牽引變電所避雷針保護范圍確定方法研究

魏 光

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處,西安 710043)

1 概述

在電氣化鐵路牽引變電所防雷設計中,一般采用避雷針作為防雷裝置,其保護范圍的確定決定了避雷針的位置、高度、基礎、材質(zhì)等多項指標的選擇。

現(xiàn)行的行業(yè)標準[1]規(guī)定用折線法確定避雷針的保護范圍,在普速鐵路牽引變電所防雷設計中廣泛使用,運行經(jīng)驗說明,其確定的保護范圍是可靠的。隨著牽引供電系統(tǒng)電源電壓等級的提高,牽引變電所場坪面積及架構高度相應增大,原有的折線法確定的保護范圍的可靠性隨之降低。自20世紀80年代初,國際上許多國家的建筑防雷標準相繼采用滾球法作為避雷針保護范圍的基本方法。國際電工委員會于1990年出版IEC1024—1：1990,推薦采用滾球法確定避雷針保護范圍。我國標準《建筑防雷設計規(guī)范》(GB50057—94)(2000年版)[3]也參照IEC標準規(guī)定確定避雷針保護范圍應采用滾球法。

根據(jù)牽引變電所防雷設計中的具體情況,在不同避雷針布置方式下,分別給出了參數(shù)計算、制圖步驟等設計流程。案例計算驗證了方案的可行性,與現(xiàn)行折線法的對比分析得出了滾球法可靠性更高的結(jié)論。

2 單支避雷針保護范圍

牽引變電所防雷設計分為避雷針保護范圍參數(shù)計算和制圖兩個步驟。

2.1 參數(shù)計算

(1)初始參數(shù)定義

hr——滾球半徑，m,第一類防雷建筑物為30 m,第二類防雷建筑物為45 m,第三類防雷建筑物為60 m[3]；

hx——被保護物的高度，m,選擇所內(nèi)需保護物的最高高度,一般為進線門形架(變電所)或饋線門形架(開閉所、分區(qū)所、AT所)；

h——避雷針的高度，m。

(2)相關半徑

hx高度平面上的保護半徑rx及地面上的保護半徑r0

當h≤hr時,

(1)

當h>hr時,

(2)

2.2 制圖

以避雷針所在位置為圓心,rx為半徑作圓,圓內(nèi)即為hx高度平面上的保護范圍,如圖1所示。

圖1 單支避雷針保護范圍

2.3 案例計算

單支避雷針布置一般用于AT所。由國標[3]可知,牽引變電所類同第二類建筑物,選取滾球半徑為45 m,且27.5 kV饋線門形架一般取7.3 m高,參數(shù)設置及計算結(jié)果如表1所示。

表1 單支避雷針保護范圍計算結(jié)果 m

被保護物落在圖1所示的圓內(nèi)即受到保護。

3 雙支等高避雷針保護范圍

3.1 參數(shù)計算

(1)初始參數(shù)定義

hr、hx、h的定義同前。

D——兩針間距離，m。

(2)相關半徑

rx、r0分別同式(1)、式(2),兩針間保護范圍半徑r0x為

r0x=r0-rx

(3)

(3)最低保護高度及寬度

雙支避雷針內(nèi)側(cè)最低保護高度h0為

(4)

hx高度平面上每側(cè)最小保護寬度bx為

(5)

地面上每側(cè)最小保護寬度b0為

(6)

3.2 制圖(圖2)

(1)作A、B兩點的垂直平分線,并在線段AB兩側(cè)取距離為b0的2點E、C,連接A、E、B、C4點；

(2)分別以A、B為圓心,rx為半徑作弧線與四邊形AEBC相交；

(3)分別以C、E為圓心,r0x為半徑作弧線與(2)中弧線相接。

如圖2所示,粗實線部分內(nèi)部即為hx高度平面上的保護范圍。

圖2 雙支等高避雷針保護范圍

3.3 案例計算

雙支等高避雷針布置一般用于分區(qū)所,27.5 kV饋線門形架一般取7.3 m高,參數(shù)設置及計算結(jié)果如表2所示。

表2中h0≥hx,全部范圍得到保護。

表2 雙支等高避雷針保護范圍計算結(jié)果 m

4 雙支不等高避雷針保護范圍

4.1 參數(shù)計算

(1)初始參數(shù)定義

hr、hx、rx、r0、r0x、D的定義同前；

h1,h2——兩支避雷針的高度，m,假設h1

(2)最低保護高度及寬度

雙支避雷針垂直平面上針h1與球心垂線間的距離D1為

(7)

雙支避雷針內(nèi)側(cè)最低保護高度h0為

(8)

hx高度平面上每側(cè)最小保護寬度bx同式(5)

地面上每側(cè)最小保護寬度b0為

(9)

4.2 制圖(圖3)

(1)距B點距離D1處作垂線,并在線段AB兩側(cè)取距離為b0的2點E、C,連接A、E、B、C4點；

(2)分別以A、B為圓心,rx為半徑作弧線與四邊形A、E、B、C相交；

(3)分別以C、E為圓心,r0x為半徑作弧線與(2)中弧線相接。

如圖3所示,粗實線部分內(nèi)部即為hx高度平面上的保護范圍。

圖3 雙支不等高避雷針保護范圍

4.3 案例計算

雙支不等高避雷針布置一般用于牽引變電所主變低壓側(cè)至饋線門形架間,27.5 kV饋線門形架一般取7.3 m高,參數(shù)設置及計算結(jié)果如表3所示。

表3 雙支不等高避雷針保護范圍計算結(jié)果 m

表3中h0≥hx,全部范圍得到保護。

5 三支等高避雷針保護范圍

5.1 參數(shù)計算

hr、hx、h、rx、r0、r0x、D1,2,3的定義同前。

三支避雷針內(nèi)側(cè)最低保護高度h0為

(10)

bx、b0的計算同式(5)、式(6)。

5.2 制圖(圖4)

將A、B、C三點分別按兩支等高避雷針布置制圖,其外輪廓內(nèi)部即為hx高度平面上的保護范圍。

圖4 三支等高避雷針保護范圍

5.3 案例計算

三支等高避雷針布置一般用于開閉所,27.5 kV饋線門形架一般取7.3 m高,為簡便計算,三支避雷針按等邊三角形對稱布置,參數(shù)設置及計算結(jié)果如表4所示。

表4 三支等高避雷針保護范圍計算結(jié)果 m

表4中h0≥hx,全部范圍得到保護。

6 矩形布置的四支等高避雷針保護范圍

6.1 參數(shù)計算

hr、hx、h、rx、r0、r0x、D1～4的定義同前。

四支避雷針內(nèi)側(cè)最低保護高度h0為

(11)

bx、b0的計算同式(5)、式(6)。

6.2 制圖(圖5)

兩兩避雷針作保護范圍,連接所有弧線,其外輪廓內(nèi)部即為hx高度平面上的保護范圍。

圖5 矩形布置四支等高避雷針保護范圍

6.3 案例計算

矩形布置四支等高避雷針布置一般用于牽引變電所,220 kV饋線門形架一般取13 m高,為簡便計算,四支避雷針按正方形布置,參數(shù)設置及計算結(jié)果如表5所示。

表5 矩形布置四支等高避雷針保護范圍計算結(jié)果 m

表5中h01,2,3≥hx,全部范圍得到保護。

7 案例對比分析

根據(jù)上述計算方法,編制了基于LabVIEW的仿真計算軟件。以客運專線220 kV牽引變電所為例,設置4支等高矩形布置(50 m×50 m)的避雷針。為對比分析,同時計算了采用折線法的避雷針保護范圍,參數(shù)設置及仿真計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 對比計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知,同樣實現(xiàn)牽引變電所全部保護,應用折線法僅需設置25 m高的避雷針,而應用滾球法則需設置31 m高的避雷針,可見滾球法較折線法計算所得保護范圍小,如圖7所示。

圖7 避雷針保護范圍對比

折線法是以經(jīng)驗和小雷電沖擊電流下的模擬試驗為基礎確定避雷針的保護范圍。在模擬試驗中,沒有考慮雷電先導從避雷針側(cè)向發(fā)展且高度較低時發(fā)生側(cè)擊的可能。而滾球法是以擊距理論為基礎,根據(jù)閃擊距離確定避雷針的保護范圍的。其不考慮雷電極的放置位置,包含了雷電側(cè)擊的影響。這是造成滾球法的保護范圍比折線法小的主要原因。一般可以認為,滾球法的可靠性更高。

8 結(jié)論

借鑒IEC標準推薦的滾球法,將其引入牽引變電所防雷設計中。根據(jù)應用實際,分別給出了避雷針保護范圍確定設計中的參數(shù)設計和制圖細節(jié),并通過案例計算驗證方法的可行性。通過與現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的折線法的對比計算分析,得出滾球法較折線法計算所得保護范圍小,滾球法可靠性較高的結(jié)論。方案的提出為日后牽引變電所防雷設計提供了參考。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10009—2005 鐵路電力牽引供電設計規(guī)范[S]．北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]林維勇.建筑物防雷(一)-國際電工委員會標準IEC1024-1：1990[J].建筑電氣,1991(1)：42-45．

[3]中華人民共和國建設部.GB50057—94(2000年版) 建筑物防雷設計規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[4]林維勇.用滾球法確定建筑物防雷接閃器的保護范圍[J].建筑電氣,1993(3)：102-112．

[5]盛才超.滾球法確定三支避雷針保護范圍的作圖[J].建筑電氣,1995(2)：39-40．

[6]劉文正.確定避雷針(線)保護范圍的滾球法與折線法的比較[J].建筑電氣,1993(1)：8-12．