Khelvachauri-1變電站工程直擊雷保護方案的設計與探討

丁潔晶，羅佳藝

（1.杭州水利水電勘測設計院有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江華業(yè)電力工程股份有限公司，浙江 寧波 315800）

Khelvachauri-1變電站工程直擊雷保護方案的設計與探討

丁潔晶1，羅佳藝2

（1.杭州水利水電勘測設計院有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江華業(yè)電力工程股份有限公司，浙江 寧波 315800）

在變電站工程設計中，對于直擊雷防護通常采用避雷針、避雷線或避雷針與避雷線相結合的設計方案，以避免雷擊對變電站內(nèi)電氣設備的損壞并限制入侵雷電波的幅值，使電氣設備的過電壓不超過其沖擊耐壓值，從而防止雷害事故的發(fā)生。本文以格魯吉亞Khelvachauri-1 110 kV戶外變電站防直擊雷的設計過程為實例，以國內(nèi)常規(guī)設計方法確定保護方案，再以IEEE標準校核并確定該變電站直擊雷防護的施工設計方案，以滿足國外工程的要求。

國外；變電站；直擊雷；IEEE標準

0 前言

Khelvachauri-1變電站項目位于格魯吉亞共和國巴統(tǒng)省喬治區(qū)，為110 kV樞紐變電站，變電站面積為43 m×100 m，變電站內(nèi)設兩臺50（62.5）MVA-110/34.5 kV主變壓器，主變110 kV側采用雙母線接線方式，共有3回110kV出線，分別至Batumi變電站和Kirnati水電站，另一回出線預留；1號主變34.5 kV側與Khelvachauri-1電站廠房36 kV出線相連，2號主變?yōu)轭A留位置。受河谷地形及場地面積的限制，變電站設備的布置方式采用高型布置。

雷電直接擊中配電裝置的導線或設備的帶電部分，稱作直擊雷。在變電站工程建設中，防止直擊雷過電壓一般采用避雷針、避雷線或避雷針與避雷線相結合的方式。為了保護設備，避雷針（線）需高出被保護的設備，其作用是將雷電引入避雷針（線），并安全地將雷擊電流引入大地，從而保護變電站內(nèi)的設備。本文采用我國國標和國際IEEE兩種標準的方法，對變電站設備保護范圍進行計算和分析，并確定工程直擊雷防護設計方案，以滿足國外工程需采用國際標準的要求。

1 防雷設計方案的計算與比較

根據(jù)項目業(yè)主要求及項目實際情況，確定變電站直擊雷保護可采用架空避雷線防雷方案或避雷針防雷方案，以下根據(jù)GB/T50064-2014規(guī)范中的折現(xiàn)法對兩種方案進行計算、比較和分析。

1.1 方案一：架空避雷線方案

架空避雷線一般由3部分組成，即平行懸掛在空中的避雷線（接閃器）、接地引下線和接地體。避雷線懸掛在輸電導線上面，利用鋼構架或是桿塔架設。由于本工程已有110 kV進線門形架、110 kV母線構架及變壓器門形架等鋼構架，所以只要利用以上構架架設即可，不需要另設桿塔。

根據(jù)構架設計方案及布置尺寸，在變電站保護區(qū)域初步設置4根平行布置的避雷線，避雷線高度為15m，進線門形架和母線架的兩線間距為9m，變壓器門形架兩線間距為10m，單根避雷線長度為58m，采用GJ-50型鍍鋅鋼絞線，其截面積為50 mm2。

按此避雷線的布置方案，以“變壓器門形架”區(qū)域為算例，來計算和校驗本方案的可行性，“變壓器門形架”區(qū)域需保護設備分別為低壓側構架、變壓器及其引出導線，其中低壓側構架保護高度為4 m，變壓器保護高度為6 m，引出導線和絕緣子為下部最高被保護物，其被保護高度為11 m。

由“變壓器門形架”區(qū)域斷面圖（圖1）可見，該保護區(qū)域為避雷線端部和避雷線中部組成，由于本區(qū)域被保護物有3種類型，以下保護范圍計算過程僅以導線和絕緣子為例。

（1）單根避雷線在hx=11m水平面上每側保護范圍的寬度：

式中h——避雷線的高度，m；

hx——被保護物的高度，m；

rx——每側保護范圍的寬度，m；

P——高度影響系數(shù)，h≤30 m，P=1。

（2）兩避雷線間保護范圍內(nèi)上部邊緣最低點的高度：

式中h0——兩避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度，m；

D——兩避雷線間的距離，m。

（3）避雷線端部，兩避雷線間最小寬度：

式中bx——兩避雷線間保護范圍的一側最小寬度，m。

由此可見，變電站內(nèi)的引出導線和絕緣子的兩側及端部均在避雷線保護范圍內(nèi)，且高度小于保護范圍上部邊緣最低點12.5 m，所以該避雷線布置方式滿足引出導線和絕緣子的被保護要求。

按引出導線和絕緣子的保護范圍計算，變壓器及低壓側構架計算結果見表1，從計算結果可以看出，變壓器及低壓側構架也均在該避雷線保護范圍之內(nèi)，該避雷線布置方式滿足直擊雷的防護要求。引出導線、變壓器及低壓側構架的保護范圍圖示見圖2。

表1 引出導線、變壓器及低壓側構架的保護范圍計算結果表

本項目的其他間隔被保護設備的保護范圍計算與以上計算類似，經(jīng)計算也均在本方案避雷線的保護范圍之內(nèi)，故對于本變電站工程通過架設避雷線的方式，滿足直擊雷防護的需要，該方案可行。

1.2 方案二：避雷針保護方案

避雷針保護一般由3部分組成，即上部的接閃器（針頭）、中部的接地引下線和下部的接地體。接閃器可用直徑10～12 mm、長1～2 m的鋼棒做成。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，電壓在110 kV及以上的配電裝置，可將避雷針裝在配電裝置構架上，但變壓器門形架不可安裝避雷器，變壓器保護范圍需另設獨立的避雷針裝置。

圖1 變壓器門形架斷面圖

圖2 變壓器門形架下設備的保護范圍圖

根據(jù)本變電站布置方案，為滿足保護需求，本工程初步設置4根避雷針，其中獨立避雷針2座，高度為25 m，出線門形架上避雷針2座，高度為20 m。因變電站導線和絕緣子的高度為11 m，其他電器設備高度均低于此，且各設備基本布置在導線范圍內(nèi)，所以避雷針保護范圍以導線和絕緣子的保護為算例，表2即為采用折線法計算出的導線和絕緣子（Hx=11 m）保護范圍數(shù)據(jù)。

表2 導線和絕緣子保護范圍計算結果表

由表2計算結果可以看出，導線和絕緣子（Hx=11 m）均在4座避雷針的保護范圍之內(nèi)，其設備高度均低于導線和絕緣子且水平范圍類似，故本方案所架設的4座避雷針可滿足變電站的防雷要求，該方案可行。

1.3 經(jīng)濟及結構比較

對于本變電站工程，方案一與方案二的防直擊雷方案在技術上均是可行的，但兩方案在經(jīng)濟及布置結構上有較大差別。

在經(jīng)濟成本上，方案一，需要的主要材料為GJ-50鍍鋅鋼絞線260 m，利用已有架構架設，施工簡單，工期較短，按國內(nèi)價格計算，此方案材料及施工費約為3.75萬元。

方案二，需要重新建設25 m高避雷針塔兩座及利用原11 m構架加高為20 m的避雷針兩座，總需鋼材約為3.6 t，此方案較方案一施工難度大，工期較長，按國內(nèi)價格計算，材料及施工費總計約為6.3萬元。

因此，在經(jīng)濟成本上及施工難度上，方案一具有絕對優(yōu)勢。

在布置結構上，方案一，避雷線統(tǒng)一架設于進出線的上方，利用變電站現(xiàn)有的門形架敷設，剖面簡潔而美觀，高度適中，整體性較好。

方案二，需在高度11m的出線門型架上再加高9 m形成兩個凸起的避雷針，高度接近1:1，整個剖面顯得比較突兀，極不協(xié)調(diào)。根據(jù)避雷針與地下主接地網(wǎng)的距離要求，主變壓器旁側2座20 m高的獨立避雷針位置還會影響變電站的占地面積，增加場地成本。

因此，在布置結構上，方案一相較方案二也更加適合本變電站所處于河谷的地形。

1.4 方案的確定

綜上所述，方案一（避雷線方案）與方案二（避雷針方案）雖然在技術上均可滿足防雷要求。但綜合比較：

（1）在布置上，方案一防護范圍更加合理有效，也符合河谷地貌變電站的防護要求；

（2）在經(jīng)濟上，方案一投資成本較低，施工工期較短；

（3）在結構上，方案一也更合理及美觀，施工難度和要求也較低。

因此，在本變電站工程中，確定采用避雷線的防直擊雷方案作為最終的施工方案。

2 采用IEEE標準校驗直擊雷保護方案

2.1 標準說明

本變電站為國外項目，業(yè)主要求一切電氣設計計算必須采用IEC標準或IEEE標準。因此，我們根據(jù)IEEE-665-1995-R2001（Guide for Generating Station Grounding）標準對本變電站直擊雷防護方案進行復算校驗，并以此形成最終的設計報告提交業(yè)主審批通過。

在IEEE-665標準中，對于直擊雷的防護計算，采用滾球法進行的。所謂滾球法，就是以一個半徑為30 m的球體（hr=30 m），沿著需要防直擊雷的部位滾動，當球體不觸及需要保護的部位時，該部分得到保護。如果戶外高壓設備在避雷線的保護范圍內(nèi)，雷電會首先擊中避雷線，從而使設備得到保護。滾球法直擊雷保護范圍示意圖見圖3，該圖引自IEEE-665規(guī)范，按合同的技術規(guī)范，防雷保護的滾球半徑確定為30 m。

圖3 滾球法直擊雷保護范圍示意圖

2.2 直擊雷保護范圍的計算

根據(jù)本變電站的布置及已確定的避雷線防雷方案，我們將整個變電站分為3個區(qū)域，即變壓器門形架、110 kV進線門形架及110 kV母線構架3個區(qū)域，并以此來計算和分析防護方案的保護情況。同前文一樣，我們僅選取變壓器門型架區(qū)域的引出導線及絕緣子（hx=11 m）作為實際算例。

對于變壓器門型架避雷線保護范圍，可以分為3個部分，即避雷線間、避雷線外側及避雷線端部。

2.2.1 避雷線間保護高度計算

如圖4所示，a和b為兩根避雷線，它們之間區(qū)域為避雷線保護范圍，其保護范圍上部邊緣最低點的高度為h0，根據(jù)滾球法計算原則可知：

式中：h——避雷線的高度，m；

D——兩避雷線之間的距離，m；

h0——兩避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度，m。

圖4 避雷線間保護范圍示意圖

因此，本工程兩避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度為h0，計算為：

變壓器門形架下引出導線及絕緣子高度為hx=11 m小于h0=14.58 m，滿足直擊雷防護要求；變壓器門形架下其他設備及其他區(qū)域設備均低于11 m，滿足直擊雷防護要求。

2.2.2 避雷線外側或端部保護范圍計算

根據(jù)滾球法計算原則可知，在架設高度為h的避雷線下，對于保護高度為hx的設備，其避雷線外側保護范圍rx及避雷線端部最小保護范圍bx的計算公式表示如下：

變壓器門形架下引出導線及絕緣子高度為hx=11 m，計算其被保護范圍如下：

因引出導線和絕緣子的兩側及端部均布置在避雷線保護范圍內(nèi)側，所以該避雷線布置方式滿足引出導線和絕緣子的保護要求。

2.2.3 避雷線防雷方案計算結果

基于IEEE-665標準，變電站變壓器門形架、110 kV進線門形架及110 kV母線構架3個區(qū)域內(nèi)不同設備的保護范圍計算結果見表3、4、5。

圖5 避雷線外側或端部保護范圍示意圖

表3 變壓器門形架區(qū)域設備的保護范圍計算結果

表4 進線門形架區(qū)域設備的保護范圍計算結果

表5 110 kV母線構架區(qū)域設備的保護范圍計算結果

從以上計算結果可看出，本變電站所有區(qū)域內(nèi)的電氣設備均在避雷線的保護范圍之內(nèi)，符合IEEE-665標準要求，達到了變電站對直擊雷防護的目的。

3 結論

通過前文的計算、分析及比較可以看出，本工程采用避雷線的防雷保護，技術上可行，經(jīng)濟上合理，節(jié)約了建設成本，縮短了施工工期；既符合河谷變電站布置的要求，又能做到設備布置簡潔、合理及美觀的要求。項目的設計方案和計算報告均滿足IEEE-665標準要求，施工設計方案得到了業(yè)主的批準和好評。

綜上所述，筆者認為：

（1）對于110 kV戶外高型布置的變電站，直擊雷保護采用避雷線保護方案明顯比避雷針保護方案更經(jīng)濟、合理。

（2）采用我國標準，以折線法進行的選擇和計算的防雷保護范圍。完全能滿足根據(jù)IEEE標準的滾球法計算所得出的結果?？梢詽M足IEEE標準對防雷設計的要求。

折線法在方格紙設計年代有一定的優(yōu)點，但滾球法更適合當下的計算方式和要求。隨著國外工程的增多，在工程設計上，采用國際標準勢在必行。

［1］格魯吉亞KHELVACHAURI-1水電站合同及技術文件［Z］.

［2］住建部，質(zhì)檢總局.GB/T50064-2014交流電氣裝置過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范［S］，2014.

［3］國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5186-2004水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范［S］，2004.

［4］中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院，等.工業(yè)與民用配電設計手冊［M］.3版.北京：中國電力出版社，2005.

［5］IEEE Std 665-1995（R2001）Guide for Generating Station Grounding［S］，2001.

TM63

B

1672-5387（2016）10-0030-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.009

2016-06-23

丁潔晶（1982-），女，工程師，從事水電站及水利泵站的電氣一次、二次設計工作。