折線法與滾球法避雷針保護(hù)范圍的比較

湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司 高 潔

1 概述

防雷設(shè)計(jì)是發(fā)電廠電氣設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，安全可靠的雷電防護(hù)系統(tǒng)是發(fā)電廠安全穩(wěn)定運(yùn)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(shè)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(hù)電氣設(shè)備及人員安全。通過不同的試驗(yàn)方法和統(tǒng)計(jì)方法，在大量避雷針防雷模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上并結(jié)合雷擊事故的統(tǒng)計(jì)分析，形成了多種避雷針防雷保護(hù)范圍的計(jì)算方法。

對(duì)于采用何種方法計(jì)算避雷針保護(hù)范圍，我國的國標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)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(hù)角法。中國國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057）從GB50057-94（2000）版本開始采用滾球法計(jì)算避雷針保護(hù)范圍，目前版本GB50057-2010仍要求采用滾球法。但電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)與絕緣配合》（DL/T620-1997）及《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)與絕緣配合設(shè)計(jì)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(hù)范圍的計(jì)算結(jié)果上存在較大差異，有時(shí)甚至?xí)绊懪潆娧b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(diǎn)如下：折線法把避雷針保護(hù)范圍視為一個(gè)以針尖為頂點(diǎn)的折線形錐體。其缺點(diǎn)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(hù)范圍，不能準(zhǔn)確計(jì)算高度在120m以上的建筑物的保護(hù)范圍，計(jì)算結(jié)果與雷電流大小無關(guān)，這一點(diǎn)與實(shí)際情況不同；滾球法中滾球半徑是決定避雷針保護(hù)范圍的關(guān)鍵因素。此法可判斷側(cè)擊是否得到保護(hù)，可計(jì)算避雷針與網(wǎng)格組合時(shí)的保護(hù)范圍，任意高度的建筑物都能計(jì)算，且保護(hù)范圍與雷電流大小有關(guān)。滾球法計(jì)算結(jié)果偏于安全，因此不少防雷專家認(rèn)為其計(jì)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(jì)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(jì)算公式可見，在某一高度避雷針的保護(hù)范圍只與避雷針的高度、相對(duì)位置有關(guān)，即避雷針越高其保護(hù)范圍越大。但實(shí)際統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)這一結(jié)論與實(shí)際情況并不完全相符，尤其是當(dāng)發(fā)電廠配電裝置各種電氣設(shè)備的雷電沖擊絕緣耐受水平變化范圍較大時(shí)，一些絕緣水平較低的電氣設(shè)備有可能因遭受雷電繞擊而導(dǎo)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(dǎo)出計(jì)算公式以得出避雷針的保護(hù)范圍。滾球半徑對(duì)避雷針的保護(hù)范圍有重要影響，IEC標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)根據(jù)建筑物分類規(guī)定了不同等級(jí)建筑物的滾球半徑：中國建筑標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)30米、II級(jí)45米、III級(jí)60米；IEC標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)20米、II級(jí)30米、III級(jí)45米、IV級(jí)60米。

同理，多支避雷針的保護(hù)范圍也可根據(jù)兩支避雷針的范圍分別計(jì)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(hù)范圍示意圖如圖2、圖3。

滾球法特點(diǎn)：雷擊范圍和雷電流大小有關(guān)。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(guān)，雷電流越大則S也越大；避雷針、避雷線的保護(hù)范圍與需保護(hù)設(shè)備所能承受的最大雷擊電流大小有關(guān)。滾球法能根據(jù)不同設(shè)備相應(yīng)的雷電沖擊絕緣耐受水平確定設(shè)備能承受的最大雷擊電流，從而設(shè)計(jì)相應(yīng)安全級(jí)別的直擊雷防護(hù)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(hù)，而小于最大雷擊電流值的雷電流繞擊可通過相應(yīng)的避雷器得到保護(hù)。

根據(jù)滾球法原理，設(shè)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(yīng)該區(qū)域的避雷針布置間距就較大，設(shè)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(yīng)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(dāng)受場地條件限制避雷針布置間距較大時(shí)可增加避雷針的高度來滿足保護(hù)范圍的要求，但對(duì)于滾球法避雷針的高度不能用來替代密度。滾球法對(duì)避雷針的布置要求比折線法更加嚴(yán)格，因此在變電站的防雷設(shè)計(jì)中采用滾球法進(jìn)行保護(hù)范圍計(jì)算，為得到與折線法相當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)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(hù)范圍比較

3.1 單根避雷針保護(hù)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(jì)算方法時(shí)避雷針保護(hù)范圍的差異見表1和表2。由以上計(jì)算公式以及分析可見，當(dāng)避雷針較高時(shí)，采用折線法計(jì)算相同條件下避雷針的保護(hù)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(shí)兩者差距較小且滾球法的保護(hù)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(dāng)避雷針高度為30m時(shí)差距可達(dá)60%以上。因此，如果在設(shè)計(jì)中采用不同的方法，避雷針的數(shù)量與位置會(huì)有很大不同。

表1 不同高度避雷針在同一保護(hù)高度下的保護(hù)范圍

表2 同一高度避雷針在不同保護(hù)高度的保護(hù)范圍

以榆林光伏項(xiàng)目的升壓站區(qū)域?yàn)槔?，本工程采用?gòu)架避雷針，裝設(shè)在110kV配電裝置構(gòu)架上，避雷針高度為30m，高壓側(cè)進(jìn)出線等的被保護(hù)高度為10.5m，主變等被保護(hù)高度為5m。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，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(hù)范圍完全能夠覆蓋高壓側(cè)進(jìn)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(shí)，單根避雷針的保護(hù)范圍不能完全覆蓋高壓側(cè)進(jìn)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(jìn)出線會(huì)給電氣設(shè)備造成較大危害。

3.2 多支等高避雷保護(hù)范圍的比較

以國內(nèi)某工程的110kV配電裝置區(qū)域?yàn)槔?，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(hù)高度為11m。由圖5可見，折線法保護(hù)范圍較大，滾球法保護(hù)范圍偏小。采用折線法計(jì)算時(shí)四根避雷針能完全保護(hù)110kV配電裝置區(qū)域，但是采用滾球法時(shí)有部分區(qū)域不在保護(hù)范圍內(nèi)。

4 問題探討及結(jié)論

折線法和滾球法在保護(hù)方式及計(jì)算方式上存在著較大差異，甚至影響了電氣設(shè)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(jì)算，一般可通過構(gòu)架避雷針和獨(dú)立避雷針相配合實(shí)現(xiàn)對(duì)全站的雷電保護(hù)，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(hù)，為滿足全站保護(hù)的要求會(huì)增加有關(guān)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(jì)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(quán)威的認(rèn)識(shí)。防雷計(jì)算方法無論是折線法還是滾球法均是建立在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐基礎(chǔ)上的。各國對(duì)避雷針保護(hù)的要求不盡相同。避雷針的保護(hù)范圍是個(gè)幾率問題，中國國標(biāo)規(guī)定了避雷針保護(hù)范圍內(nèi)可遭受雷擊概率為0.1%，即保護(hù)范圍可靠率達(dá)99.9%。IEC標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std142-1991規(guī)定避雷針擊距（或球半徑）為30m時(shí)保護(hù)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(shí)雷擊概率大約為0.5%。

目前電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備直擊雷防護(hù)都是根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用折線法設(shè)計(jì)的，而按照折線法進(jìn)行的電力設(shè)備直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)至今已經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的考驗(yàn)，沒有出現(xiàn)重大問題。對(duì)于國內(nèi)工程發(fā)電廠高壓配電裝置的防雷設(shè)計(jì)，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(hù)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(jìn)行有關(guān)防雷設(shè)計(jì)以滿足IEC規(guī)范的要求。