折線法和滾球法在變電所防雷設(shè)計中的應(yīng)用

楊 可

0 引言

雷電是自然界中常見的自然災(zāi)害，每年給各行業(yè)帶來巨大經(jīng)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(yīng)雷和雷電過電壓波入侵。感應(yīng)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(shè)計一直是變電所設(shè)計中一個重要環(huán)節(jié)。對于直擊雷，變電所通常設(shè)置避雷針來保護設(shè)備及人身安全。關(guān)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(guī)定了建筑物防雷采用的方法是滾球法、網(wǎng)格法和保護角法。其中網(wǎng)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(xié)會在2000年引入滾球法作為行業(yè)標準（GB 50057-1994（2000版））。但電力行業(yè)及鐵路行業(yè)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(shè)置方式及保護理念。

1 滾球法和折線法原理

滾球法是設(shè)想一個半徑為 R的球圍繞避雷針兩側(cè)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(qū)域。折線法的保護范圍是根據(jù)以雷電定位高度H1為基準進行雷擊模擬實驗的結(jié)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(guān)鍵因素。IEC標準和國標根據(jù)建筑物的重要性，規(guī)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(shù)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(cè)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(shè)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(shè)計時，毫無疑問將產(chǎn)生很大的不同。

3 滾球法在變電所設(shè)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(shè)計中多采用滾球法。CARACAS至CUA是意大利公司在委內(nèi)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(shè)置2個牽引變電所。其中Charallave變電所位于charallave車站內(nèi)。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(shè)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(shè)置5回，并預(yù)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(qū)、變壓器區(qū)、饋線區(qū)、主控制室房屋區(qū)。如果按照滾球法的設(shè)計思路，設(shè)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(shè)備室外分散布置的大場坪環(huán)境，采用設(shè)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(cè)、饋線側(cè)及變壓器設(shè)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(gòu)或屋頂上允許裝設(shè)避雷針，而35 kV及以下電壓等級的配電裝置的構(gòu)架或屋頂上因絕緣水平較低，雷擊后易反擊，不宜裝設(shè)避雷針。

因此意大利公司在該變電所所有115 kV進線架構(gòu)兩端全部裝設(shè)架構(gòu)避雷針，針高4.5 m，同架構(gòu)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(shè)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(shè)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(xiàn)了對115 kV側(cè)的進線、設(shè)備和變壓器的防雷保護，卻放棄了饋線側(cè)線路、設(shè)備及房屋的保護。饋線架構(gòu)高10 m，卻沒有預(yù)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(shè)備及保護裝置，甚至竄入115 kV系統(tǒng)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(cè)設(shè)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(nèi)變電所的防雷設(shè)計一直廣泛采用折線法。委內(nèi)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(shè)置2臺牽引變壓器，2臺電力變壓器。在總平面設(shè)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(shè)備→變壓器→房屋→27.5 kV饋線。變電所設(shè)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(shè)備和房屋。變電所115 kV設(shè)備、27.5 kV設(shè)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(shè)備移動到進線架構(gòu)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(shè)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(shè)備的場合中，如采用滾球法，實難兼顧所有設(shè)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(shè)備和進線高壓線路，而采用折線法不僅保護了全部的設(shè)備、線路及房屋，而且便于變電所總平面布置圖的設(shè)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(tǒng)一權(quán)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(chǔ)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(guī)定了避雷針保護范圍內(nèi)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(guī)定，避雷針擊距（或球半徑）為30 m時，保護范圍內(nèi)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(jù)統(tǒng)計資料[2]，國內(nèi)電力系統(tǒng)運行的變電站避雷針（線）運行的事故率低于 0.1%。電力系統(tǒng)及鐵路多年安全運行的實踐證明了折線法是可靠和科學(xué)的。

6 結(jié)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(guī)定的計算方法。從電力系統(tǒng)及電氣化鐵路多年防雷經(jīng)驗來看，折線法是行之有效、科學(xué)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(dǎo)致不同的結(jié)果。

（2）防雷必須綜合考慮各種經(jīng)濟和現(xiàn)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(shè)備室外分散式布置的環(huán)境中，建議使用折線法。

[1]許穎.避雷針（線）保護范圍不應(yīng)“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(shè)計規(guī)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(shè)計規(guī)范[S].