接闪杆与接闪线在牵引变电所直击雷防护中的配合

尹 伊

0 引言

牵引变电所的防雷设计是牵引供电设计工作的重要环节之一，应根据所在地实际情况，结合牵引变电所的运行经验，从防护范围计算、技术、经济等多方面进行防雷设计比较，按需设置相应的防雷设施。在实际运用过程中，结合TB 10180—2016《铁路防雷及接地工程技术规范》[1]和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]中关于变配电设备间的防雷要求，牵引变电所的直击雷防护措施主要包括安装接闪杆和架设接闪线，本文将结合实际案例讨论在牵引变电所防直击雷保护范围计算中这两者间的配合。

1 保护范围计算

对于牵引变电所中接闪杆保护范围的计算，主要有滚球法与折线法两种方法。GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》推荐采用滚球法，同时这也是 IEC 62305《雷电防护 Protection against lightning》[3]中采用的方法；而TB 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》[4]参考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]中所采用的折线法，并对其进行了简化以便于计算。对于牵引变电所中接闪线保护范围的计算，可将安装在建筑物屋顶的接闪线抽象为多根接 闪杆的集合[5]，按照接闪杆保护范围的计算方法进行计算。

根据滚球法原理—击距理论的描述，滚球法的几何模型是半径为hr的球体沿被保护物体滚动，在球体被地面或地面提前先导面接触支撑时所确定的范围，即为接闪杆的保护范围，如图1所示。同理，半径为hr的球体集合体滚动所确定的保护范围，即为接闪线的保护范围，如图2所示。

图1 滚球法确定接闪杆保护范围

图2 滚球法确定接闪线保护范围

2 牵引变电所防直击雷设计案例

本文以埃及斋月十日城轻轨项目中的Badr牵引变电所为例，进行牵引变电所防直击雷设计的讨论，结合该所设计、布置情况，以及海外项目要求遵循 IEC 62305《雷电防护 Protection against lightning》的规定，首先对其采用滚球法进行防雷保护范围的计算。

在牵引变电所的防雷设计滚球法计算中，根据当地实际情况，参考IEC 62305中表格“Table 2 Rolling sphere radius, mesh size and protection angle corresponding to the type of LPS”，确定计算中滚球半径hr= 60 m[3]。按照220 kV进线侧架构高度12 m确定保护高度hx，以确定接闪杆（高度h= 35 m）是否能够保护电压等级为220 kV的室外高压设备及牵引变压器、电力变压器。根据式（1）：

确定其对于地面的保护范围半径r0= 54.54 m。

再根据式（2）：

确定其在高度hx= 12 m处的保护范围半径rx= 18.54 m。

根据式（3）确定每2根接闪杆之间在高度hx平面上保护范围宽度bx，如表1所示。

式中：D为2根接闪杆之间的距离，m。

计算结果如表1所示。绘制接闪杆保护范围如图3所示。

表1 每2根接闪杆之间在高度hx平面上保护范围 m

图3 接闪杆滚球法防雷保护范围

图4 接闪杆滚球法联合保护范围剖切面（单位：mm）

由图3可知，27.5 kV设备未在接闪杆防雷保护范围内，由于27.5 kV进线高压室设备及馈线设备高度较低，最高处仅4 m，考虑以hx= 4 m计算保护范围，据式（2）得出保护范围半径rx= 33.00 m，据式（3）得出4#、5#接闪杆间保护范围宽度bx= 16.69 m。

无论是以12 m作为保护高度，还是以4 m作为保护高度计算，27.5 kV馈线侧室外设备均未在接闪杆保护范围内，但根据场坪条件，以及设备的布置情况，无法在此处增设接闪杆，因而考虑以架设在建筑物屋顶20.3 m处的接闪线与接闪杆进行配合。将接闪线抽象为多根接闪杆的集合，进而将滚球法视作以hr为半径的柱体沿接闪线滚动。同理，此处滚球半径hr= 60 m，在hx高度上两侧的保护宽度计算式为

根据式（4）得到hx= 4.00 m时，bx= 23.45 m，此时防雷保护范围如图5所示。

图5 接闪杆与接闪线滚球法防雷保护范围

由图5得出结论，在接闪杆与接闪线的配合下，防雷保护范围可以覆盖全所的室外变电设备。

为保证计算结果的可靠性[6]，使用折线法进行验证。在采用折线法计算时，同样先以保护高度12 m进行计算，后对4#、5#接闪杆选取保护高度4 m进行计算，得到各计算参数如表2所示，其中高度影响系数，rx=(h-hx)·P，h0=，bx= 1.5(h0-hx)。

表2 折线法各计算参数

根据表2绘制防雷保护范围，如图6所示。

图6 接闪杆折线法防雷保护范围

由图6可知，对于保护高度12 m的保护范围，27.5 kV馈线侧设备并未完全处于保护范围内，但27.5 kV设备高度有限，最高处仅4 m，因此通过计算4#、5#两根接闪杆在4 m（27.5 kV电缆头支架高度）高处的保护范围可知，此时馈线侧设备均在保护范围内。

根据以上论述，Badr牵引变电所在接闪杆与接闪线的配合下，能够完成所内全部室外变电设备的直击雷防护。

3 结语

本文以一个较为特殊的案例，讨论了在牵引变电所的防雷设计中接闪杆与接闪线的配合情况，以及折线法与滚球法在实际应用中的差别。在实际工程中，牵引变电所的直击雷防护设计在特殊情况下应考虑接闪杆与接闪线相配合，在保护全面的前提下合理地做到降本增效。