杜鵬程
(西山煤電集團(tuán)東曲礦,山西 太原 030200)
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(gè)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(shí)向兩回35kV供電線路供電。該變電站內(nèi)的兩臺(tái)主變變壓器在出線過程中實(shí)施兩回同時(shí)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(yùn)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
山西省大部分煤礦在設(shè)計(jì)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(jì)算,通常將輸電線路的絕緣強(qiáng)度設(shè)定在絕緣子之下。本研究所調(diào)研的東曲礦在對(duì)35kV線路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中,選用了型號(hào)為XWP-70的懸掛絕緣子4片。
通過對(duì)以上絕緣子進(jìn)行了U50%沖擊擊穿實(shí)驗(yàn),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(dòng)作,雷電流會(huì)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(shí)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。
目前,部分煤礦在設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)到在電磁感應(yīng)作用下,變壓器高壓側(cè)的過電壓可能會(huì)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(huì)逐級(jí)釋放,在到達(dá)高壓側(cè)時(shí),過電壓通常在高壓側(cè)的耐壓范圍,不會(huì)對(duì)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(duì)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(jì)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(duì)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(shí),在交界處會(huì)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(huì)損害變壓器的絕緣性能,也會(huì)威脅到二次設(shè)備的正常運(yùn)行。
調(diào)研發(fā)現(xiàn),該煤礦的輸電線路絕緣設(shè)計(jì)存在明顯不足。結(jié)合對(duì)絕緣子U50%沖擊擊穿實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jí)對(duì)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(duì)保護(hù)間隙進(jìn)行沖擊試驗(yàn),獲取數(shù)據(jù)見表1。
表1 保護(hù)間隙沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖2 可調(diào)式保護(hù)間隙安裝圖
無論是針對(duì)不同電壓等級(jí)的輸電線路,還是針對(duì)保護(hù)間隙,在對(duì)保護(hù)間隙的距離進(jìn)行調(diào)整前,需要將沖擊試驗(yàn)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。
對(duì)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(duì)變壓器防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要措施?,F(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(huì)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(huì)逐級(jí)釋放,不會(huì)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(huì)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(shí)踐研究證實(shí),雷擊事故發(fā)生時(shí),在地電位的反擊作用下,也會(huì)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(shí)安裝避雷器,并確保至少一點(diǎn)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(duì)主變變壓器實(shí)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(duì)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(diǎn)代表垂直接地體,采用高效膨潤(rùn)土對(duì)垂直接地體和扁鋼實(shí)施包裹,各個(gè)煤礦可根據(jù)自身實(shí)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(shí)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
運(yùn)用電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)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(yùn)用電壓探針檢測(cè)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(duì)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(cè)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(duì)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(huì)對(duì)地放電,而會(huì)進(jìn)入變壓器,對(duì)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(jí)較低,極容易損壞二次設(shè)備,對(duì)變電站運(yùn)行構(gòu)成威脅。
結(jié)合對(duì)保護(hù)間隙的沖擊試驗(yàn)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(jí),確定動(dòng)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(huì),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
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(duì)二次設(shè)備的有效保護(hù)。
圖10 避雷器保護(hù)電壓波形圖
本研究主要分析了某煤礦現(xiàn)有供電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)的不足,主要為變壓器防雷設(shè)計(jì)以及絕緣子串設(shè)計(jì)的缺陷,提出實(shí)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(duì)雷擊過電壓的有效防護(hù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)該煤礦供電系統(tǒng)的整體優(yōu)化。