魏 光

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處,西安 710043)

1 概述

在電氣化鐵路牽引變電所防雷設(shè)計(jì)中,一般采用避雷針作為防雷裝置,其保護(hù)范圍的確定決定了避雷針的位置、高度、基礎(chǔ)、材質(zhì)等多項(xiàng)指標(biāo)的選擇。

現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定用折線法確定避雷針的保護(hù)范圍,在普速鐵路牽引變電所防雷設(shè)計(jì)中廣泛使用,運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)說明,其確定的保護(hù)范圍是可靠的。隨著牽引供電系統(tǒng)電源電壓等級的提高,牽引變電所場坪面積及架構(gòu)高度相應(yīng)增大,原有的折線法確定的保護(hù)范圍的可靠性隨之降低。自20世紀(jì)80年代初,國際上許多國家的建筑防雷標(biāo)準(zhǔn)相繼采用滾球法作為避雷針保護(hù)范圍的基本方法。國際電工委員會于1990年出版IEC1024—1：1990,推薦采用滾球法確定避雷針保護(hù)范圍。我國標(biāo)準(zhǔn)《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057—94)(2000年版)[3]也參照IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定確定避雷針保護(hù)范圍應(yīng)采用滾球法。

根據(jù)牽引變電所防雷設(shè)計(jì)中的具體情況,在不同避雷針布置方式下,分別給出了參數(shù)計(jì)算、制圖步驟等設(shè)計(jì)流程。案例計(jì)算驗(yàn)證了方案的可行性,與現(xiàn)行折線法的對比分析得出了滾球法可靠性更高的結(jié)論。

2 單支避雷針保護(hù)范圍

牽引變電所防雷設(shè)計(jì)分為避雷針保護(hù)范圍參數(shù)計(jì)算和制圖兩個步驟。

2.1 參數(shù)計(jì)算

(1)初始參數(shù)定義

hr——滾球半徑，m,第一類防雷建筑物為30 m,第二類防雷建筑物為45 m,第三類防雷建筑物為60 m[3]；

hx——被保護(hù)物的高度，m,選擇所內(nèi)需保護(hù)物的最高高度,一般為進(jìn)線門形架(變電所)或饋線門形架(開閉所、分區(qū)所、AT所)；

h——避雷針的高度，m。

(2)相關(guān)半徑

hx高度平面上的保護(hù)半徑rx及地面上的保護(hù)半徑r0

當(dāng)h≤hr時,

(1)

當(dāng)h>hr時,

(2)

2.2 制圖

以避雷針?biāo)谖恢脼閳A心,rx為半徑作圓,圓內(nèi)即為hx高度平面上的保護(hù)范圍,如圖1所示。

圖1 單支避雷針保護(hù)范圍

2.3 案例計(jì)算

單支避雷針布置一般用于AT所。由國標(biāo)[3]可知,牽引變電所類同第二類建筑物,選取滾球半徑為45 m,且27.5 kV饋線門形架一般取7.3 m高,參數(shù)設(shè)置及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 單支避雷針保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果 m

被保護(hù)物落在圖1所示的圓內(nèi)即受到保護(hù)。

3 雙支等高避雷針保護(hù)范圍

3.1 參數(shù)計(jì)算

(1)初始參數(shù)定義

hr、hx、h的定義同前。

D——兩針間距離，m。

(2)相關(guān)半徑

rx、r0分別同式(1)、式(2),兩針間保護(hù)范圍半徑r0x為

r0x=r0-rx

(3)

(3)最低保護(hù)高度及寬度

雙支避雷針內(nèi)側(cè)最低保護(hù)高度h0為

(4)

hx高度平面上每側(cè)最小保護(hù)寬度bx為

(5)

地面上每側(cè)最小保護(hù)寬度b0為

(6)

3.2 制圖(圖2)

(1)作A、B兩點(diǎn)的垂直平分線,并在線段AB兩側(cè)取距離為b0的2點(diǎn)E、C,連接A、E、B、C4點(diǎn)；

(2)分別以A、B為圓心,rx為半徑作弧線與四邊形AEBC相交；

(3)分別以C、E為圓心,r0x為半徑作弧線與(2)中弧線相接。

如圖2所示,粗實(shí)線部分內(nèi)部即為hx高度平面上的保護(hù)范圍。

圖2 雙支等高避雷針保護(hù)范圍

3.3 案例計(jì)算

雙支等高避雷針布置一般用于分區(qū)所,27.5 kV饋線門形架一般取7.3 m高,參數(shù)設(shè)置及計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2中h0≥hx,全部范圍得到保護(hù)。

表2 雙支等高避雷針保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果 m

4 雙支不等高避雷針保護(hù)范圍

4.1 參數(shù)計(jì)算

(1)初始參數(shù)定義

hr、hx、rx、r0、r0x、D的定義同前；

h1,h2——兩支避雷針的高度，m,假設(shè)h1

(2)最低保護(hù)高度及寬度

雙支避雷針垂直平面上針h1與球心垂線間的距離D1為

(7)

雙支避雷針內(nèi)側(cè)最低保護(hù)高度h0為

(8)

hx高度平面上每側(cè)最小保護(hù)寬度bx同式(5)

地面上每側(cè)最小保護(hù)寬度b0為

(9)

4.2 制圖(圖3)

(1)距B點(diǎn)距離D1處作垂線,并在線段AB兩側(cè)取距離為b0的2點(diǎn)E、C,連接A、E、B、C4點(diǎn)；

(2)分別以A、B為圓心,rx為半徑作弧線與四邊形A、E、B、C相交；

(3)分別以C、E為圓心,r0x為半徑作弧線與(2)中弧線相接。

如圖3所示,粗實(shí)線部分內(nèi)部即為hx高度平面上的保護(hù)范圍。

圖3 雙支不等高避雷針保護(hù)范圍

4.3 案例計(jì)算

雙支不等高避雷針布置一般用于牽引變電所主變低壓側(cè)至饋線門形架間,27.5 kV饋線門形架一般取7.3 m高,參數(shù)設(shè)置及計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 雙支不等高避雷針保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果 m

表3中h0≥hx,全部范圍得到保護(hù)。

5 三支等高避雷針保護(hù)范圍

5.1 參數(shù)計(jì)算

hr、hx、h、rx、r0、r0x、D1,2,3的定義同前。

三支避雷針內(nèi)側(cè)最低保護(hù)高度h0為

(10)

bx、b0的計(jì)算同式(5)、式(6)。

5.2 制圖(圖4)

將A、B、C三點(diǎn)分別按兩支等高避雷針布置制圖,其外輪廓內(nèi)部即為hx高度平面上的保護(hù)范圍。

圖4 三支等高避雷針保護(hù)范圍

5.3 案例計(jì)算

三支等高避雷針布置一般用于開閉所,27.5 kV饋線門形架一般取7.3 m高,為簡便計(jì)算,三支避雷針按等邊三角形對稱布置,參數(shù)設(shè)置及計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 三支等高避雷針保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果 m

表4中h0≥hx,全部范圍得到保護(hù)。

6 矩形布置的四支等高避雷針保護(hù)范圍

6.1 參數(shù)計(jì)算

hr、hx、h、rx、r0、r0x、D1～4的定義同前。

四支避雷針內(nèi)側(cè)最低保護(hù)高度h0為

(11)

bx、b0的計(jì)算同式(5)、式(6)。

6.2 制圖(圖5)

兩兩避雷針作保護(hù)范圍,連接所有弧線,其外輪廓內(nèi)部即為hx高度平面上的保護(hù)范圍。

圖5 矩形布置四支等高避雷針保護(hù)范圍

6.3 案例計(jì)算

矩形布置四支等高避雷針布置一般用于牽引變電所,220 kV饋線門形架一般取13 m高,為簡便計(jì)算,四支避雷針按正方形布置,參數(shù)設(shè)置及計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 矩形布置四支等高避雷針保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果 m

表5中h01,2,3≥hx,全部范圍得到保護(hù)。

7 案例對比分析

根據(jù)上述計(jì)算方法,編制了基于LabVIEW的仿真計(jì)算軟件。以客運(yùn)專線220 kV牽引變電所為例,設(shè)置4支等高矩形布置(50 m×50 m)的避雷針。為對比分析,同時計(jì)算了采用折線法的避雷針保護(hù)范圍,參數(shù)設(shè)置及仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 對比計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知,同樣實(shí)現(xiàn)牽引變電所全部保護(hù),應(yīng)用折線法僅需設(shè)置25 m高的避雷針,而應(yīng)用滾球法則需設(shè)置31 m高的避雷針,可見滾球法較折線法計(jì)算所得保護(hù)范圍小,如圖7所示。

圖7 避雷針保護(hù)范圍對比

折線法是以經(jīng)驗(yàn)和小雷電沖擊電流下的模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)確定避雷針的保護(hù)范圍。在模擬試驗(yàn)中,沒有考慮雷電先導(dǎo)從避雷針側(cè)向發(fā)展且高度較低時發(fā)生側(cè)擊的可能。而滾球法是以擊距理論為基礎(chǔ),根據(jù)閃擊距離確定避雷針的保護(hù)范圍的。其不考慮雷電極的放置位置,包含了雷電側(cè)擊的影響。這是造成滾球法的保護(hù)范圍比折線法小的主要原因。一般可以認(rèn)為,滾球法的可靠性更高。

8 結(jié)論

借鑒IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦的滾球法,將其引入牽引變電所防雷設(shè)計(jì)中。根據(jù)應(yīng)用實(shí)際,分別給出了避雷針保護(hù)范圍確定設(shè)計(jì)中的參數(shù)設(shè)計(jì)和制圖細(xì)節(jié),并通過案例計(jì)算驗(yàn)證方法的可行性。通過與現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的折線法的對比計(jì)算分析,得出滾球法較折線法計(jì)算所得保護(hù)范圍小,滾球法可靠性較高的結(jié)論。方案的提出為日后牽引變電所防雷設(shè)計(jì)提供了參考。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10009—2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]林維勇.建筑物防雷(一)-國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC1024-1：1990[J].建筑電氣,1991(1)：42-45．

[3]中華人民共和國建設(shè)部.GB50057—94(2000年版) 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[4]林維勇.用滾球法確定建筑物防雷接閃器的保護(hù)范圍[J].建筑電氣,1993(3)：102-112．

[5]盛才超.滾球法確定三支避雷針保護(hù)范圍的作圖[J].建筑電氣,1995(2)：39-40．

[6]劉文正.確定避雷針(線)保護(hù)范圍的滾球法與折線法的比較[J].建筑電氣,1993(1)：8-12．