基于500 kV变电站的直击雷防护设计比较

(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663；2. 广州供电局有限公司，广东 广州 510000)

0 引 言

直击雷防护的基本思路是采用避雷针(线)引导雷电从保护物上方通过，并安全泄入大地，减小在其保护范围内的电气设备和建筑物遭受直击雷的概率[1]。目前500 kV变电站一般采用折线法计算，选用避雷针实现直击雷防护。而换流站一般采用滚球法计算，选用避雷线柱实现直击雷防护。

根据中国南方电网有限公司《变电站(换流站)设施及附属设备装备技术导则(试行)》的要求，对于保底变电站(重要变电站，是防灾保底电网的组成部分)，全站防雷设计应采用滚球法。根据《南方电网35 kV～500 kV变电站装备技术导则(变电一次分册)》的要求，保底变电站应选用户内布置，因此保底变电站的500 kV配电装置与220 kV配电装置均为户内GIS。下面以保底变电站为例，分别采用目前常用的折线法与技术导则建议的滚球法做防雷保护计算，对计算结果进行对比、分析，并给出防雷设计建议。

1 防雷计算方法简介

1.1 折线法

折线法(详见GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》[2]、DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压和绝缘配合》[3])运行经验丰富，能较好地实现对站内设备的直击雷防护。

折线法的基本原理如图1所示，被保护物高度hx水平面的保护半径rx，主要与避雷针高度h、被保护物高度hx有关。

图1 折线法原理

折线法的保护高度主要与避雷针(线)高度h相关。对于等高的避雷针(线)，最小保护高度的变化值受避雷针(线)间的距离影响，折线法没有考虑绝缘水平对防雷范围的影响。

1.2 滚球法

滚球法(详见IEEE Std-998—1996《IEEE Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations》[4])是国际电工委员会(IEC)推荐的接闪器保护范围的一种计算方法。该方法基于电气几何模型，避雷针(线)的保护范围依赖于雷电流幅值，充分考虑了不同区域设备的绝缘水平。

滚球法的基本原理如图2所示，以半径为雷电流击距S的一个球体，沿需要防直击雷的部分滚动，当球体只触及到避雷针(线)或地面并不触及需保护的设备h时，设备得到了防雷保护。此时设备的保护裕度为m，滚球的沉降高度为x。

图2 滚球法原理

滚球法根据被保护设备的绝缘水平与导体的波阻抗，计算最大允许的雷电冲击电流值与雷电流击距S。通过雷电流击距值S、避雷针(线)的高度hsw及避雷针(线)间的距离L，计算保护范围。

滚球法的保护范围除了受避雷针(线)高度、避雷针(线)间的距离影响，与被保护设备的绝缘水平密切相关。

2 计算实例

采用折线法对常规500 kV保底变电站进行防雷计算，如图3所示，在500 kV进线构架上设置3根56 m避雷针；在500 kV出线构架上设置4根33 m避雷针，对500 kV的户外设备进行防雷保护。在220 kV进线构架上设置4根38 m避雷针；在220 kV出线构架上设置4根21 m避雷针，对220 kV的户外设备进行防雷保护。500 kV主变压器进线跨线、220 kV主变压器进线跨线以及35 kV场地设备由500 kV与220 kV进线构架的避雷针形成的联合保护范围来保护。

图3 防雷保护-折线法

采用滚球法对常规500 kV保底站进行防雷计算，将变电站划分为3个区域，如表1所示，分别计算各区域的雷电流击距。

表1 500 kV变电站雷电流击距计算数据

采用滚球法对各区域进行防雷计算，如图4所示，在500 kV进线构架上设置6个33 m避雷线柱；在500 kV出线构架上设置4个33 m避雷线柱；在220 kV进线构架上设置9个28 m避雷线柱；在220 kV出线构架上设置4个21 m避雷线柱可以实现对变电站的防雷保护。

图4 防雷保护-滚球法

3 折线法和滚球法的保护措施比较

根据前面的计算结果，对于500 kV保底变电站，将折线法和滚球法的防雷保护措施列于表2。

表2 防雷保护措施对比

如表2所示，采用折线法进行防雷保护，相对滚球法来说，避雷针的数量较少，高度更高。

折线法的保护高度和范围主要与避雷针(线)高度相关。对于等高的避雷针(线)，最小保护高度的变化值和避雷针(线)间的距离呈线性关系。对于一定的保护高度，可以通过加高避雷针(线)的高度、加密避雷针(线)的设置有效扩大保护范围。因此和滚球法相比，折线法采用的避雷针数量少，而高度更高。

而滚球法是用设备的绝缘水平计算雷电流击距，再根据避雷线的位置计算滚球雷的沉降高度，校核保护距离。500 kV与220 kV交流设备区域绝缘水平高，最大的允许雷击电流值较大，雷电流击距较大，避雷线柱布置地较为稀疏就可以有效地对该区域的设备进行防雷保护。35 kV交流设备区域绝缘水平低，最大的允许雷击电流值较小，雷电流击距较小，保护该区域的500 kV、220 kV进线构架的避雷线柱需加密设置才能实现对该区域设备的防雷保护。因此和折线法相比，滚球法在500 kV、220 kV进线构架设置的避雷线柱个数更多。

下面针对各电压等级的设备区域来进行滚球法与折线法的对比分析。

1)对于500 kV设备区域，采用滚球法，如图5所示。在500 kV进线构架上设置3根33 m避雷线柱；在500 kV出线构架上设置4根33 m避雷线柱可以实现防雷保护。 此时滚球的最大沉降高度为4.19 m，考虑弧垂3 m，最小保护高度为25.81 m，大于 500 kV交流设备区域的最大保护高度(主变压器进线跨线)24 m，保护裕度不小于1.81 m。

图5 500 kV设备区域防雷保护

将避雷线柱换成等高的避雷针，采用折线法进行防雷保护计算。考虑500 kV设备区域由33 m等高避雷针来保护，此时保护范围内上部边缘最低点的高度为26.8 m，保护裕度不小于2.8 m。

2)对于220 kV设备区域，采用滚球法，如图6所示。在220 kV进线构架上设置5根26 m避雷线柱；在220 kV出线构架上设置4根21 m避雷线柱可以实现防雷保护。此时滚球的最大沉降高度为1.16 m，考虑弧垂3 m，最小保护高度为16.84 m，大于 220 kV交流设备区域的最大保护高度(出线构架)14.5 m，保护裕度不小于2.34 m。

将避雷线柱换成等高的避雷针，采用折线法进行防雷保护计算。偏严考虑，220 kV设备区域由21 m等高避雷针来保护，此时保护范围内上部边缘最低点的高度为18.3 m，保护裕度不小于3.8 m。

3)对于35 kV设备区域，采用滚球法，如图7所示。在500 kV进线构架上设置6根33 m避雷线柱；在220 kV进线构架上设置9根26 m避雷线柱；可以实现防雷保护。此时滚球的最大沉降高度为8.28 m，考虑弧垂4.5 m，最小保护高度为13.22 m，大于 35 kV交流设备区域的最大保护高度(35 kV设备)10 m，保护裕度不小于3.22 m。

图7 35 kV设备区域防雷保护

4)对于500 kV主变压器进线跨线，如图8所示，滚球的最大沉降高度为2.12 m，考虑弧垂，此时的最小保护高度为26 m，大于最大保护高度24 m，保护裕度不小于2 m。

对于220 kV主变压器进线跨线，如图8所示，滚球的最大沉降高度为3.12 m，考虑弧垂，此时的最小保护高度为21.6 m，大于最大保护高度20 m，保护裕度不小于1.6 m。

图8 主变压器进线跨线区域防雷保护

采用相同的防雷措施，使用折线法进行防雷保护计算。考虑35 kV设备区域由等高避雷线来保护，考虑避雷线弧垂4.5 m，此时保护范围内上部边缘最低点的高度为17.6 m，保护裕度为7.6 m。

对于500 kV主变压器进线跨线区域，考虑由等高避雷线来保护，如图8所示，考虑避雷线弧垂，避雷线高度不小于28 m，此时保护范围内上部边缘最低点的高度为21.25 m，小于最大保护高度24 m。

通过以上分析，可知接收机链路的绝对时延和时延波动由通道中带宽最窄滤波器决定的，因此在实际设计中要减小电路的绝对时延与时延波动，应满足以下设计原则和措施：

对于220 kV主变压器进线跨线区域，考虑由等高避雷线来保护，如图8所示，考虑避雷线弧垂，避雷线高度不小于24 m，此时保护范围内上部边缘最低点的高度为18 m，小于最大保护高度20 m。

将折线法与滚球法分区域的计算结果对比如表3所示。

表3 防雷保护裕度计算结果 单位：m

如表3所示，对于500 kV设备区域和220 kV设备区域，折线法采用与滚球法避雷线柱等高的避雷针进行防雷保护计算，两种算法的保护裕度是接近的。对于35 kV设备区域，两种算法的防雷保护措施相同，折线法的保护裕度明显大于滚球法。对于500 kV、220 kV主变压器进线跨线区域，折线法不能实现防雷保护。由于折线法的保护高度和范围与避雷线高度相关，将避雷线的高度加大3 m可以实现对跨线区域的防雷保护。

由此推断，对于保底的500 kV变电站的500 kV设备区域、220 kV设备区域，两种计算方法的结果是接近的；对于绝缘水平较低且跨度较大的35 kV设备区域、500 kV及220 kV主变压器进线跨线区域，两种计算方案的差异相对明显。由于35 kV设备绝缘水平较低，滚球法需加密避雷线柱的布置来减少滚球的沉降高度，实现防雷保护。而根据折线法的计算原理，需加高避雷针的高度实现防雷保护。

折线法的保护范围受避雷针(线)高度影响更大，加大避雷针(线)高度可以明显扩大保护范围，和被保护设备的绝缘水平没有关系。而滚球法的保护范围受避雷针(线)间的距离、保护设备的绝缘水平影响更大，需针对不同的绝缘水平的设备进行分区域的保护范围校验。

4 结 语

通过上述分析，得到以下结论：

1)对于500 kV变电站，采用折线法进行防雷保护，与滚球法相比，避雷针的数量较少，为了实现对500 kV主变压器进线跨线、220 kV主变压器进线跨线的保护， 500 kV、220 kV进线构架的避雷针高度较高。采用滚球法进行防雷保护，为了实现对35 kV场地设备的保护，需加密避雷线柱的设置。

2)500 kV与220 kV区域采用相同高度的避雷针或避雷线柱进行保护，折线法、滚球法计算的保护裕度是接近的。对于35 kV场地设备、500 kV主变压器进线跨线、220 kV主变压器进线跨线区域，两种计算方法的区别较明显。

3)对于重要的保底变电站，采用滚球法进行防雷保护范围校验， 35 kV场地设备区域的计算结果相对折线法来说是偏严的，能达到更好的防护效果。