(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663；2. 廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引 言

直擊雷防護(hù)的基本思路是采用避雷針(線)引導(dǎo)雷電從保護(hù)物上方通過(guò)，并安全泄入大地，減小在其保護(hù)范圍內(nèi)的電氣設(shè)備和建筑物遭受直擊雷的概率[1]。目前500 kV變電站一般采用折線法計(jì)算，選用避雷針實(shí)現(xiàn)直擊雷防護(hù)。而換流站一般采用滾球法計(jì)算，選用避雷線柱實(shí)現(xiàn)直擊雷防護(hù)。

根據(jù)中國(guó)南方電網(wǎng)有限公司《變電站(換流站)設(shè)施及附屬設(shè)備裝備技術(shù)導(dǎo)則(試行)》的要求，對(duì)于保底變電站(重要變電站，是防災(zāi)保底電網(wǎng)的組成部分)，全站防雷設(shè)計(jì)應(yīng)采用滾球法。根據(jù)《南方電網(wǎng)35 kV～500 kV變電站裝備技術(shù)導(dǎo)則(變電一次分冊(cè))》的要求，保底變電站應(yīng)選用戶內(nèi)布置，因此保底變電站的500 kV配電裝置與220 kV配電裝置均為戶內(nèi)GIS。下面以保底變電站為例，分別采用目前常用的折線法與技術(shù)導(dǎo)則建議的滾球法做防雷保護(hù)計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析，并給出防雷設(shè)計(jì)建議。

1 防雷計(jì)算方法簡(jiǎn)介

1.1 折線法

折線法(詳見(jiàn)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓和絕緣配合》[3])運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，能較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)設(shè)備的直擊雷防護(hù)。

折線法的基本原理如圖1所示，被保護(hù)物高度hx水平面的保護(hù)半徑rx，主要與避雷針高度h、被保護(hù)物高度hx有關(guān)。

圖1 折線法原理

折線法的保護(hù)高度主要與避雷針(線)高度h相關(guān)。對(duì)于等高的避雷針(線)，最小保護(hù)高度的變化值受避雷針(線)間的距離影響，折線法沒(méi)有考慮絕緣水平對(duì)防雷范圍的影響。

1.2 滾球法

滾球法(詳見(jiàn)IEEE Std-998—1996《IEEE Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations》[4])是國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)推薦的接閃器保護(hù)范圍的一種計(jì)算方法。該方法基于電氣幾何模型，避雷針(線)的保護(hù)范圍依賴于雷電流幅值，充分考慮了不同區(qū)域設(shè)備的絕緣水平。

滾球法的基本原理如圖2所示，以半徑為雷電流擊距S的一個(gè)球體，沿需要防直擊雷的部分滾動(dòng)，當(dāng)球體只觸及到避雷針(線)或地面并不觸及需保護(hù)的設(shè)備h時(shí)，設(shè)備得到了防雷保護(hù)。此時(shí)設(shè)備的保護(hù)裕度為m，滾球的沉降高度為x。

圖2 滾球法原理

滾球法根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平與導(dǎo)體的波阻抗，計(jì)算最大允許的雷電沖擊電流值與雷電流擊距S。通過(guò)雷電流擊距值S、避雷針(線)的高度hsw及避雷針(線)間的距離L，計(jì)算保護(hù)范圍。

滾球法的保護(hù)范圍除了受避雷針(線)高度、避雷針(線)間的距離影響，與被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平密切相關(guān)。

2 計(jì)算實(shí)例

采用折線法對(duì)常規(guī)500 kV保底變電站進(jìn)行防雷計(jì)算，如圖3所示，在500 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置3根56 m避雷針；在500 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4根33 m避雷針，對(duì)500 kV的戶外設(shè)備進(jìn)行防雷保護(hù)。在220 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置4根38 m避雷針；在220 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4根21 m避雷針，對(duì)220 kV的戶外設(shè)備進(jìn)行防雷保護(hù)。500 kV主變壓器進(jìn)線跨線、220 kV主變壓器進(jìn)線跨線以及35 kV場(chǎng)地設(shè)備由500 kV與220 kV進(jìn)線構(gòu)架的避雷針形成的聯(lián)合保護(hù)范圍來(lái)保護(hù)。

圖3 防雷保護(hù)-折線法

采用滾球法對(duì)常規(guī)500 kV保底站進(jìn)行防雷計(jì)算，將變電站劃分為3個(gè)區(qū)域，如表1所示，分別計(jì)算各區(qū)域的雷電流擊距。

表1 500 kV變電站雷電流擊距計(jì)算數(shù)據(jù)

采用滾球法對(duì)各區(qū)域進(jìn)行防雷計(jì)算，如圖4所示，在500 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置6個(gè)33 m避雷線柱；在500 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4個(gè)33 m避雷線柱；在220 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置9個(gè)28 m避雷線柱；在220 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4個(gè)21 m避雷線柱可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的防雷保護(hù)。

圖4 防雷保護(hù)-滾球法

3 折線法和滾球法的保護(hù)措施比較

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于500 kV保底變電站，將折線法和滾球法的防雷保護(hù)措施列于表2。

表2 防雷保護(hù)措施對(duì)比

如表2所示，采用折線法進(jìn)行防雷保護(hù)，相對(duì)滾球法來(lái)說(shuō)，避雷針的數(shù)量較少，高度更高。

折線法的保護(hù)高度和范圍主要與避雷針(線)高度相關(guān)。對(duì)于等高的避雷針(線)，最小保護(hù)高度的變化值和避雷針(線)間的距離呈線性關(guān)系。對(duì)于一定的保護(hù)高度，可以通過(guò)加高避雷針(線)的高度、加密避雷針(線)的設(shè)置有效擴(kuò)大保護(hù)范圍。因此和滾球法相比，折線法采用的避雷針數(shù)量少，而高度更高。

而滾球法是用設(shè)備的絕緣水平計(jì)算雷電流擊距，再根據(jù)避雷線的位置計(jì)算滾球雷的沉降高度，校核保護(hù)距離。500 kV與220 kV交流設(shè)備區(qū)域絕緣水平高，最大的允許雷擊電流值較大，雷電流擊距較大，避雷線柱布置地較為稀疏就可以有效地對(duì)該區(qū)域的設(shè)備進(jìn)行防雷保護(hù)。35 kV交流設(shè)備區(qū)域絕緣水平低，最大的允許雷擊電流值較小，雷電流擊距較小，保護(hù)該區(qū)域的500 kV、220 kV進(jìn)線構(gòu)架的避雷線柱需加密設(shè)置才能實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域設(shè)備的防雷保護(hù)。因此和折線法相比，滾球法在500 kV、220 kV進(jìn)線構(gòu)架設(shè)置的避雷線柱個(gè)數(shù)更多。

下面針對(duì)各電壓等級(jí)的設(shè)備區(qū)域來(lái)進(jìn)行滾球法與折線法的對(duì)比分析。

1)對(duì)于500 kV設(shè)備區(qū)域，采用滾球法，如圖5所示。在500 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置3根33 m避雷線柱；在500 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4根33 m避雷線柱可以實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。 此時(shí)滾球的最大沉降高度為4.19 m，考慮弧垂3 m，最小保護(hù)高度為25.81 m，大于 500 kV交流設(shè)備區(qū)域的最大保護(hù)高度(主變壓器進(jìn)線跨線)24 m，保護(hù)裕度不小于1.81 m。

圖5 500 kV設(shè)備區(qū)域防雷保護(hù)

將避雷線柱換成等高的避雷針，采用折線法進(jìn)行防雷保護(hù)計(jì)算?？紤]500 kV設(shè)備區(qū)域由33 m等高避雷針來(lái)保護(hù)，此時(shí)保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度為26.8 m，保護(hù)裕度不小于2.8 m。

2)對(duì)于220 kV設(shè)備區(qū)域，采用滾球法，如圖6所示。在220 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置5根26 m避雷線柱；在220 kV出線構(gòu)架上設(shè)置4根21 m避雷線柱可以實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。此時(shí)滾球的最大沉降高度為1.16 m，考慮弧垂3 m，最小保護(hù)高度為16.84 m，大于 220 kV交流設(shè)備區(qū)域的最大保護(hù)高度(出線構(gòu)架)14.5 m，保護(hù)裕度不小于2.34 m。

將避雷線柱換成等高的避雷針，采用折線法進(jìn)行防雷保護(hù)計(jì)算。偏嚴(yán)考慮，220 kV設(shè)備區(qū)域由21 m等高避雷針來(lái)保護(hù)，此時(shí)保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度為18.3 m，保護(hù)裕度不小于3.8 m。

3)對(duì)于35 kV設(shè)備區(qū)域，采用滾球法，如圖7所示。在500 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置6根33 m避雷線柱；在220 kV進(jìn)線構(gòu)架上設(shè)置9根26 m避雷線柱；可以實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。此時(shí)滾球的最大沉降高度為8.28 m，考慮弧垂4.5 m，最小保護(hù)高度為13.22 m，大于 35 kV交流設(shè)備區(qū)域的最大保護(hù)高度(35 kV設(shè)備)10 m，保護(hù)裕度不小于3.22 m。

圖7 35 kV設(shè)備區(qū)域防雷保護(hù)

4)對(duì)于500 kV主變壓器進(jìn)線跨線，如圖8所示，滾球的最大沉降高度為2.12 m，考慮弧垂，此時(shí)的最小保護(hù)高度為26 m，大于最大保護(hù)高度24 m，保護(hù)裕度不小于2 m。

對(duì)于220 kV主變壓器進(jìn)線跨線，如圖8所示，滾球的最大沉降高度為3.12 m，考慮弧垂，此時(shí)的最小保護(hù)高度為21.6 m，大于最大保護(hù)高度20 m，保護(hù)裕度不小于1.6 m。

圖8 主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域防雷保護(hù)

采用相同的防雷措施，使用折線法進(jìn)行防雷保護(hù)計(jì)算。考慮35 kV設(shè)備區(qū)域由等高避雷線來(lái)保護(hù)，考慮避雷線弧垂4.5 m，此時(shí)保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度為17.6 m，保護(hù)裕度為7.6 m。

對(duì)于500 kV主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域，考慮由等高避雷線來(lái)保護(hù)，如圖8所示，考慮避雷線弧垂，避雷線高度不小于28 m，此時(shí)保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度為21.25 m，小于最大保護(hù)高度24 m。

通過(guò)以上分析，可知接收機(jī)鏈路的絕對(duì)時(shí)延和時(shí)延波動(dòng)由通道中帶寬最窄濾波器決定的，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中要減小電路的絕對(duì)時(shí)延與時(shí)延波動(dòng)，應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)原則和措施：

對(duì)于220 kV主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域，考慮由等高避雷線來(lái)保護(hù)，如圖8所示，考慮避雷線弧垂，避雷線高度不小于24 m，此時(shí)保護(hù)范圍內(nèi)上部邊緣最低點(diǎn)的高度為18 m，小于最大保護(hù)高度20 m。

將折線法與滾球法分區(qū)域的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 防雷保護(hù)裕度計(jì)算結(jié)果 單位：m

如表3所示，對(duì)于500 kV設(shè)備區(qū)域和220 kV設(shè)備區(qū)域，折線法采用與滾球法避雷線柱等高的避雷針進(jìn)行防雷保護(hù)計(jì)算，兩種算法的保護(hù)裕度是接近的。對(duì)于35 kV設(shè)備區(qū)域，兩種算法的防雷保護(hù)措施相同，折線法的保護(hù)裕度明顯大于滾球法。對(duì)于500 kV、220 kV主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域，折線法不能實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。由于折線法的保護(hù)高度和范圍與避雷線高度相關(guān)，將避雷線的高度加大3 m可以實(shí)現(xiàn)對(duì)跨線區(qū)域的防雷保護(hù)。

由此推斷，對(duì)于保底的500 kV變電站的500 kV設(shè)備區(qū)域、220 kV設(shè)備區(qū)域，兩種計(jì)算方法的結(jié)果是接近的；對(duì)于絕緣水平較低且跨度較大的35 kV設(shè)備區(qū)域、500 kV及220 kV主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域，兩種計(jì)算方案的差異相對(duì)明顯。由于35 kV設(shè)備絕緣水平較低，滾球法需加密避雷線柱的布置來(lái)減少滾球的沉降高度，實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。而根據(jù)折線法的計(jì)算原理，需加高避雷針的高度實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。

折線法的保護(hù)范圍受避雷針(線)高度影響更大，加大避雷針(線)高度可以明顯擴(kuò)大保護(hù)范圍，和被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平?jīng)]有關(guān)系。而滾球法的保護(hù)范圍受避雷針(線)間的距離、保護(hù)設(shè)備的絕緣水平影響更大，需針對(duì)不同的絕緣水平的設(shè)備進(jìn)行分區(qū)域的保護(hù)范圍校驗(yàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述分析，得到以下結(jié)論：

1)對(duì)于500 kV變電站，采用折線法進(jìn)行防雷保護(hù)，與滾球法相比，避雷針的數(shù)量較少，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)500 kV主變壓器進(jìn)線跨線、220 kV主變壓器進(jìn)線跨線的保護(hù)， 500 kV、220 kV進(jìn)線構(gòu)架的避雷針高度較高。采用滾球法進(jìn)行防雷保護(hù)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)35 kV場(chǎng)地設(shè)備的保護(hù)，需加密避雷線柱的設(shè)置。

2)500 kV與220 kV區(qū)域采用相同高度的避雷針或避雷線柱進(jìn)行保護(hù)，折線法、滾球法計(jì)算的保護(hù)裕度是接近的。對(duì)于35 kV場(chǎng)地設(shè)備、500 kV主變壓器進(jìn)線跨線、220 kV主變壓器進(jìn)線跨線區(qū)域，兩種計(jì)算方法的區(qū)別較明顯。

3)對(duì)于重要的保底變電站，采用滾球法進(jìn)行防雷保護(hù)范圍校驗(yàn)， 35 kV場(chǎng)地設(shè)備區(qū)域的計(jì)算結(jié)果相對(duì)折線法來(lái)說(shuō)是偏嚴(yán)的，能達(dá)到更好的防護(hù)效果。