某110kV煤矿供电线路防雷现状研究与应用

卢向毅

[摘    要] 本文对110kV线路防雷措施、防雷现状进行介绍。通过测试与收集某110kV站1#110kV进线线路参数，通过对照标准和理论计算，对该条输电线路耐雷水平提出要求;结合ATP-EMTP仿真系统对输电系统仿真模型进行建立;利用仿真系统，阐述了接地电阻、绝缘配置、避雷器、避雷线对耐雷水平影响;通过理论分析及仿真分析，得到该110kV线路一次防雷系统评估报表，并对耐雷水平不符合国家标准杆塔进线原因分析，最终确定该线路防雷优化方案。

[关键词]防雷参数;耐雷水平;ATP-EMTP;防雷措施;优化方案

[中图分类号]TM721 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）10–00–03

Research and Application of Lightning Protection for 110 kV

Coal Mine Power Supply Line

Lu Xiang-yi

[Abstract]This paper introduces the lightning protection measures and current situation of the 110kV line. Through testing and collecting the parameters of 1×110kV incoming line of a 110kV station， and comparing with the standard and theoretical calculation， the lightning withstand level of the transmission line is required; the simulation model of the transmission system is established by combining with atp-emtp simulation system; the influence of grounding resistance， insulation configuration， arrester and lightning conductor on the lightning withstand level is elaborated by using the simulation system; through theoretical analysis and simulation results， the lightning protection level of the transmission line is improved The evaluation report of the lightning protection system of the 110kV line is obtained， and the reason why the lightning withstand level does not meet the national standard is analyzed， and the lightning protection optimization scheme of the line is finally determined.

[Keywords]lightning protection parameters; lightning withstand level; atp-emtp; lightning protection measures; optimization scheme

煤矿的供电安全是个大问题，防雷技术研究对煤矿供电的安全性起着举足轻重的作用。对防雷隐患排查，提升其防雷水平已迫在眉睫。本文通过对某110 kV输电系统1#进线防雷现状研究分析，得出该110 kV系统1#进线真实的防雷现状，然后根据分析评估来确定解决方案，在充分考虑到最优效果同时使其和最佳经济投入之间取得平衡，使煤矿电网得以安全稳定运行。

1 国内外输电线路防雷措施现状

国内外输电线路防雷措施主要有：沿线架设避雷线、降低杆塔的接地电阻、增加绝缘子片数、电网中采用不接地或经消弧线圈接地方式、在距变电所适当的距离内装设可靠的进线保护段、架设耦合地线、装设可控放电避雷针、装设自动重合闸、架设侧面避雷线、装设线路避雷器、采用差绝缘方式等技术措施。

在设计阶段，运行单位应参照同地区已运行线路的防雷经验，及时向设计单位提出改善接地电阻、加强线路绝缘的具体需求建议;在工程竣工验收时：应特别关注接地网的焊接质量，接地网必须经验收合格方可回填土，并在验收中逐基测量接地电阻，确保新建工程不给运行留有隐患。

此外运行管理措施有：

（1）加强接地装置及绝缘子的运维工作。一方面，应在定期巡视中检查处理接地装置各部分的可靠连接及接地网外露问题，并按规定周期测量接地电阻。每次测量结果都应与历史数据进行对比，如测量结果不符合设计要求或阻值变化较大，应立即开挖检查接地网，一旦发现其严重锈蚀或断裂，应及时进行更换处理。另一方面，应加强绝缘子的定期巡检，及时更换劣质、破损绝缘子。

（2）规范雷击事故巡视工作。发生雷击事故后，应尽可能了解事故的气象信息，仔细辨别电弧灼伤痕迹，收集整理事故点杆型、档距、与相邻杆塔高差、地形地貌、导线排列方式、绝缘子型式及整串绝缘子片数、事故点照片等资料，实测杆塔接地电阻，及时分析总结，预防同类事故再次发生。

2 1#110 kV輸电系统系统结构及主要设备参数

该110 kV站两回110 kV电源线路分别来自上级220 kV站，是该110 kV站主供电源。1#进线导线截面为150 mm2，避雷线截面为35 mm2，全路径长度为10.742km，全线路共计杆塔41基;直线杆塔采用合成绝缘子，耐张杆塔采用的防污绝缘子;全线路未安装避雷器：全线路敷设有双架空地线。

3 1#110 kV电源进线仿真模型建立与仿真

ATP-EMTP作为目前使用最广泛的仿真平台，可以利用其软件基本功能进行电力系统仿真计算，典型应用是预测电力系统在某个扰动（如开关投切或故障）之后感兴趣的变量随时间变化的规律;将EMTP的稳态分析和电磁暂态分析相结合，可以作为电力系统分析的有力工具。输电线路、避雷设备、导地线等特性的模型，可以使用ATP-EMTP软件进行设计，既可以满足计算使用，又相对比较容易建模，同时此软件还是一种免费软件。

（1）利用EMTP仿真系统，依据系统现状与参数，开发1#110 kV线路一次系统仿真模型（图1）。主要资料包括：电网参数、杆塔、绝缘子、避雷器、输电线路型号及等具体参数;使用ATP-EMTP软件提供了LCC模型作为输电线路模型，通过输电线路的结构参数，利用线路模型基本形式，双避雷线和三相导线模型可通过以下五线架空线模型进行模拟。

（2）利用EMTP仿真建立模型。依据系统现状与参数，建立感应雷、直击雷仿真模型，开发110 kV线路一次系统仿真模型，并依据历史数据完成仿真模型验证。

（3）对110 kV线路耐雷水平进行仿真计算。通过已搭建好1#110 kV线路，进行模拟雷击事故的仿真。得出杆塔的绝缘子串两端电压波形图，从波形图上查看在塔顶加有雷电流后，绝缘子串两端电压变化情况，同时，也可看到杆塔相邻杆塔绝缘子串两端电压波形图。通过在任何一基杆塔塔顶加雷电流，以观察绝缘子是否闪络，从而评估和验证其防雷水平。

（4）仿真结果：通过对不同接地电阻值仿真，说明尽可能减小杆塔接地电阻，能够有效提高输电线路耐雷水平;通过对不同的绝缘配置进行仿真，得出应尽量使用片数多FC—100P/146型绝缘子串能够有效提高输电线路耐雷水平;通过对线路避雷器不同安装情况进行仿真，论证出安装避雷器对输电线路耐雷水平的作用;且在接地电阻与避雷器配合时，对输电线路耐雷水平进行仿真。

4 对1#进线防雷系统耐雷水平进行评估

标准规定110 kV有避雷线的线路，在一般土壤电阻率地区，线路耐雷水平不宜低于40kA，大跨越档中央和发电厂、变电所进线保护段耐雷水平不宜低于75kA。

1#110 kV进线1#～4#杆塔及9#～12#杆塔都在2km进线保护段范围内;7#、8#、9#、属大跨越档：

表1为仿真计算1#110 kV进线线路各基杆塔耐雷水平的计算结果，计算所需数据均来自现场测试与参数收集，接地电阻值也为最新接地测量的值

以下将对各耐雷水平不符合国家标准杆塔耐雷水平较低原因进行分析见表2。

雷害对煤矿的安全生产有着巨大的威胁，通过本次对1#110 kV线路防雷现状进行评估，排查出防雷隐患，并根据分析评估结果，确定了不同防雷薄弱点的解决方案，以提升其防雷系统，并取得了良好的效果。

对于110 kV线路，其绕击耐雷水平较低，一般发生绕击时绝缘子均会发生闪络，因此应采取措施尽量减少绕击的发生。

常用的减少绕击的措施有：

（1）架设双避雷线并减小避雷线对边导线的保护角。减少保护角可通过地线外移的方式但需注意的是两根避雷线之间的距离不能超过导线和避雷线间垂直距离的5倍。这种方法是最为直接有效的减少绕击的措施，但对于已经架设的杆塔和线路来说，杆塔结构已经决定了保护角的大小，外移避雷线或重新架设杆塔施工困难，成本太高。

（2）架设旁路地线。架设旁路地线是指在导线侧面安装一组屏蔽地线，这样可增强对导线的屏蔽作用，具有防绕击能力，但这种方法造价高，施工困难，并且受地形条件限制，增加线路电能损耗，且可能需要砍伐树木，运行维护工作量和难度增大。

（3）安装侧向避雷针。安装侧向避雷针是指在杆塔横担上安装水平侧针，这种方法可有效提高杆塔引雷并增强杆塔对其附近导线的雷电屏蔽能力，从而降低绕击率和绕击跳闸率，同时，由于能发生绕击的雷电流一般较小，接地电阻控制在允许范围内时被吸引至杆塔时也不会产生反击闪络，不增加反击跳闸率;塔头避雷针安装方便，且免维护。

通过对上述方法的综合对比，结合实际案例中已安装的侧向避雷针所起到的良好效果，最终决定对110 kV线路的防绕击优化采用安装侧向避雷针的方式进行。

但需要注意的是，在安装侧向避雷针时应对其做好加固处理，防止避雷针摇动对导线造成损坏。

5 减少反击的优化

可通过提高耐雷水平的方式来减少反击的发生，提高耐雷水平的措施有很多种，依照将各基杆塔耐雷水平提至标准要求值以上并平衡各基杆塔耐雷水平的原则，结合《评估报告》中耐雷水平不符合国家标准杆塔进行分析，总结出其耐雷水平不符合标准的原因，对减少反击提出以下优化措施：降低接地电阻;增强绝缘配置;安装线路避雷器。

该线路最终确定整改措施

（1）安装侧向避雷针。对1#保护角不合格的1#、6#杆塔加装了侧向避雷针，并做好其降阻处理以及增强了绝缘。侧向避雷针的安装有效地防止了绕击的发生。

（2）降低接地电阻。对6#水泥杆接地进行重新制作。降低接地电阻不仅有效的提高了耐雷水平，并且配合了侧向避雷针的安全使用。

（3）增强绝缘。将4#、6#、10#等杆塔的复合绝缘子改为9～10片的玻璃型绝缘子并对其喷涂PRTV防污闪涂料。将复合绝缘子改为9～10片玻璃型绝缘子后，绝缘性能大大提高，从而使耐雷水平也提高很多。由于对绝缘子进行喷涂PRTV防污闪涂料，有效地减少了污闪的发生。

（4）安装线路避雷器。对1#110 kV进线1#、12#等杆塔加装线路避雷器。安装线路避雷器后将剩余耐雷水平不合格杆塔提高到了标准值以上，并对易击地段及有雷击历史记录地段杆塔加装了线路避雷器，可有效减少雷击给电网带来的危害。

6 经济效益分析

煤礦电网在遭受雷击导致跳闸后，将会对煤矿的安全生产带巨大的危害，轻则设备损坏，经济受损，重则甚至会造成人员伤亡。因此对煤矿防雷系统进行研究有着重要的意义。单从经济角度考虑，该煤矿年产量1000万t，若煤矿因雷击而跳闸停电，从停电开始到恢复生产大约需要5 h。

每个小时产量为按每吨煤纯赢利500元计算，5 h造成的经济损失约为：

1141.6t/h×5 h×500元=2854000元

即每一次雷击跳闸将会造成将近300万元的损失。但减少煤矿电网跳闸停电最重要在其社会意义。煤矿通风、排水、提升系统对供电质量要求极高，提高线路防雷水平，降低事故跳闸率，对煤矿安全生产都具有重要意义。

文章结合理论及仿真分析，确定了该110 kV线路防雷优化方案。从减少绕击、减少反击、防断电等方面提出优化措施，结合改线路运行工况及现阶段防雷配置，制定提高耐雷水平的具体实施方案，并付诸实践。对研究线路防雷有着良好借鉴。

参考文献

[1] 董盛.输电线路的防雷措施分析探讨[J].广东通信技术，2015（8）：18-20.

[2] 杨玉红，于会志.浅谈电力系统防雷措施[J].水利水电，2015（34）：174.

[3] 韦朝华.农网35kV架空线路防雷技术的分析[J].中国高新技术企业（中旬刊），2011（5）：63-64.

[4] 李江民，黄华峰.浅谈110kV高压输电线路的防雷保护[J].湖南工业职业技术学院学报，2009（6）：8-9，41.

[5] 并红卫.110KV高压输电线路的防雷保护[J].大众科技，2005（10）：102-103，105.