论文部分内容阅读
【摘 要】结合作者在煤矿电气设计的工作经验，详细分析了35kV线路安装与防雷保护技术，对提高煤矿线路防雷的安全性，实现现代化煤矿具有重要作用。
【关键词】煤矿；电气设计；防雷保护
保护间隙是一种防雷保护装置，其原理是空气绝缘击穿泄放雷电流，雷电流释放后及时恢复绝缘状态。目前保护间隙在煤矿35kV电网中的应用还较少，为验证其防雷性能，本文采用ATP-EMPT电磁暂态分析软件模拟雷电入侵35kV电力线路的过程，分析进线段加装保护间隙后对变压器耐受雷电入侵的影响，并对某矿区某35kV架空线路加装防雷保护间隙装置的可行性进行分析。
1.可调式保护间隙结构及原理
1.1保护间隙结构
保护间隙通过在绝缘子串旁并联一对镀铜金属球电极而构成，如图1所示。依据相关绝缘子50%雷电冲击试验值，可确定保护间隙的放电电压及间隙距离。保护间隙利用空气绝缘保护绝缘子，有效抑制配电网中的雷电过电压分量。
1.2保护间隙原理
当线路正常运行时，保护间隙处于工频电场中。由于工频电场强度无法使空气间隙被击穿，此时间隙对线路的运行不会产生影响，克服了MOA避雷器长时间承受工频电压而老化甚至出现故障的缺点。当线路受到雷电过电压影响时，绝缘子串两端承受较高的雷电过电压，此时间隙闪络电压较低，间隙将先于绝缘子闪络，使雷电流泄入大地。对于矿区35kV电网中性点电容电流小于10A的线路，间隙间电弧能可靠息弧。
2.ATP-EMTP仿真结果及分析
采用ATP-EMTP电磁暂态分析软件对35kV架空电线路中变压器高压侧线路遭受雷击时的过电压情况进行仿真，主要分析架空电线路遭雷击后35kV变压器上的雷电过电压，不考虑开关、电容器等电气设备上所受的雷电过电压值，同时对加装保护间隙前后35kV变压器高压侧过电压进行对比。
2.1单相遭雷击实验
取3号塔左侧线路档距中央为雷击点，对C相遭受雷击的情况进行仿真。加装保护间隙前后35kV架空线路C相遭雷击时各点电压幅值见表1。
由表1可知，当C相遭受雷击时，加装保护间隙前变压器高压侧C相雷电过电压约为342.5kV，远远超出DL/T620-1997的规定值，极易导致变压器损坏。而加装保护间隙后增加了雷电流的分流途径，一部分雷电流传入相邻杆塔，一部分经间隙闪络形成的电弧通道入地，而多级逐渐降低的间隙闪络电压配合使线路上的雷电流在传播到变电站变压器高压侧前得到大幅减小，此时变压器高压侧雷电过电压约为154.13kV，仅为加装保护间隙前的45%。
2.2三相遭雷击实验
在线路遭受三相雷电来波时，保护间隙仍然能有效抑制入侵变压器的雷电过电压幅值。在雷电流为5kA的情况下，加装保护间隙后，变压器高压侧A相雷电波最大幅值由202.8kV下降至96.4kV，为原来的47.5%，B、C相雷电波最大幅值分别下降至原来的47.4%和47.5%。
仿真结果表明，当35kV线路单相或三相遭受雷击时，组合保护间隙对限制各相雷电过电压幅值有明显效果，大幅降低了变压器高压侧的雷电侵入波峰值，有效保护了35kV变压器。
3.加装保护间隙防雷效果分析
3.1耐雷水平分析
根据DL/T620-1997对35kV线路进行线路耐雷水平分析，计算安装保护间隙前后该线路的耐雷水平是否达到要求。雷击杆塔时的耐雷水平Il与分流系数β、杆塔等值电感Lgt、杆塔冲击接地电阻Rch、导地线间的耦合系数k、杆塔高度hd和绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%有关。
（1）
取β=0.9，Lgt=10μH，Rch=10Ω，hd=8.6m，k=0.1311，U50%=450kV，计算得I1=32.84kA，可知该线路的耐雷水平符合DL/T620-1997要求。
加装保护间隙后缩短了空气绝缘距离，线路平均50%冲击闪络电压下降为350kV。将该值带入式（1）计算得I1=25.54kA，下降至原来的77%，但依然满足DL/T620-1997要求。
3.2线路雷击跳闸率分析
绝缘子串加装保护间隙后，由于间隙距离小于绝缘子串空气距离，线路遭受雷击时跳闸率会有所上升。DL/T620-1997中对有避雷线的输电线路的雷击跳闸率公式为：
n=n1+n2=0.28（b+4hb）η（gP1+P1P2）（2）
式中：n1为雷击杆塔跳闸率；n2为绕击跳闸率；b为避雷线间距；hb为避雷线平均高度；η为建弧率；g为击杆率；Pa为绕击率；P1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平的概率；P2为雷电流幅值超过绕击的耐雷水平的概率；P1、P2根据lgP=-IL/88计算，IL为耐雷水平，绕击时的耐雷水平根据I2=U50%/100计算。
该35kV杆塔计算雷击跳闸率参数见表2。
将表2中参数值代入式（2）可得出加装保护间隙后雷击跳闸率为1.03次/（100km.a），未加装保护间隙时雷击跳闸率为0.96次/（100km.a）。雷击跳闸率提高了7.2%，但仍在可接受范围内。
4.现场应用
对35kV线路安装可调保护间隙，在绝缘子串两端并联一对镀铜可调球型保护间隙，使保護间隙的冲击放电电压略低于绝缘子串的雷电冲击放电电压，这样在雷击线路时，保护间隙先于绝缘子串放电，从而保护绝缘子串免受电弧灼伤。在雷电击穿时，间隙击穿属于纯空气击穿，电弧受引弧角作用而被拉长，受风力和电动力的共同作用，电弧易熄灭，从而使雷击建弧率下降；当线路跳闸时，由于纯空气保护间隙的去游离能力强，间隙绝缘会迅速恢复，有利于重合闸成功重合。
5.结语
初步运行结果表明，可调式保护间隙能够对线路进行有效的防雷保护。需要注意的是，在装置运行过程中，需要统计该线路的雷击跳闸率、雷击停电次数、绝缘子外表是否完好等情况，并收集该线路所处地理位置和运行年份雷暴情况等气象资料，以验证保护间隙的可靠性。
【关键词】煤矿；电气设计；防雷保护
保护间隙是一种防雷保护装置，其原理是空气绝缘击穿泄放雷电流，雷电流释放后及时恢复绝缘状态。目前保护间隙在煤矿35kV电网中的应用还较少，为验证其防雷性能，本文采用ATP-EMPT电磁暂态分析软件模拟雷电入侵35kV电力线路的过程，分析进线段加装保护间隙后对变压器耐受雷电入侵的影响，并对某矿区某35kV架空线路加装防雷保护间隙装置的可行性进行分析。
1.可调式保护间隙结构及原理
1.1保护间隙结构
保护间隙通过在绝缘子串旁并联一对镀铜金属球电极而构成，如图1所示。依据相关绝缘子50%雷电冲击试验值，可确定保护间隙的放电电压及间隙距离。保护间隙利用空气绝缘保护绝缘子，有效抑制配电网中的雷电过电压分量。
1.2保护间隙原理
当线路正常运行时，保护间隙处于工频电场中。由于工频电场强度无法使空气间隙被击穿，此时间隙对线路的运行不会产生影响，克服了MOA避雷器长时间承受工频电压而老化甚至出现故障的缺点。当线路受到雷电过电压影响时，绝缘子串两端承受较高的雷电过电压，此时间隙闪络电压较低，间隙将先于绝缘子闪络，使雷电流泄入大地。对于矿区35kV电网中性点电容电流小于10A的线路，间隙间电弧能可靠息弧。
2.ATP-EMTP仿真结果及分析
采用ATP-EMTP电磁暂态分析软件对35kV架空电线路中变压器高压侧线路遭受雷击时的过电压情况进行仿真，主要分析架空电线路遭雷击后35kV变压器上的雷电过电压，不考虑开关、电容器等电气设备上所受的雷电过电压值，同时对加装保护间隙前后35kV变压器高压侧过电压进行对比。
2.1单相遭雷击实验
取3号塔左侧线路档距中央为雷击点，对C相遭受雷击的情况进行仿真。加装保护间隙前后35kV架空线路C相遭雷击时各点电压幅值见表1。
由表1可知，当C相遭受雷击时，加装保护间隙前变压器高压侧C相雷电过电压约为342.5kV，远远超出DL/T620-1997的规定值，极易导致变压器损坏。而加装保护间隙后增加了雷电流的分流途径，一部分雷电流传入相邻杆塔，一部分经间隙闪络形成的电弧通道入地，而多级逐渐降低的间隙闪络电压配合使线路上的雷电流在传播到变电站变压器高压侧前得到大幅减小，此时变压器高压侧雷电过电压约为154.13kV，仅为加装保护间隙前的45%。
2.2三相遭雷击实验
在线路遭受三相雷电来波时，保护间隙仍然能有效抑制入侵变压器的雷电过电压幅值。在雷电流为5kA的情况下，加装保护间隙后，变压器高压侧A相雷电波最大幅值由202.8kV下降至96.4kV，为原来的47.5%，B、C相雷电波最大幅值分别下降至原来的47.4%和47.5%。
仿真结果表明，当35kV线路单相或三相遭受雷击时，组合保护间隙对限制各相雷电过电压幅值有明显效果，大幅降低了变压器高压侧的雷电侵入波峰值，有效保护了35kV变压器。
3.加装保护间隙防雷效果分析
3.1耐雷水平分析
根据DL/T620-1997对35kV线路进行线路耐雷水平分析，计算安装保护间隙前后该线路的耐雷水平是否达到要求。雷击杆塔时的耐雷水平Il与分流系数β、杆塔等值电感Lgt、杆塔冲击接地电阻Rch、导地线间的耦合系数k、杆塔高度hd和绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%有关。
（1）
取β=0.9，Lgt=10μH，Rch=10Ω，hd=8.6m，k=0.1311，U50%=450kV，计算得I1=32.84kA，可知该线路的耐雷水平符合DL/T620-1997要求。
加装保护间隙后缩短了空气绝缘距离，线路平均50%冲击闪络电压下降为350kV。将该值带入式（1）计算得I1=25.54kA，下降至原来的77%，但依然满足DL/T620-1997要求。
3.2线路雷击跳闸率分析
绝缘子串加装保护间隙后，由于间隙距离小于绝缘子串空气距离，线路遭受雷击时跳闸率会有所上升。DL/T620-1997中对有避雷线的输电线路的雷击跳闸率公式为：
n=n1+n2=0.28（b+4hb）η（gP1+P1P2）（2）
式中：n1为雷击杆塔跳闸率；n2为绕击跳闸率；b为避雷线间距；hb为避雷线平均高度；η为建弧率；g为击杆率；Pa为绕击率；P1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平的概率；P2为雷电流幅值超过绕击的耐雷水平的概率；P1、P2根据lgP=-IL/88计算，IL为耐雷水平，绕击时的耐雷水平根据I2=U50%/100计算。
该35kV杆塔计算雷击跳闸率参数见表2。
将表2中参数值代入式（2）可得出加装保护间隙后雷击跳闸率为1.03次/（100km.a），未加装保护间隙时雷击跳闸率为0.96次/（100km.a）。雷击跳闸率提高了7.2%，但仍在可接受范围内。
4.现场应用
对35kV线路安装可调保护间隙，在绝缘子串两端并联一对镀铜可调球型保护间隙，使保護间隙的冲击放电电压略低于绝缘子串的雷电冲击放电电压，这样在雷击线路时，保护间隙先于绝缘子串放电，从而保护绝缘子串免受电弧灼伤。在雷电击穿时，间隙击穿属于纯空气击穿，电弧受引弧角作用而被拉长，受风力和电动力的共同作用，电弧易熄灭，从而使雷击建弧率下降；当线路跳闸时，由于纯空气保护间隙的去游离能力强，间隙绝缘会迅速恢复，有利于重合闸成功重合。
5.结语
初步运行结果表明，可调式保护间隙能够对线路进行有效的防雷保护。需要注意的是，在装置运行过程中，需要统计该线路的雷击跳闸率、雷击停电次数、绝缘子外表是否完好等情况，并收集该线路所处地理位置和运行年份雷暴情况等气象资料，以验证保护间隙的可靠性。