折线法与滚球法避雷针保护范围的比较

湖北省电力勘测设计院有限公司 高 洁

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。为了防止雷电直接雷击发电厂配电装置，造成电气设备绝缘损坏，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。通过不同的试验方法和统计方法，在大量避雷针防雷模拟试验的基础上并结合雷击事故的统计分析，形成了多种避雷针防雷保护范围的计算方法。

对于采用何种方法计算避雷针保护范围，我国的国标和IEC标准有较大差别。IEC62305规定了建筑物防雷采用的方法是滚球法、网格法和保护角法。中国国家标准《建筑物防雷设计规范》（GB50057）从GB50057-94（2000）版本开始采用滚球法计算避雷针保护范围，目前版本GB50057-2010仍要求采用滚球法。但电力行业标准《交流电气装置的过电压保护与绝缘配合》（DL/T620-1997）及《交流电气装置的过电压保护与绝缘配合设计规范》（GB/T50064-2014）则一直采用折线法。滚球法和折线法在避雷针保护范围的计算结果上存在较大差异，有时甚至会影响配电装置总平面布置方式、避雷针的高度与数量等。

折线法与滚球法特点如下：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，一般只适用于高度在120m以下的建筑物的保护范围，不能准确计算高度在120m以上的建筑物的保护范围，计算结果与雷电流大小无关，这一点与实际情况不同；滚球法中滚球半径是决定避雷针保护范围的关键因素。此法可判断侧击是否得到保护，可计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计算，且保护范围与雷电流大小有关。滚球法计算结果偏于安全，因此不少防雷专家认为其计算结果更可靠。滚球法最先被美国采用，后来为其他欧美等国家采用，并被IEC确定为计算方法之一。

2 折线法和滚球法的原理

2.1 折线法

由上述计算公式可见，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。但实际统计发现这一结论与实际情况并不完全相符，尤其是当发电厂配电装置各种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受雷电绕击而导致事故发生。

2.2 滚球法

滚球法是基于立体几何和平面几何的原理，采用图解法并推导出计算公式以得出避雷针的保护范围。滚球半径对避雷针的保护范围有重要影响，IEC标准和国标根据建筑物分类规定了不同等级建筑物的滚球半径：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。

同理，多支避雷针的保护范围也可根据两支避雷针的范围分别计算得出。根据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。

滚球法特点：雷击范围和雷电流大小有关。雷击范围近似用半径为S的球体表示，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流大小有关。滚球法能根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流，从而设计相应安全级别的直击雷防护系统，使得电流大于最大雷击电流值的直击雷都可通过避雷针或避雷线得到保护，而小于最大雷击电流值的雷电流绕击可通过相应的避雷器得到保护。

根据滚球法原理，设备所能承受的雷电流冲击绝缘水平越大滚球半径也就越大、相应该区域的避雷针布置间距就较大，设备所能承受的雷电流冲击绝缘水平越小滚球半径就越小、相应区域的避雷针布置间距就较小。根据折线法避雷针的高度可代替其密度，即当受场地条件限制避雷针布置间距较大时可增加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用来替代密度。滚球法对避雷针的布置要求比折线法更加严格，因此在变电站的防雷设计中采用滚球法进行保护范围计算，为得到与折线法相当的保护范围需采用更多的避雷针，从而将可能增加变电站在防雷方面的投资。

3 避雷针保护范围比较

3.1 单根避雷针保护范围比较

发电厂建筑一般按照三类建筑考虑，滚球半径取为60m。采用不同计算方法时避雷针保护范围的差异见表1和表2。由以上计算公式以及分析可见，当避雷针较高时，采用折线法计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两者差距较小且滚球法的保护范围有可能更大，随着避雷针高度的增加两种方法得到的结果差距也随着增加，当避雷针高度为30m时差距可达60%以上。因此，如果在设计中采用不同的方法，避雷针的数量与位置会有很大不同。

表1 不同高度避雷针在同一保护高度下的保护范围

表2 同一高度避雷针在不同保护高度的保护范围

以榆林光伏项目的升压站区域为例，本工程采用构架避雷针，装设在110kV配电装置构架上，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。根据IEC标准和国内标准，按III类建筑考虑，滚球半径为60m。由图4可见，采用折线法，单根避雷针的保护范围完全能够覆盖高压侧进出线、主变等，因此仅需一根避雷针满足要求。但是采用滚球法时，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，需要调整避雷针数量或位置等，否则如果雷击高压侧进出线会给电气设备造成较大危害。

3.2 多支等高避雷保护范围的比较

以国内某工程的110kV配电装置区域为例，该配电区域采用4根构架避雷针，左侧两根避雷针高度均为30.1m，右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。采用折线法计算时四根避雷针能完全保护110kV配电装置区域，但是采用滚球法时有部分区域不在保护范围内。

4 问题探讨及结论

折线法和滚球法在保护方式及计算方式上存在着较大差异，甚至影响了电气设备和避雷针的布置方式。目前国内变电站及发电厂配电装置等均采用折线法计算，一般可通过构架避雷针和独立避雷针相配合实现对全站的雷电保护，且布置方便，方案成熟。如采用滚雷法，同样条件下难以做到全站保护，为满足全站保护的要求会增加有关投资。滚球法是按照几何原理分析得出的，没有考虑多针间的电磁屏蔽作用，其多针计算方法过于保守。雷电及防雷理论国际上争论很大，目前尚未形成统一权威的认识。防雷计算方法无论是折线法还是滚球法均是建立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几率问题，中国国标规定了避雷针保护范围内可遭受雷击概率为0.1%，即保护范围可靠率达99.9%。IEC标准IEEE Std142-1991规定避雷针击距（或球半径）为30m时保护范围内遭受雷击概率大约为0.1%，击距（或球半径）采用45 m时雷击概率大约为0.5%。

目前电力系统的电气设备直击雷防护都是根据现行行业标准采用折线法设计的，而按照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。对于国内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。在涉外工程中由于采用IEC规范较普遍，可根据滚球法进行有关防雷设计以满足IEC规范的要求。