丁潔晶，羅佳藝

（1.杭州水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江華業(yè)電力工程股份有限公司，浙江 寧波 315800）

Khelvachauri-1變電站工程直擊雷保護(hù)方案的設(shè)計(jì)與探討

丁潔晶1，羅佳藝2

（1.杭州水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江華業(yè)電力工程股份有限公司，浙江 寧波 315800）

在變電站工程設(shè)計(jì)中，對于直擊雷防護(hù)通常采用避雷針、避雷線或避雷針與避雷線相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，以避免雷擊對變電站內(nèi)電氣設(shè)備的損壞并限制入侵雷電波的幅值，使電氣設(shè)備的過電壓不超過其沖擊耐壓值，從而防止雷害事故的發(fā)生。本文以格魯吉亞Khelvachauri-1 110 kV戶外變電站防直擊雷的設(shè)計(jì)過程為實(shí)例，以國內(nèi)常規(guī)設(shè)計(jì)方法確定保護(hù)方案，再以IEEE標(biāo)準(zhǔn)校核并確定該變電站直擊雷防護(hù)的施工設(shè)計(jì)方案，以滿足國外工程的要求。

國外；變電站；直擊雷；IEEE標(biāo)準(zhǔn)

0 前言

Khelvachauri-1變電站項(xiàng)目位于格魯吉亞共和國巴統(tǒng)省喬治區(qū)，為110 kV樞紐變電站，變電站面積為43 m×100 m，變電站內(nèi)設(shè)兩臺50（62.5）MVA-110/34.5 kV主變壓器，主變110 kV側(cè)采用雙母線接線方式，共有3回110kV出線，分別至Batumi變電站和Kirnati水電站，另一回出線預(yù)留；1號主變34.5 kV側(cè)與Khelvachauri-1電站廠房36 kV出線相連，2號主變?yōu)轭A(yù)留位置。受河谷地形及場地面積的限制，變電站設(shè)備的布置方式采用高型布置。

雷電直接擊中配電裝置的導(dǎo)線或設(shè)備的帶電部分，稱作直擊雷。在變電站工程建設(shè)中，防止直擊雷過電壓一般采用避雷針、避雷線或避雷針與避雷線相結(jié)合的方式。為了保護(hù)設(shè)備，避雷針（線）需高出被保護(hù)的設(shè)備，其作用是將雷電引入避雷針（線），并安全地將雷擊電流引入大地，從而保護(hù)變電站內(nèi)的設(shè)備。本文采用我國國標(biāo)和國際IEEE兩種標(biāo)準(zhǔn)的方法，對變電站設(shè)備保護(hù)范圍進(jìn)行計(jì)算和分析，并確定工程直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)方案，以滿足國外工程需采用國際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 防雷設(shè)計(jì)方案的計(jì)算與比較

根據(jù)項(xiàng)目業(yè)主要求及項(xiàng)目實(shí)際情況，確定變電站直擊雷保護(hù)可采用架空避雷線防雷方案或避雷針防雷方案，以下根據(jù)GB/T50064-2014規(guī)范中的折現(xiàn)法對兩種方案進(jìn)行計(jì)算、比較和分析。

1.1 方案一：架空避雷線方案

架空避雷線一般由3部分組成，即平行懸掛在空中的避雷線（接閃器）、接地引下線和接地體。避雷線懸掛在輸電導(dǎo)線上面，利用鋼構(gòu)架或是桿塔架設(shè)。由于本工程已有110 kV進(jìn)線門形架、110 kV母線構(gòu)架及變壓器門形架等鋼構(gòu)架，所以只要利用以上構(gòu)架架設(shè)即可，不需要另設(shè)桿塔。

根據(jù)構(gòu)架設(shè)計(jì)方案及布置尺寸，在變電站保護(hù)區(qū)域初步設(shè)置4根平行布置的避雷線，避雷線高度為15m，進(jìn)線門形架和母線架的兩線間距為9m，變壓器門形架兩線間距為10m，單根避雷線長度為58m，采用GJ-50型鍍鋅鋼絞線，其截面積為50 mm2。

按此避雷線的布置方案，以“變壓器門形架”區(qū)域?yàn)樗憷?，來?jì)算和校驗(yàn)本方案的可行性，“變壓器門形架”區(qū)域需保護(hù)設(shè)備分別為低壓側(cè)構(gòu)架、變壓器及其引出導(dǎo)線，其中低壓側(cè)構(gòu)架保護(hù)高度為4 m，變壓器保護(hù)高度為6 m，引出導(dǎo)線和絕緣子為下部最高被保護(hù)物，其被保護(hù)高度為11 m。

由“變壓器門形架”區(qū)域斷面圖（圖1）可見，該保護(hù)區(qū)域?yàn)楸芾拙€端部和避雷線中部組成，由于本區(qū)域被保護(hù)物有3種類型，以下保護(hù)范圍計(jì)算過程僅以導(dǎo)線和絕緣子為例。

（1）單根避雷線在hx=11m水平面上每側(cè)保護(hù)范圍的寬度：

式中h——避雷線的高度，m；

hx——被保護(hù)物的高度，m；

rx——每側(cè)保護(hù)范圍的寬度，m；

P——高度影響系數(shù)，h≤30 m，P=1。

（2）兩避雷線間保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度：

式中h0——兩避雷線間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)的高度，m；

D——兩避雷線間的距離，m。

（3）避雷線端部，兩避雷線間最小寬度：

式中bx——兩避雷線間保護(hù)范圍的一側(cè)最小寬度，m。

由此可見，變電站內(nèi)的引出導(dǎo)線和絕緣子的兩側(cè)及端部均在避雷線保護(hù)范圍內(nèi)，且高度小于保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)12.5 m，所以該避雷線布置方式滿足引出導(dǎo)線和絕緣子的被保護(hù)要求。

按引出導(dǎo)線和絕緣子的保護(hù)范圍計(jì)算，變壓器及低壓側(cè)構(gòu)架計(jì)算結(jié)果見表1，從計(jì)算結(jié)果可以看出，變壓器及低壓側(cè)構(gòu)架也均在該避雷線保護(hù)范圍之內(nèi)，該避雷線布置方式滿足直擊雷的防護(hù)要求。引出導(dǎo)線、變壓器及低壓側(cè)構(gòu)架的保護(hù)范圍圖示見圖2。

表1 引出導(dǎo)線、變壓器及低壓側(cè)構(gòu)架的保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果表

本項(xiàng)目的其他間隔被保護(hù)設(shè)備的保護(hù)范圍計(jì)算與以上計(jì)算類似，經(jīng)計(jì)算也均在本方案避雷線的保護(hù)范圍之內(nèi)，故對于本變電站工程通過架設(shè)避雷線的方式，滿足直擊雷防護(hù)的需要，該方案可行。

1.2 方案二：避雷針保護(hù)方案

避雷針保護(hù)一般由3部分組成，即上部的接閃器（針頭）、中部的接地引下線和下部的接地體。接閃器可用直徑10～12 mm、長1～2 m的鋼棒做成。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，電壓在110 kV及以上的配電裝置，可將避雷針裝在配電裝置構(gòu)架上，但變壓器門形架不可安裝避雷器，變壓器保護(hù)范圍需另設(shè)獨(dú)立的避雷針裝置。

圖1 變壓器門形架斷面圖

圖2 變壓器門形架下設(shè)備的保護(hù)范圍圖

根據(jù)本變電站布置方案，為滿足保護(hù)需求，本工程初步設(shè)置4根避雷針，其中獨(dú)立避雷針2座，高度為25 m，出線門形架上避雷針2座，高度為20 m。因變電站導(dǎo)線和絕緣子的高度為11 m，其他電器設(shè)備高度均低于此，且各設(shè)備基本布置在導(dǎo)線范圍內(nèi)，所以避雷針保護(hù)范圍以導(dǎo)線和絕緣子的保護(hù)為算例，表2即為采用折線法計(jì)算出的導(dǎo)線和絕緣子（Hx=11 m）保護(hù)范圍數(shù)據(jù)。

表2 導(dǎo)線和絕緣子保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果表

由表2計(jì)算結(jié)果可以看出，導(dǎo)線和絕緣子（Hx=11 m）均在4座避雷針的保護(hù)范圍之內(nèi)，其設(shè)備高度均低于導(dǎo)線和絕緣子且水平范圍類似，故本方案所架設(shè)的4座避雷針可滿足變電站的防雷要求，該方案可行。

1.3 經(jīng)濟(jì)及結(jié)構(gòu)比較

對于本變電站工程，方案一與方案二的防直擊雷方案在技術(shù)上均是可行的，但兩方案在經(jīng)濟(jì)及布置結(jié)構(gòu)上有較大差別。

在經(jīng)濟(jì)成本上，方案一，需要的主要材料為GJ-50鍍鋅鋼絞線260 m，利用已有架構(gòu)架設(shè)，施工簡單，工期較短，按國內(nèi)價(jià)格計(jì)算，此方案材料及施工費(fèi)約為3.75萬元。

方案二，需要重新建設(shè)25 m高避雷針?biāo)勺袄迷?1 m構(gòu)架加高為20 m的避雷針兩座，總需鋼材約為3.6 t，此方案較方案一施工難度大，工期較長，按國內(nèi)價(jià)格計(jì)算，材料及施工費(fèi)總計(jì)約為6.3萬元。

因此，在經(jīng)濟(jì)成本上及施工難度上，方案一具有絕對優(yōu)勢。

在布置結(jié)構(gòu)上，方案一，避雷線統(tǒng)一架設(shè)于進(jìn)出線的上方，利用變電站現(xiàn)有的門形架敷設(shè)，剖面簡潔而美觀，高度適中，整體性較好。

方案二，需在高度11m的出線門型架上再加高9 m形成兩個(gè)凸起的避雷針，高度接近1:1，整個(gè)剖面顯得比較突兀，極不協(xié)調(diào)。根據(jù)避雷針與地下主接地網(wǎng)的距離要求，主變壓器旁側(cè)2座20 m高的獨(dú)立避雷針位置還會影響變電站的占地面積，增加場地成本。

因此，在布置結(jié)構(gòu)上，方案一相較方案二也更加適合本變電站所處于河谷的地形。

1.4 方案的確定

綜上所述，方案一（避雷線方案）與方案二（避雷針方案）雖然在技術(shù)上均可滿足防雷要求。但綜合比較：

（1）在布置上，方案一防護(hù)范圍更加合理有效，也符合河谷地貌變電站的防護(hù)要求；

（2）在經(jīng)濟(jì)上，方案一投資成本較低，施工工期較短；

（3）在結(jié)構(gòu)上，方案一也更合理及美觀，施工難度和要求也較低。

因此，在本變電站工程中，確定采用避雷線的防直擊雷方案作為最終的施工方案。

2 采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)直擊雷保護(hù)方案

2.1 標(biāo)準(zhǔn)說明

本變電站為國外項(xiàng)目，業(yè)主要求一切電氣設(shè)計(jì)計(jì)算必須采用IEC標(biāo)準(zhǔn)或IEEE標(biāo)準(zhǔn)。因此，我們根據(jù)IEEE-665-1995-R2001（Guide for Generating Station Grounding）標(biāo)準(zhǔn)對本變電站直擊雷防護(hù)方案進(jìn)行復(fù)算校驗(yàn)，并以此形成最終的設(shè)計(jì)報(bào)告提交業(yè)主審批通過。

在IEEE-665標(biāo)準(zhǔn)中，對于直擊雷的防護(hù)計(jì)算，采用滾球法進(jìn)行的。所謂滾球法，就是以一個(gè)半徑為30 m的球體（hr=30 m），沿著需要防直擊雷的部位滾動(dòng)，當(dāng)球體不觸及需要保護(hù)的部位時(shí)，該部分得到保護(hù)。如果戶外高壓設(shè)備在避雷線的保護(hù)范圍內(nèi)，雷電會首先擊中避雷線，從而使設(shè)備得到保護(hù)。滾球法直擊雷保護(hù)范圍示意圖見圖3，該圖引自IEEE-665規(guī)范，按合同的技術(shù)規(guī)范，防雷保護(hù)的滾球半徑確定為30 m。

圖3 滾球法直擊雷保護(hù)范圍示意圖

2.2 直擊雷保護(hù)范圍的計(jì)算

根據(jù)本變電站的布置及已確定的避雷線防雷方案，我們將整個(gè)變電站分為3個(gè)區(qū)域，即變壓器門形架、110 kV進(jìn)線門形架及110 kV母線構(gòu)架3個(gè)區(qū)域，并以此來計(jì)算和分析防護(hù)方案的保護(hù)情況。同前文一樣，我們僅選取變壓器門型架區(qū)域的引出導(dǎo)線及絕緣子（hx=11 m）作為實(shí)際算例。

對于變壓器門型架避雷線保護(hù)范圍，可以分為3個(gè)部分，即避雷線間、避雷線外側(cè)及避雷線端部。

2.2.1 避雷線間保護(hù)高度計(jì)算

如圖4所示，a和b為兩根避雷線，它們之間區(qū)域?yàn)楸芾拙€保護(hù)范圍，其保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)的高度為h0，根據(jù)滾球法計(jì)算原則可知：

式中：h——避雷線的高度，m；

D——兩避雷線之間的距離，m；

h0——兩避雷線間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)的高度，m。

圖4 避雷線間保護(hù)范圍示意圖

因此，本工程兩避雷線間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)的高度為h0，計(jì)算為：

變壓器門形架下引出導(dǎo)線及絕緣子高度為hx=11 m小于h0=14.58 m，滿足直擊雷防護(hù)要求；變壓器門形架下其他設(shè)備及其他區(qū)域設(shè)備均低于11 m，滿足直擊雷防護(hù)要求。

2.2.2 避雷線外側(cè)或端部保護(hù)范圍計(jì)算

根據(jù)滾球法計(jì)算原則可知，在架設(shè)高度為h的避雷線下，對于保護(hù)高度為hx的設(shè)備，其避雷線外側(cè)保護(hù)范圍rx及避雷線端部最小保護(hù)范圍bx的計(jì)算公式表示如下：

變壓器門形架下引出導(dǎo)線及絕緣子高度為hx=11 m，計(jì)算其被保護(hù)范圍如下：

因引出導(dǎo)線和絕緣子的兩側(cè)及端部均布置在避雷線保護(hù)范圍內(nèi)側(cè)，所以該避雷線布置方式滿足引出導(dǎo)線和絕緣子的保護(hù)要求。

2.2.3 避雷線防雷方案計(jì)算結(jié)果

基于IEEE-665標(biāo)準(zhǔn)，變電站變壓器門形架、110 kV進(jìn)線門形架及110 kV母線構(gòu)架3個(gè)區(qū)域內(nèi)不同設(shè)備的保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果見表3、4、5。

圖5 避雷線外側(cè)或端部保護(hù)范圍示意圖

表3 變壓器門形架區(qū)域設(shè)備的保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果

表4 進(jìn)線門形架區(qū)域設(shè)備的保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果

表5 110 kV母線構(gòu)架區(qū)域設(shè)備的保護(hù)范圍計(jì)算結(jié)果

從以上計(jì)算結(jié)果可看出，本變電站所有區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備均在避雷線的保護(hù)范圍之內(nèi)，符合IEEE-665標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了變電站對直擊雷防護(hù)的目的。

3 結(jié)論

通過前文的計(jì)算、分析及比較可以看出，本工程采用避雷線的防雷保護(hù)，技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理，節(jié)約了建設(shè)成本，縮短了施工工期；既符合河谷變電站布置的要求，又能做到設(shè)備布置簡潔、合理及美觀的要求。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案和計(jì)算報(bào)告均滿足IEEE-665標(biāo)準(zhǔn)要求，施工設(shè)計(jì)方案得到了業(yè)主的批準(zhǔn)和好評。

綜上所述，筆者認(rèn)為：

（1）對于110 kV戶外高型布置的變電站，直擊雷保護(hù)采用避雷線保護(hù)方案明顯比避雷針保護(hù)方案更經(jīng)濟(jì)、合理。

（2）采用我國標(biāo)準(zhǔn)，以折線法進(jìn)行的選擇和計(jì)算的防雷保護(hù)范圍。完全能滿足根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)的滾球法計(jì)算所得出的結(jié)果。可以滿足IEEE標(biāo)準(zhǔn)對防雷設(shè)計(jì)的要求。

折線法在方格紙?jiān)O(shè)計(jì)年代有一定的優(yōu)點(diǎn)，但滾球法更適合當(dāng)下的計(jì)算方式和要求。隨著國外工程的增多，在工程設(shè)計(jì)上，采用國際標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。

［1］格魯吉亞KHELVACHAURI-1水電站合同及技術(shù)文件［Z］.

［2］住建部，質(zhì)檢總局.GB/T50064-2014交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范［S］，2014.

［3］國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5186-2004水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］，2004.

［4］中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，等.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊［M］.3版.北京：中國電力出版社，2005.

［5］IEEE Std 665-1995（R2001）Guide for Generating Station Grounding［S］，2001.

TM63

B

1672-5387（2016）10-0030-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.009

2016-06-23

丁潔晶（1982-），女，工程師，從事水電站及水利泵站的電氣一次、二次設(shè)計(jì)工作。