江蘇省防雷減災協(xié)會團體標準

《110kV金屬結構變電站防雷設計規(guī)范》編制說明

一、工作簡況

1.1任務來源

該標準由江蘇省防雷減災協(xié)會提出并歸口。

1.2主要工作過程

1）資料收集

項目組對變電站設計、過電壓保護、建筑物雷電防護相關資料作了廣泛的收集，對110kV

變電站現(xiàn)行的雷電防護裝置設計和施工方案進行深入了解；收集了110kV變電站建筑、電氣

各項圖紙、防雷裝置施工工藝等，為本標準的編制提供參考。

2）現(xiàn)場調研

編制組多次前往南部新城國泰110kV變電站、江北新區(qū)龍華路變電站110kV變電站現(xiàn)

場調研。調研發(fā)現(xiàn)，南部新城國泰110kV變電站雖采用金屬屋面和金屬框架的全金屬結構，

但雷電防護依然采用了傳統(tǒng)混凝土結構建筑的設計方式，單獨裝設接閃桿、引下線，造成建

設成本的增加和不必要的資源浪費。

（a）國泰110kV變電站專設接閃桿（b）國泰110kV變電站專設引下線

圖1編制組赴國泰110kV變電站現(xiàn)場調研

3）組織編寫

在標準規(guī)范編制前，本項目起草人員經反復論證和咨詢，確定了標準的大綱，重點突出

金屬結構變電站建筑物外部防雷裝置相關要求，確立了以下幾個組成部分：范圍、術語和定

義、一般規(guī)定、直擊雷防護、雷擊電磁脈沖防護。

編寫過程中，項目組開展了金屬屋面直擊雷模擬試驗、不同接地方式的地電位分布研究、

雷擊金屬屋面變電站電磁環(huán)境研究，為本標準中相關條款的制定提供了參考依據(jù)。江蘇省氣

象災害防御技術中心、各市、區(qū)氣象災害防御技術中心、華北電力大學、南京信息工程大學、

中科院電工所等相關科研院所以及防雷工程企業(yè)、電力工程企業(yè)等多方面專家為標準的制定

提供了技術指導。2022年2月，編制組再次集中研討，對內容進行了逐條推敲，形成征求

意見稿。

1.3標準起草單位及主要起草人

標準起草單位：南京電力設計研究院有限公司，江蘇天安防雷工程有限責任公司，華

云科雷（北京）技術發(fā)展有限公司，連云港市氣象災害防御技術中心，連云港市連云區(qū)氣象

局。

主要起草人：高海洋，茅嘉毅，張彪，徐卓，王小兵，孫志兵，李進，蔣海琴，江海

洋、顧禮力，楊曉峰。

二、主要技術內容

2.1目的和意義

傳統(tǒng)110kV變電站一般采用現(xiàn)澆混凝土結構，隨著環(huán)保和建設效率要求的提高，江蘇省

電力部門目前正大力推進金屬結構變電站的建設。其建筑物結構與混凝土變電站存在顯著差

異，因此對于變電站建筑物的雷電防護——尤其是外部防雷裝置的設計——提出了新的要

求?！禛B/T50065-2011交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》《GB50057-2010建筑物防雷設計

規(guī)范》均從原則上肯定了直接使用金屬屋面接閃的可行性，但并未解決變電站防雷設計中遇

到的具體問題，如：何時可以采用金屬屋面和框架直接接閃、引下，何時需專設接閃器和引

下線；使用金屬屋面接閃時，其與建筑物框架的電氣連接應符合何種要求；其接地系統(tǒng)應如

何設計。為此，制定本規(guī)范用于指導新建、改建、擴建的110kV金屬結構變電站的雷電防護

裝置設計和施工。

2.2標準主要內容

針對上述需求，本標準重點突出金屬結構變電站建筑物外部防雷裝置相關要求，包括以

下組成部分：范圍、術語和定義、一般規(guī)定、直擊雷防護、雷擊電磁脈沖防護。

2.3預期經濟指標

按照國網清潔、集約、可持續(xù)的發(fā)展準則，金屬結構110kV變電站將成為趨勢，本標準

將填補該新型結構變電站雷電防護設計的空白。安全可靠、科學經濟的技術方案將在省公司、

國網公司金屬結構變電站的推廣中得到廣泛應用。

三、主要試驗（或驗證）的分析、綜述報告，技術經濟論證

3.1金屬屋面直擊雷熱效應實驗研究

編制組采用南京市電力部門目前正在使用的金屬屋面樣品開展了10/350波形模擬雷電

流沖擊試驗，采用圖2.1所示的試驗方案，10/350?沖擊電流發(fā)生裝置作為電流源，當沖擊

電流發(fā)生裝置產生脈沖電流時，脈沖電流通過導流條進入放電探針，由于放電探針距離待測

試的鎂鋁錳合金板很近，在放電探針尖端電場達到空氣擊穿電場，放電探針向鋁鎂錳合金板

放電，試驗通過不同幅度脈沖電流對比金屬板受沖擊后的變化，檢驗金屬屋面耐受沖擊電流

的能力。試驗中，為獲得實際電流幅值，利用電流探頭和數(shù)據(jù)采集裝置（示波器）對放電電

流進行采集；為觀察試驗過程，采用視頻記錄設備對放電探針作用點進行拍攝。試驗過程中，

為保證良好固定及接地，鋁鎂錳合金材料樣品固定在專用的夾具架上，如圖2.2所示，實驗

所需的10/350?脈沖電流由模擬直擊雷電流發(fā)生器產生，并通過導流條由固定在鎂鋁錳合

金試件上方2mm-3mm處的放電探針注入，來模擬直接雷擊對試件作用過程中形成的電弧

放電通道的影響。

圖2.1試驗方案布置圖圖2.2試驗實際布置圖

試驗中采用了1.17mm厚度的鋁鎂錳合金板，在經受50kA沖擊電流時（圖3），出現(xiàn)

了金屬燒蝕熔化的現(xiàn)象，但僅在板材背面出現(xiàn)了突出痕跡，并未出現(xiàn)熔穿（圖4）。

（a）50kA短路空載試驗波形（b）帶試品測試，實測電流49.79kA

圖350kA模擬雷電流沖波形

（a）試品正面（b）試品背面

圖450kA模擬雷電流沖擊后的痕跡

3.2金屬屋面直擊雷熱效應理論計算

當雷電流擊中金屬屋面時，可能造成金屬屋面熔蝕。在所有發(fā)生電弧的防雷部件上都可

以觀察到雷電流流經產生的熱損害?；〉妆旧硪约案唠娏髅芏葘е碌募凶栊园l(fā)熱在電弧底

部產生大量的熱量輸入。熱能大多產生于金屬表面。若超出金屬傳導和吸收的能力，過量的

熱會被輻射或散失在金屬的熔化、氣化過程中，其嚴重程度與電流幅值和持續(xù)時間正相關。

為評估金屬屋面受雷擊時的熔穿風險，可對雷擊過程的熱效應分析做簡化處理：接觸處即電

弧底部的能量轉換由電荷與發(fā)生于微米級范圍內的陽極或陰極電壓降Ua,c的乘積產生。在

所要考慮的雷電流范圍內Ua,c幾乎是個常數(shù)，其值為數(shù)十伏（可取30V）。因而電弧底部的

能量轉換主要與雷電流電荷有關。假設該能量未被傳遞，只用于熔化金屬，導致熔化的體積

V可如下式計算：

Ua,cQ1

V（1.2）

CwsuCs

式中，Q雷電流電荷（C）；γ材料密度（kg/m3），鋁為2700；CW熱容量[J/(kg·K)]，

鋁為908；θs熔點（℃），鋁為658；θu環(huán)境溫度（℃），夏季取30；Cs熔化潛熱(J/kg)，

鋁為397×103。

在GB50057《建筑物防雷設計規(guī)范》第4.1.4的補充說明中提到，雷擊點加熱面積的直

徑d一般為50～100mm,對應面積S值1963～7854mm2。在雷電流注入電弧觸點的能量一

定的前提下,如果加熱點面積越小,金屬薄板熔化的厚度越深,為了檢驗金屬板的最大熔化

深度,此處計算選取加熱點加熱面積S約為1963mm2。

將上述選取的數(shù)值依次代入式（1.3）中,即可計算得到雷擊金屬薄板時的熔化厚度H：

H=V/S（1.3）

雷電流分別取100kA和50kA作為典型值代入上式計算導體熔化體積。按幅值50kA

的長時間閃擊共攜帶50C電荷計算，最多使574.38mm3的鋁合金熔化，熔穿厚度為

0.29mm；按幅值100kA的長時間閃擊攜帶電荷100庫倫計算，最多使1148.8mm3的鋁合

金熔化，熔穿厚度為0.58mm；按幅值150kA的長時間閃擊攜帶電荷150庫倫計算，最多

使1723.2mm3的鋁合金熔化，熔穿厚度為0.87mm；若雷電流進一步按200kA

（GB50057-2010表F.0.1-1）考慮，電荷量設為為200庫倫（GB50057-2010表F.0.1-4）時，

最多使2297.5mm3的鋁合金熔化，熔穿厚度為1.17mm。由于該公式假設弧底產生的所有

能量只用于金屬熔化，未考慮能量耗散，因此其估計的熔化體積大于實際值，這樣的估計對

于雷電防護是可靠的。

3.3不同接地方式的低電位仿真研究

圖5是按南京市某在建鋼結構變電站建立的計算模型。該變電站接地網網格跨度為

5.5m～6m，總長約84.5m，寬約43.5m，埋深0.8m；由于雷電流的趨邊效應，我們將金屬

屋面接閃點設置于建筑物邊緣。共有12個節(jié)點通過引下線與接地網連接，接地網及引下線

導體均采用40×4mm2的鍍銅扁鋼，接地導體電阻率取ρ=1.78×10-7Ωm，相對磁導率

μ=200；設變電站處土壤分為1層，土壤電阻率為100Ωm。

圖5接地網和屋面接閃點

根據(jù)《GB50057-2010建筑物防雷設計規(guī)范》變電站最高為二類防雷建筑。因此，本文

模型采用10/350μs、幅值100kA的標準雷電波，該雷電流波形用雙指數(shù)函數(shù)表示如下：

（1）

3-1

式中，雷電流峰值Im=100kA，波形矯正系數(shù)k=1.051，波前衰減系數(shù)α=2.127×10s，

波尾衰減系數(shù)β=2.461×105s-1，采樣時間取0.6104s，采樣頻率取1.638MHz，時域截斷窗寬

取2500us。

采用CDEGS軟件分析外引共用接地（接閃器引下線利用絕緣包裹后引至接地網外邊緣，

與接地網導體連接，且防雷接地與變電站接地網共用）、就近共用接地（接閃器引下線引至

地面直接與就近的接地網導體連接，且防雷接地與變電站接地網共用）、單獨接地（接閃器

引下線設置單獨的接地電極單獨接地，與變電站接地網絕緣）幾種方式下地電位分布情況。

（a1）外引接地t=1.832μs時刻地電位分布（a2）就近接地t=1.832μs時刻地電位分布

（b1）外引接地t=7.326μs時刻地電位分布（b2）就近接地t=5.495μs時刻地電位分布

（c1）外引接地t=15.873μs時刻地電位分布（c2）就近接地t=15.873μs時刻地電位分布

（d1）單獨多點接地t=15.873μs時刻地電位分布（d2）單獨多點接地t=200.855μs時刻地電位分布

圖6不同地網形式的低電位分布情況

根據(jù)接閃后地表電位分布的變化情況得出如下結論：

1）在單獨接地系統(tǒng)中，無論設置單個或多個接地極，其地電位雷電過電壓峰值分別可

達743.5kV和230kV，即使經過t=1000μs地電位值仍高達91.57kV。

2）采用共地系統(tǒng)時外引接地和就近接地分別在5.49451us和4.2732us時達到最大地表

電位值101.4kV和109kV，就近接地電位最大值比外引接地稍大；對比t=1.8315us和

t=3.0525us時刻地表電位，可以發(fā)現(xiàn)在前幾us，外引接地的地表電位峰值總是比就近接地

的小，說明外引接地地電位較就近接地的形式上升稍慢；在經過電位峰值時刻后，他們峰值

電位開始逐步減小，電位趨向于均勻分布。

3）接閃前幾個μs內，t=3.0525us時刻，外引接地節(jié)點附近區(qū)域跨步電壓可達

45.21kV，遠遠大于就近接地方式同一區(qū)域的跨步電壓。隨后，整個接地網區(qū)域的跨步電壓

總體呈逐步減小的趨勢，t=30.525us時刻二者地電位分布趨于接近，t=120.49us時刻二者

地電位分布情況已基本一致。

由此可見：1）單獨接地系統(tǒng)的泄流能力遠小于共用接地系統(tǒng)，在110kV金屬結構變電

站防雷設計中不建議使用。2）接閃前幾個μs內，外引共用接地系統(tǒng)從峰值電壓、波形陡

度來看略優(yōu)于就近共用接地系統(tǒng)。t=30時刻二者地電位分布趨于接近，t=120us時刻二者地

電位分布情況已基本一致。3）接閃前幾個μs內，外引接地節(jié)點附近區(qū)域跨步電壓很大，

應采取措施減小跨步電壓危害。

四、采用國際標準和國外先進標準的程度，以及與國際、國外同類標準水平的對比情況

《GB50057-2010建筑物防雷設計規(guī)范》5.2.7條對于金屬屋面作為接閃器做了如下規(guī)

定：“除第一類防雷建筑物外，金屬屋面的建筑物宜利用其屋面作為接閃器，并應符合下列

規(guī)定：1、板間的連接應是持久的電氣貫通，可采用銅鋅合金焊、熔焊、卷邊壓接、縫接、

螺釘或螺栓連接。2、金屬板下面無易燃物品時，鉛板的厚度不應小于2mm，不銹鋼、熱鍍

鋅鋼、鈦和銅板的厚度不應小于0.5mm，鋁板的厚度不應小于0.65mm,鋅板的厚度不應小

于0.7mm。3、金屬板下面有易燃物品時，不銹鋼、熱鍍鋅鋼和鈦板的厚度不應小于4mm，

銅板的厚度不應小于5mm,鋁板的厚度不應小于7mm。4、金屬板無絕緣被覆層?！薄禛B/T

50065-2011交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》4.5.1條規(guī)定：“發(fā)電廠和變電站雷電保護的接

地，應符合下列要求：主控制室、配電裝置室和35kV及以下變電站的屋頂上如裝設直擊雷

保護裝置，若為金屬屋頂或屋頂上有金屬結構時，則應將金屬部分接地，該接地引下線應與

主接地網連接并應在連接處加裝集中接地裝置?！鄙鲜鰲l款從原則上肯定了直接使用金屬

屋面接閃的可行性，本規(guī)范則對110kV金屬結構變電站防雷裝置的設計、施工進行了具體化

和補充。

《GB/T50064-2014交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》《GB/T

50065-2011交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》對變電站交流電氣裝置的的雷電過電壓保護和

接地要求做了規(guī)定，作為本標準的規(guī)范性引用文件。

五、對標準《征求意見稿》收集意見的處理情況，包括重大分歧意見的處理經過和依據(jù)

征求意見稿發(fā)送的單位、專家數(shù)為30個，收到征求意見稿后回函的單位和專家數(shù)為25

個，其中，有建議或者意見的單位和專家數(shù)：22個，無意見：3個。共征集反饋意見68條，

其中，采納59條，部分采納1條，未采納4條，解釋4條。

六、其他應予說明的事項

無

江蘇省防雷減災協(xié)會團體標準

《110kV金屬結構變電站防雷設計規(guī)范》

編制說明

標準起草工作組

2022年3月

江蘇省防雷減災協(xié)會團體標準

《110kV金屬結構變電站防雷設計規(guī)范》編制說明

一、工作簡況

1.1任務來源

該標準由江蘇省防雷減災協(xié)會提出并歸口。

1.2主要工作過程

1）資料收集

項目組對變電站設計、過電壓保護、建筑物雷電防護相關資料作了廣泛的收集，對110kV

變電站現(xiàn)行的雷電防護裝置設計和施工方案進行深入了解；收集了110kV變電站建筑、電氣

各項圖紙、防雷裝置施工工藝等，為本標準的編制提供參考。

2）現(xiàn)場調研

編制組多次前往南部新城國泰110kV變電站、江北新區(qū)龍華路變電站110kV變電站現(xiàn)

場調研。調研發(fā)現(xiàn)，南部新城國泰110kV變電站雖采用金屬屋面和金屬框架的全金屬結構，

但雷電防護依然采用了傳統(tǒng)混凝土結構建筑的設計方式，單獨裝設接閃桿、引下線，造成建

設成本的增加和不必要的資源浪費。

（a）國泰110kV變電站專設接閃桿（b）國泰110kV變電站專設引下線

圖1編制組赴國泰110kV變電站現(xiàn)場調研

3）組織編寫

在標準規(guī)范編制前，本項目起草人員經反復論證和咨詢，確定了標準的大綱，重點突出

金屬結構變電站建筑物外部防雷裝置相關要求，確立了以下幾個組成部分：范圍、術語和定

義、一般規(guī)定、直擊雷防護、雷擊電磁脈沖防護。

編寫過程中，項目組開展了金屬屋面直擊雷模擬試驗、不同接地方式的地電位分布研究、

雷擊金屬屋面變電站電磁環(huán)境研究，為本標準中相關條款的制定提供了參考依據(jù)。江蘇省氣

象災害防御技術中心、各市、區(qū)氣象災害防御技術中心、華北電力大學、南京信息工程大學、

中科院電工所等相關科研院所以及防雷工程企業(yè)、電力工程企業(yè)等多方面專家為標準的制定

提供了技術指導。2022年2月，編制組再次集中研討，對內容進行了逐條推敲，形成征求

意見稿。

1.3標準起草單位及主要起草人

標準起草單位：南京電力設計研究院有限公司，江蘇天安防雷工程有限責任公司，華

云科雷（北京）技術發(fā)展有限公司，連云港市氣象災害防御技術中心，連云港市連云區(qū)氣象

局。

主要起草人：高海洋，茅嘉毅，張彪，徐卓，王小兵，孫志兵，李進，蔣海琴，江海

洋、顧禮力，楊曉峰。

二、主要技術內容

2.1目的和意義

傳統(tǒng)110kV變電站一般采用現(xiàn)澆混凝土結構，隨著環(huán)保和建設效率要求的提高，江蘇省

電力部門目前正大力推進金屬結構變電站的建設。其建筑物結構與混凝土變電站存在顯著差

異，因此對于變電站建筑物的雷電防護——尤其是外部防雷裝置的設計——提出了新的要

求。《GB/T50065-2011交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》《GB50057-2010建筑物防雷設計

規(guī)范》均從原則上肯定了直接使用金屬屋面接閃的可行性，但并未解決變電站防雷設計中遇

到的具體問題，如：何時可以采用金屬屋面和框架直接接閃、引下，何時需專設接閃器和引

下線；使用金屬屋面接閃時，其與建筑物框架的電氣連接應符合何種要求；其接地系統(tǒng)應如

何設計。為此，制定本規(guī)范用于指導新建、改建、擴建的110kV金屬結構變電站的雷電防護

裝置設計和施工。

2.2標準主要內容

針對上述需求，本標準重點突出金屬結構變電站建筑物外部防雷裝置相關要求，包括以

下組成部分：范圍、術語和定義、一般