煤矿供电防雷措施研究

彭 宇

（太原市西山煤电电力公司，山西 太原 030053）

根据煤炭行业生产的特点和需求，大多数煤炭企业都在矿区范围内建有降压变电所，大型煤炭企业内部甚至配置110 kV 或以上电压等级变电所。这些站所多数为企业内部管理，企业限于生产优先、经费局限等因素，在站所防雷设计、防雷设备选型、防雷设施更新上，存在一些防雷设计与标准不符、防雷设备超限服役、防雷设施配置不完善等诸多安全隐患。这些安全隐患，虽然暂时不影响正常供电，但是在雷雨季节到来后，随时都有可能因雷电大电流、过电压造成停电事故，对电网造成无法挽回的经济损失，给煤矿安全生产构成了很大威胁。因此，开展防雷电工作的研究，对确保煤矿安全生产是非常重要的课题，必须引起高度重视。

1 雷电对变电所和矿区变电设备的危害

1）变电所二次设备及计算机后台系统烧损。

2）变电所进出线架空线杆塔的高点在变电所附近，架空线被雷击的频次高、能量大，变电所的断路器、PT、母线过电压保护器易烧毁。

3）矿区架空线路雷击烧瓷瓶、绝缘子串、避雷器、电缆头，变电所干式所用变损毁。

4）矿区范围内因遭受雷击过电压导致矿井重要设备，如主扇风机、排水泵、井下监测监控、通讯办公设备跳闸断电，影响正常生产进行。

2 煤矿变电所防雷电措施现状

煤矿110 kV 及以下电压等级变电所，其管理权限存在一些历史遗留问题。变电所建设初期由煤矿自行管理，存在设备选型混乱、设备管理无序或重视程度不够导致的雷击隐患等遗留问题。在防雷设施上体现得也非常明显，如避雷器品牌不同、使用年限不一、泄漏电流等参数不同导致变电所基础防雷能力差异比较大；接地系统不完善，主接地极长期没有开挖检查、接地电阻超过10Ω、接地网存在断点、 独立避雷针与变电所主网安全距离不够等诸多隐患。

3 煤矿变电所防雷电措施存在的一般性问题

1）防雷设计不规范。防雷设计不规范一般发生于独立避雷针或接地极，主要表现是，独立避雷针引下线与站内龙门架引下线或建筑物钢筋结构安全距离不够，存在雷电反击隐患；有的是独立避雷针引下线直接连接至被保护建筑物引下线上，且埋深不足；有的是独立避雷针引下线少于两处，且避雷针引下线无断开检测点； 有的是母线避雷器安装与变压器电气距离过远等[1]。

2）避雷器超期服役。变电所开关柜内部安装有很多避雷器，通常起到防止雷电侵入波和防止操作过电压的作用，对避雷器的工作状态认知一般都是通过绝缘电阻测试、U1mA 直流参考电压和0.75U11mA 下的泄漏电流等试验来判断。有的煤矿变电所碍于资金投入限制，很多避雷器使用长达10年，甚至20年。避雷器使用寿命没有统一的标准，往往通过试验检测的避雷器就可以继续使用。但雷雨季节来临后，经过检修和试验的避雷器有时并没有起到防雷作用甚至在雷电侵入波作用下炸裂。

3）线路杆塔接地不规范。线路杆塔接地不规范主要表现在接地装置的材质、规格、埋深没达到要求；引下线与接地体的接触不好；接地电阻不合格并未及时整改； 接地体埋地及外露部分未做防腐处理；接地极回填土随意未夯实；未按要求设置两处接地体且无断开测试点等等。

4）防雷接地试验方法不规范，测试值不准确。为了节约设备和人工成本，少数试验单位在测量线路杆塔接地电阻时存在有不测或漏测。变电所接地网接地电阻测量，未采用变频大电流接地阻抗测试仪测试，有的使用钳形接地仪表测试后，就出具正式报告等。另一种情况是由于变电所防雷接地测试点较多，工作马虎，没有按每一个接地点进行测试，就出具合格的接地电阻报告。

5）对交直流系统防雷易忽略，防雷设施不完善。变电所交直流系统是变电所运行的主体，但是对直流系统的防雷措施配置不完善，如蓄电池BMS 管理系统未配置防雷模块； 交直流系统未配置浪涌保护装置；二次线缆截面不统一，并且忽视了等电位测试试验； 带有牵引钢丝的光纤电缆其牵引钢丝未做接地连接； 控制室用电设备未使用PDU 插座等等[2]。

6）一二次电缆未分离或电缆屏蔽层未接地。大部分的雷电引起的变电所跳闸故障都是由感应雷过电压引起的，线路避雷措施不完善，很可能通过进线电缆将雷电流引入变电所内部，引起感应过电压。一次电缆和二次电缆之间分布在同一电缆沟内，布线混乱相互交叉。

7）煤矿供电具有一定的特殊性。煤炭生产是主业，有的单位对矿井供电部门重视不够，在资金投入上相对主业投入不足。管理制度上不够健全。尤其是在防雷管理制度及管理措施上，存在应急预案不完善、不具体，可操作性不强，防雷培训相对较少等问题。

4 案例分析

2021年5月中旬，碾沟煤矿35 kV 变电所遭受雷击，雷电侵入变电所内部，造成变电所内部控制室1 台监控计算机和井下4 台风机烧毁。经事后对此次事故原因分析，在防雷措施上存在以下问题：

1）碾沟35 kV 变电站建设在山脊线制高点，周围空旷没有其他建筑物，站内设有一处高度为30 m 避雷针，不但对站内供电设施起不到防雷保护相反充当了引雷的作用。

2）由于资金问题，未对站内防雷设施及线路杆塔防雷接地电阻进行测试，也使防雷性能受到影响。

3）站内交直流屏柜内，BMS 管理系统未配置防雷模块，交直流系统未连接抗浪涌保护装置。

4）变电所只有一处电缆沟，且一次、二次电缆未有效分离，相互缠绕。

5）入井线缆的牵引钢丝未做接地处理。

5 改进措施研究

1）对防雷设计及时做防雷试验，对接地电阻不合格区域及时整改。尤其是在防雷设计时就存在的隐患或后期在防雷接地整改中新增的问题，如避雷针独立接地体设计点与变电所主接地网间距离不符合防雷设计规范或避雷针引下线与变电所主接地网直接连接等问题，另外保证变电所内建筑物和独立接地体至少拥有两个接地点，以保证更好的完整的泄流作用。

2）35 kV 及以上变电所接地网接地电阻、靠近变电所两端杆塔的架空地线回路导通电阻须采用变频大电流接地阻抗测试仪并三年测试一次，测试项目包括接地网接地阻抗、 接地引下线导通电阻、土壤电阻率，其他配电场所每两年可采用接地摇表测试。一般情况下禁止采用钳形接地仪表测试后出具正式报告。

3）对超过十年的接地极建议开挖检查，对腐蚀严重的接地极要进行更换。对引下线与接地极连接部位进行检查，对锈蚀严重的进行处理[3]。

4）35 kV、6 kV 配电型避雷器选型要合适。要求选用优质产品，方波通流容量不低于400 A。电容器设备用避雷器，方波通流容量不低于600 A。变电所限制侵入雷电波的主要设备是阀型避雷器，变电所中所有设备的绝缘都要受到阀型避雷器的可靠保护。阀型避雷器的选择首先应当使母线避雷器的伏秒特性的上限比变压器绝缘的伏秒特性的下限低。其次，避雷器应尽量靠近变压器，这样，作用在变压器上的电压就是避雷器的放电电压或残压[4]。

5）对使用年限长的避雷器进行更换。有些避雷器使用年限长，也能通过预防性试验耐压测试，但是避雷器制造材料出现老化，经过雷雨季节雷电高频次的放电，部分避雷器未能对雷电流起到限制作用。

6）采用新型防雷设备。主变中高压侧中性点接入避雷器。一二次电缆沟分开，一二次高压电缆分离；低压交直流安装浪涌保护器[5]；通信及调度系统使用SPD 插座；等电位连接及试验。

7）架空地线、线路避雷器的接地电阻要符合要求，引下线要牢固可靠，对35 kV 以上进出线线路杆塔接地电阻要求值为4Ω，对线路避雷器要求值4Ω，两者均建议高于国家标准，避免因接地电阻高导致泄流不畅将雷电流引入变电所内部。

8）当雷击于线路导线时，沿导线就有雷电冲击波流动，从而会传到变电所变压器上，因此，变压器中性点加避雷器可以有效避免此类问题。

9）采用新型高科技设备及产品完善防雷设施。如使用半导体少长针消雷装置配合氧化锌避雷器对直击雷进行防护； 使用多间隙自熄弧避雷器进一步减少感应到线路的雷击过电压； 采用导电硅橡胶高分子电阻为材料制作的AR 限流避雷针延缓雷击主放电时间，从而降低雷电流幅值，减弱雷击AR 限流避雷针后的二次效应； 配置雷电预警系统，提前预防可能遭雷击地点[6]。

10）变电所管理应健全防雷管理制度，制定可实施性强的应急预案，尤其是正确处置雷电过电压引起的断路器或变压器跳闸； 建立防雷设备设施台账，定期对防雷设施检查及时发现隐患；加强对防雷装置的作用及维护方法的培训，提高运维人员职业素质。

6 结语

煤矿变电所防雷技术及设施上还有很多不足，需要根据不同问题具体分析对待。煤矿企业要充分认识供电安全的重要性，为了有效降低雷电活动引起的配电系统故障问题，管理者应从思想上重视供电安全问题，加大变电所设备设施投入、加强标准化建设，及时对防雷设备进行更新换代；新建变电所在防雷技术和工艺上要跟上时代步伐，尝试应用新工艺、新技术、新产品，着力打造良好完善的防雷系统。