煤矿电网防雷系统仿真研究（35kv）

摘要雷电是对人类生活、自然灾害，甚至是对生命财产产生重要威胁的因素之一，它是一种强烈的大气放电现象。并且防雷保护是当今社会的重要课题之一。煤矿生产所受雷电的影响是非常巨大的，重要的影响有：配电配置、用户配置和各类现代化配置等。时常会由雷害缘故引起毁坏配电装置的事故，从而使煤矿的安全生产产生隐患，对人们日常的生活也造成诸多不便；并且，煤矿广泛使用现代化设备，雷击过电压的干扰会对现代化设备产生影响；静电干扰等现象都是大型电子自动化设备所引起的，这样的干扰会使工作无法正常进行。煤矿供电系统仿真的防雷系统中的煤矿安全满足各项所需条件是非常必要的，对煤矿防雷系统的仿真，需要用科学的方法，同时指出煤矿的防雷保护措施。建立起杆塔模型，进一步进行仿真，仿真内容主要是输电线路耐雷水平的仿真。通过对该模型的参数和连接结构的改变，针对雷电直击输电线路的两种主要形式（一种是雷电落在杆塔顶部或周围避雷线上，另一种是雷电绕过避雷线直接打在导线上）、接地电阻大小的变化对雷击过程的影响接地电阻大小的变化对雷击过程的影响进行仿真计算与结果分析，分析了输电线路在不同情况下遭受雷击所受到的影响、引起的故障，为建设和维护部门在实际输电线路上，更好的完善防雷保护措施，做出合理的理论依据，为实际输电线上的设计，需要运用科学的手段，准确的进行煤矿电网防雷研究，并且能够较快的得出准确的煤矿电网防雷措施，从而能够让煤矿的安全生产得到保障，同时也确保它的安全运行。关键词：煤矿电网；防雷措施；仿真研究ABSTRACTThunderisaphenomenonofheavyatmosphericdischarge，whichthreatenshumanbeingslivesandwealth.So,thunderprotectionisanimportantquestion.Theinfluenceofthundertocollieryismainlytodistributingequipments,consumerequipmentsandmodernequipments.Distributingequipmentsandconsumerequipmentsoftendestroybythunderaccident,makingdangeroustocollieryandmakingpeopleinconvenience.Ontheotherhand,sincecollieryusesmodernequipments,itmakesgreatinfluencetoelectroncomponentbyovervoltage,over-currentandstatic.So,thunderprotectiontechnologyisimportant,weneedresearchitwithscientificattitudeandmakeoutmeasures.Thispaperintroducesthebasicknowledgeofthunderovervoltageandlightningconductors.Theresearchcarriesfromtwoaspects:firstequipmentsandsecondequipments.Thefirstisthemajorofelectricpowersystemandthesecondoneistheequipmentsusedtoinspecting,controlling,adjustingandprotection.Thentakeoutthemeasures.Finally,Iselectnormal35KV.Electrical-wireasstudyobject,stimulatingwithATP-EMTP.Mainlystimulatingtwoaspects:theoneisstrikingtheelectrical-wire,theotheristheinfluenceofgroundingresistance.Fromthestimulations,Igetsomeconclusionswhichpresenttheinfluenceofelectrical-wireondifferentconditions.Thisismeaningfultocollieryelectricpowersystem.Keywords：ElectricalPowersystem;themeasuresofdefendinglightningstrike;simulations目录1.绪论.11.1煤矿电网防雷技术研究的背景及重要意义.11.2防雷技术的发展过程.11.3国内外防雷技术研究现状.21.4本课题主要的研究内容.32.雷电过电压及常用防雷装置介绍.42.1雷电过电压概述.42.1.1雷电过电压的形成.42.1.2雷电过电压的几个有关概念.42.1.3雷电过电压所造成的危害.52.2常用防雷装置介绍.62.2.1避雷针及避雷线.62.2.2避雷带与避雷网.62.2.3金属氧化物避雷器.72.2.4保护间隙.82.2.5防雷接地装置.82.3小结.83.煤矿防雷措施.93.1煤矿电网过电压的保护措施.93.1.1输电线路防雷措施.93.1.2变压器防雷措施.103.1.3变电站防雷措施.103.2煤矿现代电力设备过电压的保护措施.113.2.1煤矿电力调度自动化设备防雷措施.113.2.2煤矿变电站自动化系统防雷.113.2.3煤矿通信设施防雷.123.3小结.124.ATP-EMTP仿真研究.134.1.1ATP软件介绍.134.1.2ATPDraw程序.134.2利用ATP-EMTP软件进行的仿真内容.144.3模型的选取与参数的设定.144.3.1雷电流的模拟.144.3.2输电线路杆塔的模型.154.3.3输电线路的模拟.164.3.4绝缘子串的闪络模拟.164.4仿真线路图结果与结论.164.4.1输电线路耐流水平仿真.165.结论.23参考文献.24翻译部分.26英文原文.26中文译文.35致谢.44中国矿业大学2014届本科生毕业设计第1页1.绪论1.1煤矿电网防雷技术研究的背景及重要意义雷电是对人类生活、自然灾害，甚至是生命财产，产生重要威胁的因素之一，它是一种强烈的大气放电现象。导致跳闸的主因是遭受雷击；因为跳闸，电源避雷线产生过电压波，所以这也是跳闸形成主要原因。雷电过电压到变电站后的传播是沿传输线进行的，也对变电站配置的安全运行来说是造成威胁的一个重要因素。35kV线路是输电线路中防雷最困难的输电线路，每一年到雷雨季节，线路总是因雷击而跳闸，这一现象十分难以避免，其主要原因在于较低的线路绝缘程度，而且不能采用全程避雷线。煤矿生产过程中，由于雷电产生的影响从而导致配电设备也受到了影响。雷雨季节时，会由于雷电的原因，而导致很多状况，甚至会出现人身伤亡现象，也会给煤矿生产和安全造成巨大损失。同时，对日常生活的人们来说，也有诸多不便之处。在雷电多，复杂的地形曲率，高土壤电阻率地区，雷击的配电线路故障率造成的几率很高。配电线路是否可靠，是否操作安全，不仅要与煤炭企业用电人员的安全，电力是否畅通相关，而且关系到是否煤矿电力系统能够正常运行。需要运用科学的手段，准确的进行煤矿电网防雷研究，并且能够较快的得出准确的煤矿电网防雷措施，从而能够让煤矿的安全生产得到保障，同时也确保它的安全运行。1.2防雷技术的发展过程18世纪中期。富兰克林冒出了一个想法，他觉得电荷可被针状物放出，可以用来逐步和雷云里的电荷相互抵消，利用这种方法可以制作出避雷针，用于防雷。可是想法是好的，实际却是没有起到预想的抵消作用，只能将雷电流引致周围设施。随后根据富兰克林的著名风筝试验，前苏联罗蒙诺索夫在几年后写出了关于电力而产生的大气现象的论文，给出了重大的证明。在同一时间，当时有一个广为人知的事件，那年，富兰克林刚刚发布关于避雷针的理论，在这其后，在这个理论的基础上，有一个法国的工程师进行了尝试，一个避雷针就这样被制造成功了，没过多久就发生了接闪。接闪是在一定范围内的闪电，闪电的能量可以根据通道的设计排放到大地去。这是人类第一次改变雷闪途径的变革之路，证明了避雷针是可以解决防雷保护的。必须要解决避雷针从建造到使用中关于保护范围问题。而且，其已基本满足工程设计需要的精确度。也正是各国电力系统和高压输电的改进发展推动这项工作的发展。从1930到1934年，个别国家的逐步在发电厂的保护上选择采用避雷针。到60年代初英美等发达国家开始对架设有避雷线保护的输电线路的保护范围进一步给出了击距理论，保护范围按雷电流幅值大小来选择。19621964在中国，工人把高压输电线路的防雷保护也利用与以上比较相似的办法，中国矿业大学2014届本科生毕业设计第2页但在保护变电所和发电厂在一方面，中国的50年代只有利用避雷针，由于会担心避雷线断线从而波及大整座变电所的缘故。避雷针的断线会影响整个厂房和整个变电所。70年代中期，变电站和发电厂，确认对防雷采用避雷线导体。人们也曾妄图提高引雷作用通过将放射物铺放在避雷针的针尖上，从而达到扩展保护范围的目的，其后被证实这样的方法是没有效的。同时，放射性物质对人体会产生伤害，甚至会造成部分身体机能的变异，影响人体健康。60年代末，70年代初，英国，德国和其他国家也明确了他们对这一想法的否定。今天的科学技术的突飞猛进，猛烈雷电是人类还无法完全控制，但是，通过探索和很长时间探究，已经积攒了关于防雷的许多的知识和经验并构成了一些有用的方法，不仅对各行各业进行有效且正确的预防，并且对于雷电灾害的指导意义也是不言而喻的。1.3国内外防雷技术研究现状雷电及其防护领域中例如：对雷电的成因，发生、发展、和对电网的作用，美、法和前苏联等国进行摸索和研究后，形成了一个完整理论的体系，它们中的许多是非常成熟和完善的，防雷措施也会呈现在电力系统保护的研究当中，特别是雷电过电压的线路波保护。由于日本是一个岛屿并且伴随着强烈的雷电活动，大量的防雷保护是必要的，特别是对避雷器的发展，除各种常规株型氧化避雷器的发展，还着重研究了线路避雷器的发展，并且处在世界的先进水平。但欧洲和美国等发达国家仍存在许多缺陷，在防雷保护方面。煤矿电网防雷技术方面，中国通过直击雷和变电站的电路保护波和防雷设施的长时间发展，尤其是最近几年，得到迅猛高速发展的氧化锌避雷器设计提出关于对线路防雷卓有成效的措施，为线路耐雷水平的提高和全世界的电力工作者来说都是重点关注的项目。下面是目前研究的防雷情况主要针对输电线路方面的：我国在电网放来的技术上做了长期的研究，也取得了不少的成绩，在电力系统绝缘配合上日趋完善，但我国在电网防雷技术上与设计发达国家相比，还有一定的差距，特别是由于我们国家电网的网络结构不健全、电网雷击跳闸率较高，特别是对特殊地形和气象条件下的雷电活动规律、雷电对电网的影响还没有完全研究透。尤其是输电线路防雷的研究上存在较多的问题，雷击跳闸率居高不下，极大的影响了电网供电可靠性，所以进行该项目的研究对保证输电线路的安全可靠运行具有重要意义。一个常规并且有效方法的则是通过多年来中国以往对防雷探讨的基础形式和输电线路防雷保护讨论而构成的。目前，较热门的防雷技术是线路避雷器防雷，但线路避雷器防雷并不是新的技术，保护间隙和管型避雷器是应用于较早的防雷技术的。虽利用保护间隙起到了保护设备以及限制过电压的作用，但它的灭弧能力十分有限，某些情况下不能进行自行熄灭，将会引起线路跳闸的故障，这就是保护间隙主要的特点。在中国目前使用的不多，只适用于低电压电路的防雷保护。加装避雷器之后，当输电线路遭受雷击时，雷电流的分流将发生变化，一部分雷电流从架空地线传入相邻杆塔，一部分经塔体入地，传播到相邻杆塔。雷电流在流经架空地线和导线时，由于导线间的电磁感应作用，将分别在导线和架空地线上产生耦合分量。中国矿业大学2014届本科生毕业设计第3页因为避雷器的分流远远大于从架空地线中分流的雷电流，这种分流的耦合作用将使导线电位提高，因此，线路避雷器具有很好的钳电位作用，这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。雷电是一种自然现象，引雷、防雷都必须遵循雷电规律，顺应客观规律，实事求是的去研究和完善防雷技术。1.4本课题主要的研究内容煤炭资源对正在发展之中的我国来说是第一能源，并且在国民经济当中盘踞着重中之重的位置。但近年来，随着开采速度的增长，煤炭的开采环境却逐年恶化，并且严重威胁到我国能源的安全。煤矿必须使用现代化设备取决于环境保护的要求，产量的需求等客观因素，只为实现最低程度的污染和保证安全、高效生产。其中，对煤矿的重大影响的便是雷击事故。本文的主要研究内容是在煤矿电网的防雷系统的仿真。第一，从雷电过电压作为开始，介绍一些经常使用的防雷措施，并介绍它的特征，而后，介绍一次和二次设备避雷所实施的煤矿电网防雷措施。在此之中，形成电力系统主体部分是一次设备，它主要进行的工作是输送，直接生产和分配电能一类的工作，这些电气配置有发电机，电力电缆和输电线等等；这二次装置进行的是控制，调节电气设备的保护的工作，包括信号装置，自动装置。在此基础上，对电磁暂态仿真研究对象ATP-EMTP分析软件的适用，我们选择了传输线35kv输电线路雷电过电压，建立数学模型。当前，在35kv及以上输电线路运行，都配有全线避雷线，和中性点直接接地系统。在本文中，两种情况如下，两种直接雷击输电线路形式有：输电线路及附近线路耐雷水平仿真；雷绕击于导线；接地电阻的变化，对雷电过程的影响，模拟和理论分析。根据理论分析和对仿真结论的判断，而后揭露不同情况下的输电线遭到雷电冲击而产生故障所要采取的防雷措施，以及为线路应该如何合理使用，提供了依据。也针对于煤矿供电系统的安全运行方面发挥了决定性的作用。中国矿业大学2014届本科生毕业设计第4页2.雷电过电压及常用防雷装置介绍2.1雷电过电压概述雷电在气候条件的外部原因下，被雷击的电气设备和地面建筑物的电力系统中产生的过电压，称为雷电过电压。又叫做大气过电压。其中，直击雷过电压是指直流电气设备产生雷电流的阻抗轨迹生成电路和脉冲常压引起的过电压。在雷电过电压的目标范围之内，通过感应电力系统而引发的过电压为感应过电压。2.1.1雷电过电压的形成大地（目标）和云（带电荷）之间发生快速放电的一种自然现象，是雷电。因为遭遇雷击或是雷电感应引发了对于电力系统内的矿用建筑物和矿用设备的过电压。大多数人对雷云形成的看法是，在一些特殊的环境因素的影响下大，导致强大的热气流上升，气流进入稀薄的大气层后会自动冷凝，然后就形成了雷云。强大的热气流上升并穿越云层后，冷凝后形成的水滴会相互碰撞，撞击就会有分裂，分裂的粒子就戴上了不同的电荷。质量小的水沫带负电，在上层形成大块的带负电的雷云；质量大的滴水珠带正电，凝聚成雨下降或悬浮在空中，使这片空间就组成了带有正电荷的区域。雷云的下层有大量小水珠，它们大部分是带有负电荷的，与之相对，电荷平衡的存在，地面上就会感应出大量的正电荷。因此，不同的雷云带有不同极性，所积聚的电荷量也不同，相互之间就会有作用力，而且雷云和大地的电荷也不同，也会有强大的作用力，在这些影响下就会形成强大的电场，电位可达几十万伏的，甚至数十万伏。一旦临界电场和电场强度，而不是空间自由排放量超过了大气云层之间的放电，放电就会由雷云之间产生。大多数的雷电放电现象都发生在雷雨云，没有直接影响的设备和地面上的建筑物；只有一部分雷云放电，在雷电放电现象，放电现象的云层和地面之间虽然少数，但危害很大，是造成的雷击事故的主要因素。2.1.2雷电过电压的几个有关概念（1）年雷暴天数和雷暴小时年雷暴日数，又称年均雷暴日数。多年发生雷暴日数的平均值，一天中只响一声雷，或是整天响雷，在气象上都记做一个雷暴日。雷暴小时是指，一小时内，人耳每当听到雷声，无论多少次，都记录为一个雷暴小时。（2）雷电流幅值确定输电线路的防雷保护和雷害评估是由雷电流幅值以及一系列计算所取得的。中国矿业大学2014届本科生毕业设计第5页（3）地面落雷密度地面落雷密度意味着，一平方公里内出现几次雷暴闪电，表示雷云进行对地放电的频率程度。2.1.3雷电过电压所造成的危害显著上升的煤炭科学技术和飞速发展的现代化水平，各种先进的保护和监控设备，和计算机通信电子产品都得以普遍使用。这些微型电子设备，常见的致命弱点：过电压的抗冲击能力差，低电压强度。这些设备的自动检测，信息传输和煤矿安全生产都成为了不可缺少的设备，如果这些装置不工作，煤矿安全生产将出现难以估量的经济损失。雷电造成的危害主要是直击雷和感应雷造成的。（1）直击雷的危害雷电放电主通道，通过被保护物，被保护物被直击雷击中。如果电力系统设备或电力系统所在的建筑物被雷电直接击中，就会带来巨大的损失，如电子、机械设备的损坏、人员的伤亡等。直击雷电危害：若被电力系统或电力系统设备所在的建筑物直接击中，会带来巨大损失，如：电子设备损坏，机械设备损坏，人员伤亡等。直击雷电的过电压破坏作用，表现在以下几个方面：超高的冲击电压下，雷电流进入到电力系统中，能够轻易损坏其中的元件，对发电机、电力变压器、断路器和其它电气设备绝缘有巨大的影响，雷击也会导致线路上的绝缘子发生闪络或碎裂，可能会引起一些短路故障，导致火灾、瓦斯爆炸、粉尘爆炸等更严重的灾害事故；烧断电线或劈裂电杆，造成大面积停电，给用户生活带来很大的不便，同时给企业单位造成经济损失；可能会导致高压窜入低压，引起严重的触电事故，造成人身伤亡；巨大的雷电流流入地下时，会在落雷点及其附近的金属部分产生很强的接触电压和跨步电压，极易造成触电危险。跨步电压是雷电击中地面，雷电流泄入大地并向周围土壤中扩散流开，由于不同位置土壤电阻率不是一个固定值，使雷电流在地各点间出现电位降，越靠近雷击点，电流密度越大，电位降也就越大。当人站立或走动在雷击点附近，在两脚间的电位降可使雷电流通过两脚和人体躯干的下部，在人体内流过过大电流，人就会触电受伤。（2）感应雷的危害感应雷是指附近发生雷击时设备或线路产生静电感应或电磁感应所产生的雷击，称为LEMP，即感应雷。感应雷可通过静电感应和电磁感应这两种不同的感应形式。静电感应，雷击发生时，会在被击物感生出大量相反极性电荷，雷电过后，被击物中的电荷来不及流散，将引发高电压放电现象，导致火灾；电磁感应，在雷击点周围，空间中会形成强大的电磁场，磁场流动感生出的电流会使变电器局部过热而导致火灾。感应雷顺着电路扩散，损坏其扩散过程中经过的设备或设备中的电子元器件。由于感应雷形成的方式多种多样且雷雨天极易产生，而电力系统通过各种长距离架空线路与外界连接，电力传输范围广范，容易在更大范围内产生感应雷，并沿架空线路传入电力器件。可见对雷中国矿业大学2014届本科生毕业设计第6页电的防护是电力系统过电压防护的重点，为确保人身安全和电力系统，必须对雷电过电压必采取其相应的防雷保护措施。2.2常用防雷装置介绍在当代电力系统有关防雷保护安装使用重要的几个方法和设备：架设避雷线、安装避雷针、采取保护间隙、加装各种避雷器和做好防雷接地装置等。以下是这些避雷器介绍。2.2.1避雷针及避雷线1.避雷针避雷针的工作原理防止直击雷时，最常用措施是装设避雷针。避雷针由金属制成，接地装置是非常好的，其作用是把雷电引入自身且安全的泄入地下，从而保护比它低的建筑物和设备附近，使这些建筑物和设备免遭雷击。接地体，接闪器以及引下线是一般避雷配置的构成部分。接地体可以使圆钢或角钢，一般长度应大于2.5m，要将其打入地中，根据接地电阻值和土壤电阻率，推导出所需要的根数，并联后与引下线可靠连接。接闪器可以使用的是直径为1012mm的圆钢；引下线可以使用直径为6mm的圆钢；2.避雷线避雷线也被称为架空地线，在塔顶设置单个或两个，满足35kv下输电线路的防雷线路进出线在1公里到2公里左右范围内铺设避雷线。于被保护物体的上方设置避雷线，可以提供的保护是与其自身线长相等长度的，避雷线的工作原理类似于避雷针，同样是由于避雷线周围电场的畸变，从而吸引放电先导，使得雷击引到它的自身。由于周围的电场畸变是对雷击线路来说比较好的，可广泛用于高压架空输电线路，通常安装在顶部，架空高压输电线路。从而起到保护输电线路的作用，使其免于遭受直击雷，防止引起不必要的停电事故。架设避雷线于架空输电线路的上方，当雷云下行先导引向它的自身时，可以利用到避雷线引雷作用，以此使输电线路免于遭受雷击。避雷线通过引下线和接地体的利用，来确保架空输电线路免遭雷击。多年以来，在地面上的建筑物以及各类设施也是利用避雷线来保护的。当大片建筑物需要保护时，但这些建筑物中由部分或者全体不便于架设避雷针的情况下，也可以利用避雷线进行保护。2.2.2避雷带与避雷网由建筑或建筑物的限制和不便的其他限制，架设一个避雷针直接防护雷击等效建筑物防雷网的防雷。避雷带的原理类似于避雷网与避雷针原理。某些情况之下保护建筑物时选取避雷带和避雷网时，不仅能够得到很好的受用，并且能够让工程中所产生的投资降低，从而，现代建筑物比较普遍的应用避雷带和避雷网。（1）避雷带中国矿业大学2014届本科生毕业设计第7页避雷带是用扁钢或圆钢制成的长条的带状物体制成的，建筑物最易受直接遭受直击雷部位时常铺设避雷带。避雷带要和地面这两者之间维系正常的电气的连接，雷云的下行时，最初是从导向这些脆弱容易遭受雷击的需要防护部位的建筑物上开始蔓延的，开始是避雷带在雷击后接闪并被承担下来，强大的雷电流泄入地下，从而使建筑物得到保护，这是对脆弱的重点建筑物进行防雷措施保护的部分。避雷带已被广泛的应用在目前的民用建筑和古代建筑。应当尽可能的保护那些不容易遭雷击的部分，一般情况下来说，避雷带是需要高出屋顶表面0.2m的，有时遇到烟囱或其他突出物在屋顶，还需要另设避雷器。（2）避雷网避雷网纵横交错的和避雷线叠在一起，避雷网装设于建筑上就实现避雷装置对建筑物的全方位的防雷保护。明装、暗装是避雷网装设的两个不同方式。明装防雷网指比较稀疏而且是可见的金属的网格当做接闪器于建筑物的层顶，屋面，或屋顶。沿它的外墙或周围接地做引下线。由于，明装避雷网达不到美观的程度，也给施工带来了些许不便，工程投资也额外的增加了，现已很少使用这种避雷网。暗装避雷网指采纳使用的钢筋网是源自于钢筋混凝土的，从而制成的避雷网。法拉第笼是古典学中（因为静电等势性，金属有效的屏蔽外部磁场的干扰。）经典的保护原理。小鸟站在架空输电线裸线上的时候，不管其电压有多高，都不会被电击。人与大地隔离时，可在带电的情况下修理高压电线，说明了只要带电体与人体的电位相等时，则不会出现雷电反击情况的。为保证可靠的电气连接，钢框架建筑构成一个大的金属笼子，形成了与大地的一个很好的电气连接。在这种方式中，等电位体可靠接地的建筑物构成了一个立体的法拉第笼。在各种电气的建筑物内，金属设备及管道参数，只要保证可靠的钢框架连接，就可以防止雷击。由于使用现有的钢筋作为避雷器，节省投资，为建立和维持完美的形状。当然，对网格和笼体避雷器保护笼子的大小和笼体雷电损伤效应的大小是密切相关的，笼体于愈小则它的网格尺寸愈小，从而有更好的防雷效果。当暗装把源自混凝土结构的钢筋作为手段用作它的配置时，首先，要保证内部钢筋电气连接的可靠性。每一层的梁和柱，墙壁和地板做到真正结合绑扎或搭塔，在每毫米隔20作用的间距处一点做焊接。如果一座建筑，仅仅用几根来当做主引线的柱子，那么，从上及下要焊接两个主筋在它的内部钢筋之中，而后在接地配置，对至少两根的导线进行引出做并做焊接。其次，对建筑物内的金属设备也应当确保可靠接地，电气设备采用的是有金属屏蔽的电缆，以此来达到屏蔽的作用。2.2.3金属氧化物避雷器（1）氧化锌避雷器（ZnO）在二十世纪70年代的金属氧化物避雷器是一种崭新的避雷器。它主要由氧化锌（ZnO）和掺添加剂（微量氧化钴、氧化铋等）阀片制成，具有非线性特性。（2）无间隙金属氧化物避雷器的优点（ZnO避雷器）它的保护特性优越。首先，ZnO阀片具有优异的非线性伏安特性。其次，由于ZnO阀片不具有火花间隙，当作用电压逐渐升高，会导致阀片吸收过电压的能量，从而中国矿业大学2014届本科生毕业设计第8页抑制过电压的加剧，放电时延不具有放电延迟，并且具有很好的陡波响应特点，非常适用于伏秒特性极其稳定的六氟化硫组合电器和用于保护气体绝缘变电所；简化结构，体积也减小许多；具备较大通流容量，避雷器（ZnO）有能力承受多次雷击。并且能够重复执行保护。只为微安级的ZnO避雷器的续流，其实可认为没有续流，当内部过电压或者雷电作用之下，只需要吸收来自过电压的能量，来自续流的能量不用吸收，所以动作负载比较轻；有较好的耐污性能。没有串联间隙。由于瓷套表面不能平均染污的缘故，促使避免串联的火花间隙放电时，电压不稳这一问题得以很好的避免，证明此种避雷器的耐污性能非常强，对制造耐污型、带电清洗型的避雷器有很大的益处。2.2.4保护间隙（1）工作原理保护间隙是一个带电级和接地极这两部分组成，两级的中间隔出的一定距离从而形成了间隙。常见的情况是，保护间隙并联在被保护设备的一侧，当过电压侵入，间隙首先被击穿，雷电流泄入地面，起到保护设备的作用。为防止外物短接造成的误动作的主间隙，还串接个辅助间隙。（2）保护间隙缺点保护间隙的大多数的电场都是属于极不均匀的电场，它具有曲线非常陡的伏秒特性，不容易与被保护绝缘伏秒特性进行很好的配合。保护间隙的动作结束后，将有一个较大大幅值截波的产生，不利于绝缘变压器类设备。保护间隙未专门设灭弧装置，因此，其灭弧能力有限。2.2.5防雷接地装置以上依次介绍的各种类型的防雷保护装置均必须装备适合的接地装置，才可以很好的使保护作用充分的发挥出来，因此，一整个防雷保护体系中最不可或缺的也是最为重要的一个组成部分就是防雷接地配置。接地装置一般概念如下。达成电气配置的接地部分和大地的连接是借助接地配置的，构成接地配置的两个部分便是接地体及接地引线。接地引线可引导雷电流顺利排放到地面，接地体让电流向四周扩散，最终减小过电压，因此这是防雷装置中不可缺少的一部分，其电阻一般在130范围内。2.3小结本章节主要对雷电过电压的基本概念和常用的防雷装置进行介绍。雷电过电压分为直击雷和感应雷引起的过电压。发生直击雷时，在冲击电压下，雷电流进入到电力系统中，会轻易的损坏其中的元件，对发电机，电力变压器，断路器和其它电气设备绝缘有巨大的影响。发生感应雷时，会在被击物感生出大量相反的极性电荷，雷电过后，被击中国矿业大学2014届本科生毕业设计第9页物中的电荷来不及流散，将会引发出高电压放电现象，而导致起火灾。通常所选取的主要防雷配置避雷线，避雷针，保护间隙，金属氧化物避雷器和接地装置。这些装置对线路的防雷保护有着重要意义。3.煤矿防雷措施本设计中对于煤矿防雷措施研究是，从一次及二次设备避雷这两方面进行的。其中，一次设备是电力系统的主要部分是直接输送，分配电能，生产的电气配置，包括电力变压器，变电站，输电线路等；二次配置则是对一次配置进行一些控制，监测，保护和调节电气配置的工作，包括信号装置和自动装置。本论文就是从这两方面分别进行介绍的。3.1煤矿电网过电压的保护措施3.1.1输电线路防雷措施1.避雷线35kV及以下线路一般不在整个线路设避雷线，只有在进出线1公里到2公里处增设避雷线。一方面，是由于线路本身的绝缘的水平低，即使防雷加设避雷线拦截雷电，它仍然是难以避免的会使闪络的产生，所以效果不好；另一方面这些线路，均是十分有效的中性点非有效对地连接系统，碰到故障时，单相对地连接出现的后果比对有效对地连接系统的中性点来说，出现的结果轻得多，因此进行防雷保护主要使用自动重合闸，消弧线圈。2.加强线路绝缘例：将原有的复合绝缘子改为四到五片的瓷绝缘子并对其喷涂PRTV防污闪涂料，增加绝缘子串中的片数、增大塔头空气间距等等。加强输电线路绝缘，加大绝缘子串的片数这样做当然也能提高线路的耐雷水平、降低建弧率，但也会导致绕击率提高，侵入变电站的最大电压升高等问题，实施将有相当大的局限性，所以只有在少数出现落雷概率较高，大跨越档和高度较高的杆塔运用。由于输电线路个别地段存在大跨越档距的杆塔，这就加大了杆塔落洼的几率。为了提高线路的绝缘水平，降低线路的跳闸率，近年来，35kV高压架空输电线进行冲击闪络电压能力的瓷横担降低了输电线路耐雷跳闸率。3.耦合地线可以在一些雷击故障频发生，对已建成运行后的线段进行一种补救措施，在导线的下方加设一条耦合地线。虽然耦合地线不能像避雷线拦截雷击，但是，因为它可以某种程度上增加导地线间耦合系数作用的效果，也就是可以承受线路耐雷水平，降低雷击跳闸率有所进步。4.降低接地电阻中国矿业大学2014届本科生毕业设计第10页这是输电线路最重要的防雷措施之一。在雷击时，可大幅度的降低雷电所造成的过电压，继而对35kV以上的铁塔线路是最为有效的一种保护措施。在35kV铁塔的输电线路上架设避雷线的作用不大，但是接地电阻是不可缺少的，作用十分重要。在没有避雷线时，当其中一相线路因为雷击后发生闪络后，它会起到重要的防护作用，会及时泄散电流，可以尽可能的预防另外两相发生闪络。它的工频接地电阻最好在10，工频接地电阻最大也不宜超过30。5.加装自动重合闸装置一般情况下线路都能实现绝缘自动恢复的功能，多数闪络事故是发生在一瞬间的，这时线路电压过大就会发生跳闸，但是，雷击过后绝缘就自动回复了。所以，装设自动重合闸装置能够有效降低线路的雷击产生事故的概率，是一个不错的措施。在我国，据统计高压线路的重合闸成功率较高。由此可见，减少线路雷害事故，设置自动重合闸是十分有效的措施。6.安装线路避雷器即在输电线路上设置线路避雷器，从而防止线路绝缘子的闪络以及降低建弧率。在架空输电线上，线路避雷器经常被运用于在高压线路与低压线路的交叉跨越档，较高的杆塔及变电站之间的进出线等部位。由于氧化锌避雷器被普遍运用，各种新型氧化锌避雷器如复合外套氧化锌已成功用于线路上面。输电线路雷害事故可分为好几个阶段。根据这些阶段，我们必要的选用有效的“四道防线”的防雷措施，来确保供应安全性。这四道防线：架设避雷线，提高耐雷水平，减少建弧率和自动重合闸。综上所述，只要我们根据掌握大量经验数据，结合当地的运行情况，进行科学分析，采取以上各项技术措施，找出矿区输电线路防雷的薄弱环节，总结雷击活动规律，一定可以取得较好的防雷效果。在设计防雷方案时，电力系统的运行方式，线路所在地区的雷活动频繁程度，地质条件，地貌地形，线路的重要性等因素都是要综合考虑的内容，且根据技术经济的权衡以及以往的运行实践经验进行比对，最终，因地制宜地确定防雷措施。3.1.2变压器防雷措施（1）变压器中性点保护35kV及其以下中性点的变压器是该非有效接地系统中的，中性点选用的均是全绝缘，般情况下，不设保护装置。（2）三绕组变压器防雷保护当压力侧的雷电过电压波从高压侧或三绕组变压器的的打击，经过静电绕组，低压绕组的电磁耦合可以产生过电压，只要在低压绕组终端的任何阶段增设一个合适的电压避雷器，可以保护三项低压绕组。虽然中压绕组在运行时也可能出现开路，但由于绝缘水平较高的缘故。保护时一般不需要装设避雷器。3.1.3变电站防雷措施变电所中所出现的雷电过电压的主要来源是：变电所直接被雷击等。变电站的直击中国矿业大学2014届本科生毕业设计第11页雷防护如下：我国大部分变电所直击雷的防护措施是依靠装设避雷针的。根据不同的安装方式，可分为避雷器独立的框架和安装在配电设备者两型避雷器。独立避雷针指自身拥有专用支座和接地装置的避雷针，一般的独立避雷针的接地电阻是不超过10的。3.2煤矿现代电力设备过电压的保护措施3.2.1煤矿电力调度自动化设备防雷措施（1）电源与UPS（不间断电源）的过电压保护沿电源线进入的雷电产生的感应雷侵入波将导致电源电压迅速增加，从而导致UPS和它所连接的设备的损坏。虽然一些UPS有压敏电阻，但难以保护自身及其后接的微电子设备。电源装置准确且行之有效的防雷方法是四级保护。第一级选取三级气体放电管，保护系统会限制后续雷电允许范围；选取限流模块是电源装置的第二级；第三级选用压敏电阻；第四级，TVS管，使输出电压的要求达到要求标准。采用了以上四级保护之后，一般情况下，UPS或被保护电源就不会因为雷击而造成损坏了。（2）接地在防雷接地是其非常重要的，接地电阻值小，过电压值低。因而，在经济合适的前提下，只要按照要求尽可能降低接地电阻即可。（3）屏蔽为了能过削减雷电电磁干扰，通信综合调节楼和通信机房建筑钢筋，金属地板都之间的相互焊接都是必要的，继而构成等电位的法拉第笼。当把保护装置提出了更高的要求，机房六室应铺设金属屏蔽网，屏蔽网和空间均匀多点接地母线进行周期的循环连接。3.2.2煤矿变电站自动化系统防雷1.正确屏蔽与接地自动化控制系统和通信信号线路微机保护装置，最好使用屏蔽双绞电缆（带屏蔽层），应尽量分开排放，确保电缆屏蔽层仅一点接地。因为，变电站电缆从大电流通过变电站，电容器和电抗器，外围设备，具有较强的交变磁场。所以，变电站内中干扰自动化系统的是交变磁场。交变磁场中自动化设备包括：通信线缆、网络通信，回路中都会受到感应，这些感应也会形成干扰电压，造成领先的自动化设备数据的变化，本地的监控图像失真、闪烁。网络通信中数据发生改变或通讯的中断，导致自动化设备的异常运行。尤其，是对控制系统的破坏性更加强烈。目前变电站自动化系统的选择，无论是数字电路，模拟电路，数字和模拟电路的项目都是必须各自独立的，如果这样让它们分离开来，它们会互相干扰，严重时还会设备的损坏。变电站在自动化改造初期时，由于，所用材料和现场条件的限制，施工时常将中国矿业大学2014届本科生毕业设计第12页数字与模拟电路混为一起，因而造成运行过程中出现设备损坏。通讯阻塞等情况频繁，最后，经对自动化系统接地系统的整治才能够将此问题消除。2.合理安排设备的安装位置现在，大多数RTU（远程终端控制系统）子站或计算机集成保护装置安装在高压室开关柜，“四遥”信息，从高压室向主控室的通信电缆与通信管理机或RTU进行传送，利用一根通信电缆。因此，电缆容易受从开关操作和大量的干扰，通过各种干扰电缆产生的电磁场，会增加错误率。会导致损伤通信接口。除此之外，夏天时高压室内温度较高，该保护装置内部的热量不断增加的集成微机和噪声干扰的RTU子站产生的问题不应该被低估。因此，能够把RTU的下一级以及一体化的微机保护配置，在总的控制单元进行呈综合组屏，能够减少种种干扰源对配置的影响，改善设备运行环境，能方便试验人员修理装置设备和检验工作。3.2.3煤矿通信设施防雷（1）外部防护避雷针、避雷网、避雷带构成了接地装置的外部的防护，接地线等接地配置防备。接近地面当雷雨云放电时雷电保护装置更可能吸引直接雷击，放电主要集中在它身上，凭靠接地引下线、接地装置，把雷电流泄入到地面，这样可使被保护物免受雷击，遵循这样的保护原则。（2）内部防护供电部门由于线路保护的主要渠道之一是雷电侵入。对于高电压部分，高压避雷装置有一个特殊的供电部门，按照国家标准的要求，380过电压保护中，过电压保护动作，应分为三个层次的保护，一级保护水平是避雷器接地，于电缆内芯线两端，由高压变压器的反端，到达配电机房的总配电盘；二级保护的避雷器的接地，从楼宇配电板，到达的内芯电线电缆地板配电箱的两端；三级保护指进行装设避雷器接地向所有特有精密设备并且还针对于UPS前端。这使雷电过电压并联技术使用分流技术泄入地下，以达到保护功能。对于信号部分的防护。应当在线电缆的角度，屏蔽和接地均应该对地装设避雷器对于所有系统接入的电缆内芯线端，这是通信设备的防雷措施从敏感性进行的防护措施，应该接地于电缆中的空线屏蔽接地。应当做到尽量的布线合理在做敷设接入电缆这项工作时。接地系统进行接地处理将雷电流引向大地，从而使得人身的安全以及设备的保护得以实现。一般的通信网络接地系统：逻辑地和防雷地等等。为确保正常的系统运作，每年定期在雷雨季节左右对接地阻值进行检测工作，若发现有异常情况发生，及时有效的采取相应处理，尤其是对于接地测试点处的，保证始终能够将接地阻值保持在规定的范围中。3.3小结本章节主要对煤矿架空线路与变电站遭受雷击的种类的基本概念和常用的防雷措施进中国矿业大学2014届本科生毕业设计第13页行介绍。煤矿供电系统主要会遭受雷直击及感应雷。遭受雷击后，雷电流会随着电源线路或者通信线路入侵。其中，线路防止雷电流入侵的措施有四种：架设避雷线，提高耐雷水平,减少建弧率和自动重合闸。变电站防止雷电流入侵的方式主要有安装架空地线、避雷针与避雷器等。4.ATP-EMTP仿真研究4.1ATP-EMTP软件介绍本论文采用现在国内外已广泛采用的ATP-EMTP（thealternativetransientsprogramelectromagnetictransientprogram）程序，用ATPDraw程序做输电线遭受雷电冲击之后产生的过电压的仿真研究。ATPDraw是国际通用的电磁暂态仿真程序，它是核心是ATP，而ATP是一种被国际广泛使用的EMTP版本。4.1.1ATP软件介绍ATP(AlternativeTransientProgram)，是一种运用广泛应用的数字仿真软件，它的计算是运用电磁暂态现象以及电机原理进行的，美国的伯尼维尔电力管理局(BPA)在工作中所编辑的BPAEMTP(ElectromagneticTransientProgram)是这个程序的一个延伸。这两个程序完成输入数据片填写功能是相似的，主要是由电力系统的电磁暂态过程的计算模拟，从而设计电力系统，给安全运行提供了可靠的依据。ATP的基本原理:根据不同的元件不一样的特性和所需要仿真模拟电路具体情况、组成雷电流模型、杆塔模型、绝缘子串模型、避雷器模型、输电线模型、变电站、三相断路器模型、变压器、电压互感器模型等。不同线路所需要的元件和模块不同，应该根据实际线路情况，在ATPDraw窗口中创建和绘制出对应的电路图，输入个模块的参数，要观察各支路的电压电流情况时，有些节点处系统已经自动命名，同时用户也可以自主命名，在使用时对于自己重要的节点可以按照自己的需求命名，设计十分人性化，操作起来也方便顺手。利用ATP程序即可以得到运算得出的结果，非常便于使用。ATPDraw具备的元件模型是极为丰富的，从而让该软件的强大的计算功能被普遍的利用。利用ATP这个程序求解有变压器、避雷器、电源和输电线等模型构成一个大型的电力系统暂态过程以及稳态过程。凡可用电路模拟的其它系统，都可以用此程序来计算。计算电磁暂态过程的一般程序EMTP，同时，该方案还具有一个稳定的状态，因此，可以解决许多电力系统暂态稳定仿真计算，如：故障计算、系统故障分析的研究等。另外，电力系统不同于一般的电路、电子电路和非电系统（可用电路表示）也可使用EMTP进行研究与分析。中国矿业大学2014届本科生毕业设计第14页4.1.2ATPDraw程序ATPDraw是ATP版对EMTP利用Windows7图像和鼠标进行预处理的程序，协助建立，编程电力网的交互式仿真模型。