1概述
防雷设计是发电厂电气设计的重要内容之一,安全可靠的雷电防护系统是发电厂安全稳定运行的重要保证。为了避免雷电直接雷击发电厂配电装置,导致电气设备绝缘受损,目前发电厂配电装置区域常采用避雷针来保护电气设备及人员安全。通过不同的试验方式和统计方式,在大量避雷针防雷模拟试验的基础上并结合雷击车祸的统计剖析,产生了多种避雷针防雷保护范围的估算方式。
对于采用何种方式估算避雷针保护范围,我国的国标和IEC标准有较大差距。规定了建筑物防雷采用的方式是滚球法、网格法和保护角法。中国国家标准《建筑物防雷设计规范》()从-94(2000)版本开始采用滚球法估算避雷针保护范围,目前版本-2010仍要求采用滚球法。但电力行业标准《交流电气装置的过电流保护与绝缘配合》(DL/T620-1997)及《交流电气装置的过电流保护与绝缘配合设计规范》(GB/-2014)则仍然采用折线法。滚球法和折线法在避雷针保护范围的估算结果上存在较大差别,有时甚至会影响配电装置总平面布置形式、避雷针的高度与数目等。
折线法与滚球法特征如下:折线法把避雷针保护范围视为一个以针尖为顶点的折线形锥体。其缺点是不能解释发生侧击的问题,通常只适用于高度在120m以下的建筑物的保护范围,不能确切估算高度在120m以上的建筑物的保护范围,估算结果与雷电流大小无关避雷针的原理,这一点与实际情况不同;滚球法中滚球直径是决定避雷针保护范围的关键诱因。此法可判定侧击是否得到保护,可估算避雷针与网格组合时的保护范围,任意高度的建筑物都能估算,且保护范围与雷电流大小有关。滚球法估算结果偏于安全,因而不少防雷专家觉得其估算结果更可靠。滚球法最先被日本采用,后来为其他欧美等国家采用,并被IEC确定为估算方式之一。
2折线法和滚球法的原理
2.1折线法
单根避雷针的保护范围估算公式为:当时,当时,式中为避雷针在水平面上的保护直径,m;为被保护物的高度,m;为避雷针的有效高度,m;P为高度影响系数,h≤30m,P=1;时取其等于120m。两根等高避雷针的保护范围,可先按照单支避雷针的估算方式确定两针两侧的保护范围,之后按照两针距离和两针下部边沿最高点的高度确定两针间的保护范围,多支避雷针的保护范围可依照两支避雷针的范围分别估算得出(图1)。
由上述估算公式可见,在某一高度避雷针的保护范围只与避雷针的高度、相对位置有关,即避雷针越高其保护范围越大。但实际统计发觉这一推论与实际情况并不完全相符,尤其是当发电厂配电装置各类电气设备的雷电冲击绝缘耐受水平变化范围较大时,一些绝缘水平较低的电气设备有可能因遭遇雷电绕击而造成车祸发生。
a单支避雷针的保护范围;b高度为h的两等高避雷针的保护范围(h≤30m时θ=45°)
2.2滚球法
滚球法是基于立体几何和平面几何的原理,采用图解法并推导入估算公式以得出避雷针的保护范围。滚球直径对避雷针的保护范围有重要影响,IEC标准和国标按照建筑物分类规定了不同等级建筑物的滚球直径:中国建筑标准I级30米、II级45米、III级60米;IEC标准I级20米、II级30米、III级45米、IV级60米。
单根避雷针的保护范围估算公式为:当时,,当时令,代入上面两式中即得到对应的保护范围。式中为避雷针在高度的xx’平面上的保护直径(m),为滚球直径(m),为被保护物的高度(m),为避雷针在地面上的保护直径(m)。两根等高避雷针的保护范围:在的情况下,当两支接闪杆距离时应各按单支避雷针所规定的方式确定,当时两侧的保护范围按单支避雷针的方式确定,两针间的保护范围依照两针间的距离D以及避雷针高度确定。
同理,多支避雷针的保护范围也可依据两支避雷针的范围分别估算得出。按照滚球法确定的单支避雷针和两支等高避雷针的保护范围示意图如图2、图3。
滚球法特征:雷击范围和雷电流大小有关。雷击范围近似用直径为S的圆球表示,S越大则雷击影响范围也越大。S又与雷电流大小有关,雷电流越大则S也越大;避雷针、避雷线的保护范围与需保护设备所能承受的最大雷击电压大小有关。滚球法能依据不同设备相应的雷电冲击绝缘耐受水平确定设备能承受的最大雷击电压,因而设计相应安全级别的直击雷防护系统,致使电压小于最大雷击电压值的直击雷都可通过避雷针或避雷线得到保护,而大于最大雷击电压值的雷电流绕击可通过相应的避雷器得到保护。
按照滚球法原理,设备所能承受的雷电流冲击绝缘水平越大滚球直径也就越大、相应当区域的避雷针布置宽度就较大,设备所能承受的雷电流冲击绝缘水平越小滚球直径就越小、相应区域的避雷针布置宽度就较小。按照折线法避雷针的高度可取代其密度,即当受场地条件限制避雷针布置宽度较大时可降低避雷针的高度来满足保护范围的要求,但对于滚球法避雷针的高度不能拿来取代密度。滚球法对避雷针的布置要求比折线法愈加严格,因而在变电厂的防雷设计中采用滚球法进行保护范围估算,为得到与折线法相当的保护范围需采用更多的避雷针,因而将可能降低变电厂在防雷方面的投资。
3避雷针保护范围比较
3.1单根避雷针保护范围比较
发电厂建筑通常根据三类建筑考虑,滚球直径取为60m。采用不同估算方式时避雷针保护范围的差别见表1和表2。由以上估算公式以及剖析可见,当避雷针较高时避雷针的原理,采用折线法估算相同条件下避雷针的保护范围更大,滚球法得到的结果偏小,结果更保守,偏于安全。在避雷针高度较低时二者差别较小且滚球法的保护范围有可能更大,随着避雷针高度的降低两种方式得到的结果差别也随着降低,当避雷针高度为30m时差距可达60%以上。因而,倘若在设计中采用不同的方式,避雷针的数目与位置会有很大不同。
以西安光伏项目的升压站区域为例,本工程采用架构避雷针,装设在110kV配电装置架构上,避雷针高度为30m,高压侧进出线等的被保护高度为10.5m,主变等被保护高度为5m。依据IEC标准和国外标准,按III类建筑考虑,滚球直径为60m。由图4可见,采用折线法,单根避雷针的保护范围完全才能覆盖高压侧进出线、主变等,因而仅需一根避雷针满足要求。并且采用滚球法时,单根避雷针的保护范围不能完全覆盖高压侧进出线,单根避雷针不能满足要求,须要调整避雷针数目或位置等,否则假如雷击高压侧进出线会给电气设备引起较大害处。
3.2多支等高避雷保护范围的比较
以国外某工程的110kV配电装置区域为例,该配电区域采用4根架构避雷针,右侧两根避雷针高度均为30.1m,两侧两根避雷针高度为20.3m,配电装置保护高度为11m。由图5可见,折线法保护范围较大,滚球法保护范围偏小。采用折线法估算时四根避雷针能完全保护110kV配电装置区域,并且采用滚球法时有部分区域不在保护范围内。
4问题剖析及推论
折线法和滚球法在保护方法及估算方法上存在着较大差别,甚至影响了电气设备和避雷针的布置形式。目前国外变电厂及发电厂配电装置等均采用折线法估算,通常可通过架构避雷针和独立避雷针相配合实现对全站的雷电保护,且布置便捷,方案成熟。如采用滚雷法,同样条件下无法做到全站保护,为满足全站保护的要求会降低有关投资。滚球法是根据几何原理剖析得出的,没有考虑多针间的电磁屏蔽作用,其多针估算方式过分保守。雷电及防雷理论国际上争辩很大,目前仍未产生统一权威的认识。防雷估算方式无论是折线法还是滚球法均是构建在实验和实践基础上的。各国对避雷针保护的要求不尽相同。避雷针的保护范围是个概率问题,中国国标规定了避雷针保护范围内可遭到雷击机率为0.1%,即保护范围可靠率达99.9%。IEC标准IEEE-1991规定避雷针击距(或球直径)为30m时保护范围内遭到雷击机率大概为0.1%,击距(或球直径)采用45m时雷击机率大概为0.5%。
目前电力系统的电气设备直击雷防护都是按照现行行业标准采用折线法设计的,而根据折线法进行的电力设备直击雷防护设计至今已经历了半个多世纪的安全运行经验的考验,没有出现重大问题。对于国外工程发电厂高压配电装置的防雷设计,可采用折线法确定避雷针的高度、数量、布置位置等以满足雷电防护要求。在涉外工程中因为采用IEC规范较普遍,可依照滚球法进行有关防雷设计以满足IEC规范的要求。