湖北省電力勘測設計院有限公司 高 潔

1 概述

防雷設計是發(fā)電廠電氣設計的重要內(nèi)容之一，安全可靠的雷電防護系統(tǒng)是發(fā)電廠安全穩(wěn)定運行的重要保證。為了防止雷電直接雷擊發(fā)電廠配電裝置，造成電氣設備絕緣損壞，目前發(fā)電廠配電裝置區(qū)域常采用避雷針來保護電氣設備及人員安全。通過不同的試驗方法和統(tǒng)計方法，在大量避雷針防雷模擬試驗的基礎上并結(jié)合雷擊事故的統(tǒng)計分析，形成了多種避雷針防雷保護范圍的計算方法。

對于采用何種方法計算避雷針保護范圍，我國的國標和IEC標準有較大差別。IEC62305規(guī)定了建筑物防雷采用的方法是滾球法、網(wǎng)格法和保護角法。中國國家標準《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057）從GB50057-94（2000）版本開始采用滾球法計算避雷針保護范圍，目前版本GB50057-2010仍要求采用滾球法。但電力行業(yè)標準《交流電氣裝置的過電壓保護與絕緣配合》（DL/T620-1997）及《交流電氣裝置的過電壓保護與絕緣配合設計規(guī)范》（GB/T50064-2014）則一直采用折線法。滾球法和折線法在避雷針保護范圍的計算結(jié)果上存在較大差異，有時甚至會影響配電裝置總平面布置方式、避雷針的高度與數(shù)量等。

折線法與滾球法特點如下：折線法把避雷針保護范圍視為一個以針尖為頂點的折線形錐體。其缺點是不能解釋發(fā)生側(cè)擊的問題，一般只適用于高度在120m以下的建筑物的保護范圍，不能準確計算高度在120m以上的建筑物的保護范圍，計算結(jié)果與雷電流大小無關，這一點與實際情況不同；滾球法中滾球半徑是決定避雷針保護范圍的關鍵因素。此法可判斷側(cè)擊是否得到保護，可計算避雷針與網(wǎng)格組合時的保護范圍，任意高度的建筑物都能計算，且保護范圍與雷電流大小有關。滾球法計算結(jié)果偏于安全，因此不少防雷專家認為其計算結(jié)果更可靠。滾球法最先被美國采用，后來為其他歐美等國家采用，并被IEC確定為計算方法之一。

2 折線法和滾球法的原理

2.1 折線法

由上述計算公式可見，在某一高度避雷針的保護范圍只與避雷針的高度、相對位置有關，即避雷針越高其保護范圍越大。但實際統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)這一結(jié)論與實際情況并不完全相符，尤其是當發(fā)電廠配電裝置各種電氣設備的雷電沖擊絕緣耐受水平變化范圍較大時，一些絕緣水平較低的電氣設備有可能因遭受雷電繞擊而導致事故發(fā)生。

2.2 滾球法

滾球法是基于立體幾何和平面幾何的原理，采用圖解法并推導出計算公式以得出避雷針的保護范圍。滾球半徑對避雷針的保護范圍有重要影響，IEC標準和國標根據(jù)建筑物分類規(guī)定了不同等級建筑物的滾球半徑：中國建筑標準I級30米、II級45米、III級60米；IEC標準I級20米、II級30米、III級45米、IV級60米。

同理，多支避雷針的保護范圍也可根據(jù)兩支避雷針的范圍分別計算得出。根據(jù)滾球法確定的單支避雷針和兩支等高避雷針的保護范圍示意圖如圖2、圖3。

滾球法特點：雷擊范圍和雷電流大小有關。雷擊范圍近似用半徑為S的球體表示，S越大則雷擊影響范圍也越大。S又與雷電流大小有關，雷電流越大則S也越大；避雷針、避雷線的保護范圍與需保護設備所能承受的最大雷擊電流大小有關。滾球法能根據(jù)不同設備相應的雷電沖擊絕緣耐受水平確定設備能承受的最大雷擊電流，從而設計相應安全級別的直擊雷防護系統(tǒng)，使得電流大于最大雷擊電流值的直擊雷都可通過避雷針或避雷線得到保護，而小于最大雷擊電流值的雷電流繞擊可通過相應的避雷器得到保護。

根據(jù)滾球法原理，設備所能承受的雷電流沖擊絕緣水平越大滾球半徑也就越大、相應該區(qū)域的避雷針布置間距就較大，設備所能承受的雷電流沖擊絕緣水平越小滾球半徑就越小、相應區(qū)域的避雷針布置間距就較小。根據(jù)折線法避雷針的高度可代替其密度，即當受場地條件限制避雷針布置間距較大時可增加避雷針的高度來滿足保護范圍的要求，但對于滾球法避雷針的高度不能用來替代密度。滾球法對避雷針的布置要求比折線法更加嚴格，因此在變電站的防雷設計中采用滾球法進行保護范圍計算，為得到與折線法相當?shù)谋Ｗo范圍需采用更多的避雷針，從而將可能增加變電站在防雷方面的投資。

3 避雷針保護范圍比較

3.1 單根避雷針保護范圍比較

發(fā)電廠建筑一般按照三類建筑考慮，滾球半徑取為60m。采用不同計算方法時避雷針保護范圍的差異見表1和表2。由以上計算公式以及分析可見，當避雷針較高時，采用折線法計算相同條件下避雷針的保護范圍更大，滾球法得到的結(jié)果偏小，結(jié)果更保守，偏于安全。在避雷針高度較低時兩者差距較小且滾球法的保護范圍有可能更大，隨著避雷針高度的增加兩種方法得到的結(jié)果差距也隨著增加，當避雷針高度為30m時差距可達60%以上。因此，如果在設計中采用不同的方法，避雷針的數(shù)量與位置會有很大不同。

表1 不同高度避雷針在同一保護高度下的保護范圍

表2 同一高度避雷針在不同保護高度的保護范圍

以榆林光伏項目的升壓站區(qū)域為例，本工程采用構(gòu)架避雷針，裝設在110kV配電裝置構(gòu)架上，避雷針高度為30m，高壓側(cè)進出線等的被保護高度為10.5m，主變等被保護高度為5m。根據(jù)IEC標準和國內(nèi)標準，按III類建筑考慮，滾球半徑為60m。由圖4可見，采用折線法，單根避雷針的保護范圍完全能夠覆蓋高壓側(cè)進出線、主變等，因此僅需一根避雷針滿足要求。但是采用滾球法時，單根避雷針的保護范圍不能完全覆蓋高壓側(cè)進出線，單根避雷針不能滿足要求，需要調(diào)整避雷針數(shù)量或位置等，否則如果雷擊高壓側(cè)進出線會給電氣設備造成較大危害。

3.2 多支等高避雷保護范圍的比較

以國內(nèi)某工程的110kV配電裝置區(qū)域為例，該配電區(qū)域采用4根構(gòu)架避雷針，左側(cè)兩根避雷針高度均為30.1m，右側(cè)兩根避雷針高度為20.3m，配電裝置保護高度為11m。由圖5可見，折線法保護范圍較大，滾球法保護范圍偏小。采用折線法計算時四根避雷針能完全保護110kV配電裝置區(qū)域，但是采用滾球法時有部分區(qū)域不在保護范圍內(nèi)。

4 問題探討及結(jié)論

折線法和滾球法在保護方式及計算方式上存在著較大差異，甚至影響了電氣設備和避雷針的布置方式。目前國內(nèi)變電站及發(fā)電廠配電裝置等均采用折線法計算，一般可通過構(gòu)架避雷針和獨立避雷針相配合實現(xiàn)對全站的雷電保護，且布置方便，方案成熟。如采用滾雷法，同樣條件下難以做到全站保護，為滿足全站保護的要求會增加有關投資。滾球法是按照幾何原理分析得出的，沒有考慮多針間的電磁屏蔽作用，其多針計算方法過于保守。雷電及防雷理論國際上爭論很大，目前尚未形成統(tǒng)一權威的認識。防雷計算方法無論是折線法還是滾球法均是建立在實驗和實踐基礎上的。各國對避雷針保護的要求不盡相同。避雷針的保護范圍是個幾率問題，中國國標規(guī)定了避雷針保護范圍內(nèi)可遭受雷擊概率為0.1%，即保護范圍可靠率達99.9%。IEC標準IEEE Std142-1991規(guī)定避雷針擊距（或球半徑）為30m時保護范圍內(nèi)遭受雷擊概率大約為0.1%，擊距（或球半徑）采用45 m時雷擊概率大約為0.5%。

目前電力系統(tǒng)的電氣設備直擊雷防護都是根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標準采用折線法設計的，而按照折線法進行的電力設備直擊雷防護設計至今已經(jīng)歷了半個多世紀的安全運行經(jīng)驗的考驗，沒有出現(xiàn)重大問題。對于國內(nèi)工程發(fā)電廠高壓配電裝置的防雷設計，可采用折線法確定避雷針的高度、數(shù)量、布置位置等以滿足雷電防護要求。在涉外工程中由于采用IEC規(guī)范較普遍，可根據(jù)滾球法進行有關防雷設計以滿足IEC規(guī)范的要求。