(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663；2. 廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引 言

直擊雷防護(hù)的基本思路是采用避雷針(線)引導(dǎo)雷電從保護(hù)物上方通過，并安全泄入大地，減小在其保護(hù)范圍內(nèi)的電氣設(shè)備和建筑物遭受直擊雷的概率[1]。目前500 kV變電站一般采用折線法計(jì)算，選用避雷針實(shí)現(xiàn)直擊雷防護(hù)。而換流站一般采用滾球法計(jì)算，選用避雷線柱實(shí)現(xiàn)直擊雷防護(hù)。

根據(jù)中國南方電網(wǎng)有限公司《變電站(換流站)設(shè)施及附屬設(shè)備裝備技術(shù)導(dǎo)則(試行)》的要求，對于保底變電站(重要變電站，是防災(zāi)保底電網(wǎng)的組成部分)，全站防雷設(shè)計(jì)應(yīng)采用滾球法。根據(jù)《南方電網(wǎng)35 kV～500 kV變電站裝備技術(shù)導(dǎo)則(變電一次分冊)》的要求，保底變電站應(yīng)選用戶內(nèi)布置，因此保底變電站的500 kV配電裝置與220 kV配電裝置均為戶內(nèi)GIS。下面以保底變電站為例，分別采用目前常用的折線法與技術(shù)導(dǎo)則建議的滾球法做防雷保護(hù)計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比、分析，并給出防雷設(shè)計(jì)建議。

1 防雷計(jì)算方法簡介

1.1 折線法

折線法(詳見GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓和絕緣配合》[3])運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，能較好地實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)設(shè)備的直擊雷防護(hù)。

折線法的基本原理如圖1所示，被保護(hù)物高度hx水平面的保護(hù)半徑rx，主要與避雷針高度h、被保護(hù)物高度hx有關(guān)。

圖1 折線法原理

折線法的保護(hù)高度主要與避雷針(線)高度h相關(guān)。對于等高的避雷針(線)，最小保護(hù)高度的變化值受避雷針(線)間的距離影響，折線法沒有考慮絕緣水平對防雷范圍的影響。

1.2 滾球法

滾球法(詳見IEEE Std-998—1996《IEEE Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations》[4])是國際電工委員會(IEC)推薦的接閃器保護(hù)范圍的一種計(jì)算方法。該方法基于電氣幾何模型，避雷針(線)的保護(hù)范圍依賴于雷電流幅值，充分考慮了不同區(qū)域設(shè)備的絕緣水平。

滾球法的基本原理如圖2所示，以半徑為雷電流擊距S的一個球體，沿需要防直擊雷的部分滾動，當(dāng)球體只觸及到避雷針(線)或地面并不觸及需保護(hù)的設(shè)備h時，設(shè)備得到了防雷保護(hù)。此時設(shè)備的保護(hù)裕度為m，滾球的沉降高度為x。

圖2 滾球法原理

滾球法根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平與導(dǎo)體的波阻抗，計(jì)算最大允許的雷電沖擊電流值與雷電流擊距S。通過雷電流擊距值S、避雷針(線)的高度hsw及避雷針(線)間的距離L，計(jì)算保護(hù)范圍。

滾球法的保護(hù)范圍除了受避雷針(線)高度、避雷針(線)間的距離影響，與被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平密切相關(guān)。

2 計(jì)算實(shí)例

采用折線法對常規(guī)500 kV保底變電站進(jìn)行防雷計(jì)算，如圖3所示，在500 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置3根56 m避雷針；在500 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4根33 m避雷針，對500 kV的戶外設(shè)備進(jìn)行防雷保護(hù)。在220 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置4根38 m避雷針；在220 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4根21 m避雷針，對220 kV的戶外設(shè)備進(jìn)行防雷保護(hù)。500 kV主變壓器進(jìn)線跨線、220 kV主變壓器進(jìn)線跨線以及35 kV場地設(shè)備由500 kV與220 kV進(jìn)線構(gòu)架的避雷針形成的聯(lián)合保護(hù)范圍來保護(hù)。

圖3 防雷保護(hù)-折線法

采用滾球法對常規(guī)500 kV保底站進(jìn)行防雷計(jì)算，將變電站劃分為3個區(qū)域，如表1所示，分別計(jì)算各區(qū)域的雷電流擊距。

表1 500 kV變電站雷電流擊距計(jì)算數(shù)據(jù)

采用滾球法對各區(qū)域進(jìn)行防雷計(jì)算，如圖4所示，在500 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置6個33 m避雷線柱；在500 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4個33 m避雷線柱；在220 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置9個28 m避雷線柱；在220 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4個21 m避雷線柱可以實(shí)現(xiàn)對變電站的防雷保護(hù)。

圖4 防雷保護(hù)-滾球法

3 折線法和滾球法的保護(hù)措施比較

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，對于500 kV保底變電站，將折線法和滾球法的防雷保護(hù)措施列于表2。

表2 防雷保護(hù)措施對比

如表2所示，采用折線法進(jìn)行防雷保護(hù)，相對滾球法來說，避雷針的數(shù)量較少，高度更高。

折線法的保護(hù)高度和范圍主要與避雷針(線)高度相關(guān)。對于等高的避雷針(線)，最小保護(hù)高度的變化值和避雷針(線)間的距離呈線性關(guān)系。對于一定的保護(hù)高度，可以通過加高避雷針(線)的高度、加密避雷針(線)的設(shè)置有效擴(kuò)大保護(hù)范圍。因此和滾球法相比，折線法采用的避雷針數(shù)量少，而高度更高。

而滾球法是用設(shè)備的絕緣水平計(jì)算雷電流擊距，再根據(jù)避雷線的位置計(jì)算滾球雷的沉降高度，校核保護(hù)距離。500 kV與220 kV交流設(shè)備區(qū)域絕緣水平高，最大的允許雷擊電流值較大，雷電流擊距較大，避雷線柱布置地較為稀疏就可以有效地對該區(qū)域的設(shè)備進(jìn)行防雷保護(hù)。35 kV交流設(shè)備區(qū)域絕緣水平低，最大的允許雷擊電流值較小，雷電流擊距較小，保護(hù)該區(qū)域的500 kV、220 kV進(jìn)線構(gòu)架的避雷線柱需加密設(shè)置才能實(shí)現(xiàn)對該區(qū)域設(shè)備的防雷保護(hù)。因此和折線法相比，滾球法在500 kV、220 kV進(jìn)線構(gòu)架設(shè)置的避雷線柱個數(shù)更多。

下面針對各電壓等級的設(shè)備區(qū)域來進(jìn)行滾球法與折線法的對比分析。

1)對于500 kV設(shè)備區(qū)域，采用滾球法，如圖5所示。在500 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置3根33 m避雷線柱；在500 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4根33 m避雷線柱可以實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。 此時滾球的最大沉降高度為4.19 m，考慮弧垂3 m，最小保護(hù)高度為25.81 m，大于 500 kV交流設(shè)備區(qū)域的最大保護(hù)高度(主變壓器進(jìn)線跨線)24 m，保護(hù)裕度不小于1.81 m。

圖5 500 kV設(shè)備區(qū)域防雷保護(hù)

將避雷線柱換成等高的避雷針，采用折線法進(jìn)行防雷保護(hù)計(jì)算?？紤]500 kV設(shè)備區(qū)域由33 m等高避雷針來保護(hù)，此時保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度為26.8 m，保護(hù)裕度不小于2.8 m。

2)對于220 kV設(shè)備區(qū)域，采用滾球法，如圖6所示。在220 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置5根26 m避雷線柱；在220 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4根21 m避雷線柱可以實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。此時滾球的最大沉降高度為1.16 m，考慮弧垂3 m，最小保護(hù)高度為16.84 m，大于 220 kV交流設(shè)備區(qū)域的最大保護(hù)高度(出線構(gòu)架)14.5 m，保護(hù)裕度不小于2.34 m。

將避雷線柱換成等高的避雷針，采用折線法進(jìn)行防雷保護(hù)計(jì)算。偏嚴(yán)考慮，220 kV設(shè)備區(qū)域由21 m等高避雷針來保護(hù)，此時保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度為18.3 m，保護(hù)裕度不小于3.8 m。

3)對于35 kV設(shè)備區(qū)域，采用滾球法，如圖7所示。在500 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置6根33 m避雷線柱；在220 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置9根26 m避雷線柱；可以實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。此時滾球的最大沉降高度為8.28 m，考慮弧垂4.5 m，最小保護(hù)高度為13.22 m，大于 35 kV交流設(shè)備區(qū)域的最大保護(hù)高度(35 kV設(shè)備)10 m，保護(hù)裕度不小于3.22 m。

圖7 35 kV設(shè)備區(qū)域防雷保護(hù)

4)對于500 kV主變壓器進(jìn)線跨線，如圖8所示，滾球的最大沉降高度為2.12 m，考慮弧垂，此時的最小保護(hù)高度為26 m，大于最大保護(hù)高度24 m，保護(hù)裕度不小于2 m。

對于220 kV主變壓器進(jìn)線跨線，如圖8所示，滾球的最大沉降高度為3.12 m，考慮弧垂，此時的最小保護(hù)高度為21.6 m，大于最大保護(hù)高度20 m，保護(hù)裕度不小于1.6 m。

圖8 主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域防雷保護(hù)

采用相同的防雷措施，使用折線法進(jìn)行防雷保護(hù)計(jì)算?？紤]35 kV設(shè)備區(qū)域由等高避雷線來保護(hù)，考慮避雷線弧垂4.5 m，此時保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度為17.6 m，保護(hù)裕度為7.6 m。

對于500 kV主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域，考慮由等高避雷線來保護(hù)，如圖8所示，考慮避雷線弧垂，避雷線高度不小于28 m，此時保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度為21.25 m，小于最大保護(hù)高度24 m。

通過以上分析，可知接收機(jī)鏈路的絕對時延和時延波動由通道中帶寬最窄濾波器決定的，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中要減小電路的絕對時延與時延波動，應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)原則和措施：

對于220 kV主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域，考慮由等高避雷線來保護(hù)，如圖8所示，考慮避雷線弧垂，避雷線高度不小于24 m，此時保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度為18 m，小于最大保護(hù)高度20 m。

將折線法與滾球法分區(qū)域的計(jì)算結(jié)果對比如表3所示。

表3 防雷保護(hù)裕度計(jì)算結(jié)果 單位：m

如表3所示，對于500 kV設(shè)備區(qū)域和220 kV設(shè)備區(qū)域，折線法采用與滾球法避雷線柱等高的避雷針進(jìn)行防雷保護(hù)計(jì)算，兩種算法的保護(hù)裕度是接近的。對于35 kV設(shè)備區(qū)域，兩種算法的防雷保護(hù)措施相同，折線法的保護(hù)裕度明顯大于滾球法。對于500 kV、220 kV主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域，折線法不能實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。由于折線法的保護(hù)高度和范圍與避雷線高度相關(guān)，將避雷線的高度加大3 m可以實(shí)現(xiàn)對跨線區(qū)域的防雷保護(hù)。

由此推斷，對于保底的500 kV變電站的500 kV設(shè)備區(qū)域、220 kV設(shè)備區(qū)域，兩種計(jì)算方法的結(jié)果是接近的；對于絕緣水平較低且跨度較大的35 kV設(shè)備區(qū)域、500 kV及220 kV主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域，兩種計(jì)算方案的差異相對明顯。由于35 kV設(shè)備絕緣水平較低，滾球法需加密避雷線柱的布置來減少滾球的沉降高度，實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。而根據(jù)折線法的計(jì)算原理，需加高避雷針的高度實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。

折線法的保護(hù)范圍受避雷針(線)高度影響更大，加大避雷針(線)高度可以明顯擴(kuò)大保護(hù)范圍，和被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平?jīng)]有關(guān)系。而滾球法的保護(hù)范圍受避雷針(線)間的距離、保護(hù)設(shè)備的絕緣水平影響更大，需針對不同的絕緣水平的設(shè)備進(jìn)行分區(qū)域的保護(hù)范圍校驗(yàn)。

4 結(jié) 語

通過上述分析，得到以下結(jié)論：

1)對于500 kV變電站，采用折線法進(jìn)行防雷保護(hù)，與滾球法相比，避雷針的數(shù)量較少，為了實(shí)現(xiàn)對500 kV主變壓器進(jìn)線跨線、220 kV主變壓器進(jìn)線跨線的保護(hù)， 500 kV、220 kV進(jìn)線構(gòu)架的避雷針高度較高。采用滾球法進(jìn)行防雷保護(hù)，為了實(shí)現(xiàn)對35 kV場地設(shè)備的保護(hù)，需加密避雷線柱的設(shè)置。

2)500 kV與220 kV區(qū)域采用相同高度的避雷針或避雷線柱進(jìn)行保護(hù)，折線法、滾球法計(jì)算的保護(hù)裕度是接近的。對于35 kV場地設(shè)備、500 kV主變壓器進(jìn)線跨線、220 kV主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域，兩種計(jì)算方法的區(qū)別較明顯。

3)對于重要的保底變電站，采用滾球法進(jìn)行防雷保護(hù)范圍校驗(yàn)， 35 kV場地設(shè)備區(qū)域的計(jì)算結(jié)果相對折線法來說是偏嚴(yán)的，能達(dá)到更好的防護(hù)效果。