上海電力設(shè)計院有限公司 何 舜

雷電災(zāi)害對電力系統(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)、國家安全，并造成人員傷亡。變電站中防止直擊雷過電壓的主要防護(hù)措施為在場區(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)范圍這個概念來表示?，F(xiàn)階段我國使用避雷針保護(hù)范圍的計算方法是根據(jù)小電流雷電沖擊模擬試驗確定的，并根據(jù)多年運行經(jīng)驗進(jìn)行了校驗。我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》以及《電力工程電氣設(shè)計手冊》推薦采用折線法計算和校驗避雷針的保護(hù)范圍。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057-2010《建筑物防雷規(guī)范》推薦采用滾球法來確定直擊雷保護(hù)范圍，這與IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦的接閃器保護(hù)范圍計算保持一致。本文主要討論兩種避雷針保護(hù)范圍的計算方法，以青海某戶外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電壓，可能使避雷針周圍的物體間接遭雷擊（即反擊）。為避免發(fā)生反擊，除使周圍的物體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產(chǎn)生的高電壓對金屬、磚石或混凝土結(jié)構(gòu)一般不會造成破壞，所以像煙囪、冷水塔、架空線路桿塔、高壓配電裝置架構(gòu)的避雷針及其引流線均可固定在其本體上，但這種高電壓對易燃、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)置獨立避雷針等措施來消除這種危險[1]。

1 折線法

國內(nèi)電力工程項目較多使用折線法進(jìn)行校驗計算避雷針保護(hù)范圍。折線法是經(jīng)過國內(nèi)變電站實體監(jiān)測試驗，估計繞擊率約為0.15次/(100站·年)，由此可見，折線法計算的保護(hù)范圍是安全可行的。

單支避雷針折線法保護(hù)范圍。單支高度為h(m)的避雷針對被保護(hù)物hx(m)高度水平面上的保護(hù)半徑rx(m)為：當(dāng)hx≥0.5h時保護(hù)半徑為式1，當(dāng)hx＜0.5h時保護(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的中點為聯(lián)合保護(hù)最低點O點，高度為式3，當(dāng)被保護(hù)物高度為hx(m)時，兩針獨立保護(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中點上最小寬度bx距離對保護(hù)范圍rx圓做切線得到。水平面D中點上最小寬度bx為：當(dāng)hx≥ho/2時保護(hù)半徑為式4，當(dāng)hx＜ho/2時保護(hù)半徑為式5。

兩支不等高避雷針折線法保護(hù)范圍。rx計算過程與兩支等高避雷針保護(hù)范圍基本一致。需對較高避雷針進(jìn)行等效折算至較低避雷針高度，等效避雷針間距離D’計算公式為：當(dāng)hx≥h1/2時保護(hù)半徑為式6，當(dāng)h2＜h1/2時保護(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D’得到兩針等效中點，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)不同的防雷等級分為30m、45m和60m)，沿需要防直擊雷的部位滾動，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，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，單支h(m)避雷針對被保護(hù)物hx(m)高度水平面上的保護(hù)半徑rx(m)為式8，通過式8與式1、2可知，滾球法計算保護(hù)物高度的保護(hù)范圍無需分類，原理為幾何推算。

兩支等高避雷針滾球法計算得出的保護(hù)范圍如圖1所示。其中實線L軌跡為滾球球心路徑，虛線M軌跡為兩只避雷針對被保護(hù)物的保護(hù)范圍。兩個雨滴形狀的保護(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算過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點與E點位置。計算過程中，假定A點為較低避雷針位置，計算過程如式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)。針對避雷針h1及h2，通過式8求得rx1和rx2半徑，并通過式11求得Rx，從而得到針對避雷針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，通過構(gòu)架跨線與主變連接。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10.5m高主變構(gòu)架配置避雷針，10.5m高保護(hù)區(qū)域為陰影部分。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。針對以上情況進(jìn)行兩支避雷針對10.5m被保護(hù)物的保護(hù)范圍校驗。

折線法。通過公式求解折線法保護(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。通過兩支避雷針的聯(lián)合保護(hù)，滿足對站內(nèi)10.5m高主變構(gòu)架保護(hù)要求。

滾球法。根據(jù)現(xiàn)場情況，變電站屬于第二類防護(hù)物，滾球半徑hr=45m。通過式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所示虛線部分。通過兩支避雷針的聯(lián)合保護(hù)，滾球法保護(hù)范圍遠(yuǎn)無法滿足對站內(nèi)10.5m高主變構(gòu)架保護(hù)要求。

通過以上案例可知，折線法保護(hù)范圍更大，更容易覆蓋戶外電氣設(shè)備。由于戶外變電站戶外設(shè)備布置分散，滾球法要求更加嚴(yán)格。為了滿足滾球法保護(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)是受多種隨機因素影響，至今仍無法明確某些關(guān)鍵因素計算，保護(hù)范圍確認(rèn)方法無法嚴(yán)格證明。而當(dāng)今國內(nèi)外對確定的保護(hù)范圍計算公式也均為經(jīng)驗公式。滾球法是IEC和國標(biāo)中推薦的防雷計算方法，而折線法是國內(nèi)電力部門標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定的計算方法。根據(jù)國家電網(wǎng)多年運行經(jīng)驗，折線法是有效、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“絕對化”。故防雷必須綜合考慮各種經(jīng)濟和現(xiàn)實的因素。在國內(nèi)變電站戶外配電裝置布置分散的情況下建議使用折線法，而滾球法更適合用于城市中建筑物的防雷。