宋峰，张宁馨，邓海利

（邹城市气象局，山东 邹城 273500）

邹城市煤矿众多，是著名的兖矿集团公司所在地，其境内的鲍店煤矿、东滩煤矿、南屯煤矿等煤矿年产量都在300万吨以上。煤矿的通风设施、绞车房、提升设施、给排水设施、救援设施等均关系到矿工的生命安全。据统计，一般矿井均采用双回路，也就是从不同地区分别单独架设线路独立进入煤矿变电站，变电站通过变配电处理供给矿区地面和井下使用。根据国内各电网公司统计，近年来，电力系统中输配电线路故障50%～60%是由雷电的各种效应引起的，雷电灾害是供电线路的主要灾害源。另一方面，邹城地区矿井大多处于空旷地带，其区域内金属井架、高杆灯、输煤栈桥、煤仓等均为高大建筑物，且较为突兀，雷击概率较大。做好煤矿供配电系统的防雷保护涉及面广，不仅需要对变电所、架空线路进行防护，更需要对矿区内的变配电设施、机房、配电室等进行防护。所以，供电安全是煤矿的生命线，做好煤矿供电防雷安全尤为重要。

1 变电所35kV进线的防雷保护

1.1 35kV架空线路防雷保护

煤矿电源在进入矿变电所时，首先，经过架空线路，线路高度一般超过10m，电压为电源35kV，这段线路是雷击的重点部位，应使用架空避雷线进行直击雷防护。架空避雷线的保护范围，国标《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010给出的是“滚球法”，但电力行业规程则使用保护角法。从原理上看“滚球法”在避雷线架设高度小于滚球半径（hr）的范围内，架设高度越高保护效果越好，这恰恰与雷击线路的绕击率相反，所以，在输配电架空线路中应当使用保护角法计算保护范围。输配电线路中使用架空避雷线的目的有四个：一是降低直击雷的概率；二是闪电击中电力杆塔时，起到分流作用，降低杆塔对地电压；三是对输电线路有耦合作用，降低线路避雷器上的电压；四是多根避雷线对下方的电源导线有屏蔽作用，可以降低雷击感应过电压。对于煤矿35kV进线可考虑进线段设三根避雷线，从而使雷击点尽量远离杆塔避雷器，通过一段时间，线路上的冲击电晕使雷电流波形发生衰减和变形，最终降低波前陡度和幅值。

雷电绕击是线路雷击事故的主因，故降低雷击绕击率是线路防护的重点。据电力线路运行经验、现场测试和模拟试验，绕击率可按下式计算：

保护角的降低意味着避雷线与输电导线距离的减小，同时，带来了安全距离问题。为防止避雷线对输电导线的反击，根据GB50057-2010避雷线距导线应大于3m。

设置避雷线是输电线路的重要防雷保护方式，除此之外，雷击概率跟输电导线的布置方式也具有相关性架空输电线路有三种排列方式，如图1所示。

图1 架空输电导线排序方式

通过实际运行，统计出三种线路排序方式所对应的跳闸率，如表1。

由表1可以看出，上下三角排序方式下双回路同时跳闸率为0．000，所以，对于煤矿这种重要场所，应按上下三角方式排序。

表1 不同排序对应的跳闸率(次·（100km·a）-1)

1.2 杆塔防护方式

通过对雷击断线概率统计，发生在导线与绝缘子连接处的概率较大。因为电力杆塔接闪后，顶端对地电位最高，高电位首先对绝缘水平低的部位进行反击。电力杆塔接闪后，雷击过电压可按下列公式计算：

式（3）中，Utop为杆塔顶部电压（kV）；I为雷电流幅值（kA）；Ri为电力杆塔接地冲击电阻（Ω）；L为杆塔自身电感（μH）。假设，雷电流幅值为150kA（二类防雷构筑物）；雷电流波形采用10/350μs；杆塔冲击接地电阻为4Ω；杆塔电感为10μH（20米高铁塔）；约50%的能量经接地系统泄流入地。经计算，杆塔顶部的电位为：375．0kV。

架线杆塔的绝缘耐受电压水平如下：

根据式（4）能计算杆塔35kV线路采用3×X-4．5绝缘子的线杆电压U50%约为350kV。可以看出在未考闪电感应和电磁脉冲时，杆塔已经会被击穿。所以，当塔顶部电位高于350kV时，就会对导线产生反击。若对一相线路产生反击，将引起单相工频短路。由于35kV电力系统为小接地短路电流系统，其短路电流为电容性电流，数值很小，可能不足以引起跳闸，但若同时引起第二相导线反击，形成相间短路，则引起跳闸。

安装相匹配的避雷器是解决反击问题的关键。避雷器与绝缘子并联安装，在没有过电压的情况下，避雷器为高阻抗状态，出现高电压电涌时，避雷器会对地泄流，保障了线路的正常运行。避雷器原理如图2所示。

在使用中，SPD的冲击放电电压（Ub50%）应小于绝缘子串的50%冲击放电电压（Uj50%）。若雷电冲击放电电压偏差为δ，为确保避雷器能先行放电，Ub50%和Uj50%应至少满足下列关系：

图2 避雷器安装示意图

一般情况下，δ=0.03，所以。所以SPD的触发电压至少应比绝缘子的击穿电压低16．5%。根据电力规程要求，35kV电力系统雷电冲击耐受电压，相对地及相间均为185kV，则 35kV 杆 塔SPD的冲击放电电压应小于 154．5kV。

2 矿区35kV变电站防护

2.1 划分防雷类别

在电力规程中，没有对变电所区域进行防雷类别的划分，但GB50057-2010中要求对所有防雷建（构）筑物首先进行类别划分，从而更科学有效地采取针对性的防雷措施，这里提倡对煤矿变电所进行防雷类别的判定。

2.2 优化避雷针保护范围计算方法

不同的行业规范对于避雷针保护范围的计算不同，我国的电力规程使用“折线法”，而《建筑物防雷设计规范》则要求使用“滚球法”。“折线法”的保护范围是假设雷电定位高度H1为基准进行模拟实验的结果制定的；“滚球法”是假设一个球，半径为hr，沿避雷针和地面滚动，不被球面接触的部分则是保护范围。“折线法”中，避雷针高度与保护范围成正比；“滚球法”中高度超出滚球半径部分不被保护，滚球半径对保护范围的影响大。国家标准中，把第一、二、三类防雷建（构）筑物对应的滚球半径分别设定为30m、45m、60m。

在煤矿变电所中，高压线路及设施的高度一般不超过12m，室外高低压设备高度一般不超过5m。所以，在这两个高度平面上对比“折线法”和“滚球法”的保护范围。

表2 12m高度面上避雷针的保护范围（单位：m）

表3 5m高度面上避雷针的保护范围（单位：m）

按照GB50057-2010的标准划分防雷类别，煤矿变电所被划分为第二类防雷场所的可能性较大。从上表2和表3得出，在二类防雷场所避雷针高度为15m时，“折线法”计算出的避雷针保护范围略小于“滚球法”计算出的范围。增加避雷针的高度，“折线法”计算出的保护范围比“滚球法”计算出的范围明显变大。

根据滚球法和折线法的理论计算可以得出：当针高h≤0．293hr时，“折线法”确定的保护范围小于“滚球法”确定的范围；当针高h=(0．293～0．4)hr时，两种方法确定的保护范围基本相当；当针高h=(0．4～0．5)hr时，“折线法”确定的保护范围略大于“滚球法”确定的范围；当针高h＞0．5hr时，“折线法”确定的保护范围远大于“滚球法”确定的保护范围。这里提出以下应用：在煤矿变电所中，设置高度超过15m的避雷针时，保护范围应按“滚球法”计算；避雷针高度低于15m时，推荐使用“折线法”计算保护范围。

3 结语

在煤矿企业中矿井设备、机房设施、信息系统对供电稳定性要求很高。对于电涌保护器（SPD）的安装，除本文提出的方法外，针对不同电压级别和不同防护对象的保护还需要进一步研究。