煤矿供电系统防雷技术改造研究

2019-07-25杜鹏程

煤矿现代化 2019年5期

杜鹏程

（西山煤电集团东曲矿，山西太原 030200）

1 煤矿供电系统简介

西山煤电东曲矿供电系统是由35kV变电所引出的10kV供电出现，负责向各个部门提供电能。35kV变电站需要自临近的两座35kV变电站引入，并同时向两回35kV供电线路供电。该变电站内的两台主变变压器在出线过程中实施两回同时供电形式，利用母联开关完成连接，通过这种方式，即便35kV主变变压器在进线或出线的任何回路停电，另一回路仍可继续完成供电任务，这也形成了煤矿供电系统运行持续性的保障。煤矿供电系统接线图见图1。

图1 煤矿供电系统接线图

2 煤矿供电系统存在的主要问题

2.1 输电线路绝缘设计的不足

山西省大部分煤矿在设计输电线路防雷保护的过程中，为了防止因雷击导致的跳闸事故，加之缺乏精确的计算，通常将输电线路的绝缘强度设定在绝缘子之下。本研究所调研的东曲矿在对35kV线路进行设计的过程中，选用了型号为XWP-70的悬挂绝缘子4片。

通过对以上绝缘子进行了U50%冲击击穿实验，将每片绝缘子的击穿电压设定为100kV，将4片绝缘子串联的击穿电压设定为420kV。根据电力规程可知，主变变压器的耐压水平约为200kV，雷电流的电压幅值介于200kV～420kV之间，若雷击事故发生，雷电的电压值低于绝缘子的闪络临界值，绝缘子不动作，雷电流会沿着输电线路传送至主变变压器，这也容易导致主变变压器因瞬时电压过大而烧坏。严重的甚至会在变压器电磁感应的作用下，于低压侧产生较高过电压，导致二次系统设备被烧坏。

2.2 变压器防雷设计的不足

目前，部分煤矿在设计供电系统的过程中，为了最大限度节约成本，只关注到对主变变压器的过电保护，将避雷器安装在变压器的高压侧，并未认识到在电磁感应作用下，变压器高压侧的过电压可能会传递到低压侧。大部分情况下，雷电过电压在进入变压器前会逐级释放，在到达高压侧时，过电压通常在高压侧的耐压范围，不会对高压侧的绝缘性能产生影响。但低压侧的电力设备的耐压值较低，需要利用二次低压设备完成对感应带过电压的释放，从而起到良好的过电压防护效果。

主变变压器在设计接地装置的过程中，只是将一圈均压环加装在变压器处，并未对其进行特殊的冲击优化。变压器通常位于一次和二次的交界处，在雷击事故发生的同时，在交界处会产生过电压，若不能利用相关设备使过电压得到充分释放，不仅会损害变压器的绝缘性能，也会威胁到二次设备的正常运行。

3 煤矿供电系统的防雷改造措施

3.1 线路保护间隙的完善

调研发现，该煤矿的输电线路绝缘设计存在明显不足。结合对绝缘子U50%冲击击穿实验结果的分析可知，受绝缘子片数过多的影响，雷击事故所产生的过电压无法在第一时间得到释放是导致设备被烧坏的主要原因。因此，应将绝缘子进行并联，形成保护间隙，结合线路电压等级对保护间隙的距离进行合理设定，使二者之间能够相互配合，利用保护间隙释放过电压，防止巨大雷电流沿输电线路进入主变变压器，烧坏设备。通过对保护间隙进行冲击试验，获取数据见表1。

表1 保护间隙冲击试验数据

图2 可调式保护间隙安装图

无论是针对不同电压等级的输电线路，还是针对保护间隙，在对保护间隙的距离进行调整前，需要将冲击试验结果作为参考依据，合理设定保护间隙的距离，随后完成安装工作。图2为可调式保护间隙安装图。

3.2 变压器防雷的优化设计

对接地进行冲击优化以及在高压侧安装避雷器是本次对变压器防雷设计进行优化设计的主要措施。现阶段，许多煤矿仅仅将避雷器安装在变电站的高压侧，原因是雷电产生的过电压会沿着输电线路进入主变变压器，在此过程中若能够对输电线路加以避雷保护，过电压会逐级释放，不会传递到低压侧。但相关事故表明，一次侧产生的过电压会在电磁感应的作用下传递至二次侧，烧毁二次设备。例如，山西煤矿集团2014年低压开关柜被烧毁的原因是未在低压侧设置避雷器。实践研究证实，雷击事故发生时，在地电位的反击作用下，也会产生巨大的过电压，若不能借助于避雷器释放过电压，极容易导致设备烧毁事件的发生。因此，需要在高压侧和低压侧同时安装避雷器，并确保至少一点接地。低压侧安装避雷器示意图见图3。

图3 低压侧安装避雷器示意图

图4 变压器基地的冲击优化

在对主变变压器实施局部冲击优化的过程中，需要在原有接地的基础上，结合主变变压器的地理位置，增设均压环。通常情况下，35kV的主变位于外部，具有良好的空地条件，方便对其进行冲击优化（见图4）。本研究将扁钢作为变压器冲击的主要工具，图中的黑点代表垂直接地体，采用高效膨润土对垂直接地体和扁钢实施包裹，各个煤矿可根据自身实际需要，适当增加冲击优化的范围，借助于扁钢连接均压环与变电站主接地网，促进雷电流的充分释放，确保供电系统在雷电流发生时能够稳定运行。

4 仿真分析

4.1 输电线路保护间隙的仿真分析

运用电磁暂态仿真软件对煤矿输电线路保护间隙过电压的保护效果进行仿真分析，根据历史雷电流值，将雷电模拟电流设定在100kA，直击输电线路B相，运用电压探针检测输电线路的过电压，模拟仿真电路图见图5。

图5 模拟仿真电路

图5 的模拟仿真电路对B相进行雷电直击基于未增设保护间隙的情况下，所测得的高压侧电压幅值和低压侧电压幅值波形图分别见图6和图7。

图6 高压侧过电压波形图

图7 低压侧过电压波形图

结合对图6和图7的分析可以获悉，基于未安装保护间隙的条件下，高压侧过电压最高值约为300kV，超出耐压范围，但未超过绝缘子的闪络临界值，因而不会对地放电，而会进入变压器，对其绝缘性能造成威胁，甚至会导致变压器被烧毁。低压侧过电压的最大值约为100kV，但由于二次低压设备的耐压性能和绝缘等级较低，极容易损坏二次设备，对变电站运行构成威胁。

结合对保护间隙的冲击试验结果，认为应在变压器高压侧加装保护间隙，根据输电线路的绝缘等级，确定动作值为180kV。图8和图9结果显示，在完成保护间隙的设定会，高压侧和低压侧的电压幅值分别为35kV到100kV之间，处于安全绝缘范围。