煤矿供电系统避雷性能改进

何金龙

（晋能集团四通煤业，山西临汾 041000）

0 引言

随着煤矿资源的大量开采，煤矿的作业安全直接关系到作业人员及井下作业的安全性。煤矿供电系统运行的好坏，将会对井下设备的运行效率及企业的经济收入产生重要影响。供电系统一旦发生故障，将会使井下设备处于无法正常运行或停机运行状态，最终会造成井下通风情况出现不顺畅、瓦斯不断聚集等严重问题，严重威胁井下作业安全[1-4]。将更加先进的技术应用到供电系统中，已成为当下提升供电系统综合性能的关键措施。因此，以四通煤矿供电系统为研究对象，针对其运行过程中出现的避雷性能较差问题，在对煤矿现场进行勘探的基础上，采取了架设避雷线及避雷器等避雷措施，开展了提高供电系统避雷性能的研究分析，并对其进行了为期半年的应用统计。结果表明，改进后的供电系统具有更高的综合性能及更长的使用寿命，能更好地满足四通煤矿供电系统的使用需求，对提高煤矿供电系统的运行安全及企业的经济效益具有显著作用。

1 供电系统运行时存在问题

煤矿供电系统在运行过程中，经常会因使用设备短路、漏电等故障现象而发生不同种类的运行故障，导致了供电系统中电气设备发生不同程度的损坏现象，继电保护器也发生了多次跳闸现象，其主要故障类型包括以下几种[5-8]。

（1）该煤矿的供电系统在使用过程中，由于井上架空线路的电压及电流突然增加，导致主变压器处的高、低压继电器侧开开关发生了多次跳闸现象，间接引发变压器出现损坏现象，导致煤矿出现不同时间的停电现象，给煤矿的开采造成了重要影响。

（2）供电系统运行过程中会出现消弧现象，导致电压保护柜中的熔断器频繁发生熔断现象，并伴随系统单相接地现象。

（3）一般在用电设备前端会配备相应的整流器、变频器等电气设备，而系统中用电设备的同时启停，均会产生较大程度的电量冲击，当冲击电量超过整流器及变频器的承载能力时，则会发生电气设备的损坏现象。

（4）供电系统在使用过程中，由于用电设备的超负荷作业，加上多种用电设备同时工作，导致对供电系统的用电量持续增大，并在供电系统中伴随大量热量产生，随着系统的长时间运行，将使系统中的电气设备发生线路老化、熔断等故障现象。

综上分析，煤矿供电系统运行过程中故障现象的发生，将会对企业的煤矿开采量产生重要影响，造成重大的经济损失。因此，提升供电系统的综合性能是当下保证煤矿生产效率的重点改进方向。

2 供电系统运行方式分析

目前，井上供电系统的输入端一般为110 kV的高压电源，通过变电站后，将其转换为10 kV电压，而10 kV母线采用一供一备的双回线供电方式进行运行。变电所的供电方式一般包括两种：一种为将用电设备直接与地面进行接触，操作较为简单；另一种则是将供电系统的出线与馈线进行连接，再与高压设备进行供电，在此馈线上需配备10 kV的变压器及变电所设备，以此来保证供电系统的运行安全性。在供电系统运行中，当母线通电过程发生失电故障时，执行人工闸热备回路方式进行开关控制，此时母线采用开关分列方式进行运行。在110 kV变电所变压过程中，主要将负荷转移到一根母线上，断开另一根母线。供电系统采用的此种运行方式已成为当下主要的运行方式。另外，煤矿企业会根据不同类型设备的使用情况进行供电运行方式的细微调整，以此来保证供电系统的运行安全及运行可靠性。

3 供电系统防雷改造

3.1 煤矿现场勘探情况

四通煤矿供电系统在运行过程中，出现了供电系统中断的运行故障。因此，对该煤矿进行了现场勘探。据考察可知，架空线上的避雷器及绝缘子出现了不同程度的损坏现象，如图1所示。由此，对供电系统中变电所的值班记录及高压开关测控装置中的数据记录进行查看，整套系统在1个月时间内发生了接近10次的跳闸现象，占全面跳闸事故的45%。其中，系统的电流1段用电保护动作约12次，对供电系统起到了较好的保护作用。同时，该煤矿中的架空线采用了三角形方式进行布局，整体具有较高的耐雷水平，而架空线路的布局相对较为平坦，容易遭受外界雷击作用。虽在现有的供电系统中配备了避雷器及绝缘子，但由于系统发生了多次跳闸事故，导致所配备的电气设备出现了不同程度的损坏现象，大大降低了供电系统的避雷性能，提高供电系统的防雷措施已成为当下提高供电系统综合性能的重点内容。

图1 损坏的供电系统避雷器实物图

3.2 架设避雷线措施

结合四通门口供电系统运行特点及使用中存在的问题，对其进行架设避雷线的防雷措施。其措施主要是将避雷线与大地接触，当雷电到来时，通过避雷线将雷电传输至大地中进行抵消中和。鉴于避雷线采用的是与地面直接接触，这样可将塔杆上的电流也迅速传递至地面进行抵消，由此，大大提高了供电系统的防雷效果。同时，通过对塔杆顶部的高度、降低架空线高度两种措施，并将设计的避雷线在全电线上进行安装，可有效提高供电系统的防雷性能。另外，在避雷线安装时，需保证其与横担端部边及横担中部边两者之间的夹角控制在20°～35°范围内，并保证架空线的最小间距控制在1 m范围内，以此保证避雷线具有最佳的避雷效果。

3.3 加装避雷器措施

结合上述分析，现有的避雷器在一定程度上已无法满足当下煤矿供电系统的避雷防护要求。因此，需在现有避雷器设计基础上加装更多型号的避雷器。根据安装现场可知，避雷器主要安装在绝缘子旁边，当线路中承受着较大电流时，部分电流将会沿着塔杆传递至地面，另一部电流则会传递至避雷器，最终传递至大地，而当电流超过避雷器的极限阀值时，避雷器因瞬间承受较大冲击电流而将会被击穿。避雷器的使用，将会使流经绝缘子的电流大大降低，从而实现对绝缘子的有效保护。目前，避雷器的安装方式相对较多，主要包括单相、双相及多相等安装方式，但不同的安装方式将会造成不同的安装成本。因此，针对四通煤矿的供电系统特点，对加装的避雷器采用了单相方式进行安装，可降低避雷器的成本。避雷器的安装，大大提高了供电系统的耐雷水平，可有效降低雷电的电流幅值。因此，在该供电系统中，选用了YH5WS型避雷器，其额定电压为17 kV，雷电击穿电流下残值为50，高度可达255 mm，能较好地满足现有煤矿供电系统的避雷需求，提高整个煤矿的作业安全性。

3.4 降低杆塔接地电阻措施

当系统遭受雷击时，雷电流将会击穿避雷器传输至接地装置，此时若接地电阻过大，将会产生较高的反击电压，对系统的运行安全构成重要影响。针对此情况，可采用降低塔杆接地处的电阻值，主要包括在接地装置上增加降阻剂、增加接地模块、更换土壤等措施，并对系统的防雷接地情况进行及时测试。因此，系统采用了怡佳防雷公司的TJ-03型降阻剂，该降阻剂具有使用寿命长、无污染、成本低等特点。同时，在接地电阻上增加了TJ-MK-F型接地模块，该模块主要由性能稳定、导电性强的电解物、非金属矿物、极芯等组成，而极芯则与接地电阻进行连接，增加了接地电阻的散热面积，实现对接地电阻的减小作用。另外，杆塔的接地极采用Φ12 mm镀锌圆钢，其间隙设置为220 mm，预埋深度增加至1.2 m，也可降低杆塔的接地电阻。由此，实现对供电系统避雷性能的提升。

4 改进后效果分析

为进一步验证上述开展的四通煤矿供电系统避雷性能提升设计，对其运行效果进行分析，统计了系统运行半年的使用情况。结果表明，改进后的供电系统在电气及机械等方面的故障发生率得到了明显降低，避雷器基本未出现击穿现象，绝缘子的使用寿命明显提高。在整个运行过程中，供电系统仅发生了一次停电事故，其原因仅为电气系统中其他电气元件发生老化现象导致，与原有供电系统相比，最终使设备正常运行的时间增加了近500 h，正常运行时间提高了20%左右，保证了煤矿的正常生产作业。据统计，按照此运行规律，可使四通煤矿1年的产值提升3 500万左右，并使电气设备的维修费用减少250万左右。另外，采用该供电系统后，大大降低了设备的运行故障率，对提高煤矿的管理水平及作业人员的安全性具有显著作用。

5 结束语

四通煤矿现有供电系统在使用过程中经常出现短路、断电等故障问题，其中，因雷击导致的供电系统无法正常运行故障概率最为明显，严重影响井下用电设备的工作效率及作业安全。随着现有技术的不断发展，将更加先进的技术应用到现有供电系统中，已成为当下煤矿企业研究的重点内容。因此，分析了现有供电系统使用中存在的问题，通过采取架设避雷线及避雷器等改进措施，开展了供电系统防雷改造研究，并对其实际运行效果进行了统计分析。结果表明，改进后的供电系统具有更低的故障发生率，大大缩短了井下停电时间，提高了井下设备的运行效率和企业的经济效益。