Khelvachauri-1变电站工程直击雷保护方案的设计与探讨

2016-11-17丁洁晶罗佳艺

水电站机电技术 2016年10期

关键词：避雷线避雷针绝缘子

丁洁晶，罗佳艺

（1.杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江杭州 310012；2.浙江华业电力工程股份有限公司，浙江宁波 315800）

Khelvachauri-1变电站工程直击雷保护方案的设计与探讨

丁洁晶1，罗佳艺2

（1.杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江杭州 310012；2.浙江华业电力工程股份有限公司，浙江宁波 315800）

在变电站工程设计中，对于直击雷防护通常采用避雷针、避雷线或避雷针与避雷线相结合的设计方案，以避免雷击对变电站内电气设备的损坏并限制入侵雷电波的幅值，使电气设备的过电压不超过其冲击耐压值，从而防止雷害事故的发生。本文以格鲁吉亚Khelvachauri-1 110 kV户外变电站防直击雷的设计过程为实例，以国内常规设计方法确定保护方案，再以IEEE标准校核并确定该变电站直击雷防护的施工设计方案，以满足国外工程的要求。

国外；变电站；直击雷；IEEE标准

0 前言

Khelvachauri-1变电站项目位于格鲁吉亚共和国巴统省乔治区，为110 kV枢纽变电站，变电站面积为43 m×100 m，变电站内设两台50（62.5）MVA-110/34.5 kV主变压器，主变110 kV侧采用双母线接线方式，共有3回110kV出线，分别至Batumi变电站和Kirnati水电站，另一回出线预留；1号主变34.5 kV侧与Khelvachauri-1电站厂房36 kV出线相连，2号主变为预留位置。受河谷地形及场地面积的限制，变电站设备的布置方式采用高型布置。

雷电直接击中配电装置的导线或设备的带电部分，称作直击雷。在变电站工程建设中，防止直击雷过电压一般采用避雷针、避雷线或避雷针与避雷线相结合的方式。为了保护设备，避雷针（线）需高出被保护的设备，其作用是将雷电引入避雷针（线），并安全地将雷击电流引入大地，从而保护变电站内的设备。本文采用我国国标和国际IEEE两种标准的方法，对变电站设备保护范围进行计算和分析，并确定工程直击雷防护设计方案，以满足国外工程需采用国际标准的要求。

1 防雷设计方案的计算与比较

根据项目业主要求及项目实际情况，确定变电站直击雷保护可采用架空避雷线防雷方案或避雷针防雷方案，以下根据GB/T50064-2014规范中的折现法对两种方案进行计算、比较和分析。

1.1 方案一：架空避雷线方案

架空避雷线一般由3部分组成，即平行悬挂在空中的避雷线（接闪器）、接地引下线和接地体。避雷线悬挂在输电导线上面，利用钢构架或是杆塔架设。由于本工程已有110 kV进线门形架、110 kV母线构架及变压器门形架等钢构架，所以只要利用以上构架架设即可，不需要另设杆塔。

根据构架设计方案及布置尺寸，在变电站保护区域初步设置4根平行布置的避雷线，避雷线高度为15m，进线门形架和母线架的两线间距为9m，变压器门形架两线间距为10m，单根避雷线长度为58m，采用GJ-50型镀锌钢绞线，其截面积为50 mm2。

按此避雷线的布置方案，以“变压器门形架”区域为算例，来计算和校验本方案的可行性，“变压器门形架”区域需保护设备分别为低压侧构架、变压器及其引出导线，其中低压侧构架保护高度为4 m，变压器保护高度为6 m，引出导线和绝缘子为下部最高被保护物，其被保护高度为11 m。

由“变压器门形架”区域断面图（图1）可见，该保护区域为避雷线端部和避雷线中部组成，由于本区域被保护物有3种类型，以下保护范围计算过程仅以导线和绝缘子为例。

（1）单根避雷线在hx=11m水平面上每侧保护范围的宽度：

式中h——避雷线的高度，m；

hx——被保护物的高度，m；

rx——每侧保护范围的宽度，m；

P——高度影响系数，h≤30 m，P=1。

（2）两避雷线间保护范围内上部边缘最低点的高度：

式中h0——两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m；

D——两避雷线间的距离，m。

（3）避雷线端部，两避雷线间最小宽度：

式中bx——两避雷线间保护范围的一侧最小宽度，m。

由此可见，变电站内的引出导线和绝缘子的两侧及端部均在避雷线保护范围内，且高度小于保护范围上部边缘最低点12.5 m，所以该避雷线布置方式满足引出导线和绝缘子的被保护要求。

按引出导线和绝缘子的保护范围计算，变压器及低压侧构架计算结果见表1，从计算结果可以看出，变压器及低压侧构架也均在该避雷线保护范围之内，该避雷线布置方式满足直击雷的防护要求。引出导线、变压器及低压侧构架的保护范围图示见图2。

表1 引出导线、变压器及低压侧构架的保护范围计算结果表

本项目的其他间隔被保护设备的保护范围计算与以上计算类似，经计算也均在本方案避雷线的保护范围之内，故对于本变电站工程通过架设避雷线的方式，满足直击雷防护的需要，该方案可行。

1.2 方案二：避雷针保护方案

避雷针保护一般由3部分组成，即上部的接闪器（针头）、中部的接地引下线和下部的接地体。接闪器可用直径10～12 mm、长1～2 m的钢棒做成。根据规范规定，电压在110 kV及以上的配电装置，可将避雷针装在配电装置构架上，但变压器门形架不可安装避雷器，变压器保护范围需另设独立的避雷针装置。

图1 变压器门形架断面图

图2 变压器门形架下设备的保护范围图

根据本变电站布置方案，为满足保护需求，本工程初步设置4根避雷针，其中独立避雷针2座，高度为25 m，出线门形架上避雷针2座，高度为20 m。因变电站导线和绝缘子的高度为11 m，其他电器设备高度均低于此，且各设备基本布置在导线范围内，所以避雷针保护范围以导线和绝缘子的保护为算例，表2即为采用折线法计算出的导线和绝缘子（Hx=11 m）保护范围数据。

表2 导线和绝缘子保护范围计算结果表

由表2计算结果可以看出，导线和绝缘子（Hx=11 m）均在4座避雷针的保护范围之内，其设备高度均低于导线和绝缘子且水平范围类似，故本方案所架设的4座避雷针可满足变电站的防雷要求，该方案可行。

1.3 经济及结构比较

对于本变电站工程，方案一与方案二的防直击雷方案在技术上均是可行的，但两方案在经济及布置结构上有较大差别。

在经济成本上，方案一，需要的主要材料为GJ-50镀锌钢绞线260 m，利用已有架构架设，施工简单，工期较短，按国内价格计算，此方案材料及施工费约为3.75万元。

方案二，需要重新建设25 m高避雷针塔两座及利用原11 m构架加高为20 m的避雷针两座，总需钢材约为3.6 t，此方案较方案一施工难度大，工期较长，按国内价格计算，材料及施工费总计约为6.3万元。

因此，在经济成本上及施工难度上，方案一具有绝对优势。

在布置结构上，方案一，避雷线统一架设于进出线的上方，利用变电站现有的门形架敷设，剖面简洁而美观，高度适中，整体性较好。

方案二，需在高度11m的出线门型架上再加高9 m形成两个凸起的避雷针，高度接近1:1，整个剖面显得比较突兀，极不协调。根据避雷针与地下主接地网的距离要求，主变压器旁侧2座20 m高的独立避雷针位置还会影响变电站的占地面积，增加场地成本。

因此，在布置结构上，方案一相较方案二也更加适合本变电站所处于河谷的地形。

1.4 方案的确定

综上所述，方案一（避雷线方案）与方案二（避雷针方案）虽然在技术上均可满足防雷要求。但综合比较：

（1）在布置上，方案一防护范围更加合理有效，也符合河谷地貌变电站的防护要求；

（2）在经济上，方案一投资成本较低，施工工期较短；

（3）在结构上，方案一也更合理及美观，施工难度和要求也较低。

因此，在本变电站工程中，确定采用避雷线的防直击雷方案作为最终的施工方案。

2 采用IEEE标准校验直击雷保护方案

2.1 标准说明

本变电站为国外项目，业主要求一切电气设计计算必须采用IEC标准或IEEE标准。因此，我们根据IEEE-665-1995-R2001（Guide for Generating Station Grounding）标准对本变电站直击雷防护方案进行复算校验，并以此形成最终的设计报告提交业主审批通过。

在IEEE-665标准中，对于直击雷的防护计算，采用滚球法进行的。所谓滚球法，就是以一个半径为30 m的球体（hr=30 m），沿着需要防直击雷的部位滚动，当球体不触及需要保护的部位时，该部分得到保护。如果户外高压设备在避雷线的保护范围内，雷电会首先击中避雷线，从而使设备得到保护。滚球法直击雷保护范围示意图见图3，该图引自IEEE-665规范，按合同的技术规范，防雷保护的滚球半径确定为30 m。