雷电高发矿区防雷解决方案探讨

卢建宝

（永安煤业有限责任公司 福建永安 365000）

0 引言

永安煤业公司广平矿区35 kV 变电所及矿井10 kV 架空线路地处高山、雷电高发区，每年的雷雨季节，雷击现象极为严重，而其地壤结构又不好，土壤电阻率约为2 000 Ω·m，以至整个供电系统接地电阻值高居不下。设备及变压器的运行存在严重的安全隐患，长期困扰着矿区供电的安全运行。打雷时经常引起馈线跳闸，给矿井的生产带来严重的安全隐患。

1 矿区防雷存在的主要问题

矿区地处高山，井田地貌总体以中低山剥蚀构造地形为主，供电线路山峰与山谷落差大，山脉多呈北东走向，沟谷切割较深。矿区建设时考虑征地等原因，矿区35 kV 及矿井10 kV架空线路大多数从半山腰地势高、空旷的地方经过，变电所周边土壤电阻率大。

矿区属于雷电高发地区，雷电活动造成变电所馈线跳闸频繁。矿井10 kV 架空线是雷电重灾区，每次打雷基本都跳闸。雷电活动季节，通过矿区巡查和雷击影响范围看，矿区建、构筑物避雷设施较为完善，较少遭到雷击，雷电多数从线路侵入，架空线路水泥杆头有明显雷击痕迹。矿区10 kV 变电所系统接地电阻值高，为7.5 Ω。线路上的土壤接地电阻率大，避雷器接地电阻值居高不下。沿线按设计布设的避雷器较少，10 kV 架空线路无专门的避雷线。除线路进出线杆外，地势高及空旷处未安装避雷器。矿区地面变电所安装了避雷网（带）、避雷针，地面变压器母线排在2020 年安装了HY5WS 配电型避雷器。线路上的未到更换周期损伤的避雷器不易被发现。对更换下来的避雷器逐个进行耐压试验发现，地面变进线Ⅰ回进线杆、排矸线、二采区+315Ⅰ、Ⅱ回进线杆共5 个避雷器耐压不足，泄漏电流偏大，避雷器内部均受不同程度的损伤，但在非雷雨季节线路运行正常［1］。

2 雷电活动规律及架空线路雷害形成过程

2.1 雷电活动规律

雷电活动剧烈程度与不同地区、地理位置和土壤电阻率、建（构）筑物形状有关［2］。热而潮湿的地区比冷而干燥的地区雷电活动多；山区雷电活动多于平原；土壤电阻率突变的地方（如岩石和土壤、山坡和稻田交界）以及地下埋有导电矿藏（金属矿、盐矿）的地区易受雷击；岩石山或土壤电阻率大、接地电阻大的杆塔易受雷击；地面突出物容易被雷电击中，架空线路对地高的地方易受雷击；架空输电线路越长，遭受雷击频率越大。

2.2 架空线路雷害形成过程

架空线路雷害的形成通常要经历以下过程，即：线路受到雷电过电压的作用—线路发生闪络—线路形成工频续流—线路跳闸中断供电。因此，防范雷害形成可以从4 个方面着手：①采取沿线路装设避雷线等防雷措施，使输电线路不遭受直击雷；②采取加强线路绝缘、降低杆塔的接地电阻、在导线下方架设耦合地线等措施，使输电线路遭受雷电后绝缘不发生闪络；③采用消弧线圈接地方式、在线路上安装避雷器等，使输电线路发生闪络后不建立稳定的工频电弧；④装设自动重合闸、双回路线路采用不平衡绝缘方式等措施，使输电线路建立工频电弧后不会中断供电系统［3］。

3 架空线路雷害影响因素分析

3.1 架空线路耐雷水平分析

耐雷水平是指雷击架空线路时，不致使线路绝缘发生闪络的最大雷电流幅值。耐雷水平与不同杆头型式、杆塔接地电阻、线路绝缘子、杆塔高度、档距和雷电波形等因素有关，不同杆塔、线路都不一样。有关研究表明：10 kV 配电线路的耐雷水平普遍较低，影响线路耐雷水平的主要因素是杆塔接地电阻和线路绝缘子雷电冲击放电电压，而杆塔高度和雷电流波前时间对耐雷水平的影响相对较小［4］。

3.2 架空线路雷害事故原因分析

雷害形成的原因是多方面的，影响因素也比较多，其中输配电线路雷害的形成与架空线路的耐雷水平有很大关系。导致雷害形成的原因主要有6 个：①线路绝缘水平低，绝缘子片数不够或未及时更换绝缘子串中有低值或零值绝缘子；②带电部分对地间隙不够，这其中包括杆塔、横担、树木、房屋等；③杆塔或避雷器的接地电阻过大或接地不良，雷击时不能有效地泄漏雷电流；④避雷器或线路绝缘子耐压不足，线路导线与杆塔构件、拉线之间的最小间隙不符合要求，避雷水平下降；⑤线路相互交叉跨越距离不够，当输电线路互相交叉或跨越电压较低线路时，上方导线与下方导线应保持一定距离，如果距离不够则容易在交叉点发生闪络；⑥线路位于雷击活动强烈区，易受重复雷击，产生较大的破坏力［5］。

4 矿区防雷采取的措施

4.1 合理布置接地网

接地电阻的大小不仅与土壤电阻率有关，还与接地网的尺寸、形状、接地金属的材料、横截面大小等因素密切相关。根据矿区现有土质和土壤构造，以深埋接地极、多支外引式接地装置来扩大接地网面积、采用接地模块和降阻剂、伸长水平接地体等方法来降低接地电阻。变电所接地要以敷设水平接地体为主、水平接地和垂直接地相结合的人工接地网。人工接地网顶部埋深0.8 m；水平接地体的间距采用5 m～10 m，变电所实测接地电阻要求小于4 Ω，避雷器接地电阻不应大于10 Ω。如接地电阻不满足要求时，可以在接地极增加一些降阻剂来改变周边土壤导电属性降低接地电阻。还可以做外引接地网，外引接地网与主接地网间应有2 处以上的连接线，外引接地网及外引接地线的深度为顶部埋深的1.5 m。水平接地体宜采用镀锌扁钢侧埋，垂直接地体采用等边镀锌角钢或相同截面的镀锌钢管，长度应不小于2.5 m，打入地下进行深埋。

4.2 提高架空线路的防雷措施

（1）电力线路的绝缘配合。根据矿区架空线路和已有杆塔构件，对10 kV 线路的绝缘子进行检查，对不合格的针式绝缘子和瓷横担绝缘子进行更换和整改。经过污秽地区的架空线路建议采用防污绝缘子，增加耐张绝缘子串的绝缘子数量，并保证线路导线与杆塔构件、拉线之间的最小间隙不小于表1的数值［2］，提高架空线路整体绝缘水平。

表1 导线与杆塔构件、拉线之间的最小间隙

（2）增设架空线路避雷器组。矿区变电所高压架空线的进出线经常遭受雷击而跳闸，35 kV 线路装有避雷线，对防雷起到比较好的效果。矿井10 kV 架空线无专门的避雷线，根据近几年来雷击特点和范围，在原有变电所进出线杆安装有避雷器的基础上，对线路地势高、空旷处或有被雷击水泥杆增设安装氧化锌避雷器。

（3）完善架空线路杆塔的接地装置。在多雷区，6 kV 及以上无避雷线的线路钢筋混凝土杆接地根据土壤构造采用不同的接地方式，对于土壤电阻率较高的地点，可采用6～8 根的放射形接地极或采用连续伸长接地极。放射形接地极可采用长短结合的方式。接地极的埋设深度不宜小于0.3 m。放射形接地极每根的最大长度，应满足表2 的要求［2］。

表2 放射形接地极每根的最大长度

4.3 完善变电所防雷电感应的接地装置

鉴于矿区变电所的主体建筑在地势较高的半山腰，矿区年平均雷暴日>15 d/a，变电所除了按第三类建筑物的防雷在房屋设计时架设避雷针和避雷带，还应将建筑物内的设备、管道、构架等主要金属物就近接到防雷装置或共用接地装置上。防雷电感应的接地装置，其接地电阻不应>10 Ω。屋内接地干线与防雷电感应接地装置的连接，不应少于2 处。

4.4 增设配电电涌保护器防雷电反击

为防止雷电流流经引下线和接地装置时产生的高电位对附近金属物或电气和电子系统线路的反击，可以在低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处装设Ⅰ级试验的电涌保护器，以及配电变压器设在建筑物内或附设于外墙处，并在低压侧配电屏的母线上装设Ⅰ级试验的电涌保护器。电涌保护器每一保护模式的冲击电流值，按下式计算［当电源线路无屏蔽层时按式（1）计算，当有屏蔽层时按式（2）计算］［2］。

式中：I 为雷电流，kA，取100 kA；n 为地下和架空引入的外来金属管道和线路的总和，km；m 为需要确定的那一回线路内导体芯线的总数；Rs为屏蔽层或钢管每千米的电阻，Ω/km；Rc为芯线每千米的电阻，Ω/km。

4.5 定期对线路及其避雷器耐压试验

该矿区10 kV 高压架空线路有地面变进线Ⅰ回、Ⅱ回，排矸线、二采区风井Ⅰ回、Ⅱ回，共2 路进线3 路馈出线均使用架空线路。其中排矸线从+390 变电所906 高压开关柜馈出，架线长度为700 m。二采风井线+390 变电所907、908 高压开关柜馈出，架线长度均为2 700 m。3 条架空线均经过排矸山厚朴林，厚朴林又为雷电易发区。线路绝缘或避雷器损伤情况不易巡查的情况下，采用直流高压发生器对线路及其避雷器进行定期耐压试验。

（1）通过接地摇表先检测接地电阻是否符合要求。

（2）当接地电阻均符合要求时，用直流高压发生器查看泄漏电流，若出现晴天三相间的泄漏电流平衡或偏差较小，雨天潮湿天气时的三相间的泄漏电流不平衡系数>2 时，线路又无其它障碍物的，可以初步判定应该是避雷器或线路绝缘子耐压不足。

（3）当三相间的泄漏电流平衡，还发生打雷频繁跳闸，则可怀疑放电电流达不到要求，则需增加避雷器组，增加雷电大电流的释放点。

4.6 采用避雷器监测装置实现在线监测

JCQ 系列避雷器在线监测串联在避雷器的接地回路上，以记录避雷器动作次数和实时在线监测避雷器泄漏电流的变化情况。根据漏电流的变化情况，及时判断避雷器运行过程中因内部受潮或机械缺损等造成的异常情况。监测器投入运行后，电气值班人员可以巡回监视并定期抄录电流表的读数，一般要求泄漏电流比初始值增大20%以上时，应立即引起注意并加强监视；增大50%以上时，应立即查明原因后作出处理。通过避雷器的在线监测装置来监视避雷器受雷击次数和损伤情况，及时掌握避雷器完好情况，对不合格或内部有损伤的避雷器进行更换，从而提高供电系统运行的可靠性。

5 结语

通过雷电高发矿区受雷电影响造成的馈线频繁跳闸原因及其存在影响因素和问题分析，在矿区10 kV 架空线路现有避雷设施的基础上采取了一系列防雷措施，有效地解决了矿区受雷击频繁影响问题，在实际防雷过程中取得了很好的效果。本人认为重要的是：要做好防雷设施的日常维护，定期检查和检测防雷设施，对防雷措施进一步持续改进，才能保持矿区防雷成效。