阿尔塔什水利枢纽工程的防雷设计与探讨

张沛广

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 引言

防雷措施的设置是工程设计中不可或缺、重要的一环。目前我国对防直击雷已提出了具体可实施性的要求，随着中国电力产业的发展，我国虽然因为雷击而造成的断路器跳闸率较低，在国际尚处于领先地位，但是直雷击事故从未消失。本文通过对阿尔塔什水利枢纽工程生态电站出线的防雷进行计算，最终确定了防直击雷设计方案，计算过程中运用做图确定防雷范围，简化了计算步骤，并提出了必要的“防雷裕度”。

2 阿尔塔什水利枢纽工程防雷设计

2.1 工程状况

阿尔塔什水利枢纽工程位于叶尔羌河干流山区河段上，是叶尔羌河干流山区河段上的一座具有防洪、灌溉、生态和发电的控制性水利枢纽工程。生态电站主厂房内布置2 台27.5 MW 立轴混流式水轮发电机组，安装场布置在主厂房右侧端。副厂房布置在主厂房上游侧。主变压器布置于主厂房上游墙外侧，主变场与发电机层同标高。

雷暴作为联合国“国际减灾十年”公布的最严重的10 种自然灾害之一，是积雨云引起的强烈的雷电天气现象，常常伴有强烈雷电活动和阵性降水的“局地风暴”或“对流性风暴”。西北地区（35°N以北且105°E 以西的部分）下垫面多为沙漠和戈壁等干旱地表，年平均雷暴日多不足15 d，发生频数相对较低[9]。其中喀什地区的雷暴天气主要出现在4～10 月，其中6 月、7 月是雷暴天气的高峰时段，喀什地区的雷电灾害也是层出不穷，在过去的百年间，给当地的生产生活造成了巨大的影响[10]。主副厂房屋顶设置避雷带，用于厂房建筑物的防直击雷保护。220 kV 全线架设避雷线，转角塔顶设置避雷针，用于本工厂出线侧的防雷保护。

2.2 避雷线及避雷针的设置

最初本工程出线采用门型架，通过在生态电站后边坡的固定挂钩，将220 kV 线路送出。

但由于生态电站后边坡位于洪积扇上，地形略起伏，自然坡度5°～15°。表部覆盖洪积含土碎块石、碎石土，厚度一般7～13 m；下伏基岩为石炭系灰岩、砂岩、页岩互层，强风化层厚3～5 m。虽然施工过程中清除了表部覆盖层，基岩坡岸1∶0.5 开挖，整个边坡采用挂网加系统锚杆支护，对不稳定岩体采用锚索及混凝土贴坡方式进行支护。但考虑到生态电站边坡的稳定性较差，生态电站边坡的挂钩取消，出线门型架调整为转角塔，如图1。本工程历年雷暴日数平均为9 d，最多为17 d，最少为4 d，多发生在5～9 月间，为保证工程稳定可靠运行，现对避雷针与避雷线设置进行阐述，对其保护范围进行探讨。

图1 户外出线场平面布置图

2.2.1 避雷线

（1）避雷线在主厂房及转角塔悬挂高程不同，故保护范围也不同

根据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》20 页式5.2.4-1、5.2.4-2、5.2.5-1～3 可知：

当hx≥0.5h时，保护半径应按下式确定：

rx=0.47（h-hx）P

当hx＜0.5 h 时，保护半径应按下式确定：

rx=（h-1.5hx）P

rx—避雷针或避雷线在hx水平面上的保护范围（m)；

时至今日，大多数医院的负责人以及财务人员并未从根本上意识到预算管理与成本控制的重要性，从而导致其在开展工作的过程中缺乏全局意识以及统筹意识。部分医院虽然认为预算具有必要性，但对该内容的执行缺乏必要的约束与监督，导致财务预算管理完全流于形式，资金容易出现浪费或利用不足等情况。除此之外，某些工作人员还有可能利用相关的漏洞挪用资金或侵占公共财产，最终对医院的效益和绩效产生消极影响，阻碍了医院的发展。在当前的时代背景下，医院的发展开始呈现出艰难之势，有关负责人与工作人员必须要对其引起重视，积极做好预算管理与成本控制工作。

hx—被保护物的高度（m )。

两避雷线间各横截面的保护范围应由通过两避雷线及保护范围边缘最低点O 的圆弧确定。O点的高度应按下式计算：

hO=h-D/(4P)

hO—两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度（m)；

D—两避雷线间的距离(m)。

1）Ⅰ-Ⅰ剖面

避雷线高程为1 687.50 m，地面高程为1 669.60 m，避雷线间距为11 m，避雷线高度为17.9 m，通过计算，避雷线保护范围（Ⅰ-Ⅰ剖面）主要点位见表1。

表1 Ⅰ-Ⅰ剖面避雷线保护范围主要点位

2）Ⅱ-Ⅱ剖面

避雷线高程为1 688.60 m，地面高程为1 669.60 m，避雷线间距为7 m，避雷线高度为19 m，通过计算，避雷线保护范围（Ⅱ-Ⅱ剖面）主要点位见表2。

表2 Ⅱ-Ⅱ剖面避雷线保护范围主要点位

3）Ⅲ-Ⅲ剖面

避雷线高程为1 695.10 m，下方导线最高点为1 690.60 m，地面高程为1 669.60 m，避雷线间距为4 m，避雷线高度为25.5 m，导线高度21 m，通过计算，避雷线保护范围（Ⅲ-Ⅲ剖面）主要点位见表3。

表3 Ⅲ-Ⅲ剖面避雷线保护范围主要点位

（2）技施及运行阶段，防雷保护需考虑到以下因素：

1）本工程实际最大风速22 m/s，多年平均最大风速16 m/s，因此220 kV 导线及避雷线在实际运行过程中，存在一定的风偏。

2）本工程在转角塔、绝缘子、导线、避雷线等设备安装过程中存在一定不可控的误差与调整。

3）本工程副厂房上游侧采用回填砂砾石，且水利工程建设中，最常见的状况就是不均匀沉降问题[6]，因此不应忽视地质条件引起的避雷线的变化。

4）根据研究发现，终端杆塔装设避雷针比避雷线单一保护方式存在明显优势[7]。

综合上述因素，考虑到防雷措施的安装及设置与防雷设备高度、数量、布置、相对位置及大气地理条件等因素有关，这些因素多为随机性，某些关键因素至今无法定量，保护范围所用计算方法的正确性不可能严格证明。一般由理论分析、实验室模型研究、长期实际运行经验证明三者结合的方法才能正式推荐使用。可以说，当今国际上所有确定避雷针保护范围的计算公式均为经验公式，且保护范围是相对于保护物在此空间内遭受雷击概率的多少而言，不能将保护范围绝对化。因此防雷保护措施在满足规范要求的前提下，应留有足够裕度，虽然避雷线（OPGW）的保护范围满足设备保护范围，但裕度较小，考虑到增设避雷针造价不高，因此为保证设备安全稳定运行，在转角塔塔顶增设1 m 避雷针。

2.2.2 避雷针

避雷针顶部高度为1 696.10 m，地面高度1 669.60 m，避雷针高26.5 m，根据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》16 页式5.2.1-1、5.2.1-2 可知：

当hx≥0.5h时，保护半径应按下式确定：rx=（h-hx）P=haP

当hx＜0.5h时，保护半径应按下式确定：rx=（1.5h-2hx）P

rx—避雷针或避雷线在hx水平面上的保护范围（m)；

hx—被保护物的高度（m)；

ha—避雷针的有效髙度（m)。

通过计算，避雷针保护范围主要点位见表4。

表4 横剖面避雷针保护范围主要点位表

3 结论

本文对阿尔塔什水利枢纽工程生态电站的防雷设计进行了研究计算，总结如下：

（1）在实际计算过程中，对于比较复杂的避雷线，尤其是高度和水平间距渐变的避雷线，不必苦苦寻找模拟方程，进行公式计算，可通过规范比例画图，利用CAD 直观标注测量进行计算，简单方便。

（2）防雷保护仅仅是一种概率统计下的数据汇总，目前国内手册及规范要求防雷保护的计算结果并非绝对“安全”，因此在实际设计过程中，考虑到各种误差、气象等外界不可控因素的存在，为保证设备可靠运行，在成本可控范围内，可适当增大保护范围，留有一定的“防雷裕度”。

目前本工程机电设备基本已安装完成，通过计算目前防直击雷设备的设置满足本工程的要求，为后续工程防直击雷设计提供了参考。