【文章內容簡介】 11 現(xiàn)場調研情況 經實地勘察，北翼風井架空線路有絕緣子串破損，桿塔旁有數個被強電流破壞的絕緣子和氧化鋅避雷器。 圖 35 損壞的絕緣子串 圖 36 損壞的避雷器 經過查看 35kV 變電站值班記錄和北翼風井兩回出線高壓開關柜綜合保護測控裝置的事件追憶記錄，在 2020 年 1 月到 2020 年 8 月時間段內，共發(fā)生跳閘 12 次，其中電流I 段保護動作為 10 次，電流 III 段動作 2 次，在 6~8 月跳閘次數為 8 次，占到總跳閘次數的 %。測控裝置錄波如圖 37 所示。 圖 37 測控裝置故障錄波圖 北翼回風斜井兩回架空線路為三角形布線，三相的布置橫擔長為 m，中相距橫擔高 ，平均線路高度 ，線路的耦合系數取 ，桿塔等效電感取 。（備注：因無法得到所研究架空線路的具體資料，本參數參考相關資料）取以上典型線路參數進行計算， Uj＝ *Ij，假設雷電電 流為 20kA，得 Uj 為 224kV，耐雷水平 Ij＝U50%/， U50%指絕緣子 50%放電電壓（即放電電壓平均值）， U50%為 100 kV。 Ij＝ kA。因此， Ij＝ kA＜ 20 kA ， U50%＜ Uj＝ 224 kV，發(fā)生擊穿絕緣子的事故。 12 根據現(xiàn)場勘察和調研結果表明，北翼回風斜井兩回 10kV 架空線路架設地勢相對周圍較高，易受雷擊。雖然線路兩端加裝有線路避雷器，但是依然發(fā)生多次雷擊跳閘停電事故，直接影響北翼風井風機的正常運行，表明北翼風井供電系統(tǒng)的防雷措施存在嚴重不足。 防雷措施和管 理建議 根據現(xiàn)場調研結果，北翼回風斜井兩回架空線路沿山丘架設，線路大部分架設在山頂或山坡，全線無避雷線，擊桿率較高。除第一基和最后一基桿塔加裝有線路避雷器外，再無其他防雷措施，加之防雷接地電阻高達 29Ω（根據榆林防雷中心 2020 年接地電阻測試報告），線路耐雷水平十分有限，容易發(fā)生雷擊桿塔、雷擊導線和感應雷電過電壓，引起絕緣子串閃絡、相間短路、絕緣子和避雷器損壞，導致跳閘，對于整個煤礦的安全可靠性供電造成很大的影響。根據以上分析，結合北翼風井兩回架空線路實際情況，建議加強該架空線路的防雷措施。 本次設計的主要 內容有以下幾種，如框圖 38 所示： 本 次 設 計 的 主 要 內 容避雷針避雷線降 低桿 塔的 接地 電阻加強線路絕緣避雷器的安裝仿真驗證 圖 38 主要的研究內容 13 降低桿塔接地電阻的方法主要有以下措施，如圖 39。 降 低 桿 塔 接 地 電 阻 的 方 法采用降阻劑換土進行化學處理外引接地深埋接地極 圖 39 降低桿塔接地電阻的方法 14 第四章 防雷措施分析 避雷針的使用 避雷針的結構包括接閃器、支持構架、引下線和接地裝置。它的保護作用是吸引雷電擊于自身，并通過接地裝置使雷電流泄入大地，總結來說就是引雷、排放。避雷針一般適用于保護那 些比較低矮的地面建筑物以及保護高層樓房頂上的突出設施，特別適合保護那些需要防雷引下線與內部各種金屬管道隔離的建筑物。雖然它在防雷過程中有很好的效果，但是在本課題的研究中，對于煤礦 10kV 架空線的防雷過程中卻存在以下問題。 (1)避雷針主要用來防止直擊雷帶來的危害，而對于 10kV 架空線路影響較多的是感應雷的影響，有關資料顯示， 10kV 的配電線路中，感應雷引起的故障比例在 90%以上。 (2)對于整個線路的保護范圍小。避雷針往往安裝在桿塔上，對于檔距中央的線路有的地方保護不到，如果安裝在檔距中間的避雷線上，安裝難 度較大，在運行時受風力等外部因素的影響，如發(fā)生偏轉會減小導地線之間的距離，帶來安全風險。如果想要保護線路的全長，則避雷針的架設高度就會很高，桿塔的高度相應就會升高，成本太大，很不符合經濟標準。 (3)容易引起反擊。當雷電被接閃器吸引后將有很大的高頻電流會通過接閃器和接地裝置，這時引下線的電壓很高，若避雷針相對于被保護物體的距離小于安全距離時，會會由引下線向被保護物體發(fā)生反擊，損壞被保護物體。我國國標規(guī)定避雷針距被保護物的空氣中的距離大于等于 5 米，避雷針距被保護物體的接地裝置間的地中距離大于等于 3米。這對于本 次設計中很難實現(xiàn)。 (4)電磁感應問題。在強大的雷電流沿避雷針向下通過接地裝置流入大地的過程中，會在周圍產生強大的電磁場，容易對周圍的通信設備引起誤動或損壞，還會在接觸不良的地方引起放電從而引燃易燃易爆物體，造成事故。 (5)避雷針的使用會導致雷擊概率的增加。由于避雷針的接閃器是將雷電引向避雷針的，因此會增加雷擊的概率。 15 架設避雷線 051 01 52 02 53 03 5耐雷水平/ k A2 0 4 0 6 0 8 0桿 塔 接 地 電 阻 /1 代 表 避 雷 線 距 上 端 導 線 0 . 2 m2 代 表 避 雷 線 距 上 端 導 線 0 . 4 m?12 圖 41 避雷線安裝高度與耐雷水平的關系圖 避雷線主要通過分流作用，以減小流經桿塔的雷電流，從而降低桿塔頂部電位。如圖 41 所示：避雷線的分流能力與桿塔的高度無關，僅與桿塔接地電阻有關。因此后面的降低桿塔的接地電阻對于架空線的防雷就非常有必要了。 [9] (1)無避雷線時的感應雷過電壓 : 有關規(guī)程規(guī)定，在雷擊地點和輸電線路之間距離 s 大于 65m 時，則感應雷過電壓的計算公式如下 [2]： sIhU d25? (41) 其中： I 為雷電流的幅值 (kA)； dh 為導線懸掛的平均高度（ m)； s 為雷擊點到線路的距離 (m)。 16 (2)有架設避雷線的時候感應雷過電壓的影響 : 實際上避雷線是有接地裝置的，其電位約等于為零，相當于在其上面疊加了一個極性相反，幅值相等的電壓（ U），這個電壓由于耦合作用，在這個電壓由于耦合作用，在導線上產生的電壓為 UKUK cc ??? )( 。即 U39。 ??U UKUK cc )1( ?? 式中， cK 為避雷線和導線之間的耦合系數，其值只決定于導線間的幾何尺寸與線間距。線間距 離越遠，則耦合系數 cK 越小，導線上感應過電壓越高 [2]。 直擊雷過電壓對于輸電線路的影響 [2]： (1)未架設避雷線的情況下直擊雷過電壓的影響 ?雷擊導線 :： 當雷電直擊導線后，雷電流沿著導線向著兩側流動，假定 0Z 為雷電通道的波阻抗， 2Z 為雷擊點兩側的導線的并聯(lián)波阻抗，若計及沖擊電暈的影響，可取Z=400， 0Z 可近似取 200，則雷擊點的電壓為 IZIZIUA 100422 ??? (42) 雷電流大小與雷擊導線的電壓成正比，如果雷電電壓超過線路絕緣的耐雷水平，則將發(fā)生沖擊閃絡，由以上可以得到線路的耐雷水平為 I= 100/%50U ， %50U 取 85kV。 由公式 I= 100/%50U 可 得，雷擊導線時的耐雷水平為 。 ?雷擊塔桿時的過電壓及耐雷水平 當線路塔頂受到雷擊的時候，雷電流 I 將通過桿塔以及接地電阻 chR 然后流入大地，設桿塔的接地電感為 gtL ，可以求出等效電路的桿塔點位為： U=I chR + dtdILgt =I ???????? ? LR (43) 17 式中， I 為雷電流幅值（ kA）； chR 為桿塔的沖擊電阻（ Ω）； gtL 為桿塔的等效電感 (μH)。 當雷擊塔頂時，導線上的感應過電壓為 dd hIahU 39。 ?? (44) 式中， I 為雷電流幅值； （ kA） dh 為導線懸掛的平均高度。（ m） 感應雷過電壓的電壓極性與桿塔的電位極性相反，因此，作用于絕緣子串兩端的電壓為 ?????????????????????????)39。(dgtchdgtchjhLRIIhLRIUUU (45) 通過上面的公式可以得到：導線懸掛的高度、桿塔的電感、接地電阻的大小、雷電流的幅值直接關系到雷電過電壓的大小，如果雷電過電壓大于等于絕緣子的 50%雷電沖擊放電電壓時，桿塔將會反擊作用于導 線，在中性點直接接地的配電線路中，有可能使得線路跳閘，此線路的耐雷水平為： UI??? (46) 由于我國 60kV 以下的電網采用中性點非直接接地，如果雷電流的幅值大于耐雷水平，會發(fā)生塔頂對于一相導線的放電，由于工頻電流較小，不能形成穩(wěn)定的工頻電弧，所以不會造成線路的跳閘，仍能安全的送電，只有當另一相發(fā)生 反擊時，造成兩相導線之間絕緣子串的閃絡，形成相間短路時，才會出現(xiàn)大的短路電流，雷擊塔頂，第一相絕 18 緣閃絡后，可以認為該相導線具有塔頂的點位，由于第一相導線與第二相導線的耦合作用，兩相導線的電位差為 [2]： )1)(()1(39。cdgtchjcj KhLRIUKU ?????? (47) 式中 cK 為兩相導線的耦合系數。當 jU39。 大于或等于絕緣子的 %50U 時第二相也發(fā)生反擊， 形成兩相短路，引起跳閘，由此線路的耐雷水平為 [3]： ))(1( %50 dgtchc hLRK UI ???? (48) 而安裝了避雷線時的耐雷水平為： )()[1( %50 dgtchgc hLRK UI ???? ? (49) bchbgtgLRLL 1???? 其中： cK 為線路的耦合系數； %50U 為絕緣子的 50%沖擊放電電壓（ kV）； chR 為桿塔接地電阻（ Ω）； dh 為導線對地平均水平高度； )(uHL gt 為桿塔接地電阻 為桿塔的分流系數g? 工程上常采用降低接地電阻 chR ，提高耦合系數 cK 作為提高耐雷水平的主要手段。耦合系數 cK 的提高可以減小雷擊塔頂時作用在絕緣子串上的電壓，也可以減少感應過電壓分量，提高耐雷 水平。常規(guī)的做法是：將單根避雷線改為雙根避雷線，甚至在導線下 19 方增設耦合地線，作用是增強導線、地線間的耦合作用 [2]。 根據有關規(guī)定， 35kV 及其以下全線不架設避雷線，主要原因有：中性點不直接接地，不容易跳閘； 絕緣水平低，即使架設避雷線，對導線的反擊的作用也不是很大，對于經濟性考慮不適合全線架設避雷線 [10]。 但是根據實際情況來說，煤礦 10kV 架空線對于煤礦的安全生產以及煤礦工人的安全非常重要，因此本設計采用全線架設避雷線。對于架設全線避雷線在接下來的具體方案中會進行詳細的設計。 降低桿塔 的接地電阻 線路的接地電阻直接關系到線路的耐雷水平，避雷器的作用是當線路受到雷擊時，避雷器優(yōu)先動作，將雷電流經過接地裝置導入大地，從而保護絕緣子，避免了發(fā)生閃絡；避雷線和避雷針則是影響雷電先導，使雷電對避雷線和避雷針放電，然后經過接地裝置將雷電流導入大地，如果接地電阻過大，雷電流就不能及時的導入大地，因此可能造成反擊，對線路和設備造成損害。所以無論采用以上三種方式中的哪一種都離不開設法降低線路的的接地電阻來取得更好的效果。又因為該段線路中原有安裝避雷器的一基桿塔接地電阻高達 29 歐姆左右，不符合要求，以下先 計算雷擊時線路的耐雷水平。 雷擊塔頂時的耐雷水平，由公式 ?I? ? ???????? ??? %50 hLRKUdgtchc （ 410） 其中： Kc 取 ； Rch 取 29Ω； Lgt 為 *12； U%50