復(fù)雜地形高空接閃線保護(hù)范圍測(cè)定的一種方法

胡倫善 陳驥 王思娜

摘要 目前較多水電站采用高空接閃線進(jìn)行雷電防護(hù)，高空接閃線一般距地面較高，線塔之間距離較遠(yuǎn)（有的甚至在不同山頭），接閃線弧垂很難測(cè)量，接閃線本身又可能隨風(fēng)而動(dòng)，因此其保護(hù)范圍測(cè)定難度很大。為了解決復(fù)雜地形下水電站防雷檢測(cè)中遇到的問題，建立了一種利用經(jīng)緯儀等設(shè)備測(cè)定高空接閃線保護(hù)范圍的方法，經(jīng)過多次改進(jìn)，該方法在沒有其他先進(jìn)設(shè)備的情況下已能有效解決問題。

關(guān)鍵詞 高空接閃線;角度交匯法;平面鏡成像原理;三角函數(shù)應(yīng)用;折線法;敏感因素

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2020）02-047-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.02.019

A Method of Measuring the Protection Range of Overhead Ground Wire in Complex Terrain

HU Lun-shan? et al（Lightning Protection Center of Ningde City， Ningde， Fujian 352100）

Abstract At present， many hydropower stations adopt overhead ground wire for lightning protection. The overhead ground wire is generally higher than the ground， and the distance between towers is far （some are even in different mountains）. It is difficult to measure the arc sag of the overhead ground wire， and the overhead ground wire may move with the wind，so it is very difficult to determine the protection range of the overhead ground wire. In order to solve the problems encountered in lightning protection detection of hydropower stations in complex terrain，a method of measuring the protection range of overhead ground wire at high altitude by using theodolite and other equipment was established. After many improvements，this method could effectively solve the problems without other advanced equipment.

Key words? ?Overhead ground wire;Angle intersection method;Plane mirror imaging principle;Application of trigono-metric function;Broken-line method;Sen-sitive factors

寧德市水電資源尤其豐富并得到充分開發(fā)，大小水電站數(shù)量眾多，僅屏南縣大小水電站就100多個(gè)。寧德市山海交匯，雨量充沛，雷電頻發(fā)，每年2—11月均有雷電發(fā)生，雷電防護(hù)關(guān)乎安全生產(chǎn)及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。測(cè)定這些水電站高空接閃線時(shí)一直沒有一種便捷又行之有效的方法，一些數(shù)據(jù)如果建設(shè)施工時(shí)未保留，僅利用經(jīng)緯儀等簡(jiǎn)單測(cè)量設(shè)備后期測(cè)定十分困難。為了解決復(fù)雜地形下水電站防雷檢測(cè)中遇到的實(shí)際問題，筆者建立了一種利用經(jīng)緯儀等設(shè)備測(cè)定高空接閃線保護(hù)范圍的方法，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不斷加以驗(yàn)證和改進(jìn)，在多次實(shí)地檢測(cè)中均可有效解決問題。

1 待解決問題

1.1 高空接閃線高度測(cè)量

很多水電站高空接閃線都架設(shè)在河谷兩側(cè)險(xiǎn)峻山坡上，很難攜帶儀器進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。在建筑所在位置難以用經(jīng)緯儀、卷尺等工具直接測(cè)量接閃線到被保護(hù)物垂直距離，也難以用經(jīng)緯儀、卷尺等工具直接測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)到接閃塔水平距離，間接計(jì)算出接閃線到被保護(hù)物垂直距離。

1.2 確定高空接閃線正下方地面位置

高空接閃線垂直投射在正下方被保護(hù)物上相對(duì)位置，確定高空接閃線保護(hù)范圍至關(guān)重要。高空接閃線有的高達(dá)幾十米到上百米，如果沒有現(xiàn)成的工程資料可以確定其在地面上與被保護(hù)物相對(duì)位置，則難以確定其保護(hù)范圍。

2 基本原理

2.1 角度交匯法

利用角度交匯法求未知線段長(zhǎng)度，通常要先確定一段已知長(zhǎng)度的線段作為長(zhǎng)度參照物和方程求解的已知條件，再根據(jù)三角形特性，已知1條邊和2個(gè)角，通過二元一次三角函數(shù)方程組，就能求出另外2條邊和1個(gè)角。如圖1所示，tanα=H/（L+X），tanβ=H/X，只要多次變換觀測(cè)位置，測(cè)出不同觀測(cè)點(diǎn)的仰角，選出任意α、β，并測(cè)量出α、β 2個(gè)觀測(cè)位置間距離L就可以求出H及X了。

同樣，也可以采用CAD作圖方法，把測(cè)量出的數(shù)值用在CAD圖紙中標(biāo)注，按一定的比例繪制出與計(jì)算相關(guān)平面圖。由于α、β及L已確定，α、β斜邊延長(zhǎng)線將交匯于一點(diǎn)，用CAD長(zhǎng)度工具直接量取H數(shù)值，再按選用比例換算出H實(shí)際值。

2.2 平面鏡成像原理

平面鏡成像原理主要是用來(lái)確定高空接閃線垂直投射在正下方被保護(hù)物上的相對(duì)位置，使得最終能完成高空接閃線保護(hù)范圍的確定及保護(hù)范圍示意圖的繪制。平面鏡成像的最基本特質(zhì)是等大、等高、等距離，形成基于鏡面完全對(duì)稱畫像。利用垂直于鏡面支撐起的第3根線作為參照物和觀測(cè)線，在地上移動(dòng)該裝置，當(dāng)觀測(cè)到高空接閃線、起參照作用的第3根線、起參照作用的第3根線倒影、高空接閃線倒影完全重疊時(shí)，此時(shí)起參照作用的第3根線所確定位置即是高空接閃線垂直投射在正下方被保護(hù)物上相對(duì)位置。

3 輔助工具制作

3.1 觀測(cè)盒

為方便使用平面鏡成像原理來(lái)確定高空接閃線垂直投射在下方被保護(hù)物上相對(duì)位置，筆者制作了便于攜帶和方便使用的觀測(cè)盒。在制作觀測(cè)盒過程中可適當(dāng)再加大觀測(cè)線到平面鏡距離，以減小人的視角對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響。

3.2 廢機(jī)油桶

在無(wú)平坦地面放置觀測(cè)盒的地方，對(duì)觀測(cè)盒進(jìn)行改進(jìn)，采用廢機(jī)油代替觀測(cè)盒底平面鏡。廢機(jī)油黝黑發(fā)亮，其反光效果可清淅成像，再發(fā)揮它液體的流動(dòng)性，不管使用中怎么移動(dòng)、地面是否水平，只要保持靜止，廢機(jī)油形成的液面即是水平面。

4 具體方法

4.1 了解觀測(cè)點(diǎn)選取

首先利用google地球從較大范圍了解基本地形，并用它的測(cè)距功能了解作業(yè)基本范圍，再通過無(wú)人飛機(jī)實(shí)地勘察周邊環(huán)境，選取最佳觀測(cè)點(diǎn)。

4.2 原始數(shù)據(jù)取得

首先應(yīng)用輔助工具確定A、B、C 3點(diǎn)（圖2），以A、B、C 3點(diǎn)確定的直線（即高空接閃線垂直投射在正下方被保護(hù)物上相對(duì)位置）為X軸;垂直于X軸方向?yàn)閆軸，在A、B、C 3點(diǎn)沿Z軸方向上2次平移經(jīng)緯儀測(cè)得角度α、β，再用長(zhǎng)度測(cè)量工具分別測(cè)得α、β角觀測(cè)點(diǎn)到A、B、C 3點(diǎn)距離，通過“2.1”講述方程計(jì)算出A、B、C位置高空接閃線高度。為提高測(cè)量精確度，以及后期更準(zhǔn)確繪制接閃線在建筑上空保護(hù)范圍，可在X軸上選取更多觀測(cè)點(diǎn)。其次，以X軸為參照物，測(cè)量出被保護(hù)建筑長(zhǎng)、寬、高，被保護(hù)建筑不同高度最遠(yuǎn)點(diǎn)距離等數(shù)據(jù)。在測(cè)量中主要利用經(jīng)緯儀角度測(cè)量功能，輔以長(zhǎng)度測(cè)量工具，再用三角函數(shù)計(jì)算出被保護(hù)物高度。

4.3 保護(hù)范圍計(jì)算及示意圖繪制

由于在電力行業(yè)更多采用折線法計(jì)算接閃器保護(hù)范圍，而非滾球法。接下來(lái)將對(duì)折線法中接閃線部分做簡(jiǎn)略介紹。

4.3.1? 單根接閃線在hx水平面上每側(cè)保護(hù)范圍寬度（圖3）

式中，rx為每側(cè)保護(hù)范圍寬度（m）。

4.3.2? ?2根等高平行接閃線保護(hù)范圍

（1）兩接閃線外側(cè)保護(hù)范圍應(yīng)按單根避雷線計(jì)算方法確定。

（2）兩接閃線間各橫截面保護(hù)范圍應(yīng)由通過兩接閃線1、2點(diǎn)及保護(hù)范圍邊緣最低點(diǎn)O的圓弧確定。O點(diǎn)高度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中，hO為兩接閃線間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)高度（m）;D為兩接閃線間距離（m）;h為接閃線高度（m）。

（3）兩接閃線端部?jī)蓚?cè)保護(hù)范圍仍按單根接閃線保護(hù)范圍計(jì)算。兩線間保護(hù)最小寬度（圖4）按下列方法確定：

5 降低誤差的相關(guān)措施

該方法主要采用多次測(cè)量求平均值和敏感因素控制2種方法降低誤差，該文重點(diǎn)介紹的是敏感因素控制法。通過分析可得，該方法“2.1”中的長(zhǎng)度L、角度β-α取值對(duì)觀測(cè)出來(lái)的數(shù)值影響較大，故確定為影響計(jì)算結(jié)果的敏感因素。在試驗(yàn)中證明，在觀測(cè)場(chǎng)地大小受限的情況下，需盡量取到較大的L值和角度β-α值，才能彌補(bǔ)觀測(cè)中人眼對(duì)細(xì)微事物分辨率不足帶來(lái)的誤差。

6 結(jié)論

為了解決水電站防雷檢測(cè)中復(fù)雜地形高空接閃線保護(hù)范圍測(cè)定難的問題，建立了一種利用經(jīng)緯儀等設(shè)備測(cè)定高空接閃線保護(hù)范圍的方法，在沒有其他先進(jìn)設(shè)備的情況下已能有效解決問題。復(fù)雜地形高空接閃線保護(hù)范圍測(cè)定為電站安全生產(chǎn)及防雷減災(zāi)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)，也有助于排除安全死角，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。我國(guó)水電資源豐富，高空接閃線應(yīng)用廣泛，該方法推廣前景良好。但該方法屬于初次嘗試，可能存在不足，有待各地實(shí)施完善。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：鄭丹丹