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基于滚球法的35kV模块化变电站直击雷防护设计
黄峰远,杨超
(贵州大学电气工程学院,贵州贵阳550003
摘要:以滚球法为基础,阐述了单支避雷针、双针等高、三针不等高保护范国计算的数学模型;针对模块化变
电布置灵活性,提出防雷设计中的关键点,简化了变电站防直击雷设计过程;最后将滚球法应用到35kV模块
化变电站防直击雷设计中,弥补了模块化变电站布置的自由性可能带来的防雷安全漏洞。
关键词:滚球法模块化变电站关键点防雷设计
中图分类号:TM862文献标识码:A文章编号:1002-6886(2013)01-0047-04
Direct Lightning Strike Protection Design Based on the Rolling Sphere Method for 35kv Modular Substations
HUANG Fengyuan, YANG Chao
Abstract: This paper comprehensively formulate the protection zone and mathematical models of lightning rods based
on the rolling sphere method, when dealing with the flexible disposition of modular substations, a new method is put for-
ward to facilitate the lightning-protection design. Finally the paper applies the method to lightning-protection design for a
modular substation. It can simplify the procedure and make the design more reasonable
Key words rolling sphere method; modular substation; key point; lightning-protection design
器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属
0引言
物),而不触及需要保护的部位时,则该部分就得到
随着变电站用地成本的增加,地形、地质和进出了接闪器的有效保护2。是国际电工委员会(EC)
线条件的限制,以及变电站内部布置的日趋复杂,模推荐使用的接闪器保护范围计算方法,我国建筑物
块化变电站以其占地小,布置灵活以及施工周期短防雷设计规范GB50057-1994(2000年版)也把滚
等优点被迅速推广;但是,由于模块化变电站模块之球法强制作为计算避雷针保护范围的方法。
间的自由组合,可能导致变电站整体布置不能满足
滚球h半径是确定防雷接闪器保护范围的
防雷要求。另外,传统的变电站防雷设计所采用的个重要参数,针对于不同的防雷等级,滚球半径h
“折线法”仍然难以避免雷电绕击问题。本文以也不相同;规范GB50057-1994(2000年版)中规
国际电工委员会(IEC)推荐使用的滚球法为基础,定第一第二、第三类防雷建筑物的滚球半径分别为
提出单支避雷针、双针等高、三针不等高避雷针保护30m、45m、60m2。与我国电力规程法DL/T620
范围的数学模型,并将其引入到35kV模块化变电-1997《交流电气装置的过电压保护及绝缘配合》
的防雷设计中,可供变电站雷电防护设计、施工及管相比?,滚球法具有保护范围计算更精确,事故率
理人员参考
更低的优点。
1滚球法确定避雷针保护范围
1.2单支避雷针保护范围计算
对于单支避雷针保护范围,其作图步骤如下:
1.1滚球法的描述
1)在距离地面高h。处作一水平线;2)以避雷针顶
滚球法是以a(滚球半径)为半径的一个球体,点c为中心,h。为半径作弧,交水平线于a、b两点;
沿需要防直击雷的部位滚动,当球体只触及接闪器3)分别以a、b两点为中心,h。为半径作圆,切水平
(包括被利用作为接闪器的金属物),或只触及接闪地面于、b两点;则弧形区域aをb即为避雷针保护
现代机械2013年第1
范围。如图1所示。
雷针高度及保护范围可由上述(1)-(4)式确
d f
定
Rsh
13双支等高避雷针保护范围计算
对于双支等高避雷针,其外侧保护范围作图步
h
,骤和计算方法和单支避雷针相同,但其中间保护重
h
叠区域比单支避雷针保护效果相加要大得多。其
水平地面
保护范围如图3、图4所示。
避雷针
图1单支避雷针保护范围剖面图
h
h
水平地面
02
避雷针A
避雷针B
R-I
Fx
图3双支等高避雷针保护范围割面图
如图4中所示,其内侧保护范围の1mO2n可由图
3中的几何关系得出,我们假设O点为坐标原点,
图2单支避雷针保护范国俯視圏19O0为Y轴,Od轴为X轴;则其是以O(0,ha)为圆
心,Oa为半径的一段圆弧,其数学表达式如下
由于单支避雷针保护范围的对称性,因此,保护
,,、21,2
范围内任意一点X处被保护物高度h确定之后,则
k2+X2(6)
避雷针高度ん可确定2。其数学方程可由图1中简式中:k为避雷针A与避雷针B之间的距离,其余符
单的几何关系求出。
号含义同上。由此可知,两支等高避雷针外侧保护范
h=h
h(2h。-hx)+X)
围与单支避雷针相同,其内侧保护范围可由公式
(0≤X≤
6)所得。
则以O(0,0)为坐标原点;
a(-√(2h2-h,ha),b(√A(2h-h
为圆心的圆的方程为
(X+vh(2hg-h))2+(h-h0)? = ha
避雷针
避雷针Bd
(-l≤X≤0)
(2)
(XーA(2h。-b))2+(h-ha)2=a
(0≤X≤)国
00(3)
则单支避雷针在hx高度上的保护半径为
X=(2h-)-√hx(2ha-h
图4双支等高避雷针保护范围俯视图
当h、=0时,单支避雷针在地面的最大保护半1.4三支不等高避雷针保护范围计算
径为:
三支及以上不等高避雷针,其外侧保护范围计
1=√h(2h
算同单支避雷针无异,难点在于其保护重叠区域的
式中:h为避雷针针高,ha为滚球半径,X为保护范计算,如图5、图6所示。
围内任意一点的横坐标h、为点X处避雷针的最大从空间几何的角度考虑,假设有一个球径为ん
保护高度,为避雷针在地面上的最大保护半径。避的球体,从空中压在这三支不等高避雷针的顶端,则