折線法和滾球法在變電所防雷設計中的應用

楊 可

0 引言

雷電是自然界中常見的自然災害，每年給各行業帶來巨大經濟損失和人員傷亡。雷電放電的危害分為3種方式：直擊雷，感應雷和雷電過電壓波入侵。感應雷過電壓最高可以達到500～600 kV，直擊雷過電壓可達幾百萬伏以上。

防雷設計一直是變電所設計中一個重要環節。對于直擊雷，變電所通常設置避雷針來保護設備及人身安全。關于避雷針保護范圍的計算方式，中國國標和IEC標準有差別。IEC 62305規定了建筑物防雷采用的方法是滾球法、網格法和保護角法。其中網格法適用于水平表面的防護，保護角法適用于簡單建筑物的防護，而滾球法適用于所有建筑物的防雷。中國建筑協會在2000年引入滾球法作為行業標準（GB 50057-1994（2000版））。但電力行業及鐵路行業的標準中一直采用折線法。這2種計算方法在避雷針保護范圍的計算上存在較大差異，甚至影響變電所總平面布置方式、避雷針的設置方式及保護理念。

1 滾球法和折線法原理

滾球法是設想一個半徑為 R的球圍繞避雷針兩側滾動，被球體和球面接觸的地方為可能被雷電擊中的地方，未能觸及的地方為保護區域。折線法的保護范圍是根據以雷電定位高度H1為基準進行雷擊模擬實驗的結果制定的，無論單針或多針保護范圍較滾球法都寬松許多。折線法和滾球法保護斷面圖見圖1、圖2。

圖1 折線法中單只避雷針的保護范圍示意圖

圖2 滾球法中單支避雷針的保護范圍示意圖

滾球法中，滾球的半徑R是決定避雷針保護范圍的一個關鍵因素。IEC標準和國標根據建筑物的重要性，規定了建筑物的多種雷電防護等級，見表1。

表1 建筑物防雷等級參數表

2 2種計算方法保護范圍比較

對于避雷針的保護范圍，滾球法取決于避雷針的高度、滾球半徑和被保護物高度，而折線法僅取決于避雷針的高度及被保護物高度。

以牽引變電所為例，高壓側進線線路和建筑物的最高保護高度為10 m、變壓器及室外高低壓設備保護高度為4 m。在這2種高度下，不同高度的避雷針保護范圍見表2和表3。

表2 單只避雷針采用滾球法和折線法在10 m高度處的保護范圍一覽表 單位：m

表3 單只避雷針采用滾球法和折線法在4 m高度處的保護范圍一覽表 單位：m

按照國標GB 50057-94（2000年版）及IEC標準，牽引變電所屬于2類（國標）或3類（IEC標準）防雷建筑物，滾球半徑R取45 m。從表2、表3可以看出當避雷針高15 m的時候，兩者保護范圍基本一致，隨著避雷針高度增加，兩者的差距越來越大，當避雷針高度達到30 m時，兩者差距60%以上。因此變電所在使用滾球法或折線法進行防雷設計時，毫無疑問將產生很大的不同。

3 滾球法在變電所設計中的運用

由于 IEC 62305未把折線法列入防雷計算方法，國際上在變電所防雷設計中多采用滾球法。CARACAS至CUA是意大利公司在委內瑞拉修建的一條電氣化鐵路，全長70 km，采用帶回流線的直接供電方式。全線共設置2個牽引變電所。其中Charallave變電所位于charallave車站內。Charallave牽引變電所進線電壓為115 kV，饋線為27.5 kV，并為全線提供13.8 kV電力貫通線電源。變電所共設置3臺牽引變壓器（2臺并列使用，1臺備用），2臺電力變壓器，2臺所用變壓器。饋線設置5回，并預留2回。

變電所場坪面積為155.4 m×75.7 m，場坪分為進線115 kV進線區、變壓器區、饋線區、主控制室房屋區。如果按照滾球法的設計思路，設置4根獨立避雷針，保護面積如圖3所示。

由圖3可以看出，對于變電所這樣高低壓設備室外分散布置的大場坪環境，采用設置獨立避雷針的方式，無論如何布置，防雷效果始終無法兼顧進線側、饋線側及變壓器設備。

110 kV及以上電壓等級的配電裝置因絕緣水平較高，其架構或屋頂上允許裝設避雷針，而35 kV及以下電壓等級的配電裝置的構架或屋頂上因絕緣水平較低，雷擊后易反擊，不宜裝設避雷針。

因此意大利公司在該變電所所有115 kV進線架構兩端全部裝設架構避雷針，針高4.5 m，同架構一起總高度16.7 m。滾球半徑按照3倍避雷針的高度（即50 m接近IEC Ⅲ類標準）計算。同時把變電所重要設備牽引變壓器、電力變壓器、所用變壓器全部移至進線附近。115 kV進線按照10 m高度進行保護，變壓器及115 kV設備按照4 m高度進行保護。如圖4所示。

該做法并非盡善盡美，只能是無奈之舉，變電所實現了對115 kV側的進線、設備和變壓器的防雷保護，卻放棄了饋線側線路、設備及房屋的保護。饋線架構高10 m，卻沒有預防直擊雷的有效手段，僅僅依靠避雷器來防范過電壓。當直擊雷直接擊中饋線或房屋時，超高的電壓很容易擊毀避雷器、饋線設備及保護裝置，甚至竄入115 kV系統及變壓器，給變電所帶來巨大破壞。

圖3 Charallave變電所防雷總平面圖

圖4 Charallave變電所115 kV側設備及變壓器防雷平面圖及斷面圖

4 折線法在變電所防雷保護中的運用

國內變電所的防雷設計一直廣泛采用折線法。委內瑞拉另外一條鐵路，供電方式同意大利修建的鐵路完全相同，變電所也同時為電力提供13.8 kV雙回貫通線。變電所設置2臺牽引變壓器，2臺電力變壓器。在總平面設計上，變電所采用直進直出的方式，依次布置為115 kV進線和設備→變壓器→房屋→27.5 kV饋線。變電所設置獨立避雷針，針高30 m，采用折線法計算避雷針保護范圍。如圖5所示。

圖5 變電所防雷總平面圖

由圖5可以清楚，4根30 m高的獨立避雷針完全可以保護整個變電所所有的設備和房屋。變電所115 kV設備、27.5 kV設備、變壓器，房屋在總平面布置上功能劃分清楚，不用刻意把變壓器等重要設備移動到進線架構附近。

5 問題討論

（1）折線法和滾球法在保護方式及計算方式上存在著較大差異，甚至影響了變電所設備和避雷針的布置方式以及避雷針保護理念。

從上述分析可以看出，對于變電所這樣室外分散布置高低壓設備的場合中，如采用滾球法，實難兼顧所有設備和房屋，不得不放棄全面保護的思想，改為重點保護最重要的設備和進線高壓線路，而采用折線法不僅保護了全部的設備、線路及房屋，而且便于變電所總平面布置圖的設計。

（2）避雷針的保護范圍探討。雷電及防雷理論國際上爭論很大，目前尚未形成統一權威的認識。防雷計算方法無論是折線法還是滾球法均是建立在實驗和實踐基礎上的。各國對避雷針保護的要求不盡相同。避雷針的保護范圍是個幾率問題，中國國標規定了避雷針保護范圍內可遭受雷擊概率為 0.1%，即保護范圍可靠率達 99.9%。IEC標準IEEE Std 142-1991規定，避雷針擊距（或球半徑）為30 m時，保護范圍內遭受雷擊概率大約為0.1%；擊距（或球半徑）采用45 m時，雷擊概率大約為0.5%[1]。

根據統計資料[2]，國內電力系統運行的變電站避雷針（線）運行的事故率低于 0.1%。電力系統及鐵路多年安全運行的實踐證明了折線法是可靠和科學的。

6 結論

（1）滾球法是IEC和國標中推薦的防雷計算方法，而折線法是鐵標和電力部標準中明確規定的計算方法。從電力系統及電氣化鐵路多年防雷經驗來看，折線法是行之有效、科學的方法。但兩者在防雷原理及保護范圍的計算上存在著較大的差異，采用不同的方法會導致不同的結果。

（2）防雷必須綜合考慮各種經濟和現實的因素。滾球法更適用于建筑物的防雷，在變電所高低壓設備室外分散式布置的環境中，建議使用折線法。

[1]許穎.避雷針（線）保護范圍不應“絕對化”[J].中國雷電與防護，2003，（3）.

[2]馬宏達.再談避雷針的保護范圍[J].雷電防護與標準化，2006，（1）.

[3]GB 50057-1994(2000版) 建筑物防雷設計規范[S].

[4]DL/T 620-1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[5]TB 10009-2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].