某110kV煤礦供電線路防雷現(xiàn)狀研究與應(yīng)用

盧向毅

[摘? ? 要] 本文對110kV線路防雷措施、防雷現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。通過測試與收集某110kV站1#110kV進(jìn)線線路參數(shù)，通過對照標(biāo)準(zhǔn)和理論計算，對該條輸電線路耐雷水平提出要求;結(jié)合ATP-EMTP仿真系統(tǒng)對輸電系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行建立;利用仿真系統(tǒng)，闡述了接地電阻、絕緣配置、避雷器、避雷線對耐雷水平影響;通過理論分析及仿真分析，得到該110kV線路一次防雷系統(tǒng)評估報表，并對耐雷水平不符合國家標(biāo)準(zhǔn)桿塔進(jìn)線原因分析，最終確定該線路防雷優(yōu)化方案。

[關(guān)鍵詞]防雷參數(shù);耐雷水平;ATP-EMTP;防雷措施;優(yōu)化方案

[中圖分類號]TM721 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）10–00–03

Research and Application of Lightning Protection for 110 kV

Coal Mine Power Supply Line

Lu Xiang-yi

[Abstract]This paper introduces the lightning protection measures and current situation of the 110kV line. Through testing and collecting the parameters of 1×110kV incoming line of a 110kV station， and comparing with the standard and theoretical calculation， the lightning withstand level of the transmission line is required; the simulation model of the transmission system is established by combining with atp-emtp simulation system; the influence of grounding resistance， insulation configuration， arrester and lightning conductor on the lightning withstand level is elaborated by using the simulation system; through theoretical analysis and simulation results， the lightning protection level of the transmission line is improved The evaluation report of the lightning protection system of the 110kV line is obtained， and the reason why the lightning withstand level does not meet the national standard is analyzed， and the lightning protection optimization scheme of the line is finally determined.

[Keywords]lightning protection parameters; lightning withstand level; atp-emtp; lightning protection measures; optimization scheme

煤礦的供電安全是個大問題，防雷技術(shù)研究對煤礦供電的安全性起著舉足輕重的作用。對防雷隱患排查，提升其防雷水平已迫在眉睫。本文通過對某110 kV輸電系統(tǒng)1#進(jìn)線防雷現(xiàn)狀研究分析，得出該110 kV系統(tǒng)1#進(jìn)線真實(shí)的防雷現(xiàn)狀，然后根據(jù)分析評估來確定解決方案，在充分考慮到最優(yōu)效果同時使其和最佳經(jīng)濟(jì)投入之間取得平衡，使煤礦電網(wǎng)得以安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 國內(nèi)外輸電線路防雷措施現(xiàn)狀

國內(nèi)外輸電線路防雷措施主要有：沿線架設(shè)避雷線、降低桿塔的接地電阻、增加絕緣子片數(shù)、電網(wǎng)中采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式、在距變電所適當(dāng)?shù)木嚯x內(nèi)裝設(shè)可靠的進(jìn)線保護(hù)段、架設(shè)耦合地線、裝設(shè)可控放電避雷針、裝設(shè)自動重合閘、架設(shè)側(cè)面避雷線、裝設(shè)線路避雷器、采用差絕緣方式等技術(shù)措施。

在設(shè)計階段，運(yùn)行單位應(yīng)參照同地區(qū)已運(yùn)行線路的防雷經(jīng)驗(yàn)，及時向設(shè)計單位提出改善接地電阻、加強(qiáng)線路絕緣的具體需求建議;在工程竣工驗(yàn)收時：應(yīng)特別關(guān)注接地網(wǎng)的焊接質(zhì)量，接地網(wǎng)必須經(jīng)驗(yàn)收合格方可回填土，并在驗(yàn)收中逐基測量接地電阻，確保新建工程不給運(yùn)行留有隱患。

此外運(yùn)行管理措施有：

（1）加強(qiáng)接地裝置及絕緣子的運(yùn)維工作。一方面，應(yīng)在定期巡視中檢查處理接地裝置各部分的可靠連接及接地網(wǎng)外露問題，并按規(guī)定周期測量接地電阻。每次測量結(jié)果都應(yīng)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如測量結(jié)果不符合設(shè)計要求或阻值變化較大，應(yīng)立即開挖檢查接地網(wǎng)，一旦發(fā)現(xiàn)其嚴(yán)重銹蝕或斷裂，應(yīng)及時進(jìn)行更換處理。另一方面，應(yīng)加強(qiáng)絕緣子的定期巡檢，及時更換劣質(zhì)、破損絕緣子。

（2）規(guī)范雷擊事故巡視工作。發(fā)生雷擊事故后，應(yīng)盡可能了解事故的氣象信息，仔細(xì)辨別電弧灼傷痕跡，收集整理事故點(diǎn)桿型、檔距、與相鄰桿塔高差、地形地貌、導(dǎo)線排列方式、絕緣子型式及整串絕緣子片數(shù)、事故點(diǎn)照片等資料，實(shí)測桿塔接地電阻，及時分析總結(jié)，預(yù)防同類事故再次發(fā)生。

2 1#110 kV輸電系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要設(shè)備參數(shù)

該110 kV站兩回110 kV電源線路分別來自上級220 kV站，是該110 kV站主供電源。1#進(jìn)線導(dǎo)線截面為150 mm2，避雷線截面為35 mm2，全路徑長度為10.742km，全線路共計桿塔41基;直線桿塔采用合成絕緣子，耐張桿塔采用的防污絕緣子;全線路未安裝避雷器：全線路敷設(shè)有雙架空地線。

3 1#110 kV電源進(jìn)線仿真模型建立與仿真

ATP-EMTP作為目前使用最廣泛的仿真平臺，可以利用其軟件基本功能進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真計算，典型應(yīng)用是預(yù)測電力系統(tǒng)在某個擾動（如開關(guān)投切或故障）之后感興趣的變量隨時間變化的規(guī)律;將EMTP的穩(wěn)態(tài)分析和電磁暫態(tài)分析相結(jié)合，可以作為電力系統(tǒng)分析的有力工具。輸電線路、避雷設(shè)備、導(dǎo)地線等特性的模型，可以使用ATP-EMTP軟件進(jìn)行設(shè)計，既可以滿足計算使用，又相對比較容易建模，同時此軟件還是一種免費(fèi)軟件。

（1）利用EMTP仿真系統(tǒng)，依據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)狀與參數(shù)，開發(fā)1#110 kV線路一次系統(tǒng)仿真模型（圖1）。主要資料包括：電網(wǎng)參數(shù)、桿塔、絕緣子、避雷器、輸電線路型號及等具體參數(shù);使用ATP-EMTP軟件提供了LCC模型作為輸電線路模型，通過輸電線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用線路模型基本形式，雙避雷線和三相導(dǎo)線模型可通過以下五線架空線模型進(jìn)行模擬。

（2）利用EMTP仿真建立模型。依據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)狀與參數(shù)，建立感應(yīng)雷、直擊雷仿真模型，開發(fā)110 kV線路一次系統(tǒng)仿真模型，并依據(jù)歷史數(shù)據(jù)完成仿真模型驗(yàn)證。

（3）對110 kV線路耐雷水平進(jìn)行仿真計算。通過已搭建好1#110 kV線路，進(jìn)行模擬雷擊事故的仿真。得出桿塔的絕緣子串兩端電壓波形圖，從波形圖上查看在塔頂加有雷電流后，絕緣子串兩端電壓變化情況，同時，也可看到桿塔相鄰桿塔絕緣子串兩端電壓波形圖。通過在任何一基桿塔塔頂加雷電流，以觀察絕緣子是否閃絡(luò)，從而評估和驗(yàn)證其防雷水平。

（4）仿真結(jié)果：通過對不同接地電阻值仿真，說明盡可能減小桿塔接地電阻，能夠有效提高輸電線路耐雷水平;通過對不同的絕緣配置進(jìn)行仿真，得出應(yīng)盡量使用片數(shù)多FC—100P/146型絕緣子串能夠有效提高輸電線路耐雷水平;通過對線路避雷器不同安裝情況進(jìn)行仿真，論證出安裝避雷器對輸電線路耐雷水平的作用;且在接地電阻與避雷器配合時，對輸電線路耐雷水平進(jìn)行仿真。

4 對1#進(jìn)線防雷系統(tǒng)耐雷水平進(jìn)行評估

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定110 kV有避雷線的線路，在一般土壤電阻率地區(qū)，線路耐雷水平不宜低于40kA，大跨越檔中央和發(fā)電廠、變電所進(jìn)線保護(hù)段耐雷水平不宜低于75kA。

1#110 kV進(jìn)線1#～4#桿塔及9#～12#桿塔都在2km進(jìn)線保護(hù)段范圍內(nèi);7#、8#、9#、屬大跨越檔：

表1為仿真計算1#110 kV進(jìn)線線路各基桿塔耐雷水平的計算結(jié)果，計算所需數(shù)據(jù)均來自現(xiàn)場測試與參數(shù)收集，接地電阻值也為最新接地測量的值

以下將對各耐雷水平不符合國家標(biāo)準(zhǔn)桿塔耐雷水平較低原因進(jìn)行分析見表2。

雷害對煤礦的安全生產(chǎn)有著巨大的威脅，通過本次對1#110 kV線路防雷現(xiàn)狀進(jìn)行評估，排查出防雷隱患，并根據(jù)分析評估結(jié)果，確定了不同防雷薄弱點(diǎn)的解決方案，以提升其防雷系統(tǒng)，并取得了良好的效果。

對于110 kV線路，其繞擊耐雷水平較低，一般發(fā)生繞擊時絕緣子均會發(fā)生閃絡(luò)，因此應(yīng)采取措施盡量減少繞擊的發(fā)生。

常用的減少繞擊的措施有：

（1）架設(shè)雙避雷線并減小避雷線對邊導(dǎo)線的保護(hù)角。減少保護(hù)角可通過地線外移的方式但需注意的是兩根避雷線之間的距離不能超過導(dǎo)線和避雷線間垂直距離的5倍。這種方法是最為直接有效的減少繞擊的措施，但對于已經(jīng)架設(shè)的桿塔和線路來說，桿塔結(jié)構(gòu)已經(jīng)決定了保護(hù)角的大小，外移避雷線或重新架設(shè)桿塔施工困難，成本太高。

（2）架設(shè)旁路地線。架設(shè)旁路地線是指在導(dǎo)線側(cè)面安裝一組屏蔽地線，這樣可增強(qiáng)對導(dǎo)線的屏蔽作用，具有防繞擊能力，但這種方法造價高，施工困難，并且受地形條件限制，增加線路電能損耗，且可能需要砍伐樹木，運(yùn)行維護(hù)工作量和難度增大。

（3）安裝側(cè)向避雷針。安裝側(cè)向避雷針是指在桿塔橫擔(dān)上安裝水平側(cè)針，這種方法可有效提高桿塔引雷并增強(qiáng)桿塔對其附近導(dǎo)線的雷電屏蔽能力，從而降低繞擊率和繞擊跳閘率，同時，由于能發(fā)生繞擊的雷電流一般較小，接地電阻控制在允許范圍內(nèi)時被吸引至桿塔時也不會產(chǎn)生反擊閃絡(luò)，不增加反擊跳閘率;塔頭避雷針安裝方便，且免維護(hù)。

通過對上述方法的綜合對比，結(jié)合實(shí)際案例中已安裝的側(cè)向避雷針?biāo)鸬降牧己眯Ч?，最終決定對110 kV線路的防繞擊優(yōu)化采用安裝側(cè)向避雷針的方式進(jìn)行。

但需要注意的是，在安裝側(cè)向避雷針時應(yīng)對其做好加固處理，防止避雷針搖動對導(dǎo)線造成損壞。

5 減少反擊的優(yōu)化

可通過提高耐雷水平的方式來減少反擊的發(fā)生，提高耐雷水平的措施有很多種，依照將各基桿塔耐雷水平提至標(biāo)準(zhǔn)要求值以上并平衡各基桿塔耐雷水平的原則，結(jié)合《評估報告》中耐雷水平不符合國家標(biāo)準(zhǔn)桿塔進(jìn)行分析，總結(jié)出其耐雷水平不符合標(biāo)準(zhǔn)的原因，對減少反擊提出以下優(yōu)化措施：降低接地電阻;增強(qiáng)絕緣配置;安裝線路避雷器。

該線路最終確定整改措施

（1）安裝側(cè)向避雷針。對1#保護(hù)角不合格的1#、6#桿塔加裝了側(cè)向避雷針，并做好其降阻處理以及增強(qiáng)了絕緣。側(cè)向避雷針的安裝有效地防止了繞擊的發(fā)生。

（2）降低接地電阻。對6#水泥桿接地進(jìn)行重新制作。降低接地電阻不僅有效的提高了耐雷水平，并且配合了側(cè)向避雷針的安全使用。

（3）增強(qiáng)絕緣。將4#、6#、10#等桿塔的復(fù)合絕緣子改為9～10片的玻璃型絕緣子并對其噴涂PRTV防污閃涂料。將復(fù)合絕緣子改為9～10片玻璃型絕緣子后，絕緣性能大大提高，從而使耐雷水平也提高很多。由于對絕緣子進(jìn)行噴涂PRTV防污閃涂料，有效地減少了污閃的發(fā)生。

（4）安裝線路避雷器。對1#110 kV進(jìn)線1#、12#等桿塔加裝線路避雷器。安裝線路避雷器后將剩余耐雷水平不合格桿塔提高到了標(biāo)準(zhǔn)值以上，并對易擊地段及有雷擊歷史記錄地段桿塔加裝了線路避雷器，可有效減少雷擊給電網(wǎng)帶來的危害。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

煤礦電網(wǎng)在遭受雷擊導(dǎo)致跳閘后，將會對煤礦的安全生產(chǎn)帶巨大的危害，輕則設(shè)備損壞，經(jīng)濟(jì)受損，重則甚至?xí)斐扇藛T傷亡。因此對煤礦防雷系統(tǒng)進(jìn)行研究有著重要的意義。單從經(jīng)濟(jì)角度考慮，該煤礦年產(chǎn)量1000萬t，若煤礦因雷擊而跳閘停電，從停電開始到恢復(fù)生產(chǎn)大約需要5 h。

每個小時產(chǎn)量為按每噸煤純贏利500元計算，5 h造成的經(jīng)濟(jì)損失約為：

1141.6t/h×5 h×500元=2854000元

即每一次雷擊跳閘將會造成將近300萬元的損失。但減少煤礦電網(wǎng)跳閘停電最重要在其社會意義。煤礦通風(fēng)、排水、提升系統(tǒng)對供電質(zhì)量要求極高，提高線路防雷水平，降低事故跳閘率，對煤礦安全生產(chǎn)都具有重要意義。

文章結(jié)合理論及仿真分析，確定了該110 kV線路防雷優(yōu)化方案。從減少繞擊、減少反擊、防斷電等方面提出優(yōu)化措施，結(jié)合改線路運(yùn)行工況及現(xiàn)階段防雷配置，制定提高耐雷水平的具體實(shí)施方案，并付諸實(shí)踐。對研究線路防雷有著良好借鑒。

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