不等高避雷针保护范围计算方法的研究

上海电力设计院有限公司 何 舜

雷电灾害对电力系统的破坏影响极为严重，一旦电力设施遭到雷击破坏，将危害工业生产、国家安全，并造成人员伤亡。变电站中防止直击雷过电压的主要防护措施为在场区内设置避雷针。避雷针的保护效能，通常采用保护范围这个概念来表示。现阶段我国使用避雷针保护范围的计算方法是根据小电流雷电冲击模拟试验确定的，并根据多年运行经验进行了校验。我国电力行业标准GB/T 50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》以及《电力工程电气设计手册》推荐采用折线法计算和校验避雷针的保护范围。国家标准GB 50057-2010《建筑物防雷规范》推荐采用滚球法来确定直击雷保护范围，这与IEC标准推荐的接闪器保护范围计算保持一致。本文主要讨论两种避雷针保护范围的计算方法，以青海某户外110kV风电汇集站为例进行比较研究。

避雷针的保护作用是吸引雷电击于自身、并使雷电流泄入大地，这在避雷针和接地装置上造成高幅值的过电压，可能使避雷针周围的物体间接遭雷击（即反击）。为避免发生反击，除使周围的物体与避雷针保持必要的距离外，还要尽量减小避雷针的接地阻抗，使雷电流顺利流入大地，故要求避雷针应有良好的接地装置。避雷针在受雷击向大地泄放电流时产生的高电压对金属、砖石或混凝土结构一般不会造成破坏，所以像烟囱、冷水塔、架空线路杆塔、高压配电装置架构的避雷针及其引流线均可固定在其本体上，但这种高电压对易燃、易爆和敏感电子设备和低压电气设备，因出现火花或发生反击造成起火爆炸或绝缘击穿，通常要采取降低接地电阻或设置独立避雷针等措施来消除这种危险[1]。

1 折线法

国内电力工程项目较多使用折线法进行校验计算避雷针保护范围。折线法是经过国内变电站实体监测试验，估计绕击率约为0.15次/(100站·年)，由此可见，折线法计算的保护范围是安全可行的。

单支避雷针折线法保护范围。单支高度为h(m)的避雷针对被保护物hx(m)高度水平面上的保护半径rx(m)为：当hx≥0.5h时保护半径为式1，当hx＜0.5h时保护半径为式2，式中P为高度影响系数，h≤30m，P=1；30＜h≤120m，；h＞120m，P=0.5。

两支等高避雷针折线法保护范围。两支高度为h(m)的避雷针，距离为D(m)。D的中点为联合保护最低点O点，高度为式3，当被保护物高度为hx(m)时，两针独立保护范围半径rx按式1、2进行确认。两针中间联合保护范围由两针D中点上最小宽度bx距离对保护范围rx圆做切线得到。水平面D中点上最小宽度bx为：当hx≥ho/2时保护半径为式4，当hx＜ho/2时保护半径为式5。

两支不等高避雷针折线法保护范围。rx计算过程与两支等高避雷针保护范围基本一致。需对较高避雷针进行等效折算至较低避雷针高度，等效避雷针间距离D’计算公式为：当hx≥h1/2时保护半径为式6，当h2＜h1/2时保护半径为式7。式中h1为较高避雷针的高度(m)；h2为较低避雷针的高度(m)。通过D’得到两针等效中点，再根据式4、5求得两针中间区域范围。

2 滚球法

滚球法是指以某一半径为hr的球体(hr根据不同的防雷等级分为30m、45m和60m)，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及避雷针或只触及避雷针和地面、而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到接闪器的保护[2]。

单支避雷针滚球法保护范围。当滚球半径为hr(m)高度时，单支h(m)避雷针对被保护物hx(m)高度水平面上的保护半径rx(m)为式8，通过式8与式1、2可知，滚球法计算保护物高度的保护范围无需分类，原理为几何推算。

两支等高避雷针滚球法计算得出的保护范围如图1所示。其中实线L轨迹为滚球球心路径，虚线M轨迹为两只避雷针对被保护物的保护范围。两个雨滴形状的保护范围可拆解为AEBC区域内以及区域外的保护范围。AEBC区域外的范围以A、B为圆心，rx为半径做圆弧，由式8求得。AEBC区域内保护范围以C、E为圆心，Rx为半径做圆弧。C、E点定位以及Rx半径如式9～11所得：

图1 两支等高避雷针的保护范围（滚球法）

两支不等高避雷针滚球法计算过程与两支等高避雷针保护范围基本一致，但由于两针高度不等，需要确认C点与E点位置。计算过程中，假定A点为较低避雷针位置，计算过程如式12～13，式中h1为较低避雷针A的高度(m)；h2为较高避雷针B的高度(m)。针对避雷针h1及h2，通过式8求得rx1和rx2半径，并通过式11求得Rx，从而得到针对避雷针A和B的联合保护范围。

3 算例分析

以青海某户外110kV风电汇集站为例（图2），站区南侧布置110kV GIS设备，通过构架跨线与主变连接。站内35kV配电装置以及SVG设备布置于相应配电装置室内。站区内针对10.5m高主变构架配置避雷针，10.5m高保护区域为阴影部分。设置在站区东北角设置一支35m高避雷针，在西南角110kV出线构架上设置一支32m高避雷针，两支避雷针距离为75.3m。针对以上情况进行两支避雷针对10.5m被保护物的保护范围校验。

折线法。通过公式求解折线法保护范围参数。给定参数（m）：h135/h232/D75.30/hx10.50，求解参数(m)：R1x29.28/R2x26.25/P10.930/P20.972/D’72.51/h021.35/bx11.02，保护范围如图2。通过两支避雷针的联合保护，满足对站内10.5m高主变构架保护要求。

滚球法。根据现场情况，变电站属于第二类防护物，滚球半径hr=45m。通过式9～13得到滚球法保护范围参数。给定参数（m）：h135/h232/D75.30/hx10.50/hr45，求解参数(m)：R1x14.19/R2x14.98/bO11.02/Rx28.89/D137.19，保护范围如图3所示虚线部分。通过两支避雷针的联合保护，滚球法保护范围远无法满足对站内10.5m高主变构架保护要求。

通过以上案例可知，折线法保护范围更大，更容易覆盖户外电气设备。由于户外变电站户外设备布置分散，滚球法要求更加严格。为了满足滚球法保护范围需增加站内避雷针数量。

图2 110kV风电汇集站折线法10.5m保护范围图

图3 110kV风电汇集站滚球法10.5m保护范围图

综上，文献[1]提出避雷针的引雷、拦截效应是受多种随机因素影响，至今仍无法明确某些关键因素计算，保护范围确认方法无法严格证明。而当今国内外对确定的保护范围计算公式也均为经验公式。滚球法是IEC和国标中推荐的防雷计算方法，而折线法是国内电力部门标准中明确规定的计算方法。根据国家电网多年运行经验，折线法是有效、科学的方法。各种文献规定的保护范围不同，是因允许遭受雷击的概率不同，这是正常的，不应把避雷针保护范围“绝对化”。故防雷必须综合考虑各种经济和现实的因素。在国内变电站户外配电装置布置分散的情况下建议使用折线法，而滚球法更适合用于城市中建筑物的防雷。