井下电气设备过电压保护技术应用分析

一、引言

井下电气设备是煤矿等井下作业得以正常开展的核心基础，其运行状态直接关乎生产效率与人员安全。井下环境特殊，存在诸多干扰因素，极易引发电气设备出现过电压现象。过电压一旦产生，可能瞬间击穿电气设备的绝缘层，导致设备损坏，甚至引发火灾、瓦斯爆炸等严重安全事故。因此，深入研究井下电气设备过电压保护技术的应用，对于保障井下作业安全、稳定、高效进行具有至关重要的现实意义。

二、井下电气设备过电压类型及成因分析

（一）大气过电压

当雷电直接击中井口附近的地面设施或输电线路时，强大的雷电流会通过线路迅速侵入井下电气系统。由于雷电电流幅值极高、上升沿陡峭，会在瞬间产生极高的过电压。此外，即使雷电未直接击中井下相关设施，在雷电放电过程中，强大的电磁场变化也会在输电线路等导体上感应出过电压。这种过电压具有突发性强、幅值变化范围大等特点，对井下电气设备的绝缘性能构成严重威胁。

（二）操作过电压

在断路器进行分合闸操作时，触头间的电弧熄灭与重燃过程会导致电路参数发生急剧变化，从而产生过电压。此外，大型电动机的启动与制动、变压器的空载投入等操作，也会因电路中电感与电容元件的能量转换，引发暂态过电压。操作过电压的幅值与持续时间与系统参数、操作方式密切相关，其波形复杂，频率较高，对电气设备绝缘的局部放电性能要求严格。

（三）谐振过电压

井下电气系统中存在大量的电感、电容元件，如变压器、电抗器、电缆等。当系统运行方式发生变化，如电源电压波动、系统接地方式改变等，可能导致电感与电容元件发生谐振。在谐振状态下，系统中的电感与电容能量相互交换，形成过电压。谐振过电压的幅值可能达到电源电压的数倍，且持续时间较长，对电气设备绝缘的长期稳定性构成严重挑战。

三、井下电气设备过电压保护技术类型及应用

（一）避雷器保护技术

目前，井下常用的避雷器主要有阀型避雷器和氧化锌避雷器。阀型避雷器通过间隙放电和阀片电阻的非线性特性来限制过电压幅值。当过电压来袭时，间隙首先击穿放电，将过电压引入大地，随后阀片电阻在正常工作电压下呈现高阻态，限制续流，保护电气设备。氧化锌避雷器则利用氧化锌阀片的优异非线性伏安特性，在正常工作电压下，氧化锌阀片电阻极高，几乎无电流通过；当出现过电压时，阀片电阻急剧下降，迅速泄放过电压能量，保护电气设备绝缘。避雷器安装位置的选择至关重要，一般安装在井口附近的变电所进线端，以及井下重要电气设备的电源侧，以有效拦截侵入井下的过电压。

（二）阻容吸收保护技术

其原理是利用电阻和电容组成的串联或并联电路，在操作过电压产生的瞬间，电容吸收过电压能量，电阻则消耗电容中储存的能量，从而降低过电压幅值，抑制过电压的振荡过程。在井下电气系统中，阻容吸收装置通常安装在真空断路器的触头两端，以及大型电动机的电源侧。对于真空断路器，阻容吸收装置可有效抑制分合闸过程中产生的过电压，避免过电压对断路器自身及相连设备绝缘的破坏；对于大型电动机，能减少启动与制动过程中的过电压对电动机绕组绝缘的损害，延长电动机使用寿命。

（三）消弧线圈接地保护技术

消弧线圈接地保护技术主要应用于井下中性点不接地或经消弧线圈接地的供电系统，用于限制谐振过电压和单相接地故障时的过电压。消弧线圈是一个具有可调电感的电抗器，接在供电系统的中性点与大地之间。当系统发生单相接地故障时，消弧线圈产生的电感电流补偿故障点的电容电流，使接地电流减小，从而降低故障点的电弧重燃概率，避免因电弧反复熄灭与重燃引发的谐振过电压。通过合理调整消弧线圈的电感值，可使系统在单相接地故障时处于过补偿、欠补偿或全补偿状态，根据井下供电系统的实际情况选择合适的补偿方式，以达到最佳的过电压抑制效果。

（四）接地保护技术

接地保护的主要作用是为过电压提供泄放通道，降低电气设备外壳及金属构件的对地电位，保障人员安全。井下电气设备的接地包括工作接地、保护接地和防雷接地。工作接地是为保证电气设备正常运行而设置的接地，如变压器中性点接地；保护接地是将电气设备的金属外壳与接地装置可靠连接，当设备绝缘损坏时，使外壳电位接近地电位，避免人员触电；防雷接地则是将避雷器等防雷装置与接地装置相连，将雷电流迅速泄放入地。接地装置应具有足够的导电性能和机械强度，接地电阻应符合相关标准要求，以确保在过电压发生时，能有效地将过电压能量引入大地。

四、井下电气设备过电压保护技术应用要点

（一）合理选择保护设备

在选择井下电气设备过电压保护设备时，需综合考虑井下电气系统的特点、过电压类型及幅值、设备的重要性等因素。对于大气过电压保护，应根据井口附近雷电活动强度、输电线路长度等，选择合适类型和参数的避雷器；对于操作过电压保护，要结合开关设备的操作频率、电动机的容量等，确定阻容吸收装置的电容和电阻值。对于谐振过电压保护，需根据系统的电感、电容参数，合理配置消弧线圈的电感量。所选保护设备应具备良好的可靠性和稳定性，能适应井下恶劣的环境条件，如高温、高湿、粉尘等。

（二）优化保护系统设计

在设计过程中，要充分考虑各种保护设备之间的配合关系，确保在过电压发生时，各级保护设备能按照预定的顺序和动作特性动作，实现分级保护。避雷器应作为第一道防线，首先限制过电压幅值，阻容吸收装置和消弧线圈等则作为后续保护措施，进一步抑制过电压的危害。此外，保护系统的设计还应考虑系统的扩展性，以便在井下电气系统进行升级改造时，能够方便地调整和优化保护方案。

（三）加强设备维护与管理

维护人员应按照相关标准和规范，对避雷器、阻容吸收装置、消弧线圈等进行定期检查和试验，及时发现设备存在的缺陷和隐患，并进行处理。检查避雷器的外观是否完好、绝缘电阻是否符合要求、计数器动作是否正常等；对阻容吸收装置的电容和电阻进行测试，确保其参数在规定范围内；对消弧线圈的电感值进行校准，保证其补偿效果。要建立健全设备维护档案，记录设备的运行状况、维护情况等信息，为设备的运行管理和故障分析提供依据。

五、结束语

井下电气设备过电压保护技术的应用是保障井下电气系统安全稳定运行的重要举措。通过深入分析井下电气设备过电压的类型及成因，合理选用避雷器保护、阻容吸收保护、消弧线圈接地保护和接地保护等多种技术手段，并注重保护设备的合理选择、保护系统的优化设计以及设备的维护与管理，能够有效降低过电压对井下电气设备的危害，提高设备的使用寿命，减少安全事故的发生。随着井下开采技术的不断发展和电气系统复杂程度的日益提高，过电压保护技术也需要不断创新和完善，以适应新的需求和挑战，为井下作业的安全、高效开展提供更加坚实的保障。

参考文献

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