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特殊防雷接地系统技术研究

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《电瓷避雷器杂志》2016年第二期

摘要:

针对山西煤矿集团煤矿瓦斯抽放站使用独立避雷针防护直击雷这一现状,分析避雷针直击雷防护上所存在的问题及隐患,提出了一种适合于山西煤矿瓦斯抽防站特殊的雷击防护及接地系统方法。该方法采用防雷构架以及上层避雷网取代避雷针以防护直击雷,并采用构架之间搭建避雷线以防护雷电绕击,同时外引环形接地网进行接地网优化以及进行特殊局部冲击优化,采用GPF-94高效膨润土降阻防腐剂,优化冲击电阻,减少冲击残压,能够迅速将雷击产生的雷电流泄入大地,同时采用电磁暂态软件ATP-EMTP对外引环形接地网降低接地网接地电阻效果进行仿真分析,得出整个防雷系统的切实性和可行性。

关键词:

瓦斯抽放站;避雷针;冲击电阻;避雷网;接地电阻;环形接地网;ATP-EMTP

山西煤矿集团大平煤业有限公司大平矿井位于襄垣县西南15km处的渠街村北。其地理座标为:东经112°5210"-112°54-32",北纬36°2903"-36°3116"。地处太行山西麓,区内大部分地段被第四系黄土覆盖,纵观全区,其地貌特征为中等切割至轻微切割的低山丘陵类型,由一系列的黄土梁、冲沟组成的典型的黄土侵蚀型地貌。井田范围内地势大体是西南高、东北低,相对高差100m左右。矿区属东亚季风区暖温带半湿润气候,大陆性气候特征明显,四季分明,冬冷雨雪稀少,夏季炎热多雨,春季多风少雨。据襄垣县气象站1966—1983年的资料,历年降水量433.2-814.3mm,平均532.3mm,年降水量集中在七、八、九三个月。十月至翌年六月雨少而多睛天,最大降水量发生在1972年7月7日,为101.5mm最长连续降水长达3天,历年蒸发量大于降水量三倍多。历年最低气温-29.1°C,最高气温38.1°C,平均9.5°C。每年七月份为高温月,十一月至翌年三月气温最低。主导风向为西北风,最大风速是18m/s,冻土深度为0.82m。

1煤矿瓦斯抽放站概述

山西煤矿集团大平煤业公司煤矿瓦斯抽放站是负责整个煤矿井下瓦斯气体的抽送和排放的地方,由于矿瓦斯抽放站站内部瓦斯浓度高,并且矿瓦斯抽放站站内布设有许多用于输送瓦斯气体的管道路线,属于煤矿中最典型的易燃、易爆场所[1],所以对烟、火有着极其严格的控制。山西煤矿集团大部分矿业的瓦斯抽放站建在高瓦斯矿井附近,地处半山坡上,由于煤业地处山西山区,平均雷暴日为40个左右,遭受雷击的概率远很大。一旦发生雷击事故,不仅会对煤矿瓦斯抽放站内的电气设备造成雷击损害,威胁到矿下作业的工人。而且雷击时所产生的火花和高温很容易引燃瓦斯抽放站内的高浓度瓦斯,引发爆炸事故,严重威胁瓦斯抽防站内工作人员的人身安全[2]。目前,山西煤矿集团大部分矿业瓦斯抽放站采用的是传统的2-3根避雷针保护以防护直击雷,保护整个煤矿瓦斯抽放站的安全运行。所谓的直击雷防护就是在瓦斯抽放站的旁边建立一座高约18米的避雷基塔,再在避雷基塔架设直击雷防护用的普通型避雷针。该直击雷防护方法虽然简单易行,而且投资资金较少,但结果不是很好,很难满足煤矿这种特殊瓦斯抽放站安全的要求。基于煤矿瓦斯抽放站其在整个煤矿的的特殊性,并结合对山西煤矿集团多个矿业瓦斯抽放站的实地调查情况,分析了山西煤矿集团大平矿业公司瓦斯抽放站避雷针在直击雷防护及接地方面存在的缺陷和不足,笔者提出了一种针对山西煤矿集团大平矿业公司煤矿瓦斯抽放站特殊的防雷接地方法。

2煤矿瓦斯抽放站存在问题分析

通过对山西煤矿集团矿业大平矿业公司瓦斯抽放站矿井进行了实地调查,发现瓦斯抽放站防护直击雷的措施采用的是独立避雷针,大平煤业公司瓦斯抽放站四个瓦斯排放口,每两个为一组,共两组,防雷保护的避雷针个数为3根,每根避雷针高约30m,三根避雷针形成一个避雷防护网,对整个瓦斯抽放站进行防雷保护。每根避雷针通过引下线及扁钢接入地网,其接地装置位于站旁附近。从多年对煤矿瓦斯抽放站的调研研究发现,这种避雷针防护方式存在很大防雷缺陷和安全隐患。

2.1避雷针引雷作用避雷针的工作原理就相当于一个雷电引雷器[4-6],当避雷针上方发生有雷电活动时,在自然、雷云电场的运动下,使避雷器针(引雷器)尖端处形成空间电场不平衡,在不平衡电场的作用下,雷电流先导将向避雷针顶端运动和发展,或在避雷针顶端发展向上的迎面先导,从而避雷针把发生的雷电流引向自身,并通过避雷针引下线及接地装置把强烈的雷电流引入大地,以保证在避雷针的保护范围内的设备免遭雷击损坏[7-14]。因此,在煤矿这种瓦斯抽放站特殊部门内使用独立避雷针进行直击雷防护明显是存在很大隐患。因为避雷针在引雷时的“放电过程”实际上是一种强烈的正负电荷相对运动的过程,在电荷相互运动的过程中不仅会发生强烈的放电,甚至会产生很强烈的火花或高温,放出大量的热,由于避雷针与瓦斯抽放站的瓦斯排放口很近,及容易引燃瓦斯抽放站中瓦斯气体,发生瓦斯爆炸事故,严重影响煤矿安全的运行和生产。

2.2避雷针与瓦斯排气筒之间的距离太近。根据实地调查,我们发现避雷针与瓦斯抽放站的瓦斯排放口很近,瓦斯抽放站的避雷针基塔与抽放站瓦斯排气筒之间的距离为3~4m。一旦避雷针顶端发生雷电活动时,避雷针在引雷的过程中会产生很大的电压和巨大的高温甚至有时放出火花,而瓦斯排气筒是排放瓦斯气体的通道口,其瓦斯排气口的瓦斯浓度特别高,雷击避雷针塔顶时,由于避雷针时通过引下线和接地体引入大地,存在一定的接地电阻,而雷电流泄入大地不是瞬时完成,而是一个过程,从而存在一定的残压,会产生很高的塔顶电位[7-8],又由于避雷针基塔与排放口距离很近,所以避雷针很容易对瓦斯排气筒造成反击,点燃瓦斯,从而发生爆炸。

2.3避雷针基塔缺乏良好的局部均压措施,冲击接地电阻过大在现场,我们了解到,该基塔子在建设时就缺少局部冲击优化等均压措施,仅仅围绕着基塔周围铺设了一个接地体,加之山西地区土质干燥,该基塔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,打坏设备的事故。在现场我们三级法对避雷针基塔的接地电阻、四级法对接地电阻进行测试[8],测试的结果如下。由表1可知,3个避雷针基塔所处的土壤电阻率都很大,各基塔的接地电阻都超标准(一般电阻不超过10Ω),土壤电阻率偏高将导致雷电流泄入大地时三流效果差,又由于接地电阻大,将导致避雷针顶端残压偏高,对瓦斯排气口进行反击。

3改造措施

根据对山西煤矿集团大平矿业瓦斯抽放站的实地考察情况,针对其在直击雷防护及接地方面存在的缺陷和不足,提出了一种既不主动引雷,又能有效防护直击雷,同时能迅速、安全地把雷电流散流入地,同时降低避雷针顶端的残压的特殊的防雷及接地系统防雷改造措施。

3.1架设特殊避雷网。首先拆除瓦斯抽放站站内原有的三根避雷针及其接地装置,再根据地形情况,在瓦斯抽放站四周架设避雷网基塔,每座避雷网基塔高度约为28m(抽放站排气口20m),在防雷构架上装设直击雷防护网(避雷网),并在直击雷防护网下架设避雷带,形成一个覆盖在瓦斯抽放站上部的上层避雷网系统,取代原有的单独避雷针以防护直击雷。此外,考虑到煤矿瓦斯抽放站大都地处山区,周围地势复杂,遭受雷电绕击的概率很高,因此,在上层避雷网正下方大约1.5m处架设一根防避雷线,并相互连接,用以防护侧向雷绕击瓦斯抽放站。上层避雷网与站内被保护建筑的垂直最小高度H应该大于6m(保证空气不被击穿的安全距离)[7-13],侧向防绕击避雷线与站内被保护建筑的水平最小距离L大于6m(保证空气不被击穿的安全距离)[7-15]。该新型防雷方法的立体效果如图:

3.2施加降阻剂稳定接地参数,进行局部冲击优化针对山西煤矿集团大屏矿业公司所处地区土壤易干燥,保水性差的特点,所以土壤电阻率较高,相对来说接地电阻会偏高,以及矿区变电站整个防雷接地系统的布局,我们采用保水性能好,防腐性好的GPF-94高效膨润土降阻防腐剂,用以来降低防雷设备冲击接地阻抗,改善冲击电位分布,稳定接地参数,确保在防雷设备动作时,在防雷接地装置上的电位不会升高,进而不会对被保护设备的绝缘构成威胁[9]。在对水平接地体可先开挖如图4所示的沟槽,待沟槽挖好后可进行水平接地体的铺设和焊接,然后把水平接地体垫地,再倒入GPF-94高效膨润土降阻防腐剂粉,把水平接地体均匀的包裹在中间,在联接处打入一根1.2~1.5m的垂直接地极;然后加水洇透,用细土回填,并分层夯实。如山区取水困难,也可施加干粉待下雨后让降阻剂自己吸收水份,但降阻剂的生效较慢一将要待一个雨季之后。回填土切记不要用碎石,沙子和垃圾回填。对山西矿区土壤易干燥,保水性差的特点,和矿区变电站防雷接地装置的布局,用保水性能好,防腐性好的GPF-94高效膨润土降阻防腐剂,降低防雷设备冲击接地阻抗,改善冲击电位分布,稳定接地参数,确保在防雷设备动作时,在防雷接地装置上的电位升高不对被保护设备的绝缘构成威胁。

3.3外引环形辅助接地网。由于瓦斯抽放站地处区土壤电阻率较高,一般单一的降阻效果不是很明显,我们发现在距离瓦斯抽放站大约1.3km的地方有一块土壤较湿润的空地,可以在空地出架设一个环形辅助接地网,并用扁钢把辅助接地网连接到瓦斯抽放站的主接地网上[10-12]。我们所说的外引辅助接地网就是在距离主接地网1~2km的范围内铺设一个辅助接地网,并用扁钢将辅助电网连接到主接地网上。外引辅助接地网能有效的降低接地阻抗的大小。现在在实际工程应用中大部分变电站的接地网一般都采用的是方形的接地网,很少有人会用到环环接地网。而我们经过实验的对比仿真发现环形接地网的屏蔽系数相对于方形的要好很多,环形接地网的屏蔽系数为1.05,而方形接地网的屏蔽系数为1.6。可以得到圆环地网的屏蔽系数比方形地网的屏蔽系数小,而且,在周长相同的条件下圆环地网和方形地网相比较,圆形地网的面积为方形地网面积的4/π倍。而接地网的面积越大,接地网的接地电阻将会越小。

4ATP-EMTP仿真

利用ATP-EMTP软件对圆形和方形辅助接地网连接后进行对比,忽略导体中的互感,∏行等效电路进行仿真,见图6。分别对圆形地网的简化电路和方形地网的简化电路进行电阻值的测试。ATP-EMTP仿真模拟步骤介绍:1)主接地网采用(4X4型由24根接地体组成)的方形接地网模拟变电站简化接地网,见图7。单根接地体电导GO设为0.02,单根接地体电容Co为0.002μF,单根接地体自感Lo为0.05mH,外加24V、50Hz的交流电源,利用支路电流测量仪对整个外外加电源后的电路电流进行测量,运行ATP-EMTP,记录支路电流测量仪显示的电流波形,并以电流峰值的大小来辨别接地网接地电阻的大小变化[7-11],见图8。2)外加方形辅助网,同样采用(4X4型由24根接地体组成)的方形接地网,参数设置和主接地网一样,主接地网和方形辅助接地网采用两导线相连接,电阻忽略,运行ATP-EMTP,记录支路电流测量仪显示的电流波形,见图9。3)外加环形辅助网,采用(4X4型由24根接地体组成)的环形接地网,参数设置和主接地网一样,主接地网和环形辅助接地网采用两导线相连接,电阻忽略,运行ATP-EMTP,记录支路电流测量仪显示的电流波形,见图10。4)对测量结果进行分析对比,并得出结论。仿真测量电流峰值结果见表2。计算得出相同条件下(同时用大小、长度相等的24根接地体组成辅助接地网),环环地网接入到主接地网上时的电流峰值为37.031A,而方形地网的接入时电流峰值为23.019A。得出在相同的条件下环形辅助接地网的降阻效果比方形接地网的效果更好,环形辅助接地网比方形辅助接地网更能降低35.4%的接地电阻值。所以在对接地网进行外引辅助接地网时应该要采用环形接地网。

5结语

通过对山西煤矿集团大平矿业瓦斯抽放站防雷系统的现场勘查,对现有的防雷措施存在缺陷进行分析,并提出针对煤矿瓦斯抽放站特殊防雷保护的特殊防雷系统方法,该特殊防雷方法不仅可以避免用避雷针作为和直击雷防护的各种缺陷,而且在避雷网的构架出进行冲击优化,优化冲击电阻,减少冲击残压,增大散流系数,能够迅速将雷击产生的雷电流泄入大地,此特殊防雷方法可以适用于整个山西煤矿集团其他矿业的瓦斯抽放站。

作者:扈海泽 刘小丽 毛弋 刘明阳 袁雪琼 方梦鸽 付超 赵军 王林 容展鹏 敬亮兵 单位:长沙理工大学 湖南大学电气信息学院 湖南省电力公司娄底供电局

电瓷避雷器杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次