铁矿配电、通讯系统防雷问题分析及解决

2024-01-31张海荣

现代矿业 2023年12期

张海荣

（通化钢铁集团板石矿业有限责任公司）

我国绝大部分铁矿地处野外，受雷电危害较大。其中磁性铁矿石矿山由于特有的易引雷属性，即使年平均雷暴日不超过40 个，主流设计也会将主供电系统、重要生产建筑物等防雷措施提级防护。但考虑经济因素，设计人员要兼顾工程投资和日常运行成本，这使得大部分配电、通讯系统并未采用提级防护措施，而这两大系统一旦遭受雷击，会造成配电回路跳闸，线路绝缘下降，运行故障增多；同时造成通讯系统中断，甚至通讯设备烧毁。这些事故严重影响了生产组织秩序，给生产经营造成了经济损失。找到更经济、更实用的防雷技术措施，从而降低配电、通讯系统运行过程中受雷击损坏的概率，是矿山企业面临的难题之一［1-5］。

1 矿区配电、通讯系统受雷击原因分析

经过资料收集、现场实地调查、雷击故障数据统计分析，得出铁矿矿区在防雷工作中存在的共性问题。

1.1 雷电直击和绕击原因分析

绝大部分铁矿采用6 kV（3 kV）配电系统，建设时采用国家推荐标准设计，全程未装设避雷线，部分较长的线路在荒芜山野经过的杆塔，成为直击雷的主要接引器，受雷电直击概率大，造成断电和损坏设备的概率亦较大。当发生强直击时，即使不对线路放电，也会产生强电磁感应，危害配电设备安全。同时，矿区配电线路按照少雷区建设，不采取预防雷电绕击的措施，铁矿石磁性较大时，尤其分支流注演变为“球雷”时，局部电位更高，危害更大，发生雷击断电和相应设备损坏的事故也就成为必然。

1.2 雷电过电压情况分析

外部过电压的绝缘配合是指避雷器的残压与设备绝缘强度相配合。按照规定，避雷器的残压应比设备的绝缘强度低20%～30%。目前预防感应雷电主要设备为线路首端、末端避雷器和变电所避雷器。线路上的避雷器主要型号为YH5WS-10/30，变电所母线侧普遍采用YH5WZ-10/27 型号的避雷器，这2种避雷器的残压高，绝缘配合裕度低，同时通流能力小，保护效果较差，如YH5WS-10/30型的绝缘配合裕度近似为零，YH5WZ-10/27型仅为10%。

1.3 接地运行方式对过电压影响分析

按照《金属非金属矿山安全规程》要求，矿山向井下供电的系统不得采用中性点直接接地运行方式。电网中性点接地方式不仅关系到内部过电压防护水平，在系统防雷问题上亦关系到2 个问题：一是雷电入射电压能否有效释放；二是雷电击穿单相绝缘演变的内部过电压能否有效抑制。

（1）入射电压波头危害。无论是感应雷电或雷击导线，其入射电压波头（非工频）都要以300 m/s 的速度迅速侵入全网，当有条件释放冲击波头时，则可减轻或消除雷电侵害；当没有释放条件时，冲击波将沿导线折返形成第二次冲击，加剧对绝缘的伤害。当第一冲击波头和第二冲击波头进入到整流回路时将产生较高电压，即使接地良好，因瞬时释放容量有限，仍要受到伤害。

（2）雷电击穿绝缘演变的内部过电压。当雷电强直击和绕击时，多数情况一般只击穿单相绝缘即已完成雷电放电过程，之所以发生设备的另一相绝缘击穿导致相间短路，多数情况下属于电弧重燃过电压所致，即由雷电击穿绝缘演变的内部过电压。这种形式的过电压幅值随着电弧重燃次数的增加持续升高，直至击穿另一相绝缘导致短路跳闸为止，有时甚至可发生系统内的多点故障。以板石矿区的配电系统为例，经计算，该矿区配电系统对地电容电流为11.7 A，不具备工频电弧重燃条件，但是因为系统本身存在一定分量的谐波电流成分，高频电弧重燃现象还是会发生，而高频电弧重燃过电压是导致事故的主要因素，因为高频电流即使很小（＜1 A）也会发生连续的电弧重燃，且在重燃过程中不断放大，形成恶性循环，直至发生相间短路跳闸为止。

中性点不接地系统的优点主要是发生单相接地时能持续运行2 h 左右，接地电流相对较小，跨步电压和接触电压相对较小，对信息系统的干扰和对低压网的反击等亦相对较小；缺点是弧光接地过电压倍数高，过电压持续时间长，遍及全网，其接地电弧均存在多次重燃问题，使过电压与振荡频率持续升高，危害设备绝缘，在小于0.02 s 的时间内即可能扩大为多点故障甚至发生火灾。

经计算，接地电弧每经过半个周波再次重燃时，过电压持续升高，直至击穿另一相或两相绝缘，或多点故障短路烧毁设备为止。综上所述，中性点不接地系统对于谐振过电压、弧光接地过电压和雷电入射电压无任何限制措施。

1.4 通讯系统受雷击原因分析

目前矿区普遍使用的通讯系统保护接地和工作接地虽然符合国家规定的电阻值，但并不能完全解决多雷区的特殊问题。因为防雷接地的效果与分布在被保护设备上的雷电分布电压高低及持续时间密切相关，接地电阻大时则雷电分布电压高，持续时间长；反之接地电阻小时则分布电压幅值低，持续时间短。核心是散流容量和速度问题，通常称为“释放”或“泄流”。

通讯设备上的雷电分布电压与接地电阻成正比。这种降低接地电阻的办法从广义上讲，作为单体设备设施降低雷电分布电压是无可争议的，设备的接地电阻越小越好。当保护与工作接地电阻超过1.0 Ω 时（个别系统要求0.4 或0.7 Ω），由于地电位相对较高，对来自非工频的电流信号不能及时导入大地，而发生信号误动或误判断，甚至谐波电压高时烧坏设备。除此之外，谐波对微机的影响也很大，实验证明微机设备、元件、含单片机和微机保护装置在谐振频率≥200 Hz 时大多出现“死机”或“误动”。通讯系统设备本身即属弱绝缘设备，对过电压的适应能力差。因此受雷击过电压的影响较大，当雷电电压幅值较高时，不仅损坏程控交换机主板和用户板，甚至连信号及电源避雷器本身也要发生损坏，失去保护作用。

1.5 电位差与雷电反击原因分析

雷电反击是高电位物体或接地网向低电位物体放电现象，放电渠道一是空气间隙，二是通过接地网等地下隐蔽物向地面物体放电。电位过高时，气体击穿距离可达四十余米，可同时击穿多个目标。除雷电感应第一波头和第二波头冲击因素之外，由避雷针接地网的高电位向通讯系统低电位接地网反击也是重要因素。

对于井下通讯设备和机房通讯设备而言，能构成雷电侵害的因素有外部传导、感应和反击，与交流电源系统亦有一定关系。信号方面，大部分通讯线路采用无屏蔽层线路，数百米架空线路引入后，雷电产生的强磁场在金属线上产生的电磁感应电压在几千伏以上。以板石矿通讯机房一楼处电话线芯线作为过电压计算案例，以云中放电距离1 500 m，通过近2 a闪电定位仪测定的平均放电电流40 kA，线高5 m，计算每芯线上电压为165 V，足以对正常48 V 运行的通讯线路产生破坏。同理，无屏蔽接地的有线电视线路产生的电压也为3.3 kV，芯线将产生与屏蔽层方向相反的电动势，进入电视电源，即使良好接地，电压仍为3.3 kV的20%，即600～700 V，普通电视机绝缘无法承受此电压。

1.6 客观条件及设备本体绝缘影响分析

受温室效应等因素影响，我国平均雷电强度亦不断增大，与历史相比，不仅雷暴日增多，雷暴时间亦不断延长。特别是老矿山，矿区大部分线路和变电所设备运行时间已有几十年，加之长期受到外部和内部过电压事故对设备绝缘的冲击伤害，其整个系统的绝缘水平普遍较低，一般性的过电压即可能引发绝缘击穿事故，也是故障率较高的一个客观因素。

2 铁矿防雷技术措施

经过系统研究，运用理论手段分析，定量研究雷击数据，同时兼顾投资性价比原则，有针对性地提出解决方法。

2.1 特殊地点防护

完整的防雷应为网状防护或全程装设避雷线，因投资巨大，仅有重要的供电线路使用。为了解决直击、绕击配电线路问题，以板石矿区为例，实施了重点矿区（荒芜山野）配置导闪塔6基，实施接地阻抗匹配。外移式防雷保护由6 基避雷塔和接地阻抗匹配系统构成；在6.3 kV 长线路新增设避雷器2 只，避雷器与接地网连接线采用在水泥杆内置，防止人为损坏；在荒芜的山坡上新安装4 组避雷器，并新建设了相应的6个避雷器接地网，合并为一个完整的外移式防雷保护系统，保护范围大幅度加大，使被保护区不发生雷电闪击、绕击，降低雷电在设备上的分布电压。安装线路避雷塔和接地网改造后，雷电流释放速度会提高4倍以上，以此实现对配电线路的保护。

2.2 提高绝缘配合裕度

在变电所母线配置2 组新型YH5WZ-10/26D 型低残压避雷器；将原有架空线线路首尾端各配置一组YH5WX-10/26D 型低残压避雷器，以此保护设备在发生雷电时，避雷器可靠动作，释放雷电流，同时限制雷电在设备上的分布电压，防止雷电电压高于设备绝缘强度，击穿设备绝缘。

2.3 中性点采用高阻尼电阻接地

设备雷击分布电压由电阻决定，不会趋于无穷大。所以，发挥高阻尼电阻作用，以此破坏谐振条件，使谐振不再发生，并有效限制了工频电弧重燃，将弧光接地过电压幅值控制在2.3 倍相电压以下，绝缘配合裕度高，当系统发生单相接地时，不会扩大事故，防止突发性多点故障引发火灾事故；同时有效抑制了高频电弧重燃过电压，中性点经电阻接地的系统不发生高频电弧重燃；发生单相接地故障时，系统仍然可带电接地运行2 h 左右，有效降低系统中性点位移电压；降低和释放了雷电入射电压，限制内部过电压。

由于抑制了谐振过电压，降低了弧光接地过电压幅值，整个系统的过电压情况得到有效控制，相当于提高了系统设备的绝缘水平，即设备绝缘强度不低于2.3 倍相电压时，均可实现安全运行，提高了整个系统的供电可靠性。

2.4 通讯系统等电位连接

为了避免通讯机房因电位差较大，进而损坏通讯设备，对内部设备的接地采取等电位连接。由于电源线路和通讯线路上因雷电感应产生瞬态过电压，为保护通讯设备，在入户处也做了总等电位连接。将外部防雷装置的外敷引下线，在靠近地平线处，与总等电位连接端子连接。有多个电源进线和多个接地母排的情况，需将这些接地母排互相连通。机房六面敷设金属屏蔽网，屏蔽网与机房内环形接地母线均匀多点连接，特别采用短线技术，将设备间的连接线尽可能采用较短的导线连接，以减小导线上的雷电感应电压幅值。

为了解决雷电反击及电位差问题，将通讯机房避雷带下方接地网与通讯设备及PLC 自动控制设备接地网等分别实施等电位连接，避雷针和彩钢瓦厂房下方增设阻抗匹配单元，对靠近通讯机台设备的井下设施、井口设备设施分别实施等电位连接，降低电位差；同时将房屋周围所有金属管线及其他金属物体和电缆金属护层、光缆钢芯等做等电位连接，接地电阻降低到1 Ω以下。