接閃桿與接閃線在牽引變電所直擊雷防護(hù)中的配合

尹 伊

0 引言

牽引變電所的防雷設(shè)計(jì)是牽引供電設(shè)計(jì)工作的重要環(huán)節(jié)之一，應(yīng)根據(jù)所在地實(shí)際情況，結(jié)合牽引變電所的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從防護(hù)范圍計(jì)算、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多方面進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)比較，按需設(shè)置相應(yīng)的防雷設(shè)施。在實(shí)際運(yùn)用過程中，結(jié)合TB 10180—2016《鐵路防雷及接地工程技術(shù)規(guī)范》[1]和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(jì)規(guī)范》[2]中關(guān)于變配電設(shè)備間的防雷要求，牽引變電所的直擊雷防護(hù)措施主要包括安裝接閃桿和架設(shè)接閃線，本文將結(jié)合實(shí)際案例討論在牽引變電所防直擊雷保護(hù)范圍計(jì)算中這兩者間的配合。

1 保護(hù)范圍計(jì)算

對(duì)于牽引變電所中接閃桿保護(hù)范圍的計(jì)算，主要有滾球法與折線法兩種方法。GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦采用滾球法，同時(shí)這也是 IEC 62305《雷電防護(hù) Protection against lightning》[3]中采用的方法；而TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]參考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(jì)規(guī)范》[2]中所采用的折線法，并對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化以便于計(jì)算。對(duì)于牽引變電所中接閃線保護(hù)范圍的計(jì)算，可將安裝在建筑物屋頂?shù)慕娱W線抽象為多根接 閃桿的集合[5]，按照接閃桿保護(hù)范圍的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)滾球法原理—擊距理論的描述，滾球法的幾何模型是半徑為hr的球體沿被保護(hù)物體滾動(dòng)，在球體被地面或地面提前先導(dǎo)面接觸支撐時(shí)所確定的范圍，即為接閃桿的保護(hù)范圍，如圖1所示。同理，半徑為hr的球體集合體滾動(dòng)所確定的保護(hù)范圍，即為接閃線的保護(hù)范圍，如圖2所示。

圖1 滾球法確定接閃桿保護(hù)范圍

圖2 滾球法確定接閃線保護(hù)范圍

2 牽引變電所防直擊雷設(shè)計(jì)案例

本文以埃及齋月十日城輕軌項(xiàng)目中的Badr牽引變電所為例，進(jìn)行牽引變電所防直擊雷設(shè)計(jì)的討論，結(jié)合該所設(shè)計(jì)、布置情況，以及海外項(xiàng)目要求遵循 IEC 62305《雷電防護(hù) Protection against lightning》的規(guī)定，首先對(duì)其采用滾球法進(jìn)行防雷保護(hù)范圍的計(jì)算。

在牽引變電所的防雷設(shè)計(jì)滾球法計(jì)算中，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，參考IEC 62305中表格“Table 2 Rolling sphere radius, mesh size and protection angle corresponding to the type of LPS”，確定計(jì)算中滾球半徑hr= 60 m[3]。按照220 kV進(jìn)線側(cè)架構(gòu)高度12 m確定保護(hù)高度hx，以確定接閃桿（高度h= 35 m）是否能夠保護(hù)電壓等級(jí)為220 kV的室外高壓設(shè)備及牽引變壓器、電力變壓器。根據(jù)式（1）：

確定其對(duì)于地面的保護(hù)范圍半徑r0= 54.54 m。

再根據(jù)式（2）：

確定其在高度hx= 12 m處的保護(hù)范圍半徑rx= 18.54 m。

根據(jù)式（3）確定每2根接閃桿之間在高度hx平面上保護(hù)范圍寬度bx，如表1所示。

式中：D為2根接閃桿之間的距離，m。

計(jì)算結(jié)果如表1所示。繪制接閃桿保護(hù)范圍如圖3所示。

表1 每2根接閃桿之間在高度hx平面上保護(hù)范圍 m

圖3 接閃桿滾球法防雷保護(hù)范圍

圖4 接閃桿滾球法聯(lián)合保護(hù)范圍剖切面（單位：mm）

由圖3可知，27.5 kV設(shè)備未在接閃桿防雷保護(hù)范圍內(nèi)，由于27.5 kV進(jìn)線高壓室設(shè)備及饋線設(shè)備高度較低，最高處僅4 m，考慮以hx= 4 m計(jì)算保護(hù)范圍，據(jù)式（2）得出保護(hù)范圍半徑rx= 33.00 m，據(jù)式（3）得出4#、5#接閃桿間保護(hù)范圍寬度bx= 16.69 m。

無論是以12 m作為保護(hù)高度，還是以4 m作為保護(hù)高度計(jì)算，27.5 kV饋線側(cè)室外設(shè)備均未在接閃桿保護(hù)范圍內(nèi)，但根據(jù)場(chǎng)坪條件，以及設(shè)備的布置情況，無法在此處增設(shè)接閃桿，因而考慮以架設(shè)在建筑物屋頂20.3 m處的接閃線與接閃桿進(jìn)行配合。將接閃線抽象為多根接閃桿的集合，進(jìn)而將滾球法視作以hr為半徑的柱體沿接閃線滾動(dòng)。同理，此處滾球半徑hr= 60 m，在hx高度上兩側(cè)的保護(hù)寬度計(jì)算式為

根據(jù)式（4）得到hx= 4.00 m時(shí)，bx= 23.45 m，此時(shí)防雷保護(hù)范圍如圖5所示。

圖5 接閃桿與接閃線滾球法防雷保護(hù)范圍

由圖5得出結(jié)論，在接閃桿與接閃線的配合下，防雷保護(hù)范圍可以覆蓋全所的室外變電設(shè)備。

為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性[6]，使用折線法進(jìn)行驗(yàn)證。在采用折線法計(jì)算時(shí)，同樣先以保護(hù)高度12 m進(jìn)行計(jì)算，后對(duì)4#、5#接閃桿選取保護(hù)高度4 m進(jìn)行計(jì)算，得到各計(jì)算參數(shù)如表2所示，其中高度影響系數(shù)，rx=(h-hx)·P，h0=，bx= 1.5(h0-hx)。

表2 折線法各計(jì)算參數(shù)

根據(jù)表2繪制防雷保護(hù)范圍，如圖6所示。

圖6 接閃桿折線法防雷保護(hù)范圍

由圖6可知，對(duì)于保護(hù)高度12 m的保護(hù)范圍，27.5 kV饋線側(cè)設(shè)備并未完全處于保護(hù)范圍內(nèi)，但27.5 kV設(shè)備高度有限，最高處僅4 m，因此通過計(jì)算4#、5#兩根接閃桿在4 m（27.5 kV電纜頭支架高度）高處的保護(hù)范圍可知，此時(shí)饋線側(cè)設(shè)備均在保護(hù)范圍內(nèi)。

根據(jù)以上論述，Badr牽引變電所在接閃桿與接閃線的配合下，能夠完成所內(nèi)全部室外變電設(shè)備的直擊雷防護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以一個(gè)較為特殊的案例，討論了在牽引變電所的防雷設(shè)計(jì)中接閃桿與接閃線的配合情況，以及折線法與滾球法在實(shí)際應(yīng)用中的差別。在實(shí)際工程中，牽引變電所的直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)在特殊情況下應(yīng)考慮接閃桿與接閃線相配合，在保護(hù)全面的前提下合理地做到降本增效。