上海電力設(shè)計(jì)院有限公司 何 舜

雷電災(zāi)害對(duì)電力系統(tǒng)的破壞影響極為嚴(yán)重，一旦電力設(shè)施遭到雷擊破壞，將危害工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)家安全，并造成人員傷亡。變電站中防止直擊雷過(guò)電壓的主要防護(hù)措施為在場(chǎng)區(qū)內(nèi)設(shè)置避雷針。避雷針的保護(hù)效能，通常采用保護(hù)范圍這個(gè)概念來(lái)表示。現(xiàn)階段我國(guó)使用避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算方法是根據(jù)小電流雷電沖擊模擬試驗(yàn)確定的，并根據(jù)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了校驗(yàn)。我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》推薦采用折線(xiàn)法計(jì)算和校驗(yàn)避雷針的保護(hù)范圍。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057-2010《建筑物防雷規(guī)范》推薦采用滾球法來(lái)確定直擊雷保護(hù)范圍，這與IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦的接閃器保護(hù)范圍計(jì)算保持一致。本文主要討論兩種避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算方法，以青海某戶(hù)外110kV風(fēng)電匯集站為例進(jìn)行比較研究。

避雷針的保護(hù)作用是吸引雷電擊于自身、并使雷電流泄入大地，這在避雷針和接地裝置上造成高幅值的過(guò)電壓，可能使避雷針周?chē)奈矬w間接遭雷擊（即反擊）。為避免發(fā)生反擊，除使周?chē)奈矬w與避雷針保持必要的距離外，還要盡量減小避雷針的接地阻抗，使雷電流順利流入大地，故要求避雷針應(yīng)有良好的接地裝置。避雷針在受雷擊向大地泄放電流時(shí)產(chǎn)生的高電壓對(duì)金屬、磚石或混凝土結(jié)構(gòu)一般不會(huì)造成破壞，所以像煙囪、冷水塔、架空線(xiàn)路桿塔、高壓配電裝置架構(gòu)的避雷針及其引流線(xiàn)均可固定在其本體上，但這種高電壓對(duì)易燃、易爆和敏感電子設(shè)備和低壓電氣設(shè)備，因出現(xiàn)火花或發(fā)生反擊造成起火爆炸或絕緣擊穿，通常要采取降低接地電阻或設(shè)置獨(dú)立避雷針等措施來(lái)消除這種危險(xiǎn)[1]。

1 折線(xiàn)法

國(guó)內(nèi)電力工程項(xiàng)目較多使用折線(xiàn)法進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算避雷針保護(hù)范圍。折線(xiàn)法是經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)變電站實(shí)體監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，估計(jì)繞擊率約為0.15次/(100站·年)，由此可見(jiàn)，折線(xiàn)法計(jì)算的保護(hù)范圍是安全可行的。

單支避雷針折線(xiàn)法保護(hù)范圍。單支高度為h(m)的避雷針對(duì)被保護(hù)物hx(m)高度水平面上的保護(hù)半徑rx(m)為：當(dāng)hx≥0.5h時(shí)保護(hù)半徑為式1，當(dāng)hx＜0.5h時(shí)保護(hù)半徑為式2，式中P為高度影響系數(shù)，h≤30m，P=1；30＜h≤120m，；h＞120m，P=0.5。

兩支等高避雷針折線(xiàn)法保護(hù)范圍。兩支高度為h(m)的避雷針，距離為D(m)。D的中點(diǎn)為聯(lián)合保護(hù)最低點(diǎn)O點(diǎn)，高度為式3，當(dāng)被保護(hù)物高度為hx(m)時(shí)，兩針獨(dú)立保護(hù)范圍半徑rx按式1、2進(jìn)行確認(rèn)。兩針中間聯(lián)合保護(hù)范圍由兩針D中點(diǎn)上最小寬度bx距離對(duì)保護(hù)范圍rx圓做切線(xiàn)得到。水平面D中點(diǎn)上最小寬度bx為：當(dāng)hx≥ho/2時(shí)保護(hù)半徑為式4，當(dāng)hx＜ho/2時(shí)保護(hù)半徑為式5。

兩支不等高避雷針折線(xiàn)法保護(hù)范圍。rx計(jì)算過(guò)程與兩支等高避雷針保護(hù)范圍基本一致。需對(duì)較高避雷針進(jìn)行等效折算至較低避雷針高度，等效避雷針間距離D’計(jì)算公式為：當(dāng)hx≥h1/2時(shí)保護(hù)半徑為式6，當(dāng)h2＜h1/2時(shí)保護(hù)半徑為式7。式中h1為較高避雷針的高度(m)；h2為較低避雷針的高度(m)。通過(guò)D’得到兩針等效中點(diǎn)，再根據(jù)式4、5求得兩針中間區(qū)域范圍。

2 滾球法

滾球法是指以某一半徑為hr的球體(hr根據(jù)不同的防雷等級(jí)分為30m、45m和60m)，沿需要防直擊雷的部位滾動(dòng)，當(dāng)球體只觸及避雷針或只觸及避雷針和地面、而不觸及需要保護(hù)的部位時(shí)，則該部分就得到接閃器的保護(hù)[2]。

單支避雷針滾球法保護(hù)范圍。當(dāng)滾球半徑為hr(m)高度時(shí)，單支h(m)避雷針對(duì)被保護(hù)物hx(m)高度水平面上的保護(hù)半徑rx(m)為式8，通過(guò)式8與式1、2可知，滾球法計(jì)算保護(hù)物高度的保護(hù)范圍無(wú)需分類(lèi)，原理為幾何推算。

兩支等高避雷針滾球法計(jì)算得出的保護(hù)范圍如圖1所示。其中實(shí)線(xiàn)L軌跡為滾球球心路徑，虛線(xiàn)M軌跡為兩只避雷針對(duì)被保護(hù)物的保護(hù)范圍。兩個(gè)雨滴形狀的保護(hù)范圍可拆解為AEBC區(qū)域內(nèi)以及區(qū)域外的保護(hù)范圍。AEBC區(qū)域外的范圍以A、B為圓心，rx為半徑做圓弧，由式8求得。AEBC區(qū)域內(nèi)保護(hù)范圍以C、E為圓心，Rx為半徑做圓弧。C、E點(diǎn)定位以及Rx半徑如式9～11所得：

圖1 兩支等高避雷針的保護(hù)范圍（滾球法）

兩支不等高避雷針滾球法計(jì)算過(guò)程與兩支等高避雷針保護(hù)范圍基本一致，但由于兩針高度不等，需要確認(rèn)C點(diǎn)與E點(diǎn)位置。計(jì)算過(guò)程中，假定A點(diǎn)為較低避雷針位置，計(jì)算過(guò)程如式12～13，式中h1為較低避雷針A的高度(m)；h2為較高避雷針B的高度(m)。針對(duì)避雷針h1及h2，通過(guò)式8求得rx1和rx2半徑，并通過(guò)式11求得Rx，從而得到針對(duì)避雷針A和B的聯(lián)合保護(hù)范圍。

3 算例分析

以青海某戶(hù)外110kV風(fēng)電匯集站為例（圖2），站區(qū)南側(cè)布置110kV GIS設(shè)備，通過(guò)構(gòu)架跨線(xiàn)與主變連接。站內(nèi)35kV配電裝置以及SVG設(shè)備布置于相應(yīng)配電裝置室內(nèi)。站區(qū)內(nèi)針對(duì)10.5m高主變構(gòu)架配置避雷針，10.5m高保護(hù)區(qū)域?yàn)殛幱安糠?。設(shè)置在站區(qū)東北角設(shè)置一支35m高避雷針，在西南角110kV出線(xiàn)構(gòu)架上設(shè)置一支32m高避雷針，兩支避雷針距離為75.3m。針對(duì)以上情況進(jìn)行兩支避雷針對(duì)10.5m被保護(hù)物的保護(hù)范圍校驗(yàn)。

折線(xiàn)法。通過(guò)公式求解折線(xiàn)法保護(hù)范圍參數(shù)。給定參數(shù)（m）：h135/h232/D75.30/hx10.50，求解參數(shù)(m)：R1x29.28/R2x26.25/P10.930/P20.972/D’72.51/h021.35/bx11.02，保護(hù)范圍如圖2。通過(guò)兩支避雷針的聯(lián)合保護(hù)，滿(mǎn)足對(duì)站內(nèi)10.5m高主變構(gòu)架保護(hù)要求。

滾球法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，變電站屬于第二類(lèi)防護(hù)物，滾球半徑hr=45m。通過(guò)式9～13得到滾球法保護(hù)范圍參數(shù)。給定參數(shù)（m）：h135/h232/D75.30/hx10.50/hr45，求解參數(shù)(m)：R1x14.19/R2x14.98/bO11.02/Rx28.89/D137.19，保護(hù)范圍如圖3所示虛線(xiàn)部分。通過(guò)兩支避雷針的聯(lián)合保護(hù)，滾球法保護(hù)范圍遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)站內(nèi)10.5m高主變構(gòu)架保護(hù)要求。

通過(guò)以上案例可知，折線(xiàn)法保護(hù)范圍更大，更容易覆蓋戶(hù)外電氣設(shè)備。由于戶(hù)外變電站戶(hù)外設(shè)備布置分散，滾球法要求更加嚴(yán)格。為了滿(mǎn)足滾球法保護(hù)范圍需增加站內(nèi)避雷針數(shù)量。

圖2 110kV風(fēng)電匯集站折線(xiàn)法10.5m保護(hù)范圍圖

圖3 110kV風(fēng)電匯集站滾球法10.5m保護(hù)范圍圖

綜上，文獻(xiàn)[1]提出避雷針的引雷、攔截效應(yīng)是受多種隨機(jī)因素影響，至今仍無(wú)法明確某些關(guān)鍵因素計(jì)算，保護(hù)范圍確認(rèn)方法無(wú)法嚴(yán)格證明。而當(dāng)今國(guó)內(nèi)外對(duì)確定的保護(hù)范圍計(jì)算公式也均為經(jīng)驗(yàn)公式。滾球法是IEC和國(guó)標(biāo)中推薦的防雷計(jì)算方法，而折線(xiàn)法是國(guó)內(nèi)電力部門(mén)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定的計(jì)算方法。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，折線(xiàn)法是有效、科學(xué)的方法。各種文獻(xiàn)規(guī)定的保護(hù)范圍不同，是因允許遭受雷擊的概率不同，這是正常的，不應(yīng)把避雷針保護(hù)范圍“絕對(duì)化”。故防雷必須綜合考慮各種經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)的因素。在國(guó)內(nèi)變電站戶(hù)外配電裝置布置分散的情況下建議使用折線(xiàn)法，而滾球法更適合用于城市中建筑物的防雷。