1概述
防雷設計是發電廠電氣設計的重要內容之一,安全可靠的雷電防護系統是發電廠安全穩定運行的重要保證。為了避免雷電直接雷擊發電廠配電裝置,導致電氣設備絕緣受損,目前發電廠配電裝置區域常采用避雷針來保護電氣設備及人員安全。通過不同的試驗方式和統計方式,在大量避雷針防雷模擬試驗的基礎上并結合雷擊車禍的統計剖析,產生了多種避雷針防雷保護范圍的估算方式。
對于采用何種方式估算避雷針保護范圍,我國的國標和IEC標準有較大差距。規定了建筑物防雷采用的方式是滾球法、網格法和保護角法。中國國家標準《建筑物防雷設計規范》()從-94(2000)版本開始采用滾球法估算避雷針保護范圍,目前版本-2010仍要求采用滾球法。但電力行業標準《交流電氣裝置的過電流保護與絕緣配合》(DL/T620-1997)及《交流電氣裝置的過電流保護與絕緣配合設計規范》(GB/-2014)則仍然采用折線法。滾球法和折線法在避雷針保護范圍的估算結果上存在較大差別,有時甚至會影響配電裝置總平面布置形式、避雷針的高度與數目等。
折線法與滾球法特征如下: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生側擊的問題,通常只適用于高度在120m以下的建筑物的保護范圍,不能確切估算高度在120m以上的建筑物的保護范圍,估算結果與雷電流大小無關避雷針的原理,這一點與實際情況不同;滾球法中滾球直徑是決定避雷針保護范圍的關鍵誘因。此法可判定側擊是否得到保護,可估算避雷針與網格組合時的保護范圍,任意高度的建筑物都能估算,且保護范圍與雷電流大小有關。滾球法估算結果偏于安全,因而不少防雷專家覺得其估算結果更可靠。滾球法最先被日本采用,后來為其他歐美等國家采用,并被IEC確定為估算方式之一。
2折線法和滾球法的原理
2.1折線法
單根避雷針的保護范圍估算公式為:當時,當時,式中為避雷針在水平面上的保護直徑,m;為被保護物的高度,m;為避雷針的有效高度,m;P為高度影響系數,h≤30m,P=1;時取其等于120m。兩根等高避雷針的保護范圍,可先按照單支避雷針的估算方式確定兩針兩側的保護范圍,之后按照兩針距離和兩針下部邊沿最高點的高度確定兩針間的保護范圍,多支避雷針的保護范圍可依照兩支避雷針的范圍分別估算得出(圖1)。
由上述估算公式可見,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。但實際統計發覺這一推論與實際情況并不完全相符,尤其是當發電廠配電裝置各類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遇雷電繞擊而造成車禍發生。
a單支避雷針的保護范圍;b高度為h的兩等高避雷針的保護范圍(h≤30m時θ=45°)
2.2滾球法
滾球法是基于立體幾何和平面幾何的原理,采用圖解法并推導入估算公式以得出避雷針的保護范圍。滾球直徑對避雷針的保護范圍有重要影響,IEC標準和國標按照建筑物分類規定了不同等級建筑物的滾球直徑: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。
單根避雷針的保護范圍估算公式為:當時,,當時令,代入上面兩式中即得到對應的保護范圍。式中為避雷針在高度的xx’平面上的保護直徑(m),為滾球直徑(m),為被保護物的高度(m),為避雷針在地面上的保護直徑(m)。兩根等高避雷針的保護范圍:在的情況下,當兩支接閃桿距離時應各按單支避雷針所規定的方式確定,當時兩側的保護范圍按單支避雷針的方式確定,兩針間的保護范圍依照兩針間的距離D以及避雷針高度確定。
同理,多支避雷針的保護范圍也可依據兩支避雷針的范圍分別估算得出。按照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。
滾球法特征:雷擊范圍和雷電流大小有關。雷擊范圍近似用直徑為S的圓球表示,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壓大小有關。滾球法能依據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壓,因而設計相應安全級別的直擊雷防護系統,致使電壓小于最大雷擊電壓值的直擊雷都可通過避雷針或避雷線得到保護,而大于最大雷擊電壓值的雷電流繞擊可通過相應的避雷器得到保護。
按照滾球法原理,設備所能承受的雷電流沖擊絕緣水平越大滾球直徑也就越大、相應當區域的避雷針布置寬度就較大,設備所能承受的雷電流沖擊絕緣水平越小滾球直徑就越小、相應區域的避雷針布置寬度就較小。按照折線法避雷針的高度可取代其密度,即當受場地條件限制避雷針布置寬度較大時可降低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拿來取代密度。滾球法對避雷針的布置要求比折線法愈加嚴格,因而在變電廠的防雷設計中采用滾球法進行保護范圍估算,為得到與折線法相當的保護范圍需采用更多的避雷針,因而將可能降低變電廠在防雷方面的投資。
3避雷針保護范圍比較
3.1單根避雷針保護范圍比較
發電廠建筑通常根據三類建筑考慮,滾球直徑取為60m。采用不同估算方式時避雷針保護范圍的差別見表1和表2。由以上估算公式以及剖析可見,當避雷針較高時避雷針的原理,采用折線法估算相同條件下避雷針的保護范圍更大,滾球法得到的結果偏小,結果更保守,偏于安全。在避雷針高度較低時二者差別較小且滾球法的保護范圍有可能更大,隨著避雷針高度的降低兩種方式得到的結果差別也隨著降低,當避雷針高度為30m時差距可達60%以上。因而,倘若在設計中采用不同的方式,避雷針的數目與位置會有很大不同。
以西安光伏項目的升壓站區域為例,本工程采用架構避雷針,裝設在110kV配電裝置架構上,避雷針高度為30m,高壓側進出線等的被保護高度為10.5m,主變等被保護高度為5m。依據IEC標準和國外標準,按III類建筑考慮,滾球直徑為60m。由圖4可見,采用折線法,單根避雷針的保護范圍完全才能覆蓋高壓側進出線、主變等,因而僅需一根避雷針滿足要求。并且采用滾球法時,單根避雷針的保護范圍不能完全覆蓋高壓側進出線,單根避雷針不能滿足要求,須要調整避雷針數目或位置等,否則假如雷擊高壓側進出線會給電氣設備引起較大害處。
3.2多支等高避雷保護范圍的比較
以國外某工程的110kV配電裝置區域為例,該配電區域采用4根架構避雷針,右側兩根避雷針高度均為30.1m,兩側兩根避雷針高度為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。采用折線法估算時四根避雷針能完全保護110kV配電裝置區域,并且采用滾球法時有部分區域不在保護范圍內。
4問題剖析及推論
折線法和滾球法在保護方法及估算方法上存在著較大差別,甚至影響了電氣設備和避雷針的布置形式。目前國外變電廠及發電廠配電裝置等均采用折線法估算,通?？赏ㄟ^架構避雷針和獨立避雷針相配合實現對全站的雷電保護,且布置便捷,方案成熟。如采用滾雷法,同樣條件下無法做到全站保護,為滿足全站保護的要求會降低有關投資。滾球法是根據幾何原理剖析得出的,沒有考慮多針間的電磁屏蔽作用,其多針估算方式過分保守。雷電及防雷理論國際上爭辯很大,目前仍未產生統一權威的認識。防雷估算方式無論是折線法還是滾球法均是構建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概率問題,中國國標規定了避雷針保護范圍內可遭到雷擊機率為0.1%,即保護范圍可靠率達99.9%。IEC標準IEEE-1991規定避雷針擊距(或球直徑)為30m時保護范圍內遭到雷擊機率大概為0.1%,擊距(或球直徑)采用45m時雷擊機率大概為0.5%。
目前電力系統的電氣設備直擊雷防護都是按照現行行業標準采用折線法設計的,而根據折線法進行的電力設備直擊雷防護設計至今已經歷了半個多世紀的安全運行經驗的考驗,沒有出現重大問題。對于國外工程發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、數量、布置位置等以滿足雷電防護要求。在涉外工程中因為采用IEC規范較普遍,可依照滾球法進行有關防雷設計以滿足IEC規范的要求。