特殊防雷接地系統技術研究范文

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《電瓷避雷器雜志》2016年第二期

摘要：

針對山西煤礦集團煤礦瓦斯抽放站使用獨立避雷針防護直擊雷這一現狀，分析避雷針直擊雷防護上所存在的問題及隱患，提出了一種適合于山西煤礦瓦斯抽防站特殊的雷擊防護及接地系統方法。該方法采用防雷構架以及上層避雷網取代避雷針以防護直擊雷，并采用構架之間搭建避雷線以防護雷電繞擊，同時外引環形接地網進行接地網優化以及進行特殊局部沖擊優化，采用GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑，優化沖擊電阻，減少沖擊殘壓，能夠迅速將雷擊產生的雷電流泄入大地，同時采用電磁暫態軟件ATP-EMTP對外引環形接地網降低接地網接地電阻效果進行仿真分析，得出整個防雷系統的切實性和可行性。

關鍵詞：

瓦斯抽放站；避雷針；沖擊電阻；避雷網；接地電阻；環形接地網；ATP-EMTP

山西煤礦集團大平煤業有限公司大平礦井位于襄垣縣西南15km處的渠街村北。其地理座標為：東經112°5210"-112°54-32"，北緯36°2903"-36°3116"。地處太行山西麓，區內大部分地段被第四系黃土覆蓋，縱觀全區，其地貌特征為中等切割至輕微切割的低山丘陵類型，由一系列的黃土梁、沖溝組成的典型的黃土侵蝕型地貌。井田范圍內地勢大體是西南高、東北低，相對高差100m左右。礦區屬東亞季風區暖溫帶半濕潤氣候，大陸性氣候特征明顯，四季分明，冬冷雨雪稀少，夏季炎熱多雨，春季多風少雨。據襄垣縣氣象站1966—1983年的資料，歷年降水量433.2-814.3mm，平均532.3mm，年降水量集中在七、八、九三個月。十月至翌年六月雨少而多睛天，最大降水量發生在1972年7月7日，為101.5mm最長連續降水長達3天，歷年蒸發量大于降水量三倍多。歷年最低氣溫-29.1°C，最高氣溫38.1°C，平均9.5°C。每年七月份為高溫月，十一月至翌年三月氣溫最低。主導風向為西北風，最大風速是18m/s，凍土深度為0.82m。

1煤礦瓦斯抽放站概述

山西煤礦集團大平煤業公司煤礦瓦斯抽放站是負責整個煤礦井下瓦斯氣體的抽送和排放的地方，由于礦瓦斯抽放站站內部瓦斯濃度高，并且礦瓦斯抽放站站內布設有許多用于輸送瓦斯氣體的管道路線，屬于煤礦中最典型的易燃、易爆場所[1]，所以對煙、火有著極其嚴格的控制。山西煤礦集團大部分礦業的瓦斯抽放站建在高瓦斯礦井附近，地處半山坡上，由于煤業地處山西山區，平均雷暴日為40個左右，遭受雷擊的概率遠很大。一旦發生雷擊事故，不僅會對煤礦瓦斯抽放站內的電氣設備造成雷擊損害，威脅到礦下作業的工人。而且雷擊時所產生的火花和高溫很容易引燃瓦斯抽放站內的高濃度瓦斯，引發爆炸事故，嚴重威脅瓦斯抽防站內工作人員的人身安全[2]。目前，山西煤礦集團大部分礦業瓦斯抽放站采用的是傳統的2-3根避雷針保護以防護直擊雷，保護整個煤礦瓦斯抽放站的安全運行。所謂的直擊雷防護就是在瓦斯抽放站的旁邊建立一座高約18米的避雷基塔，再在避雷基塔架設直擊雷防護用的普通型避雷針。該直擊雷防護方法雖然簡單易行，而且投資資金較少，但結果不是很好，很難滿足煤礦這種特殊瓦斯抽放站安全的要求。基于煤礦瓦斯抽放站其在整個煤礦的的特殊性，并結合對山西煤礦集團多個礦業瓦斯抽放站的實地調查情況，分析了山西煤礦集團大平礦業公司瓦斯抽放站避雷針在直擊雷防護及接地方面存在的缺陷和不足，筆者提出了一種針對山西煤礦集團大平礦業公司煤礦瓦斯抽放站特殊的防雷接地方法。

2煤礦瓦斯抽放站存在問題分析

通過對山西煤礦集團礦業大平礦業公司瓦斯抽放站礦井進行了實地調查，發現瓦斯抽放站防護直擊雷的措施采用的是獨立避雷針，大平煤業公司瓦斯抽放站四個瓦斯排放口，每兩個為一組，共兩組，防雷保護的避雷針個數為3根，每根避雷針高約30m，三根避雷針形成一個避雷防護網，對整個瓦斯抽放站進行防雷保護。每根避雷針通過引下線及扁鋼接入地網，其接地裝置位于站旁附近。從多年對煤礦瓦斯抽放站的調研研究發現，這種避雷針防護方式存在很大防雷缺陷和安全隱患。

2.1避雷針引雷作用避雷針的工作原理就相當于一個雷電引雷器[4-6]，當避雷針上方發生有雷電活動時，在自然、雷云電場的運動下，使避雷器針（引雷器）尖端處形成空間電場不平衡，在不平衡電場的作用下，雷電流先導將向避雷針頂端運動和發展，或在避雷針頂端發展向上的迎面先導，從而避雷針把發生的雷電流引向自身，并通過避雷針引下線及接地裝置把強烈的雷電流引入大地，以保證在避雷針的保護范圍內的設備免遭雷擊損壞[7-14]。因此，在煤礦這種瓦斯抽放站特殊部門內使用獨立避雷針進行直擊雷防護明顯是存在很大隱患。因為避雷針在引雷時的“放電過程”實際上是一種強烈的正負電荷相對運動的過程，在電荷相互運動的過程中不僅會發生強烈的放電，甚至會產生很強烈的火花或高溫，放出大量的熱，由于避雷針與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氣體，發生瓦斯爆炸事故，嚴重影響煤礦安全的運行和生產。

2.2避雷針與瓦斯排氣筒之間的距離太近。根據實地調查，我們發現避雷針與瓦斯抽放站的瓦斯排放口很近，瓦斯抽放站的避雷針基塔與抽放站瓦斯排氣筒之間的距離為3~4m。一旦避雷針頂端發生雷電活動時，避雷針在引雷的過程中會產生很大的電壓和巨大的高溫甚至有時放出火花，而瓦斯排氣筒是排放瓦斯氣體的通道口，其瓦斯排氣口的瓦斯濃度特別高，雷擊避雷針塔頂時，由于避雷針時通過引下線和接地體引入大地，存在一定的接地電阻，而雷電流泄入大地不是瞬時完成，而是一個過程，從而存在一定的殘壓，會產生很高的塔頂電位[7-8]，又由于避雷針基塔與排放口距離很近，所以避雷針很容易對瓦斯排氣筒造成反擊，點燃瓦斯，從而發生爆炸。

2.3避雷針基塔缺乏良好的局部均壓措施，沖擊接地電阻過大在現場，我們了解到，該基塔子在建設時就缺少局部沖擊優化等均壓措施，僅僅圍繞著基塔周圍鋪設了一個接地體，加之山西地區土質干燥，該基塔所處的土質為黃土土壤，土壤含水性和保水性能都比較差。再加上單根環形水平接地裝置的熱容量小，在多次雷電流入地時，接地阻抗會變大，從而發生反擊，打壞設備的事故。在現場我們三級法對避雷針基塔的接地電阻、四級法對接地電阻進行測試[8]，測試的結果如下。由表1可知，3個避雷針基塔所處的土壤電阻率都很大，各基塔的接地電阻都超標準（一般電阻不超過10Ω），土壤電阻率偏高將導致雷電流泄入大地時三流效果差，又由于接地電阻大，將導致避雷針頂端殘壓偏高，對瓦斯排氣口進行反擊。

3改造措施

根據對山西煤礦集團大平礦業瓦斯抽放站的實地考察情況，針對其在直擊雷防護及接地方面存在的缺陷和不足，提出了一種既不主動引雷，又能有效防護直擊雷，同時能迅速、安全地把雷電流散流入地，同時降低避雷針頂端的殘壓的特殊的防雷及接地系統防雷改造措施。

3.1架設特殊避雷網。首先拆除瓦斯抽放站站內原有的三根避雷針及其接地裝置，再根據地形情況，在瓦斯抽放站四周架設避雷網基塔，每座避雷網基塔高度約為28m（抽放站排氣口20m），在防雷構架上裝設直擊雷防護網（避雷網），并在直擊雷防護網下架設避雷帶，形成一個覆蓋在瓦斯抽放站上部的上層避雷網系統，取代原有的單獨避雷針以防護直擊雷。此外，考慮到煤礦瓦斯抽放站大都地處山區，周圍地勢復雜，遭受雷電繞擊的概率很高，因此，在上層避雷網正下方大約1.5m處架設一根防避雷線，并相互連接，用以防護側向雷繞擊瓦斯抽放站。上層避雷網與站內被保護建筑的垂直最小高度H應該大于6m（保證空氣不被擊穿的安全距離）[7-13]，側向防繞擊避雷線與站內被保護建筑的水平最小距離L大于6m（保證空氣不被擊穿的安全距離）[7-15]。該新型防雷方法的立體效果如圖:

3.2施加降阻劑穩定接地參數，進行局部沖擊優化針對山西煤礦集團大屏礦業公司所處地區土壤易干燥，保水性差的特點，所以土壤電阻率較高，相對來說接地電阻會偏高，以及礦區變電站整個防雷接地系統的布局，我們采用保水性能好，防腐性好的GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑，用以來降低防雷設備沖擊接地阻抗，改善沖擊電位分布，穩定接地參數，確保在防雷設備動作時，在防雷接地裝置上的電位不會升高，進而不會對被保護設備的絕緣構成威脅[9]。在對水平接地體可先開挖如圖4所示的溝槽，待溝槽挖好后可進行水平接地體的鋪設和焊接，然后把水平接地體墊地，再倒入GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑粉，把水平接地體均勻的包裹在中間，在聯接處打入一根1.2~1.5m的垂直接地極；然后加水洇透，用細土回填，并分層夯實。如山區取水困難，也可施加干粉待下雨后讓降阻劑自己吸收水份，但降阻劑的生效較慢一將要待一個雨季之后。回填土切記不要用碎石，沙子和垃圾回填。對山西礦區土壤易干燥，保水性差的特點，和礦區變電站防雷接地裝置的布局，用保水性能好，防腐性好的GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑，降低防雷設備沖擊接地阻抗，改善沖擊電位分布，穩定接地參數，確保在防雷設備動作時，在防雷接地裝置上的電位升高不對被保護設備的絕緣構成威脅。

3.3外引環形輔助接地網。由于瓦斯抽放站地處區土壤電阻率較高，一般單一的降阻效果不是很明顯，我們發現在距離瓦斯抽放站大約1.3km的地方有一塊土壤較濕潤的空地，可以在空地出架設一個環形輔助接地網，并用扁鋼把輔助接地網連接到瓦斯抽放站的主接地網上[10-12]。我們所說的外引輔助接地網就是在距離主接地網1~2km的范圍內鋪設一個輔助接地網，并用扁鋼將輔助電網連接到主接地網上。外引輔助接地網能有效的降低接地阻抗的大小。現在在實際工程應用中大部分變電站的接地網一般都采用的是方形的接地網，很少有人會用到環環接地網。而我們經過實驗的對比仿真發現環形接地網的屏蔽系數相對于方形的要好很多，環形接地網的屏蔽系數為1.05，而方形接地網的屏蔽系數為1.6。可以得到圓環地網的屏蔽系數比方形地網的屏蔽系數小，而且，在周長相同的條件下圓環地網和方形地網相比較，圓形地網的面積為方形地網面積的4/π倍。而接地網的面積越大，接地網的接地電阻將會越小。

4ATP-EMTP仿真

利用ATP-EMTP軟件對圓形和方形輔助接地網連接后進行對比，忽略導體中的互感，∏行等效電路進行仿真，見圖6。分別對圓形地網的簡化電路和方形地網的簡化電路進行電阻值的測試。ATP-EMTP仿真模擬步驟介紹：1）主接地網采用（4X4型由24根接地體組成）的方形接地網模擬變電站簡化接地網，見圖7。單根接地體電導GO設為0.02，單根接地體電容Co為0.002μF，單根接地體自感Lo為0.05mH，外加24V、50Hz的交流電源，利用支路電流測量儀對整個外外加電源后的電路電流進行測量，運行ATP-EMTP，記錄支路電流測量儀顯示的電流波形，并以電流峰值的大小來辨別接地網接地電阻的大小變化[7-11]，見圖8。2）外加方形輔助網，同樣采用（4X4型由24根接地體組成）的方形接地網，參數設置和主接地網一樣，主接地網和方形輔助接地網采用兩導線相連接，電阻忽略，運行ATP-EMTP，記錄支路電流測量儀顯示的電流波形，見圖9。3）外加環形輔助網，采用（4X4型由24根接地體組成）的環形接地網，參數設置和主接地網一樣，主接地網和環形輔助接地網采用兩導線相連接，電阻忽略，運行ATP-EMTP，記錄支路電流測量儀顯示的電流波形，見圖10。4）對測量結果進行分析對比，并得出結論。仿真測量電流峰值結果見表2。計算得出相同條件下（同時用大小、長度相等的24根接地體組成輔助接地網），環環地網接入到主接地網上時的電流峰值為37.031A，而方形地網的接入時電流峰值為23.019A。得出在相同的條件下環形輔助接地網的降阻效果比方形接地網的效果更好，環形輔助接地網比方形輔助接地網更能降低35.4%的接地電阻值。所以在對接地網進行外引輔助接地網時應該要采用環形接地網。

5結語

通過對山西煤礦集團大平礦業瓦斯抽放站防雷系統的現場勘查，對現有的防雷措施存在缺陷進行分析，并提出針對煤礦瓦斯抽放站特殊防雷保護的特殊防雷系統方法，該特殊防雷方法不僅可以避免用避雷針作為和直擊雷防護的各種缺陷，而且在避雷網的構架出進行沖擊優化，優化沖擊電阻，減少沖擊殘壓，增大散流系數，能夠迅速將雷擊產生的雷電流泄入大地，此特殊防雷方法可以適用于整個山西煤礦集團其他礦業的瓦斯抽放站。

作者：扈海澤 劉小麗 毛弋 劉明陽 袁雪瓊 方夢鴿 付超 趙軍 王林 容展鵬 敬亮兵 單位：長沙理工大學 湖南大學電氣信息學院 湖南省電力公司婁底供電局