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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(xiàn)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(tǒng)方法。該方法采用防雷構(gòu)架以及上層避雷網(wǎng)取代避雷針以防護直擊雷，并采用構(gòu)架之間搭建避雷線以防護雷電繞擊，同時外引環(huán)形接地網(wǎng)進行接地網(wǎng)優(yōu)化以及進行特殊局部沖擊優(yōu)化，采用GPF-94高效膨潤土降阻防腐劑，優(yōu)化沖擊電阻，減少沖擊殘壓，能夠迅速將雷擊產(chǎn)生的雷電流泄入大地，同時采用電磁暫態(tài)軟件ATP-EMTP對外引環(huán)形接地網(wǎng)降低接地網(wǎng)接地電阻效果進行仿真分析，得出整個防雷系統(tǒng)的切實性和可行性。

關(guān)鍵詞：

瓦斯抽放站；避雷針；沖擊電阻；避雷網(wǎng)；接地電阻；環(huán)形接地網(wǎng)；ATP-EMTP

山西煤礦集團大平煤業(yè)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(jīng)112°5210"-112°54-32"，北緯36°2903"-36°3116"。地處太行山西麓，區(qū)內(nèi)大部分地段被第四系黃土覆蓋，縱觀全區(qū)，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(nèi)地勢大體是西南高、東北低，相對高差100m左右。礦區(qū)屬東亞季風(fēng)區(qū)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(fēng)少雨。據(jù)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(fā)生在1972年7月7日，為101.5mm最長連續(xù)降水長達3天，歷年蒸發(fā)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(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，最大風(fēng)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(yè)公司煤礦瓦斯抽放站是負責(zé)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(nèi)部瓦斯?jié)舛雀?，并且礦瓦斯抽放站站內(nèi)布設(shè)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(yè)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(yè)地處山西山區(qū)，平均雷暴日為40個左右，遭受雷擊的概率遠很大。一旦發(fā)生雷擊事故，不僅會對煤礦瓦斯抽放站內(nèi)的電氣設(shè)備造成雷擊損害，威脅到礦下作業(yè)的工人。而且雷擊時所產(chǎn)生的火花和高溫很容易引燃瓦斯抽放站內(nèi)的高濃度瓦斯，引發(fā)爆炸事故，嚴重威脅瓦斯抽防站內(nèi)工作人員的人身安全[2]。目前，山西煤礦集團大部分礦業(yè)瓦斯抽放站采用的是傳統(tǒng)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(shè)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(jié)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?；诿旱V瓦斯抽放站其在整個煤礦的的特殊性，并結(jié)合對山西煤礦集團多個礦業(yè)瓦斯抽放站的實地調(diào)查情況，分析了山西煤礦集團大平礦業(yè)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(yè)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(yè)大平礦業(yè)公司瓦斯抽放站礦井進行了實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)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(yè)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(shù)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(wǎng)，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(wǎng)，其接地裝置位于站旁附近。從多年對煤礦瓦斯抽放站的調(diào)研研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(dǎo)將向避雷針頂端運動和發(fā)展，或在避雷針頂端發(fā)展向上的迎面先導(dǎo)，從而避雷針把發(fā)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(nèi)的設(shè)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(nèi)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(fā)生強烈的放電，甚至?xí)a(chǎn)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(fā)生瓦斯爆炸事故，嚴重影響煤礦安全的運行和生產(chǎn)。

2.2避雷針與瓦斯排氣筒之間的距離太近。根據(jù)實地調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)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(fā)生雷電活動時，避雷針在引雷的過程中會產(chǎn)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?jié)舛忍貏e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(chǎn)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(fā)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(xiàn)場，我們了解到，該基塔子在建設(shè)時就缺少局部沖擊優(yōu)化等均壓措施，僅僅圍繞著基塔周圍鋪設(shè)了一個接地體，加之山西地區(qū)土質(zhì)干燥，該基塔所處的土質(zhì)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(huán)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(fā)生反擊，打壞設(shè)備的事故。在現(xiàn)場我們?nèi)壏▽Ρ芾揍樆慕拥仉娮?、四級法對接地電阻進行測試[8]，測試的結(jié)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(dǎo)致雷電流泄入大地時三流效果差，又由于接地電阻大，將導(dǎo)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(jù)對山西煤礦集團大平礦業(yè)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(tǒng)防雷改造措施。

3.1架設(shè)特殊避雷網(wǎng)。首先拆除瓦斯抽放站站內(nèi)原有的三根避雷針及其接地裝置，再根據(jù)地形情況，在瓦斯抽放站四周架設(shè)避雷網(wǎng)基塔，每座避雷網(wǎng)基塔高度約為28m（抽放站排氣口20m），在防雷構(gòu)架上裝設(shè)直擊雷防護網(wǎng)（避雷網(wǎng)），并在直擊雷防護網(wǎng)下架設(shè)避雷帶，形成一個覆蓋在瓦斯抽放站上部的上層避雷網(wǎng)系統(tǒng)，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(qū)，周圍地勢復(fù)雜，遭受雷電繞擊的概率很高，因此，在上層避雷網(wǎng)正下方大約1.5m處架設(shè)一根防避雷線，并相互連接，用以防護側(cè)向雷繞擊瓦斯抽放站。上層避雷網(wǎng)與站內(nèi)被保護建筑的垂直最小高度H應(yīng)該大于6m（保證空氣不被擊穿的安全距離）[7-13]，側(cè)向防繞擊避雷線與站內(nèi)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(wěn)定接地參數(shù)，進行局部沖擊優(yōu)化針對山西煤礦集團大屏礦業(yè)公司所處地區(qū)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(qū)變電站整個防雷接地系統(tǒng)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(shè)備沖擊接地阻抗，改善沖擊電位分布，穩(wěn)定接地參數(shù)，確保在防雷設(shè)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(shè)備的絕緣構(gòu)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(shè)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(lián)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(qū)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?；靥钔燎杏洸灰盟槭?，沙子和垃圾回填。對山西礦區(qū)土壤易干燥，保水性差的特點，和礦區(qū)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(shè)備沖擊接地阻抗，改善沖擊電位分布，穩(wěn)定接地參數(shù)，確保在防雷設(shè)備動作時，在防雷接地裝置上的電位升高不對被保護設(shè)備的絕緣構(gòu)成威脅。

3.3外引環(huán)形輔助接地網(wǎng)。由于瓦斯抽放站地處區(qū)土壤電阻率較高，一般單一的降阻效果不是很明顯，我們發(fā)現(xiàn)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(shè)一個環(huán)形輔助接地網(wǎng)，并用扁鋼把輔助接地網(wǎng)連接到瓦斯抽放站的主接地網(wǎng)上[10-12]。我們所說的外引輔助接地網(wǎng)就是在距離主接地網(wǎng)1~2km的范圍內(nèi)鋪設(shè)一個輔助接地網(wǎng)，并用扁鋼將輔助電網(wǎng)連接到主接地網(wǎng)上。外引輔助接地網(wǎng)能有效的降低接地阻抗的大小。現(xiàn)在在實際工程應(yīng)用中大部分變電站的接地網(wǎng)一般都采用的是方形的接地網(wǎng)，很少有人會用到環(huán)環(huán)接地網(wǎng)。而我們經(jīng)過實驗的對比仿真發(fā)現(xiàn)環(huán)形接地網(wǎng)的屏蔽系數(shù)相對于方形的要好很多，環(huán)形接地網(wǎng)的屏蔽系數(shù)為1.05，而方形接地網(wǎng)的屏蔽系數(shù)為1.6。可以得到圓環(huán)地網(wǎng)的屏蔽系數(shù)比方形地網(wǎng)的屏蔽系數(shù)小，而且，在周長相同的條件下圓環(huán)地網(wǎng)和方形地網(wǎng)相比較，圓形地網(wǎng)的面積為方形地網(wǎng)面積的4/π倍。而接地網(wǎng)的面積越大，接地網(wǎng)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(wǎng)連接后進行對比，忽略導(dǎo)體中的互感，∏行等效電路進行仿真，見圖6。分別對圓形地網(wǎng)的簡化電路和方形地網(wǎng)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(wǎng)采用（4X4型由24根接地體組成）的方形接地網(wǎng)模擬變電站簡化接地網(wǎng)，見圖7。單根接地體電導(dǎo)GO設(shè)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(wǎng)接地電阻的大小變化[7-11]，見圖8。2）外加方形輔助網(wǎng)，同樣采用（4X4型由24根接地體組成）的方形接地網(wǎng)，參數(shù)設(shè)置和主接地網(wǎng)一樣，主接地網(wǎng)和方形輔助接地網(wǎng)采用兩導(dǎo)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(huán)形輔助網(wǎng)，采用（4X4型由24根接地體組成）的環(huán)形接地網(wǎng)，參數(shù)設(shè)置和主接地網(wǎng)一樣，主接地網(wǎng)和環(huán)形輔助接地網(wǎng)采用兩導(dǎo)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(jié)果進行分析對比，并得出結(jié)論。仿真測量電流峰值結(jié)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(wǎng)），環(huán)環(huán)地網(wǎng)接入到主接地網(wǎng)上時的電流峰值為37.031A，而方形地網(wǎng)的接入時電流峰值為23.019A。得出在相同的條件下環(huán)形輔助接地網(wǎng)的降阻效果比方形接地網(wǎng)的效果更好，環(huán)形輔助接地網(wǎng)比方形輔助接地網(wǎng)更能降低35.4%的接地電阻值。所以在對接地網(wǎng)進行外引輔助接地網(wǎng)時應(yīng)該要采用環(huán)形接地網(wǎng)。

5結(jié)語

通過對山西煤礦集團大平礦業(yè)瓦斯抽放站防雷系統(tǒng)的現(xiàn)場勘查，對現(xiàn)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(tǒng)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(wǎng)的構(gòu)架出進行沖擊優(yōu)化，優(yōu)化沖擊電阻，減少沖擊殘壓，增大散流系數(shù)，能夠迅速將雷擊產(chǎn)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(yè)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(xué) 湖南大學(xué)電氣信息學(xué)院 湖南省電力公司婁底供電局