矿区配电架空线路雷电波过电压事故分析

赵雨晴

(长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙　410000)



矿区配电架空线路雷电波过电压事故分析

赵雨晴

(长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙410000)

摘要针对风机房进线架空线路雷电事故的问题,从差异性、精细化防雷准则入手,采用进线段保护加装保护间隙与线路绝缘子进行绝缘配合、降低线路避雷器接地体接地电阻以及用双曲折防雷变压器替代风机房所用变压等改造措施,使雷电流取5 mA时风机房进线端冲击电压81.33 kV降低到12.56 kV。利用暂态仿真软件ATP-EMTP对线路绝缘子并联保护间隙和线路避雷器接地电阻进行仿真验证,验证改造措施的防雷效果。

关键词雷电波;风机房;绝缘子;避雷器;接地电阻;ATP-EMTP

雷击是10 kV雷电线路发生事故的主要原因,对配电系统造成的完全可靠运行造成了威胁。日本50%的电力系统故障是由雷击引起;有关资料表明,绝缘导线在运行中,其总故障为裸导线总故障的15.3%,故障率大幅下降;其中绝缘导线雷击事故占总事故的36.8%,而雷击断线率为96.8%[1-6]。现在普遍采取的防雷措施有增加绝缘水平、安装架空地线、安装避雷器。避雷器有失败的可能,会增加系统维修的工作量[7-8]。广东电网的数据显示,55.3%的雷电过电压是因为避雷器失败。因价格昂贵,架空地线较少在中国煤矿使用,因此,研究矿区配电架空线路的防雷改造措施是必要的。

1雷击事故原因分析

(1)10 kV输电线路在绝缘配合上存在问题。根据绝缘子防雷动作理论可知,当发生雷击输电线路时,雷电过电压将沿着线路传输到杆塔处,高的雷电过电压将首先使绝缘子动作导通,使很高的雷电过电压通过绝缘子迅速泄入大地。

根据实地勘察,山西煤矿豹子沟风机房10 kV进线线路杆塔上采用2片普通瓷式绝缘子,根据在实验室的试验数据可知,2片普通瓷式绝缘子的全波雷电冲击放电电压通常约为210 kV。当发生雷击输电线路时,雷击点将产生较高(约97 kV)的雷电过电压[9],但这个过电压还没有使2片普通瓷式绝缘子动作导通,因而雷电过电压将无法通过绝缘子释放到大地,雷电过电压将沿着输电线路传递到终端杆塔,从而传到风机房内。

(2)线路避雷器接地电阻偏大。在煤矿的架空输电线路中,由于线路杆塔大部分架设在山坡上,土质多为黄土,土壤干燥,保水性能差,土壤电阻率高。由于土壤保水性能差,线路避雷器接地体很容易发生腐蚀使电阻变大。当雷击发生时,由于雷电过电压很高,首先促使避雷器动作,避雷器动作时,风机房进线处可视为零电位,但由于避雷器存在残压,以及接地引下线和接地体存在较大的电阻,这部分上也会产生较高的残压,所以线路上会产生一个很高的过电压,沿着输电线路进入风机房而发生事故。

图1　避雷器接地

(4)风机房缺乏良好的局部均压措施,冲击接地电阻过大。在现场了解到,风机房在建设时就缺少冲击接地优化等均压措施,仅围绕着主变变压器周围铺设了一个环形接地体,加之该地区土质干燥,该风机房所处的土质为黄土土壤,土壤含水性和保水性能都比较差。再加上单根环形水平接地装置的热容量小,在多次雷电流入地时,接地阻抗会变大,从而发生反击,打坏设备。

2改造措施

(1)架空线路及进线段保护改造。用PKJ-10/35可调过电压保间隙保护装置并联在10 kV线路杆塔绝缘子串,调整间隙的雷电冲击动作值使之为两片绝缘子串的50%,雷击放电电压的70%～80%[10-12],用可调过电压保护间隙保护绝缘子,转移雷击接地电弧通道,降低线路雷击建弧率,进而降低雷击跳闸率。对配电线路进风机房的前5级杆塔设置特殊进线段保护,从第5级起,逐步降低可调式保护间隙的雷电冲击动作值,到风机房进线的终端杆,保护间主隙的雷电冲击动作值与风机房设备的雷水平相配合,保护风机房主设备不受到由线路侵入的雷电波危害。

图2　PKJ过电压保护间隙安装示意图

(2)对杆塔线路避雷器接地体接地电阻进行测量,按照规程对于煤矿风机房接地电阻应<5 Ω,对于杆塔接地电阻不符合要求的应进行优化,增设接地体;对于杆塔接地电阻很大的要进行铺设接地网,或者外引辅助接地网。

山西煤矿为黄土土质,其保水性差,土壤电阻率过高,接地体很容易发生腐蚀,一旦发生雷电过电压将在杆塔顶端产生很高的过电压[11-14],造成反击输电线路的事故,造成跳闸,影响供电可靠性。

所谓的局部冲击优化就是在原有的杆塔接地体(网)上按一定的规格打入垂直接地体,并焊接到水平接地体(网)上,并对接地体用高效防腐降阻剂进行包裹,高效降阻剂不仅能够降低土壤电阻率,且能保护接地体不易发生腐蚀。

图3　局部接地冲击优化

(3)对风机进线安装FCD磁吹式避雷器。FCD磁吹式避雷器采用磁吹灭弧间隙,增大了灭弧能力,同时增大了续流值,相应的降低了避雷器的残压。在火化间隙旁并联分路电阻,使过电压沿火化间隙均匀分布,提高工频放电电压,改善了雷电流的冲击系数,且利用改变间隙的主电容或杂散电容的办法,使间隙组之间的杂散冲击电压分布不均匀,以降低避雷器的冲击放电电压,使其有较好的保护特性[15]。

3ATP-EMTP 仿真

由于输电线路为10 kV的架空线路,所以模拟雷击时雷电波峰值取5 kA,标准指数波为20/50 μs,杆塔采用JMarti集中参数模型,保护间隙模型采用动作电压值为12 kV,终端杆塔上线路避雷器取YH5WZ-13.6/54,线路避雷器动作电压值为13.6 kV,避雷器残压为54 kV,线路避雷器接地电阻取安全规程中的最大值5 Ω。

图4　线路绝缘子加装保护间隙仿真电路

图5　加装保护间隙前风机房进线端电压值

图6　加装保护间隙后风机房进线端电压值

由上图可知,当雷电流取5 kA时,在加装保护间隙前风机房进线端冲击电压达到81.33 kV,加装保护间隙后风机房进线端冲击电压为12.56 kV,由于煤矿风机房架空进线绝缘子绝缘配合不合理,在并联加装保护间隙后,对于风机房进线端过电压降低效果明显。

根据仿真模拟电路,模拟不同线路避雷器的接地电阻的大小,测试不同接地电阻值大小情况下风机房进线雷电冲击电压幅值。具体记录电压值如表1所示。

表1　不同接电阻下过电压

由表1中的数据结果可知,线路避雷器的接地电阻的大小对避雷器顶端的过电压影响较大,按照煤矿10 kV配网接地电阻5 Ω的要求,只有对避雷器接地体进行优化,保持接地电阻的要求,并对接地体进行局部冲击优化,用降阻剂进行降低电阻率和防止接地体的腐蚀。因一旦腐蚀,接地体的接地电阻将会变大,严重时将腐蚀断裂,断裂后避雷器则不再起作用,对应的避雷器顶端电位将会很大。

4结束语

针对山西煤矿集团豹子沟矿业风机房雷电事故,遵行精细化、差异性防雷理念采取线路加装线路保护间隙,对线路避雷器接地电阻进行冲击优化,对风机房所用变采用特种防雷变压器是有效果的,此种防雷改造措施也可用于其他煤矿。

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Analysis of Distribution Overhead Line Thunder ElectricWave Overvoltage Accident in Mining Area

ZHAO Yuqing

(School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410000,China)

AbstractContrary to the problem of mining machine into line overhead line lightning,lightning protection standards from the differences and intensification of into line with protect clearance and line insulator insulation coordination,maked out reform measures that reducing line lightning arrester grounding resistance grounding body and replace the wind machine room with double zigzag lightningproof transformer .When lighting current takes 5mA,the line side fan room impulse voltage 81.33 kV reduced to 12.56 kV.At the same time,using ATP-EMTP transient simulation software to simulation the line insulator parallel gap and line lightning arrester grounding resistance,validation the effect of lightning protection measures .

Keywordsray waves;the wind machine room;insulator;lightning arrester;grounding resistance;ATP-EMTP

中图分类号TD684

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-176-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.047

作者简介:赵雨晴(1989—),女,硕士研究生。研究方向:高电压防雷与接地技术。

收稿日期:2016- 03- 03