（长江勘测规划设计研究有限责任公司 湖北武汉 430010）
摘要：本文结合国内外主要水电站及变电站防雷设计规范等，介绍了国内外直击雷防护设计主要思路，列举了折线法、滚球法、定角法等设计方法。通过海外实际工程的总结，列举了屋顶接闪器设置等直击雷防护设计中需要注意的若干问题，为海外工程直击雷防护设计提供参考。
关键词：水电站；变电站；防雷
1 防雷设计主要规范
雷电是常见的自然现象，其能量大、破坏力强，因此各类户内外建筑物、设备等都要求采取一定的防雷接地措施，以降低雷击损害。
我国对于水电站、变电站的雷电过电压及保护的主要规范有GB/T 50064、GB/T 21714等。国外相关设计规范主要有IEEE 998、GB 50057和IEC 62305等。其中GB/T 21714等同采用IEC 62305。
水电站、变电站直击雷防护设计按照区域划分主要分为两部分，一是户外机电设备防雷，如户外开关站、变电站中的高压配电装置等，采用避雷针或避雷线进行防护；二是建筑物防雷，如厂房、控制楼屋顶防雷措施等。本文主要探讨上述相关设计措施在国外工程中的应用，以及国内外规范中相关内容的差异等。
2 户外设备直击雷防护设计
雷电现象不可预知，存在一定概率，其理论分析十分复杂，工程上不能提供100%防止雷击的办法。经过国内外专家学者的研究，水电站、变电站户外设备直击雷防护目前主要采用避雷针或避雷线保护。国内外常采用折线法、滚球法、定角法等。
2.1 折线法
我国主要采用折线法进行直击雷防护设计，如GB/T 50064以及相关设计手册中均有论述。避雷针或避雷线的保护半径计算公式与被保护物高度有关，相关计算过程详见文献[1]~[3]。
图1 折线法示意图
折线法多用于国内工程，国外水电站及变电站防雷设计中较少采用。
2.2 滚球法
国外水电站、变电站工程常采用滚球法进行直击雷防护设计，国外规范如文献[4]~[5]均有提及。我国标准文献[6]也引用了滚球法。
图2 滚球法示意图
滚球法，即可将雷电模拟成球体，凡是球体可以滚动接触到的位置都有较大的雷击风险，而由于避雷针或避雷线的作用，导致球体无法接触到的位置即为避雷针或避雷线的保护范围。工程中采用作图法，即可直接判断物体是否在避雷针或避雷线的保护范围内，文献[6]则将求取保护范围的几何公式推导出来，方便工程计算。
采用滚球法的首要问题是确定滚球半径，文献[4]~[6]给出了滚球半径的求取方法，其与雷电流数据有关，IEC 62305及GB/T 21714将雷电防护水平（LPL）和雷电防护系统（LPS）分为了4个等级，I、II、III、IV级重要性由高到低，给出了对应的滚球半径分别为20m、30m、45m、60m，由于国外工程常缺乏相关地区数据，直接求取滚球半径的方法在工程设计中较难执行，且将水电站或变电站归为几级雷电防护系统较难推导及定义。GB 50057则相对更近一步，根据不同建筑物特点，定义了三类防雷建筑物，一、二、三类重要性由高到低，给出了对应的滚球半径分别为30m、45m、60m，水电站及变电站可参照滚球半径45m进行设计。在收集到的一些国外咨询公司设计成果以及相关交流时也了解到对于水电站或变电站多采用滚球半径45m进行校验。
2.3 定角法
定角法，即将避雷针或避雷线两侧保护角定为45°，以此校验保护范围。该方法执行简单，但在水电站及变电站防雷设计中较少采用。
图3 定角法示意图
3 建筑物直击雷防护设计
水电站、变电站内不在避雷针或避雷线保护范围内的建筑物，需要进行直击雷防护设计。国外水电站明厂房、变电站控制楼以及其它辅助结构建筑物一般在屋顶设置防护装置。国内设计的水电站、变电站屋顶多为混凝土结构，而国外咨询公司有时会按工业厂房习惯设置金属屋顶。
混凝土结构屋顶，一般设置女儿墙避雷带作为接闪器，如屋顶面积较大则同时在屋顶敷设一定尺寸的网格，网格尺寸按照LPS等级对应分别为：5m×5m；10m×10m；15m×15m；20m×20m。
金属屋顶在满足一定厚度情况下，可作为接闪器使用，不需另外设置避雷带及网格等。
需要注意的是，在使用滚球法作为防雷保护设计方法时，当屋顶高度大于滚球半径时，建筑物侧面存在雷击风险，需按照规范要求在金属屋顶及侧墙上部进行相关防护措施。通常低于60m的建筑物可忽略侧面闪击，高于60m的高层建筑一般采用滚球法进行侧面接闪器定位。
图4 采用滚球法时，接闪器系统的设计（引自文献[7]）
4 需注意的一些问题
4.1 避雷线弧垂
户外高压配电装置采用避雷线保护时，在计算保护范围时，应考虑避雷线弧垂的影响，即等高避雷线高度应采用挂点高度减去弧垂。不等高避雷线宜采用最低点高度进行保护范围校验。
4.2 屋顶设备防护
无论是混凝土屋顶还是很金属屋顶，如果装有电气设备或信息处理设备，都应处于接闪器的保护范围内。IEC 62305及GB/T 21714提及金属屋顶上的装置如果不超过以下范围，则不需提供附加保护：（1）屋顶平面正上方0.3m；（2）上层建筑总面积1.0m2；（3）上层建筑的高度2m。非导电屋顶装置，突出高度不超过接闪器所在平面上方0.5m处的非金属装置，不需提供附加保护[4，7]。在厂房或控制楼的屋顶，常布置有空调室外机、风机等设备，需按照上述尺寸复核是否需增设防雷接闪器，如需增设，其保护设置原则依据上面介绍的几类雷电防护设计方法。
4.3 屋顶防护引下线
屋顶防雷接地装置引下线可选择采用自然接地体也可采用专用导体，国外工程中常采用铜导体作为专用引下线，且国外咨询公司多考虑明敷于外墙，以防雷电流能量对混凝土结构产生不利影响。
规范中对引下线的间距有相关要求，按照LPS I、II、III、IV等级的典型距离分别为10m、10m、15m、20m；且引下线应尽可能沿建筑物暴露在外的墙角设置。每一引下线应预留一测试接头，便于测量。明敷引下线在人员可接触的部位宜采取相关保护措施。
4.4 金属屋顶厚度
金属屋顶可被视为是自然接闪器，但前提是相关厚度需满足要求。仅从结构角度选择的金属屋顶，其金属层厚度一般较薄，不一定满足作为防雷接闪器的要求，因此选型时需与结构建筑相关专业协调配合。
根据IEC 62305及GB/T 21714，相关厚度要求如表4.1所示。但需注意的是，厚度a针对的是“防止击穿、热熔或燃烧”的情况，厚度b “仅适用于可不防止击穿、热熔或燃烧的金属板”。此处对于采用厚度a还是厚度b，在国外工程执行中曾遇到不同的理解，有些咨询公司认为只要下方无可燃物，则可按厚度a选择，但是有些咨询公司认为大部分的情况都应该考虑防击穿、热熔或燃烧，即按厚度b选择。
针对厚度问题，GB 50057 5.2.7条中的描述仅按金属板下有无易燃物来选择厚度a还是厚度b，但其条文说明进行了详细的介绍，值得参考。目前国内普遍采用金属屋顶的是一种夹有非易燃物保温层的双金属板结构，有时也俗称彩钢板，在这种情况下只要上层金属板厚度满足厚度b即可，因为雷击只会将上层金属板熔化穿孔，不会击到下层金属板，而且上层金属板的熔化物受到下层金属板的阻挡，不会滴落到下层金属板下方，要强调的是，夹层的物质必须是非易燃物且选用高级别的阻燃类别[6]。
另外，根据规范定义，薄的保护漆图层、约1mm的沥青或0.5mm的PVC可不视为绝缘体。
表4.1 接闪器中，金属薄板或金属管道的最小厚度
4.5 金属屋顶防水
国外工程执行中，土建设计的金属屋顶厚度有时不满足作为防雷接闪器的要求，因成本或其它设计考虑，可能不会采纳加厚屋顶方案，因此虽然采用了金属屋顶，但仍需设置相关避雷带及金属网格。这就涉及到在金属屋顶的固定安装问题，采用螺栓固定将破坏屋顶自有防水层，且在屋面已经安装好的情况下，需考虑如何固定螺栓。此时可采用自攻螺栓，并配防水胶垫的模式。
金属屋顶避雷带固定问题还涉及到选择合适截面的避雷带，避雷带截面只要满足规范要求即可，过大的截面将导致避雷带重量增加，也会影响屋顶固定受力。
5 结语
本文介绍了国外水电站、变电站的直击雷防护主要设计方法及注意事项，由于国外工程涉及外方业主及咨询，相关设计方法及思路理解大体相同，但如屋顶厚度问题等细节方面仍存在差异。因此需结合工程实际情况，采用各方接受的设计方法，并按相关规范要求进行设计，避免遗漏细节。
参考文献：
[1]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[S]. 北京：中国计划出版社.
[2]水电站机电设计手册编写组. 水电站机电设计手册电气一次[M] . 北京：水利电力出版社，1982.
[3]舒廉甫. 发电厂变电站过电压保护及接地设计[M]. 北京：中国电力出版社，2009.
[4]IEC 62305-2010 Protection against lightning[S].
[5]IEEE 998 IEEE Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations[S]. New York：Substations Committee of the IEEE Power and Energy Society，2012.
[6]GB 50057-2010 建筑物防雷设计规范[S]. 北京：中国计划出版社.
[7]GB/T 21714-2008 雷电防护[S].
论文作者:崔磊,朱钊,黄灿灿
论文发表刊物:《河南电力》2018年11期
论文发表时间:2018/11/30
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