不等高避雷針保護范圍計算方法的研究

上海電力設計院有限公司 何 舜

雷電災害對電力系統的破壞影響極為嚴重，一旦電力設施遭到雷擊破壞，將危害工業生產、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措施為在場區內設置避雷針。避雷針的保護效能，通常采用保護范圍這個概念來表示。現階段我國使用避雷針保護范圍的計算方法是根據小電流雷電沖擊模擬試驗確定的，并根據多年運行經驗進行了校驗。我國電力行業標準GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》以及《電力工程電氣設計手冊》推薦采用折線法計算和校驗避雷針的保護范圍。國家標準GB 50057-2010《建筑物防雷規范》推薦采用滾球法來確定直擊雷保護范圍，這與IEC標準推薦的接閃器保護范圍計算保持一致。本文主要討論兩種避雷針保護范圍的計算方法，以青海某戶外110kV風電匯集站為例進行比較研究。

避雷針的保護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，故要求避雷針應有良好的接地裝置。避雷針在受雷擊向大地泄放電流時產生的高電壓對金屬、磚石或混凝土結構一般不會造成破壞，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、易爆和敏感電子設備和低壓電氣設備，因出現火花或發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置獨立避雷針等措施來消除這種危險[1]。

1 折線法

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

單支避雷針折線法保護范圍。單支高度為h(m)的避雷針對被保護物hx(m)高度水平面上的保護半徑rx(m)為：當hx≥0.5h時保護半徑為式1，當hx＜0.5h時保護半徑為式2，式中P為高度影響系數，h≤30m，P=1；30＜h≤120m，；h＞120m，P=0.5。

兩支等高避雷針折線法保護范圍。兩支高度為h(m)的避雷針，距離為D(m)。D的中點為聯合保護最低點O點，高度為式3，當被保護物高度為hx(m)時，兩針獨立保護范圍半徑rx按式1、2進行確認。兩針中間聯合保護范圍由兩針D中點上最小寬度bx距離對保護范圍rx圓做切線得到。水平面D中點上最小寬度bx為：當hx≥ho/2時保護半徑為式4，當hx＜ho/2時保護半徑為式5。

兩支不等高避雷針折線法保護范圍。rx計算過程與兩支等高避雷針保護范圍基本一致。需對較高避雷針進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hx≥h1/2時保護半徑為式6，當h2＜h1/2時保護半徑為式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，再根據式4、5求得兩針中間區域范圍。

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、而不觸及需要保護的部位時，則該部分就得到接閃器的保護[2]。

單支避雷針滾球法保護范圍。當滾球半徑為hr(m)高度時，單支h(m)避雷針對被保護物hx(m)高度水平面上的保護半徑rx(m)為式8，通過式8與式1、2可知，滾球法計算保護物高度的保護范圍無需分類，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物的保護范圍。兩個雨滴形狀的保護范圍可拆解為AEBC區域內以及區域外的保護范圍。AEBC區域外的范圍以A、B為圓心，rx為半徑做圓弧，由式8求得。AEBC區域內保護范圍以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范圍基本一致，但由于兩針高度不等，需要確認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的聯合保護范圍。

3 算例分析

以青海某戶外110kV風電匯集站為例（圖2），站區南側布置110kV GIS設備，通過構架跨線與主變連接。站內35kV配電裝置以及SVG設備布置于相應配電裝置室內。站區內針對10.5m高主變構架配置避雷針，10.5m高保護區域為陰影部分。設置在站區東北角設置一支35m高避雷針，在西南角110kV出線構架上設置一支32m高避雷針，兩支避雷針距離為75.3m。針對以上情況進行兩支避雷針對10.5m被保護物的保護范圍校驗。

折線法。通過公式求解折線法保護范圍參數。給定參數（m）：h135/h232/D75.30/hx10.50，求解參數(m)：R1x29.28/R2x26.25/P10.930/P20.972/D’72.51/h021.35/bx11.02，保護范圍如圖2。通過兩支避雷針的聯合保護，滿足對站內10.5m高主變構架保護要求。

滾球法。根據現場情況，變電站屬于第二類防護物，滾球半徑hr=45m。通過式9～13得到滾球法保護范圍參數。給定參數（m）：h135/h232/D75.30/hx10.50/hr45，求解參數(m)：R1x14.19/R2x14.98/bO11.02/Rx28.89/D137.19，保護范圍如圖3所示虛線部分。通過兩支避雷針的聯合保護，滾球法保護范圍遠無法滿足對站內10.5m高主變構架保護要求。

通過以上案例可知，折線法保護范圍更大，更容易覆蓋戶外電氣設備。由于戶外變電站戶外設備布置分散，滾球法要求更加嚴格。為了滿足滾球法保護范圍需增加站內避雷針數量。

圖2 110kV風電匯集站折線法10.5m保護范圍圖

圖3 110kV風電匯集站滾球法10.5m保護范圍圖

綜上，文獻[1]提出避雷針的引雷、攔截效應是受多種隨機因素影響，至今仍無法明確某些關鍵因素計算，保護范圍確認方法無法嚴格證明。而當今國內外對確定的保護范圍計算公式也均為經驗公式。滾球法是IEC和國標中推薦的防雷計算方法，而折線法是國內電力部門標準中明確規定的計算方法。根據國家電網多年運行經驗，折線法是有效、科學的方法。各種文獻規定的保護范圍不同，是因允許遭受雷擊的概率不同，這是正常的，不應把避雷針保護范圍“絕對化”。故防雷必須綜合考慮各種經濟和現實的因素。在國內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。