折线法和滚球法在变电所防雷设计中的应用

2011-06-27杨可

电气化铁道 2011年6期

杨可

0 引言

雷电是自然界中常见的自然灾害，每年给各行业带来巨大经济损失和人员伤亡。雷电放电的危害分为3种方式：直击雷，感应雷和雷电过电压波入侵。感应雷过电压最高可以达到500～600 kV，直击雷过电压可达几百万伏以上。

防雷设计一直是变电所设计中一个重要环节。对于直击雷，变电所通常设置避雷针来保护设备及人身安全。关于避雷针保护范围的计算方式，中国国标和IEC标准有差别。IEC 62305规定了建筑物防雷采用的方法是滚球法、网格法和保护角法。其中网格法适用于水平表面的防护，保护角法适用于简单建筑物的防护，而滚球法适用于所有建筑物的防雷。中国建筑协会在2000年引入滚球法作为行业标准（GB 50057-1994（2000版））。但电力行业及铁路行业的标准中一直采用折线法。这2种计算方法在避雷针保护范围的计算上存在较大差异，甚至影响变电所总平面布置方式、避雷针的设置方式及保护理念。

1 滚球法和折线法原理

滚球法是设想一个半径为 R的球围绕避雷针两侧滚动，被球体和球面接触的地方为可能被雷电击中的地方，未能触及的地方为保护区域。折线法的保护范围是根据以雷电定位高度H1为基准进行雷击模拟实验的结果制定的，无论单针或多针保护范围较滚球法都宽松许多。折线法和滚球法保护断面图见图1、图2。

图1 折线法中单只避雷针的保护范围示意图

图2 滚球法中单支避雷针的保护范围示意图

滚球法中，滚球的半径R是决定避雷针保护范围的一个关键因素。IEC标准和国标根据建筑物的重要性，规定了建筑物的多种雷电防护等级，见表1。

表1 建筑物防雷等级参数表

2 2种计算方法保护范围比较

对于避雷针的保护范围，滚球法取决于避雷针的高度、滚球半径和被保护物高度，而折线法仅取决于避雷针的高度及被保护物高度。

以牵引变电所为例，高压侧进线线路和建筑物的最高保护高度为10 m、变压器及室外高低压设备保护高度为4 m。在这2种高度下，不同高度的避雷针保护范围见表2和表3。

表2 单只避雷针采用滚球法和折线法在10 m高度处的保护范围一览表单位：m

表3 单只避雷针采用滚球法和折线法在4 m高度处的保护范围一览表单位：m

按照国标GB 50057-94（2000年版）及IEC标准，牵引变电所属于2类（国标）或3类（IEC标准）防雷建筑物，滚球半径R取45 m。从表2、表3可以看出当避雷针高15 m的时候，两者保护范围基本一致，随着避雷针高度增加，两者的差距越来越大，当避雷针高度达到30 m时，两者差距60%以上。因此变电所在使用滚球法或折线法进行防雷设计时，毫无疑问将产生很大的不同。

3 滚球法在变电所设计中的运用

由于 IEC 62305未把折线法列入防雷计算方法，国际上在变电所防雷设计中多采用滚球法。CARACAS至CUA是意大利公司在委内瑞拉修建的一条电气化铁路，全长70 km，采用带回流线的直接供电方式。全线共设置2个牵引变电所。其中Charallave变电所位于charallave车站内。Charallave牵引变电所进线电压为115 kV，馈线为27.5 kV，并为全线提供13.8 kV电力贯通线电源。变电所共设置3台牵引变压器（2台并列使用，1台备用），2台电力变压器，2台所用变压器。馈线设置5回，并预留2回。

变电所场坪面积为155.4 m×75.7 m，场坪分为进线115 kV进线区、变压器区、馈线区、主控制室房屋区。如果按照滚球法的设计思路，设置4根独立避雷针，保护面积如图3所示。

由图3可以看出，对于变电所这样高低压设备室外分散布置的大场坪环境，采用设置独立避雷针的方式，无论如何布置，防雷效果始终无法兼顾进线侧、馈线侧及变压器设备。

110 kV及以上电压等级的配电装置因绝缘水平较高，其架构或屋顶上允许装设避雷针，而35 kV及以下电压等级的配电装置的构架或屋顶上因绝缘水平较低，雷击后易反击，不宜装设避雷针。

因此意大利公司在该变电所所有115 kV进线架构两端全部装设架构避雷针，针高4.5 m，同架构一起总高度16.7 m。滚球半径按照3倍避雷针的高度（即50 m接近IEC Ⅲ类标准）计算。同时把变电所重要设备牵引变压器、电力变压器、所用变压器全部移至进线附近。115 kV进线按照10 m高度进行保护，变压器及115 kV设备按照4 m高度进行保护。如图4所示。

该做法并非尽善尽美，只能是无奈之举，变电所实现了对115 kV侧的进线、设备和变压器的防雷保护，却放弃了馈线侧线路、设备及房屋的保护。馈线架构高10 m，却没有预防直击雷的有效手段，仅仅依靠避雷器来防范过电压。当直击雷直接击中馈线或房屋时，超高的电压很容易击毁避雷器、馈线设备及保护装置，甚至窜入115 kV系统及变压器，给变电所带来巨大破坏。

图3 Charallave变电所防雷总平面图

图4 Charallave变电所115 kV侧设备及变压器防雷平面图及断面图

4 折线法在变电所防雷保护中的运用

国内变电所的防雷设计一直广泛采用折线法。委内瑞拉另外一条铁路，供电方式同意大利修建的铁路完全相同，变电所也同时为电力提供13.8 kV双回贯通线。变电所设置2台牵引变压器，2台电力变压器。在总平面设计上，变电所采用直进直出的方式，依次布置为115 kV进线和设备→变压器→房屋→27.5 kV馈线。变电所设置独立避雷针，针高30 m，采用折线法计算避雷针保护范围。如图5所示。

图5 变电所防雷总平面图

由图5可以清楚，4根30 m高的独立避雷针完全可以保护整个变电所所有的设备和房屋。变电所115 kV设备、27.5 kV设备、变压器，房屋在总平面布置上功能划分清楚，不用刻意把变压器等重要设备移动到进线架构附近。

5 问题讨论

（1）折线法和滚球法在保护方式及计算方式上存在着较大差异，甚至影响了变电所设备和避雷针的布置方式以及避雷针保护理念。

从上述分析可以看出，对于变电所这样室外分散布置高低压设备的场合中，如采用滚球法，实难兼顾所有设备和房屋，不得不放弃全面保护的思想，改为重点保护最重要的设备和进线高压线路，而采用折线法不仅保护了全部的设备、线路及房屋，而且便于变电所总平面布置图的设计。

（2）避雷针的保护范围探讨。雷电及防雷理论国际上争论很大，目前尚未形成统一权威的认识。防雷计算方法无论是折线法还是滚球法均是建立在实验和实践基础上的。各国对避雷针保护的要求不尽相同。避雷针的保护范围是个几率问题，中国国标规定了避雷针保护范围内可遭受雷击概率为 0.1%，即保护范围可靠率达 99.9%。IEC标准IEEE Std 142-1991规定，避雷针击距（或球半径）为30 m时，保护范围内遭受雷击概率大约为0.1%；击距（或球半径）采用45 m时，雷击概率大约为0.5%[1]。

根据统计资料[2]，国内电力系统运行的变电站避雷针（线）运行的事故率低于 0.1%。电力系统及铁路多年安全运行的实践证明了折线法是可靠和科学的。