牵引变电所避雷针保护范围确定方法研究

魏 光

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处,西安 710043)

1 概述

在电气化铁路牵引变电所防雷设计中,一般采用避雷针作为防雷装置,其保护范围的确定决定了避雷针的位置、高度、基础、材质等多项指标的选择。

现行的行业标准[1]规定用折线法确定避雷针的保护范围,在普速铁路牵引变电所防雷设计中广泛使用,运行经验说明,其确定的保护范围是可靠的。随着牵引供电系统电源电压等级的提高,牵引变电所场坪面积及架构高度相应增大,原有的折线法确定的保护范围的可靠性随之降低。自20世纪80年代初,国际上许多国家的建筑防雷标准相继采用滚球法作为避雷针保护范围的基本方法。国际电工委员会于1990年出版IEC1024—1：1990,推荐采用滚球法确定避雷针保护范围。我国标准《建筑防雷设计规范》(GB50057—94)(2000年版)[3]也参照IEC标准规定确定避雷针保护范围应采用滚球法。

根据牵引变电所防雷设计中的具体情况,在不同避雷针布置方式下,分别给出了参数计算、制图步骤等设计流程。案例计算验证了方案的可行性,与现行折线法的对比分析得出了滚球法可靠性更高的结论。

2 单支避雷针保护范围

牵引变电所防雷设计分为避雷针保护范围参数计算和制图两个步骤。

2.1 参数计算

(1)初始参数定义

hr——滚球半径，m,第一类防雷建筑物为30 m,第二类防雷建筑物为45 m,第三类防雷建筑物为60 m[3]；

hx——被保护物的高度，m,选择所内需保护物的最高高度,一般为进线门形架(变电所)或馈线门形架(开闭所、分区所、AT所)；

h——避雷针的高度，m。

(2)相关半径

hx高度平面上的保护半径rx及地面上的保护半径r0

当h≤hr时,

(1)

当h>hr时,

(2)

2.2 制图

以避雷针所在位置为圆心,rx为半径作圆,圆内即为hx高度平面上的保护范围,如图1所示。

图1 单支避雷针保护范围

2.3 案例计算

单支避雷针布置一般用于AT所。由国标[3]可知,牵引变电所类同第二类建筑物,选取滚球半径为45 m,且27.5 kV馈线门形架一般取7.3 m高,参数设置及计算结果如表1所示。

表1 单支避雷针保护范围计算结果 m

被保护物落在图1所示的圆内即受到保护。

3 双支等高避雷针保护范围

3.1 参数计算

(1)初始参数定义

hr、hx、h的定义同前。

D——两针间距离，m。

(2)相关半径

rx、r0分别同式(1)、式(2),两针间保护范围半径r0x为

r0x=r0-rx

(3)

(3)最低保护高度及宽度

双支避雷针内侧最低保护高度h0为

(4)

hx高度平面上每侧最小保护宽度bx为

(5)

地面上每侧最小保护宽度b0为

(6)

3.2 制图(图2)

(1)作A、B两点的垂直平分线,并在线段AB两侧取距离为b0的2点E、C,连接A、E、B、C4点；

(2)分别以A、B为圆心,rx为半径作弧线与四边形AEBC相交；

(3)分别以C、E为圆心,r0x为半径作弧线与(2)中弧线相接。

如图2所示,粗实线部分内部即为hx高度平面上的保护范围。

图2 双支等高避雷针保护范围

3.3 案例计算

双支等高避雷针布置一般用于分区所,27.5 kV馈线门形架一般取7.3 m高,参数设置及计算结果如表2所示。

表2中h0≥hx,全部范围得到保护。

表2 双支等高避雷针保护范围计算结果 m

4 双支不等高避雷针保护范围

4.1 参数计算

(1)初始参数定义

hr、hx、rx、r0、r0x、D的定义同前；

h1,h2——两支避雷针的高度，m,假设h1

(2)最低保护高度及宽度

双支避雷针垂直平面上针h1与球心垂线间的距离D1为

(7)

双支避雷针内侧最低保护高度h0为

(8)

hx高度平面上每侧最小保护宽度bx同式(5)

地面上每侧最小保护宽度b0为

(9)

4.2 制图(图3)

(1)距B点距离D1处作垂线,并在线段AB两侧取距离为b0的2点E、C,连接A、E、B、C4点；

(2)分别以A、B为圆心,rx为半径作弧线与四边形A、E、B、C相交；

(3)分别以C、E为圆心,r0x为半径作弧线与(2)中弧线相接。

如图3所示,粗实线部分内部即为hx高度平面上的保护范围。

图3 双支不等高避雷针保护范围

4.3 案例计算

双支不等高避雷针布置一般用于牵引变电所主变低压侧至馈线门形架间,27.5 kV馈线门形架一般取7.3 m高,参数设置及计算结果如表3所示。

表3 双支不等高避雷针保护范围计算结果 m

表3中h0≥hx,全部范围得到保护。

5 三支等高避雷针保护范围

5.1 参数计算

hr、hx、h、rx、r0、r0x、D1,2,3的定义同前。

三支避雷针内侧最低保护高度h0为

(10)

bx、b0的计算同式(5)、式(6)。

5.2 制图(图4)

将A、B、C三点分别按两支等高避雷针布置制图,其外轮廓内部即为hx高度平面上的保护范围。

图4 三支等高避雷针保护范围

5.3 案例计算

三支等高避雷针布置一般用于开闭所,27.5 kV馈线门形架一般取7.3 m高,为简便计算,三支避雷针按等边三角形对称布置,参数设置及计算结果如表4所示。

表4 三支等高避雷针保护范围计算结果 m

表4中h0≥hx,全部范围得到保护。

6 矩形布置的四支等高避雷针保护范围

6.1 参数计算

hr、hx、h、rx、r0、r0x、D1～4的定义同前。

四支避雷针内侧最低保护高度h0为

(11)

bx、b0的计算同式(5)、式(6)。

6.2 制图(图5)

两两避雷针作保护范围,连接所有弧线,其外轮廓内部即为hx高度平面上的保护范围。

图5 矩形布置四支等高避雷针保护范围

6.3 案例计算

矩形布置四支等高避雷针布置一般用于牵引变电所,220 kV馈线门形架一般取13 m高,为简便计算,四支避雷针按正方形布置,参数设置及计算结果如表5所示。

表5 矩形布置四支等高避雷针保护范围计算结果 m

表5中h01,2,3≥hx,全部范围得到保护。

7 案例对比分析

根据上述计算方法,编制了基于LabVIEW的仿真计算软件。以客运专线220 kV牵引变电所为例,设置4支等高矩形布置(50 m×50 m)的避雷针。为对比分析,同时计算了采用折线法的避雷针保护范围,参数设置及仿真计算结果如图6所示。

图6 对比计算结果

由计算结果可知,同样实现牵引变电所全部保护,应用折线法仅需设置25 m高的避雷针,而应用滚球法则需设置31 m高的避雷针,可见滚球法较折线法计算所得保护范围小,如图7所示。

图7 避雷针保护范围对比

折线法是以经验和小雷电冲击电流下的模拟试验为基础确定避雷针的保护范围。在模拟试验中,没有考虑雷电先导从避雷针侧向发展且高度较低时发生侧击的可能。而滚球法是以击距理论为基础,根据闪击距离确定避雷针的保护范围的。其不考虑雷电极的放置位置,包含了雷电侧击的影响。这是造成滚球法的保护范围比折线法小的主要原因。一般可以认为,滚球法的可靠性更高。

8 结论

借鉴IEC标准推荐的滚球法,将其引入牵引变电所防雷设计中。根据应用实际,分别给出了避雷针保护范围确定设计中的参数设计和制图细节,并通过案例计算验证方法的可行性。通过与现行规范中规定的折线法的对比计算分析,得出滚球法较折线法计算所得保护范围小,滚球法可靠性较高的结论。方案的提出为日后牵引变电所防雷设计提供了参考。

[1]中华人民共和国铁道部.TB10009—2005 铁路电力牵引供电设计规范[S]．北京：中国铁道出版社，2005.

[2]林维勇.建筑物防雷(一)-国际电工委员会标准IEC1024-1：1990[J].建筑电气,1991(1)：42-45．

[3]中华人民共和国建设部.GB50057—94(2000年版) 建筑物防雷设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2000.

[4]林维勇.用滚球法确定建筑物防雷接闪器的保护范围[J].建筑电气,1993(3)：102-112．

[5]盛才超.滚球法确定三支避雷针保护范围的作图[J].建筑电气,1995(2)：39-40．

[6]刘文正.确定避雷针(线)保护范围的滚球法与折线法的比较[J].建筑电气,1993(1)：8-12．