國外水電站及變電站直擊雷防護(hù)設(shè)計探討

1、外水電站及變電站直擊雷防護(hù)設(shè)計探討摘要：本文結(jié)合國內(nèi)外主要水電站及變電站防雷設(shè)計規(guī)范等，介紹了國內(nèi)外直 擊雷防護(hù)設(shè)計主要思路，列舉了折線法、滾球法、定角法等設(shè)計方法。通過海外 實際工程的總結(jié)，列舉了屋頂接閃器設(shè)置等直擊雷防護(hù)設(shè)計中需要注意的若干問 題，為海外工程直擊雷防護(hù)設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞：水電站；變電站；防雷1防雷設(shè)計主要規(guī)范雷電是常見的自然現(xiàn)象，其能量大、破壞力強，因此各類戶內(nèi)外建筑物、設(shè) 備等都要求采取一定的防雷接地措施，以降低雷擊損害。我國對于水電站、變電站的雷電過電壓及保護(hù)的主要規(guī)范有GB/T 50064、 GB/T 21714等。國外相關(guān)設(shè)計規(guī)范主要有IEEE 998、GB 50

2、057和IEC 62305等。 其中GB/T 21714等同采用IEC 62305。水電站、變電站直擊雷防護(hù)設(shè)計按照區(qū)域劃分主要分為兩部分，一是戶外機 電設(shè)備防雷，如戶外開關(guān)站、變電站中的高壓配電裝置等，采用避雷針或避雷線 進(jìn)行防護(hù)；二是建筑物防雷，如廠房、控制樓屋頂防雷措施等。本文主要探討上 述相關(guān)設(shè)計措施在國外工程中的應(yīng)用，以及國內(nèi)外規(guī)范中相關(guān)內(nèi)容的差異等。2戶外設(shè)備直擊雷防護(hù)設(shè)計雷電現(xiàn)象不可預(yù)知，存在一定概率，其理論分析十分復(fù)雜，工程上不能提供 100%防止雷擊的辦法。經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者的研究，水電站、變電站戶外設(shè)備直 擊雷防護(hù)目前主要采用避雷針或避雷線保護(hù)。國內(nèi)外常采用折線法、滾球法、

3、定 角法等。2.1折線法我國主要采用折線法進(jìn)行直擊雷防護(hù)設(shè)計，如GB/T 50064以及相關(guān)設(shè)計手冊 中均有論述。避雷針或避雷線的保護(hù)半徑計算公式與被保護(hù)物高度有關(guān)，相關(guān)計 算過程詳見文獻(xiàn)13。圖1折線法示意圖折線法多用于國內(nèi)工程，國外水電站及變電站防雷設(shè)計中較少采用。2.2滾球法國外水電站、變電站工程常采用滾球法進(jìn)行直擊雷防護(hù)設(shè)計，國外規(guī)范如文 獻(xiàn)45 均有提及。我國標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)6 也引用了滾球法。圖2滾球法示意圖滾球法，即可將雷電模擬成球體，凡是球體可以滾動接觸到的位置都有較大 的雷擊風(fēng)險，而由于避雷針或避雷線的作用，導(dǎo)致球體無法接觸到的位置即為避 雷針或避雷線的保護(hù)范圍。工程中采用作圖法，即

4、可直接判斷物體是否在避雷針 或避雷線的保護(hù)范圍內(nèi)，文獻(xiàn)6 則將求取保護(hù)范圍的幾何公式推導(dǎo)出來，方便工 程計算。采用滾球法的首要問題是確定滾球半徑，文獻(xiàn)4-6 給出了滾球半徑的求取 方法，其與雷電流數(shù)據(jù)有關(guān)，IEC 62305及GB/T 21714將雷電防護(hù)水平（LPL）和 雷電防護(hù)系統(tǒng)（LPS）分為了 4個等級，I、II、III、IV級重要性由高到低，給出了 對應(yīng)的滾球半徑分別為20m、30m、45m、60m，由于國外工程常缺乏相關(guān)地區(qū) 數(shù)據(jù)，直接求取滾球半徑的方法在工程設(shè)計中較難執(zhí)行，且將水電站或變電站歸 為幾級雷電防護(hù)系統(tǒng)較難推導(dǎo)及定義。GB 50057則相對更近一步，根據(jù)不同建筑 物特點

5、，定義了三類防雷建筑物，一、二、三類重要性由高到低，給出了對應(yīng)的 滾球半徑分別為30m、45m、60m，水電站及變電站可參照滾球半徑45m進(jìn)行設(shè) 計。在收集到的一些國外咨詢公司設(shè)計成果以及相關(guān)交流時也了解到對于水電站 或變電站多采用滾球半徑45m進(jìn)行校驗。2.3定角法定角法，即將避雷針或避雷線兩側(cè)保護(hù)角定為45，以此校驗保護(hù)范圍。該方 法執(zhí)行簡單，但在水電站及變電站防雷設(shè)計中較少采用。圖3定角法示意圖3建筑物直擊雷防護(hù)設(shè)計水電站、變電站內(nèi)不在避雷針或避雷線保護(hù)范圍內(nèi)的建筑物，需要進(jìn)行直擊 雷防護(hù)設(shè)計。國外水電站明廠房、變電站控制樓以及其它輔助結(jié)構(gòu)建筑物一般在 屋頂設(shè)置防護(hù)裝置。國內(nèi)設(shè)計的水電站

6、、變電站屋頂多為混凝土結(jié)構(gòu)，而國外咨 詢公司有時會按工業(yè)廠房習(xí)慣設(shè)置金屬屋頂?；炷两Y(jié)構(gòu)屋頂，一般設(shè)置女兒墻避雷帶作為接閃器，如屋頂面積較大則同 時在屋頂敷設(shè)一定尺寸的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸按照LPS等級對應(yīng)分別為：5mx5m； 10mx10m； 15mx15m； 20mx20m。金屬屋頂在滿足一定厚度情況下，可作為接閃器使用，不需另外設(shè)置避雷帶 及網(wǎng)格等。需要注意的是，在使用滾球法作為防雷保護(hù)設(shè)計方法時，當(dāng)屋頂高度大于滾 球半徑時，建筑物側(cè)面存在雷擊風(fēng)險，需按照規(guī)范要求在金屬屋頂及側(cè)墻上部進(jìn) 行相關(guān)防護(hù)措施。通常低于60m的建筑物可忽略側(cè)面閃擊，高于60m的高層建 筑一般采用滾球法進(jìn)行側(cè)面接閃器定位

7、。圖4采用滾球法時，接閃器系統(tǒng)的設(shè)計（引自文獻(xiàn)7）4需注意的一些問題4.1避雷線弧垂戶外高壓配電裝置采用避雷線保護(hù)時，在計算保護(hù)范圍時，應(yīng)考慮避雷線弧 垂的影響，即等高避雷線高度應(yīng)采用掛點高度減去弧垂。不等高避雷線宜采用最 低點高度進(jìn)行保護(hù)范圍校驗。4.2屋頂設(shè)備防護(hù)無論是混凝土屋頂還是很金屬屋頂，如果裝有電氣設(shè)備或信息處理設(shè)備，都 應(yīng)處于接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。IEC 62305及GB/T 21714提及金屬屋頂上的裝置如 果不超過以下范圍，則不需提供附加保護(hù)：（1）屋頂平面正上方0.3m；（2）上 層建筑總面積1.0m2；（3）上層建筑的高度2mE導(dǎo)電屋頂裝置，突出高度不 超過接閃器所在平面上

8、方0.5m處的非金屬裝置，不需提供附加保護(hù)4, 7。在廠 房或控制樓的屋頂，常布置有空調(diào)室外機、風(fēng)機等設(shè)備，需按照上述尺寸復(fù)核是 否需增設(shè)防雷接閃器，如需增設(shè)，其保護(hù)設(shè)置原則依據(jù)上面介紹的幾類雷電防護(hù) 設(shè)計方法。4.3屋頂防護(hù)引下線屋頂防雷接地裝置引下線可選擇采用自然接地體也可采用專用導(dǎo)體，國外工 程中常采用銅導(dǎo)體作為專用引下線，且國外咨詢公司多考慮明敷于外墻，以防雷 電流能量對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。規(guī)范中對引下線的間距有相關(guān)要求，按照LPS I、II、III、IV等級的典型距離分 別為10m、10m、15m、20m；且引下線應(yīng)盡可能沿建筑物暴露在外的墻角設(shè)置。 每一引下線應(yīng)預(yù)留一測試接頭，

9、便于測量。明敷引下線在人員可接觸的部位宜采 取相關(guān)保護(hù)措施。4.4金屬屋頂厚度金屬屋頂可被視為是自然接閃器，但前提是相關(guān)厚度需滿足要求。僅從結(jié)構(gòu) 角度選擇的金屬屋頂，其金屬層厚度一般較薄，不一定滿足作為防雷接閃器的要 求，因此選型時需與結(jié)構(gòu)建筑相關(guān)專業(yè)協(xié)調(diào)配合。根據(jù)IEC 62305及GB/T 21714，相關(guān)厚度要求如表4.1所示。但需注意的是， 厚度a針對的是防止擊穿、熱熔或燃燒的情況，厚度b “僅適用于可不防止擊穿、 熱熔或燃燒的金屬板”。此處對于采用厚度a還是厚度b，在國外工程執(zhí)行中曾遇 到不同的理解，有些咨詢公司認(rèn)為只要下方無可燃物，則可按厚度a選擇，但是 有些咨詢公司認(rèn)為大部分的情

10、況都應(yīng)該考慮防擊穿、熱熔或燃燒，即按厚度b選 擇。針對厚度問題，GB 50057 5.2.7條中的描述僅按金屬板下有無易燃物來選擇厚 度a還是厚度b，但其條文說明進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，值得參考。目前國內(nèi)普遍采 用金屬屋頂?shù)氖且环N夾有非易燃物保溫層的雙金屬板結(jié)構(gòu)，有時也俗稱彩鋼板， 在這種情況下只要上層金屬板厚度滿足厚度b即可，因為雷擊只會將上層金屬板 熔化穿孔，不會擊到下層金屬板，而且上層金屬板的熔化物受到下層金屬板的阻 擋，不會滴落到下層金屬板下方，要強調(diào)的是，夾層的物質(zhì)必須是非易燃物且選 用高級別的阻燃類別6。另外，根據(jù)規(guī)范定義，薄的保護(hù)漆圖層、約1mm的瀝青或0.5mm的PVC可 不視為絕緣

11、體。表4.1接閃器中，金屬薄板或金屬管道的最小厚度4.5金屬屋頂防水國外工程執(zhí)行中，土建設(shè)計的金屬屋頂厚度有時不滿足作為防雷接閃器的要求，因成本 或其它設(shè)計考慮，可能不會采納加厚屋頂方案，因此雖然采用了金屬屋頂，但仍需設(shè)置相關(guān) 避雷帶及金屬網(wǎng)格。這就涉及到在金屬屋頂?shù)墓潭ò惭b問題，采用螺栓固定將破壞屋頂自有 防水層，且在屋面已經(jīng)安裝好的情況下，需考慮如何固定螺栓。此時可采用自攻螺栓，并配 防水膠墊的模式。金屬屋頂避雷帶固定問題還涉及到選擇合適截面的避雷帶，避雷帶截面只要滿足規(guī)范要 求即可，過大的截面將導(dǎo)致避雷帶重量增加，也會影響屋頂固定受力。5結(jié)語本文介紹了國外水電站、變電站的直擊雷防護(hù)主要設(shè)

12、計方法及注意事項，由于國外工程 涉及外方業(yè)主及咨詢，相關(guān)設(shè)計方法及思路理解大體相同，但如屋頂厚度問題等細(xì)節(jié)方面仍 存在差異。因此需結(jié)合工程實際情況，采用各方接受的設(shè)計方法，并按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè) 計，避免遺漏細(xì)節(jié)。參考文獻(xiàn)：GB/T 50064-2014交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計規(guī)范S.北京：中國計劃 出版社.水電站機電設(shè)計手冊編寫組.水電站機電設(shè)計手冊電氣一次M.北京：水利電力出版 社，1982.舒廉甫.發(fā)電廠變電站過電壓保護(hù)及接地設(shè)計M.北京：中國電力出版社，2009.IEC 62305-2010 Protection against lightningS.IEEE 998 IEEE Guid