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215 中国设备工程 2020.07 （上） 中 国 设 备 工 程 C h i n a P l a n t E n g i n e e r i n g 邹城市煤矿众多，是著名的兖矿集团公司所在地， 其境内的鲍店煤矿、东滩煤矿、南屯煤矿等煤矿年产量 都在300万吨以上。 煤矿的通风设施、 绞车房、 提升设施、 给排水设施、救援设施等均关系到矿工的生命安全。据 统计，一般矿井均采用双回路，也就是从不同地区分别 单独架设线路独立进入煤矿变电站，变电站通过变配电 处理供给矿区地面和井下使用。根据国内各电网公司统 计，近年来，电力系统中输配电线路故障 50 ～ 60 是由雷电的各种效应引起的，雷电灾害是供电线路的主 要灾害源。另一方面，邹城地区矿井大多处于空旷地带， 其区域内金属井架、高杆灯、输煤栈桥、煤仓等均为高 大建筑物，且较为突兀，雷击概率较大。做好煤矿供配 电系统的防雷保护涉及面广，不仅需要对变电所、架空 线路进行防护，更需要对矿区内的变配电设施、机房、 配电室等进行防护。所以，供电安全是煤矿的生命线， 做好煤矿供电防雷安全尤为重要。 1 变电所 35kV 进线的防雷保护 1.1 35kV 架空线路防雷保护 煤矿电源在进入矿变电所时，首先，经过架空线 路，线路高度一般超过 10m，电压为电源 35kV，这段 线路是雷击的重点部位，应使用架空避雷线进行直击雷 防护。架空避雷线的保护范围，国标建筑物防雷设计 规范GB50057-2010 给出的是“滚球法”，但电力行 业规程则使用保护角法。从原理上看“滚球法”在避雷 线架设高度小于滚球半径（hr）的范围内，架设高度越 高保护效果越好，这恰恰与雷击线路的绕击率相反，所 以，在输配电架空线路中应当使用保护角法计算保护范 围。输配电线路中使用架空避雷线的目的有四个一是 降低直击雷的概率；二是闪电击中电力杆塔时，起到分 煤矿供电系统防雷安全研究 宋峰，张宁馨，邓海利 （邹城市气象局，山东 邹城 273500） 摘要本文介绍了煤矿供电系统雷电防护的必要性。着重通过煤矿电力进线、布线方式的分析确定对线路的防护措施， 并对布线方式和避雷线的设置提出了合理化建议。 通过对雷电流和电力杆塔自身特性的分析、 计算提出了相应的防护措施。 应对煤矿变电所、线路布置区域进行防雷类别划分，根据不同类别确定不同区域的防雷保护措施。对比“滚球法”和折线 法的保护范围，提出了不同高度避雷针保护范围的计算方法。 关键词煤矿；供电；防雷保护 中图分类号TM72 文献标识码A 文章编号1671-0711（2020）07（上）-0215-03 课 题 资 助 济 宁 市 气 象 局 课 题 资 助 项 目 （2018JNZL04）。 流作用，降低杆塔对地电压；三是对输电线路有耦合作 用，降低线路避雷器上的电压；四是多根避雷线对下方 的电源导线有屏蔽作用，可以降低雷击感应过电压。对 于煤矿 35kV 进线可考虑进线段设三根避雷线，从而使 雷击点尽量远离杆塔避雷器，通过一段时间，线路上的 冲击电晕使雷电流波形发生衰减和变形，最终降低波前 陡度和幅值。 雷电绕击是线路雷击事故的主因，故降低雷击绕 击率是线路防护的重点。据电力线路运行经验、现场测 试和模拟试验，绕击率可按下式计算 平原lgP 3.9 86 t h α α − （1） 山区 lgP 3.35 86 t h α α − （2） 保护角的降低意味着避雷线与输电导线距离的减 小，同时，带来了安全距离问题。为防止避雷线对输电 导线的反击，根据 GB50057-2010 避雷线距导线应大于 3m。 设置避雷线是输电线路的重要防雷保护方式，除 此之外， 雷击概率跟输电导线的布置方式也具有相关性。 架空输电线路有三种排列方式，如图 1 所示。 a）正序排列 b）逆序排列 c）上下三角形排列 图 1 架空输电导线排序方式 通过实际运行，统计出三种线路排序方式所对应 的跳闸率，如表 1。 由表 1 可以看出，上下三角排序方式下双回路同时 跳闸率为 0.000，所以，对于煤矿这种重要场所，应按 216 研究与探索 Research and Exploration 理论研究与实践 中国设备工程 2020.07 上 上下三角方式排序。 1.2 杆塔防护方式 通过对雷击断线概率统计，发生在导线与绝缘子 连接处的概率较大。因为电力杆塔接闪后，顶端对地电 位最高，高电位首先对绝缘水平低的部位进行反击。电 力杆塔接闪后，雷击过电压可按下列公式计算 topi di UIRL dt （3） 式（3） 中，top U 为 杆 塔 顶 部 电 压（kV）；I 为 雷 电 流 幅 值（kA）； i R为 电 力 杆 塔 接 地 冲 击 电 阻 （Ω）；L 为杆塔自身电感（μH）。假设，雷电流 幅值为 150kA（二类防雷构筑物）；雷电流波形采 用 10/350μs；杆塔冲击接地电阻为 4Ω；杆塔电感为 10μH（20 米高铁塔）；约 50 的能量经接地系统泄 流入地。经计算，杆塔顶部的电位为375.0kV。 架线杆塔的绝缘耐受电压水平如下 50 10084.5 kVUn （4） 根 据 式（4） 能 计 算 杆 塔 35kV 线 路 采 用 3 Ｘ -4.5 绝缘子的线杆电压 50 U 约为 350kV。可以看出 在未考闪电感应和电磁脉冲时，杆塔已经会被击穿。所 以，当塔顶部电位高于 350kV 时，就会对导线产生反 击。若对一相线路产生反击，将引起单相工频短路。由 于 35kV 电力系统为小接地短路电流系统，其短路电流 为电容性电流，数值很小，可能不足以引起跳闸，但若 同时引起第二相导线反击，形成相间短路，则引起跳闸。 安装相匹配的避雷器是解决反击问题的关键。避 雷器与绝缘子并联安装，在没有过电压的情况下，避雷 器为高阻抗状态，出现高电压电涌时，避雷器会对地泄 流，保障了线路的正常运行。避雷器原理如图 2 所示。 在使用中，SPD 的冲击放电电压（50b U ）应小于 绝缘子串的 50 冲击放电电压（ 50j U ）。若雷电冲击 放电电压偏差为δ，为确保避雷器能先行放电， 50b U 和 50j U 应至少满足下列关系 5050 1 3 1 3 jb UUδδ− （5） 一般情况下， 0.03δ ，所以 505050 /16.5 jbj UUU− 505050 /16.5 jbj UUU− 。所以 SPD 的触发电压至少应比绝缘子的击穿 电压低 16.5。根据电 力规程要求，35kV 电 力系统雷电冲击耐受电 压，相对地及相间均为 185kV, 则 35kV 杆 塔 SPD 的冲击放电电压应 小于 154.5kV。 2 矿区 35kV 变电站防护 2.1 划分防雷类别 在电力规程中，没有对变电所区域进行防雷类别的 划分，但 GB50057-2010 中要求对所有防雷建（构）筑 物首先进行类别划分，从而更科学有效地采取针对性的 防雷措施， 这里提倡对煤矿变电所进行防雷类别的判定。 2.2 优化避雷针保护范围计算方法 不同的行业规范对于避雷针保护范围的计算不同， 我国的电力规程使用“折线法”，而建筑物防雷设计 规范则要求使用“滚球法”。“折线法”的保护范围 是假设雷电定位高度 H1 为基准进行模拟实验的结果制 定的；“滚球法”是假设一个球，半径为 hr，沿避雷针 和地面滚动，不被球面接触的部分则是保护范围。“折 线法”中，避雷针高度与保护范围成正比；“滚球法” 中高度超出滚球半径部分不被保护，滚球半径对保护范 围的影响大。 国家标准中， 把第一、 二、 三类防雷建 （构） 筑物对应的滚球半径分别设定为 30m、45m、60m。 在煤矿变电所中，高压线路及设施的高度一般不 超过 12m，室外高低压设备高度一般不超过 5m。所以， 在这两个高度平面上对比“折线法”和“滚球法”的保 护范围。 表 2 12m 高度面上避雷针的保护范围（单位m） 针高折线法 滚球法（hr 为滚球半径） hr30hr45hr60 30216.011.816.0 2513.55.69.712.7 2084.36.88.7 1532.02.93.6 表 3 5m 高度面上避雷针的保护范围（单位m） 针高折线法 滚球法（hr 为滚球半径） hr30hr45hr60 303513.421.828.0 2527.513.019.724.8 202011.716.820.7 1512.59.412.915.7 1055.87.79.2 按照 GB50057-2010 的标准划分防雷类别，煤矿 变电所被划分为第二类防雷场所的可能性较大。从上表 2 和表 3 得出，在二类防雷场所避雷针高度为 15m 时， “折线法”计算出的避雷针保护范围略小于“滚球法” 计算出的范围。增加避雷针的高度，“折线法”计算出 的保护范围比“滚球法”计算出的范围明显变大。 根据滚球法和折线法的理论计算可以得出当针高 h≤0.293hr时， “折线法” 确定的保护范围小于 “滚球法” 确定的范围；当针高 h0.293 ～ 0.4hr时，两种方法 确定的保护范围基本相当；当针高 h0.4 ～ 0.5hr时， “折线法”确定的保护范围略大于“滚球法”确定的范 表 1 不同排序对应的跳闸率 次（100kma）-1 排序方法跳闸率（单回路）跳闸率（双回路） 正序排列0.1720.172 逆序排列0.1850.063 上下三角排列0.1860.000 图 2 避雷器安装示意图 217 中国设备工程 2020.07 （上） 中 国 设 备 工 程 C h i n a P l a n t E n g i n e e r i n g 围；当针高 h0.5hr时，“折线法”确定的保护范围远 大于“滚球法”确定的保护范围。这里提出以下应用 在煤矿变电所中，设置高度超过 15m 的避雷针时，保 护范围应按“滚球法”计算；避雷针高度低于 15m 时， 推荐使用“折线法”计算保护范围。 3 结语 在煤矿企业中矿井设备、机房设施、信息系统对 供电稳定性要求很高。对于电涌保护器（SPD）的安装， 除本文提出的方法外，针对不同电压级别和不同防护对 象的保护还需要进一步研究。 参考文献 [1]秦英杰. 35kV、 110kV输电线路防雷保护间隙的研究[D]. 北京 华北电力大学 , 2006. [2]中国机械工业联合会.GB50057-2010.建筑物防雷设计规范[S]. 自然环境中的能源多种多样，其中，振动能是一 种“绿色能源”，它不像其他能源会受到时间、地域、 环境等因素的限制，若能将其转化为电能，则有助于 解决微电子器件长期、实时持续的能源供给问题。实 际上，利用自然界中的振动来给微型发电装置提供 动力，可以源源不断地将振动能转变为微机电系统 所需要的电能。由于在环境中收集到的振动能具有 较高的能量密度、清洁环保、高输出电压和功率以 及易于实现结构微型集成化等优点，因而，近年来 备受关注。对压电式振动能量俘获技术而言，核心问 题是如何提高能量之间的全系统转换效率以持续稳定 的为无线传感器节点供电，而压电式振动能量俘获系 统的转换效率与其结构的各个组成要素有关，如压电 项目名称2019 年度甘肃省高等学校创新能力提升 项目，项目编号2019A-238 材料、压电振子结构、压电能量俘获电路、压电转换 机理等。为此，本文从上述几个方面出发，以悬臂梁 式压电能量俘获器为例，对其关键技术进行分析，介 绍压电能量俘获器的研究现状，为压电能量俘获器的 全方面优化提供分析思路和研究方向。 1 压电材料 压电材料是压电能量俘获器中的核心组成部分，是 指在压力作用下其两端面间产生电压的晶体材料，一百 多年前被 Curie 兄弟发现并由此提出了压电效应。压电 材料一般分为有机、无机、复合三种。 PVDF 薄膜是典型的有机压电材料，又被称为压电 高分子聚合物。这类材料的材质非常柔韧（很容易形成 弯曲结构），具有密度低、频带宽、压电电压常数高、 阻抗低以及价格便宜等诸多优点，但缺点是压电应变常 悬臂梁式压电能量俘获器的研究现状 杨晋宁 甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001 摘要悬臂梁式压电能量俘获器是能量俘获技术中的核心组件，其性能的优劣关系着俘获电能的多少及能量转换效率 的高低。综述了压电能量俘获器在压电材料、振子结构、俘获电路、研究机理等四个方面的研究状况和存在的问题，对全 系统中的重要核心技术和特点进行了分析，为压电能量俘获器的全方面优化提供了研究思路。 关键词压电能量俘获器；综述；研究机理；全系统 中图分类号TM619 文献标识码A 文章编号1671-0711（2020）07（上）-0217-04 北京 中国计划出版社 ,2010. 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