復(fù)雜地形高空接閃線保護范圍測定的一種方法

胡倫善 陳驥 王思娜

摘要 目前較多水電站采用高空接閃線進行雷電防護，高空接閃線一般距地面較高，線塔之間距離較遠(yuǎn)（有的甚至在不同山頭），接閃線弧垂很難測量，接閃線本身又可能隨風(fēng)而動，因此其保護范圍測定難度很大。為了解決復(fù)雜地形下水電站防雷檢測中遇到的問題，建立了一種利用經(jīng)緯儀等設(shè)備測定高空接閃線保護范圍的方法，經(jīng)過多次改進，該方法在沒有其他先進設(shè)備的情況下已能有效解決問題。

關(guān)鍵詞 高空接閃線;角度交匯法;平面鏡成像原理;三角函數(shù)應(yīng)用;折線法;敏感因素

中圖分類號：TM75 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3305（2020）02-047-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.02.019

A Method of Measuring the Protection Range of Overhead Ground Wire in Complex Terrain

HU Lun-shan? et al（Lightning Protection Center of Ningde City， Ningde， Fujian 352100）

Abstract At present， many hydropower stations adopt overhead ground wire for lightning protection. The overhead ground wire is generally higher than the ground， and the distance between towers is far （some are even in different mountains）. It is difficult to measure the arc sag of the overhead ground wire， and the overhead ground wire may move with the wind，so it is very difficult to determine the protection range of the overhead ground wire. In order to solve the problems encountered in lightning protection detection of hydropower stations in complex terrain，a method of measuring the protection range of overhead ground wire at high altitude by using theodolite and other equipment was established. After many improvements，this method could effectively solve the problems without other advanced equipment.

Key words? ?Overhead ground wire;Angle intersection method;Plane mirror imaging principle;Application of trigono-metric function;Broken-line method;Sen-sitive factors

寧德市水電資源尤其豐富并得到充分開發(fā)，大小水電站數(shù)量眾多，僅屏南縣大小水電站就100多個。寧德市山海交匯，雨量充沛，雷電頻發(fā)，每年2—11月均有雷電發(fā)生，雷電防護關(guān)乎安全生產(chǎn)及人民生命財產(chǎn)安全。測定這些水電站高空接閃線時一直沒有一種便捷又行之有效的方法，一些數(shù)據(jù)如果建設(shè)施工時未保留，僅利用經(jīng)緯儀等簡單測量設(shè)備后期測定十分困難。為了解決復(fù)雜地形下水電站防雷檢測中遇到的實際問題，筆者建立了一種利用經(jīng)緯儀等設(shè)備測定高空接閃線保護范圍的方法，并通過現(xiàn)場試驗不斷加以驗證和改進，在多次實地檢測中均可有效解決問題。

1 待解決問題

1.1 高空接閃線高度測量

很多水電站高空接閃線都架設(shè)在河谷兩側(cè)險峻山坡上，很難攜帶儀器進行實地測量。在建筑所在位置難以用經(jīng)緯儀、卷尺等工具直接測量接閃線到被保護物垂直距離，也難以用經(jīng)緯儀、卷尺等工具直接測量觀測點到接閃塔水平距離，間接計算出接閃線到被保護物垂直距離。

1.2 確定高空接閃線正下方地面位置

高空接閃線垂直投射在正下方被保護物上相對位置，確定高空接閃線保護范圍至關(guān)重要。高空接閃線有的高達幾十米到上百米，如果沒有現(xiàn)成的工程資料可以確定其在地面上與被保護物相對位置，則難以確定其保護范圍。

2 基本原理

2.1 角度交匯法

利用角度交匯法求未知線段長度，通常要先確定一段已知長度的線段作為長度參照物和方程求解的已知條件，再根據(jù)三角形特性，已知1條邊和2個角，通過二元一次三角函數(shù)方程組，就能求出另外2條邊和1個角。如圖1所示，tanα=H/（L+X），tanβ=H/X，只要多次變換觀測位置，測出不同觀測點的仰角，選出任意α、β，并測量出α、β 2個觀測位置間距離L就可以求出H及X了。

同樣，也可以采用CAD作圖方法，把測量出的數(shù)值用在CAD圖紙中標(biāo)注，按一定的比例繪制出與計算相關(guān)平面圖。由于α、β及L已確定，α、β斜邊延長線將交匯于一點，用CAD長度工具直接量取H數(shù)值，再按選用比例換算出H實際值。

2.2 平面鏡成像原理

平面鏡成像原理主要是用來確定高空接閃線垂直投射在正下方被保護物上的相對位置，使得最終能完成高空接閃線保護范圍的確定及保護范圍示意圖的繪制。平面鏡成像的最基本特質(zhì)是等大、等高、等距離，形成基于鏡面完全對稱畫像。利用垂直于鏡面支撐起的第3根線作為參照物和觀測線，在地上移動該裝置，當(dāng)觀測到高空接閃線、起參照作用的第3根線、起參照作用的第3根線倒影、高空接閃線倒影完全重疊時，此時起參照作用的第3根線所確定位置即是高空接閃線垂直投射在正下方被保護物上相對位置。

3 輔助工具制作

3.1 觀測盒

為方便使用平面鏡成像原理來確定高空接閃線垂直投射在下方被保護物上相對位置，筆者制作了便于攜帶和方便使用的觀測盒。在制作觀測盒過程中可適當(dāng)再加大觀測線到平面鏡距離，以減小人的視角對觀測結(jié)果的影響。

3.2 廢機油桶

在無平坦地面放置觀測盒的地方，對觀測盒進行改進，采用廢機油代替觀測盒底平面鏡。廢機油黝黑發(fā)亮，其反光效果可清淅成像，再發(fā)揮它液體的流動性，不管使用中怎么移動、地面是否水平，只要保持靜止，廢機油形成的液面即是水平面。

4 具體方法

4.1 了解觀測點選取

首先利用google地球從較大范圍了解基本地形，并用它的測距功能了解作業(yè)基本范圍，再通過無人飛機實地勘察周邊環(huán)境，選取最佳觀測點。

4.2 原始數(shù)據(jù)取得

首先應(yīng)用輔助工具確定A、B、C 3點（圖2），以A、B、C 3點確定的直線（即高空接閃線垂直投射在正下方被保護物上相對位置）為X軸;垂直于X軸方向為Z軸，在A、B、C 3點沿Z軸方向上2次平移經(jīng)緯儀測得角度α、β，再用長度測量工具分別測得α、β角觀測點到A、B、C 3點距離，通過“2.1”講述方程計算出A、B、C位置高空接閃線高度。為提高測量精確度，以及后期更準(zhǔn)確繪制接閃線在建筑上空保護范圍，可在X軸上選取更多觀測點。其次，以X軸為參照物，測量出被保護建筑長、寬、高，被保護建筑不同高度最遠(yuǎn)點距離等數(shù)據(jù)。在測量中主要利用經(jīng)緯儀角度測量功能，輔以長度測量工具，再用三角函數(shù)計算出被保護物高度。

4.3 保護范圍計算及示意圖繪制

由于在電力行業(yè)更多采用折線法計算接閃器保護范圍，而非滾球法。接下來將對折線法中接閃線部分做簡略介紹。

4.3.1? 單根接閃線在hx水平面上每側(cè)保護范圍寬度（圖3）

式中，rx為每側(cè)保護范圍寬度（m）。

4.3.2? ?2根等高平行接閃線保護范圍

（1）兩接閃線外側(cè)保護范圍應(yīng)按單根避雷線計算方法確定。

（2）兩接閃線間各橫截面保護范圍應(yīng)由通過兩接閃線1、2點及保護范圍邊緣最低點O的圓弧確定。O點高度應(yīng)按下式計算：

式中，hO為兩接閃線間保護范圍上部邊緣最低點高度（m）;D為兩接閃線間距離（m）;h為接閃線高度（m）。

（3）兩接閃線端部兩側(cè)保護范圍仍按單根接閃線保護范圍計算。兩線間保護最小寬度（圖4）按下列方法確定：

5 降低誤差的相關(guān)措施

該方法主要采用多次測量求平均值和敏感因素控制2種方法降低誤差，該文重點介紹的是敏感因素控制法。通過分析可得，該方法“2.1”中的長度L、角度β-α取值對觀測出來的數(shù)值影響較大，故確定為影響計算結(jié)果的敏感因素。在試驗中證明，在觀測場地大小受限的情況下，需盡量取到較大的L值和角度β-α值，才能彌補觀測中人眼對細(xì)微事物分辨率不足帶來的誤差。

6 結(jié)論

為了解決水電站防雷檢測中復(fù)雜地形高空接閃線保護范圍測定難的問題，建立了一種利用經(jīng)緯儀等設(shè)備測定高空接閃線保護范圍的方法，在沒有其他先進設(shè)備的情況下已能有效解決問題。復(fù)雜地形高空接閃線保護范圍測定為電站安全生產(chǎn)及防雷減災(zāi)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)，也有助于排除安全死角，保護人民生命財產(chǎn)安全。我國水電資源豐富，高空接閃線應(yīng)用廣泛，該方法推廣前景良好。但該方法屬于初次嘗試，可能存在不足，有待各地實施完善。

參考文獻

[1] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會. GB/T 50064-2014 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2014.

責(zé)任編輯：鄭丹丹