月3日晚上，受雷电影响，主井110 kV架空电线路瞬间断裂，造成回线路跳闸，引起B相和C相发生短路电流，短路电流分别为18 827.9 A、19 630.4 A，2号主变瓦斯泵站的继电器发生动作，迫使2号主变跳闸，最终致使整个矿井停电21 min。2号变压器受雷电影响毁损状况如图1所示，改造之前这种情况经常发生。遇到电闪雷鸣，井下中央变电所电线速断保护启动，不仅造成短路，而且致使变压器跳闸，严重影响矿井正常供电。为了降低雷电对矿井架空线路的影响，本文针对矿井现场状况，提出防雷改造技术方案，并制定安全防范措施，确保矿井地面110 kV架空线路免遭雷电电击，进一步提高矿井供电系统安全。

图1 2号变压器毁损状况

1 地面架空电线路情况

为了针对矿井提出可行技术，对煤矿地面110 kV架空电线进行了实地考察，现场发现1号风井和主井旁的架空电线均有绝缘器被雷电击损，多个架线的杆塔线路型避雷器被强电流造成损坏，损坏的绝缘器和避雷器如图2所示。

图2 架空线路经雷电作用下的绝缘器和避雷器

根据煤矿值班记录记载，110 kV变电站、风井两回路、主井输入电线在2016年1月至2017年1月一年的时间内受雷电影响，变压器发生跳闸事故18次，短路电流发生11次，电流保护动作11次，110 kV架空线路短路7次，其中6～8月跳闸次数为14次，占总跳闸次数的77.77%。

为了有针对性地说明，以风井两回110 kV架空线路为例，架空线路在空间上布设为三棱柱。三相电线之间的两两距离为1.2 m，平均高度约为10.3 m，如图3所示。矿井风井的两回110 kV架空线路是架设于地面相对平坦的地段，但是周围较为空旷，易受雷电影响。虽然两回110 kV架空线路两端安设有避雷器，但是避雷效果较差，仍然发生了许多雷击跳闸故障，致使风机停止运行，给矿井供风带来了严重问题，由此说明风机两回110 kV架空线路防雷技术措施存在严重问题，亟待改造。

图3 矿井安设的架空线路

2 防雷改造

2.1 防雷措施

煤矿地面架空电线路暴露在空气中遭受雷击类型如图4所示，主要分为3类，分别为塔顶及其附近遭到雷击、输电线路遭到雷击和距离地面较近受到雷击影响[1]。

图4 煤矿地面架空电线路遭受雷击类型示意图

煤矿地面的110 kV架空线路采用的是裸露导线传输，极易受直击雷和感应雷影响。每当雷落入到架空线路上时，因为电磁感应作用，造成架空电线路上产生高压电，此高压电基本是架空电线路110 kV的2倍甚至更高的雷击过电压，严重危害架空线路，击坏绝缘器。每次当雷电击到架空电线路时，架空线电路本身对大地具有阻抗，但是受瞬时超大雷电流影响，架空电线路会对地面产生超大高电势差，导致绝缘器被击穿，输电导线也被震断。另外，架空电线路因为耦合作用，幅值较高的雷电波会冲击损毁整个供电网络设备[2-3]。

110 kV架空线电路防雷的总原则是：技术上得到保障，经济合理，既能减少受雷电影响，又能确保整个矿井供电系统安全、可靠、平稳。根据雷击类型和矿井地面架空线路实况，提出110 kV架空线电路“四道防线”措施。架空线路防止被雷电直接击中，在整个矿区架空线路上安设避雷线；防止闪电作用，对架空线路进行改进，尽量减少裸露电线，减小架线的杆塔对地面的电阻；防止建弧影响，架空线路接地采用消弧线圈连接，并在架空线路上增设避雷器；防止整个矿井突然停电故障，增设自动化重合闸。综上，借鉴别的矿井经验和现在较为成熟的供电技术，煤矿地面110 kV架空线电路防雷采取架设耦合地线、减小接地电阻、安装避雷器、增加线路绝缘程度、安设自动化重合闸等措施，可以有效降低雷电对地面110 kV架空电线路的影响，减少受雷电跳闸、短路等频率[4]。

2.2 防雷改造技术

根据煤矿110 kV架空电线路受雷电影响发生的故障，论文从安设避雷线、线路增设避雷器、降低杆塔与大地之间电阻3个方面提出了防雷改造方案。

（1）安设避雷线

在110 kV架空电线路上安设避雷线，避雷线具有防止雷电落在导线上的作用，可以屏蔽雷电对架空线路的电击，其原理是将雷电上的电流直接引入大地。避雷线是与大地相互连接的，这样有利于将杆塔上的雷电电流引入到大地中去，既起到了分流作用，又减小了架线杆塔与大地之间形成的电势差，进而降低雷电对架线杆塔上的危害[5]。按照110 kV架空电线路上每根线路保护范围标准，避雷线安设夹角应与横担端部、中部形成一定夹角，此夹角为15°～35°比较适宜。查询架空线路的导线规格以及配套要求，结合电学知识和力学特性，110 kV架空电线路上安设的避雷线选择型号为GJ-40。地面110 kV架空电线路上通过安设避雷线，可大大降低电线和设备受雷电影响而产生的故障和危害。

（2）线路增设避雷器

矿井之前使用的是线路型避雷器，而且与绝缘器采用并联的方式安设在其旁边，一旦绝缘器遭受雷电击穿，线路型避雷器也会遭受不同程度的损伤。地面110 kV架空电线路遭受雷电电击时，雷电流通过架线杆塔部分流入到大地，而另外一些雷电流将会传到周围的杆塔。为了改善雷电流影响，选用型号为YH5WS-25/100的氧化锌避雷器在地面110 kV架空电线路安设。该型号的避雷器优势在于可以在三相电中每根线路上均可以增设，不仅可以增强架空线抗雷水平，而且可以降低相应设备免遭雷电危害。通过增设氧化避雷器，雷电流幅值被降低，线路上的绝缘器闪烁频率降低，受雷电跳闸率降低了47%，显著改善了地面110 kV架空电线路防雷特性。

（3）降低杆塔与大地之间的电阻

为了降低架线杆塔与大地之间的电阻，采用降阻剂来调节接地电阻。降阻剂是由强电解质、水等导电性能良好的物质组成，不仅可以增大杆塔与大地的接触范围，还可以通过本身导电成分的扩散和渗透作用，减小与杆塔接地范围内的土壤电阻率[6-8]。本次改造采用TJ-05型降阻剂，该降阻剂具有无毒无害、腐蚀性低、使用寿命长等优势，而且价格便宜、施工方便，是降低杆塔与大地之间电阻的良好选择。

3 制定安全措施及防雷改造应用

煤矿供电稳定性决定了矿井的生产和安全，为此，在110 kV架空电线路改造施工期间，特提出安全措施。在改造期间必须配备备用电源，一旦遇到紧急情况，立马采用备用电源；安设漏电保护装置，若发生短路等情形，漏电保护装置立即响应，确保供电安全；改造施工采取分阶段、分线路施工，若遇到危险，需立即撤至安全地带。总之，安全第一，确保质量。

三相电线路绝缘子采用P-15T进行安装保护，避雷的下方引线采用GJ-55型线，与大地连接的采用直径为12 mm的镀锌圆钢，并水平埋设于地下，埋深为1 m，110 kV架空电线路上每隔4个基础杆塔之间增设一个与大地相连的防雷装置。煤矿地面110 kV架空电线路采取防雷措施后的应用如图5所示。通过对地面110 kV架空电线路上安设避雷线、接地引线、防雷装置和降阻剂，显著降低了煤矿架空电线以及相应设备受雷电的影响，跳闸、短路等频率与改造之前显著降低。