阿爾塔什水利樞紐工程的防雷設計與探討

張沛廣

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

防雷措施的設置是工程設計中不可或缺、重要的一環(huán)。目前我國對防直擊雷已提出了具體可實施性的要求，隨著中國電力產業(yè)的發(fā)展，我國雖然因為雷擊而造成的斷路器跳閘率較低，在國際尚處于領先地位，但是直雷擊事故從未消失。本文通過對阿爾塔什水利樞紐工程生態(tài)電站出線的防雷進行計算，最終確定了防直擊雷設計方案，計算過程中運用做圖確定防雷范圍，簡化了計算步驟，并提出了必要的“防雷裕度”。

2 阿爾塔什水利樞紐工程防雷設計

2.1 工程狀況

阿爾塔什水利樞紐工程位于葉爾羌河干流山區(qū)河段上，是葉爾羌河干流山區(qū)河段上的一座具有防洪、灌溉、生態(tài)和發(fā)電的控制性水利樞紐工程。生態(tài)電站主廠房內布置2 臺27.5 MW 立軸混流式水輪發(fā)電機組，安裝場布置在主廠房右側端。副廠房布置在主廠房上游側。主變壓器布置于主廠房上游墻外側，主變場與發(fā)電機層同標高。

雷暴作為聯合國“國際減災十年”公布的最嚴重的10 種自然災害之一，是積雨云引起的強烈的雷電天氣現象，常常伴有強烈雷電活動和陣性降水的“局地風暴”或“對流性風暴”。西北地區(qū)（35°N以北且105°E 以西的部分）下墊面多為沙漠和戈壁等干旱地表，年平均雷暴日多不足15 d，發(fā)生頻數相對較低[9]。其中喀什地區(qū)的雷暴天氣主要出現在4～10 月，其中6 月、7 月是雷暴天氣的高峰時段，喀什地區(qū)的雷電災害也是層出不窮，在過去的百年間，給當地的生產生活造成了巨大的影響[10]。主副廠房屋頂設置避雷帶，用于廠房建筑物的防直擊雷保護。220 kV 全線架設避雷線，轉角塔頂設置避雷針，用于本工廠出線側的防雷保護。

2.2 避雷線及避雷針的設置

最初本工程出線采用門型架，通過在生態(tài)電站后邊坡的固定掛鉤，將220 kV 線路送出。

但由于生態(tài)電站后邊坡位于洪積扇上，地形略起伏，自然坡度5°～15°。表部覆蓋洪積含土碎塊石、碎石土，厚度一般7～13 m；下伏基巖為石炭系灰?guī)r、砂巖、頁巖互層，強風化層厚3～5 m。雖然施工過程中清除了表部覆蓋層，基巖坡岸1∶0.5 開挖，整個邊坡采用掛網加系統錨桿支護，對不穩(wěn)定巖體采用錨索及混凝土貼坡方式進行支護。但考慮到生態(tài)電站邊坡的穩(wěn)定性較差，生態(tài)電站邊坡的掛鉤取消，出線門型架調整為轉角塔，如圖1。本工程歷年雷暴日數平均為9 d，最多為17 d，最少為4 d，多發(fā)生在5～9 月間，為保證工程穩(wěn)定可靠運行，現對避雷針與避雷線設置進行闡述，對其保護范圍進行探討。

圖1 戶外出線場平面布置圖

2.2.1 避雷線

（1）避雷線在主廠房及轉角塔懸掛高程不同，故保護范圍也不同

根據GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》20 頁式5.2.4-1、5.2.4-2、5.2.5-1～3 可知：

當hx≥0.5h時，保護半徑應按下式確定：

rx=0.47（h-hx）P

當hx＜0.5 h 時，保護半徑應按下式確定：

rx=（h-1.5hx）P

rx—避雷針或避雷線在hx水平面上的保護范圍（m)；

時至今日，大多數醫(yī)院的負責人以及財務人員并未從根本上意識到預算管理與成本控制的重要性，從而導致其在開展工作的過程中缺乏全局意識以及統籌意識。部分醫(yī)院雖然認為預算具有必要性，但對該內容的執(zhí)行缺乏必要的約束與監(jiān)督，導致財務預算管理完全流于形式，資金容易出現浪費或利用不足等情況。除此之外，某些工作人員還有可能利用相關的漏洞挪用資金或侵占公共財產，最終對醫(yī)院的效益和績效產生消極影響，阻礙了醫(yī)院的發(fā)展。在當前的時代背景下，醫(yī)院的發(fā)展開始呈現出艱難之勢，有關負責人與工作人員必須要對其引起重視，積極做好預算管理與成本控制工作。

hx—被保護物的高度（m )。

兩避雷線間各橫截面的保護范圍應由通過兩避雷線及保護范圍邊緣最低點O 的圓弧確定。O點的高度應按下式計算：

hO=h-D/(4P)

hO—兩避雷線間保護范圍上部邊緣最低點的高度（m)；

D—兩避雷線間的距離(m)。

1）Ⅰ-Ⅰ剖面

避雷線高程為1 687.50 m，地面高程為1 669.60 m，避雷線間距為11 m，避雷線高度為17.9 m，通過計算，避雷線保護范圍（Ⅰ-Ⅰ剖面）主要點位見表1。

表1 Ⅰ-Ⅰ剖面避雷線保護范圍主要點位

2）Ⅱ-Ⅱ剖面

避雷線高程為1 688.60 m，地面高程為1 669.60 m，避雷線間距為7 m，避雷線高度為19 m，通過計算，避雷線保護范圍（Ⅱ-Ⅱ剖面）主要點位見表2。

表2 Ⅱ-Ⅱ剖面避雷線保護范圍主要點位

3）Ⅲ-Ⅲ剖面

避雷線高程為1 695.10 m，下方導線最高點為1 690.60 m，地面高程為1 669.60 m，避雷線間距為4 m，避雷線高度為25.5 m，導線高度21 m，通過計算，避雷線保護范圍（Ⅲ-Ⅲ剖面）主要點位見表3。

表3 Ⅲ-Ⅲ剖面避雷線保護范圍主要點位

（2）技施及運行階段，防雷保護需考慮到以下因素：

1）本工程實際最大風速22 m/s，多年平均最大風速16 m/s，因此220 kV 導線及避雷線在實際運行過程中，存在一定的風偏。

2）本工程在轉角塔、絕緣子、導線、避雷線等設備安裝過程中存在一定不可控的誤差與調整。

3）本工程副廠房上游側采用回填砂礫石，且水利工程建設中，最常見的狀況就是不均勻沉降問題[6]，因此不應忽視地質條件引起的避雷線的變化。

4）根據研究發(fā)現，終端桿塔裝設避雷針比避雷線單一保護方式存在明顯優(yōu)勢[7]。

綜合上述因素，考慮到防雷措施的安裝及設置與防雷設備高度、數量、布置、相對位置及大氣地理條件等因素有關，這些因素多為隨機性，某些關鍵因素至今無法定量，保護范圍所用計算方法的正確性不可能嚴格證明。一般由理論分析、實驗室模型研究、長期實際運行經驗證明三者結合的方法才能正式推薦使用?？梢哉f，當今國際上所有確定避雷針保護范圍的計算公式均為經驗公式，且保護范圍是相對于保護物在此空間內遭受雷擊概率的多少而言，不能將保護范圍絕對化。因此防雷保護措施在滿足規(guī)范要求的前提下，應留有足夠裕度，雖然避雷線（OPGW）的保護范圍滿足設備保護范圍，但裕度較小，考慮到增設避雷針造價不高，因此為保證設備安全穩(wěn)定運行，在轉角塔塔頂增設1 m 避雷針。

2.2.2 避雷針

避雷針頂部高度為1 696.10 m，地面高度1 669.60 m，避雷針高26.5 m，根據GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》16 頁式5.2.1-1、5.2.1-2 可知：

當hx≥0.5h時，保護半徑應按下式確定：rx=（h-hx）P=haP

當hx＜0.5h時，保護半徑應按下式確定：rx=（1.5h-2hx）P

rx—避雷針或避雷線在hx水平面上的保護范圍（m)；

hx—被保護物的高度（m)；

ha—避雷針的有效髙度（m)。

通過計算，避雷針保護范圍主要點位見表4。

表4 橫剖面避雷針保護范圍主要點位表

3 結論

本文對阿爾塔什水利樞紐工程生態(tài)電站的防雷設計進行了研究計算，總結如下：

（1）在實際計算過程中，對于比較復雜的避雷線，尤其是高度和水平間距漸變的避雷線，不必苦苦尋找模擬方程，進行公式計算，可通過規(guī)范比例畫圖，利用CAD 直觀標注測量進行計算，簡單方便。

（2）防雷保護僅僅是一種概率統計下的數據匯總，目前國內手冊及規(guī)范要求防雷保護的計算結果并非絕對“安全”，因此在實際設計過程中，考慮到各種誤差、氣象等外界不可控因素的存在，為保證設備可靠運行，在成本可控范圍內，可適當增大保護范圍，留有一定的“防雷裕度”。

目前本工程機電設備基本已安裝完成，通過計算目前防直擊雷設備的設置滿足本工程的要求，為后續(xù)工程防直擊雷設計提供了參考。