［摘 要］高壓輸電線由于所處地勢較高，因此常遭受雷電的影響，使得高壓輸電線發(fā)生損害。文章針對高壓輸電線雷電防護的問題，設計了一種高壓輸電線路的雷電防護穩(wěn)態(tài)模型，通過實際案例驗證雷電電流波形及接地線數(shù)量對高壓輸電線路穩(wěn)態(tài)的影響，提出了高壓輸電線穩(wěn)態(tài)防雷擊措施與方法。研究結果表明，分散雷電能量和提升接地線數(shù)量都能夠有效減少雷電對高壓輸電線的損耗。

［關鍵詞］高壓輸電線路；雷電防護；接地線；波形

［中圖分類號］TM863 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0099–03

隨著現(xiàn)代社會對電力需求的日益增長，高壓輸電線路的安全與平穩(wěn)運行成為電力系統(tǒng)設計中的關鍵問題之一[1]。高壓輸電線路在運行過程中，常面臨著自然災害的嚴峻挑戰(zhàn)，尤其雷電直接影響著高壓輸電線路的安全性和穩(wěn)定性。雷電是一種自然現(xiàn)象，其產生的直擊雷和感應雷均會對輸電設施造成嚴重損害[2]。因此，如何有效地防護雷電，減少其對高壓輸電線路的不利影響，是提高電力系統(tǒng)可靠性的重要方向。傳統(tǒng)的雷電防護措施，如安裝避雷針和接地系統(tǒng)，雖然在一定程度上減輕了雷電對高壓輸電線路的影響，但仍面臨許多挑戰(zhàn)，文章對此展開研究。

1 高壓輸電線路的雷電防護穩(wěn)態(tài)模型設計

當前，構建高壓輸電線路等效電路雷電防護穩(wěn)態(tài)模型的方法包括數(shù)據(jù)參數(shù)電路分析法、有限元差分法和數(shù)據(jù)模型搭建等，其中數(shù)據(jù)參數(shù)電路分析法是常用的高壓輸電線等效電路雷電防護模型。該方法是將高壓輸電線路進行π 型電路等效模型搭建。π 型電路等效模型如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，π 型電路由1 個電感器和兩個并聯(lián)的電容裝置組成，由于高壓輸電線路模型只與其時間向量有關、與空間位置無關，因此搭建的數(shù)據(jù)模型其計算方法更簡單，同時對于在受到雷電影響下高壓輸電線的頻率變化較小，因此可以降低或減少其頻率變化的影響。模型的電感器計算公式[3] 如下：

X=R+kO=（R0+kωL0）l（1）

式中，X為電感器的電感大小，R0為單位高壓輸電線中的等效電阻，k為復數(shù)，ω為角頻率，L0為單位長度的電感，l為高壓輸電線的長度，R為高壓輸電線的電阻，O為系統(tǒng)的感抗。

模型的電容計算公式如下：

Y=G+kB=（G0+kωC0）l（2）

式中，Y為電容的大小，G為電導，G0為單位電線中的等效電導，C0為單位電線中的等效電容大小，B為高壓輸電線的容抗。

通過對雷電防護模型進行搭建能夠對高壓輸電線路進行分析模擬。高壓輸電線在雷電的作用下一般會出現(xiàn)絕緣子閃絡的情況，這種情況會造成絕緣子間隙擊穿，使其發(fā)生電暈起始或主放電過程。因此需對高壓輸電線路進行閃絡情況的判斷。常用的判斷方法是通過比較絕緣子兩端的電壓波動形態(tài)曲線與標準電壓波形伏特2.6/50 μs 進行判斷。當絕緣子間隙中的平均電場強度大于500 kV/m，同時隨著電壓的增強，高壓輸電線的電壓值大小大于最初的電壓后，高壓輸電線此時出現(xiàn)先導情況，當先導的長度大小大于絕緣子的間隙大小時，絕緣子為閃絡狀態(tài)。閃絡的判斷公式[4]如下：

式中，L為高壓輸電線的先導大小； 為絕緣子上的通過的電壓強度，kV；D為絕緣子間隙大??；E0為高壓輸電線先導的電場強度大小，kV/m；k為高壓輸電線的先導系數(shù)。

由于高壓輸電線中的初始電場強度與先導系數(shù)是不確定的，因此需要對絕緣子的伏特曲線進行修正，公式如下：

式中，Vr-n為絕緣子的閃絡電壓大小；d為絕緣子的間隙長度，m；t為絕緣子的閃絡時間，μs。

2 雷電電流波形對高壓輸電線路穩(wěn)態(tài)的影響

為了提升高壓輸電線穩(wěn)態(tài)模型對實際雷電防護的影響，將某地區(qū)220 kV 高壓電線作為研究對象，高壓線線桿高33 m，線桿型號為220ZBT1–33，雷電通過的最大阻抗為60 Ω。將高壓輸電線高壓塔輸入幅度為20 kA 的雷電電流，波動時間為2.6 μs，波流通過的時間為50 μs，塔中桿處于對稱位置，受到雷擊時高壓輸電線塔桿受到的響應位置相同。雷擊后的電壓變化情況如圖2 所示。

當高壓輸電線塔受到雷電攻擊時，各個位置桿塔的電壓迅速上升，特別是塔頂位置電流電壓上升幅度較大，電壓幅度值達到3.56 MV。線桿A 相和B 相的電壓幅度分別為3.35 MV 和3.12 MV。這是由于兩根導線相所處的位置不同、排列順序和高度不同所致。受到雷電攻擊點較近的A 相所承受的電壓幅度值相對較高，同時在雷電電流通過塔身線路接地后，各個位置的電壓幅度出現(xiàn)明顯降低，衰減并下降至零位。由于高壓輸電線受到雷擊波形情況的變化對于電壓的幅度變化較大，因此得到不同雷電波形對電壓幅度的影響見表1。

從表1 可以看出，不同的雷電波形對高壓輸電線受到的雷電電壓幅度變化影響較大。

3 接地線數(shù)量對輸電線穩(wěn)態(tài)的影響

接地線設立在高壓輸電線的上方，能夠減少高壓輸電線直受雷擊的情況。接地線具有分流的作用，因此在高壓輸電線受到雷擊時，接地線能夠將一部分電流進行分流，從而降低頂端高壓輸電線受到的電壓。為了更加直觀地分析接地線對高壓輸電線電壓的影響，對接地線數(shù)量進行劃分。不同數(shù)量接地線對雷電電壓變化的影響見表2。

從表2 中可以看出，接地線數(shù)量的增加能夠有效地降低雷電電流幅度。

4 高壓輸電線穩(wěn)態(tài)防雷擊措施與方法

雷電擊中高壓輸電線塔后，高壓輸電線的電壓和電流會出現(xiàn)較大的變化。當電流和電壓的大小超過絕緣子的耐受能力時，會出現(xiàn)絕緣子閃絡的情況，因此在搭建高壓輸電線路時，需要對高壓輸電線進行防雷擊措施和方法改進。

以上述220 kV 高壓輸電線為例，雷電的波形變化和高壓輸電線的雷擊位置對其電壓和電流的影響變化較大。從各位置電壓變化和波形變化的分析中可以看出，雷電擊中的位置和波形越大對高壓輸電線的影響越大。同時高壓輸電線的線桿塔得到雷擊的能量越大，整體的暫穩(wěn)態(tài)阻抗值就越高。因此當高壓輸電線遭受雷擊時，可以通過提升高壓輸電線的雷電疏導能力，來提升其防雷效果。如安裝防雷設備，同時防雷設施需要能夠承受極高的瞬時電流并快速分散能量，避免由于電流過大導致的設備損壞。防雷裝置可以選擇耐雷效果較好的裝置，如加裝避雷器，同時基于成本考慮可以只使用單相的避雷器進行避雷，這樣能夠保證在一定條件下輸電線能夠處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

對于接地線的選擇，需要根據(jù)當前高壓輸電線路的長度和環(huán)境進行判斷，接地線的電阻應盡可能的減少，空間布局應分散布置，覆蓋更廣的范圍，接地線的數(shù)量應選擇較合理的情況，根據(jù)成本和防雷效果兩個方面進行考慮分析。根據(jù)研究中對輸電線塔的分析，需要合理的布置接地線，接地線使用兩根接地線的方式，在塔頂中重新增加新的接地線，以此降低輸電線在雷擊過程中的電壓幅值。

5 結束語

研究結果表明，雷電的波形變化對高壓輸電線電壓的變化影響較大，同時接地線的數(shù)量越多對高壓輸電線的電流影響越大。所以，在實際的高壓輸電線防雷擊措施中，要根據(jù)實際情況進行合理選擇，在成本合理的同時防雷擊效果也較好。

參考文獻

[1] 黃宇辰，楊真. 雷擊輸電線路時全波電磁暫態(tài)特性研究[J].電網與清潔能源，2022，38（ 9）：10-16.

[2] 曾誠，周羽生，周游，等. 混壓輸電線路耐雷性能研究[J].高壓電器，2021，57（ 9）：131-137.

[3] 畢潔廷. 計及山谷深度的輸電線路雷電繞擊率三維EGM研究 [J]. 中國電力，2021，54（ 8）：91-97.

[4] 肖慶華. 輸電線路設計中線路防雷技術的運用[J]. 科技資訊，2023，21（ 22）：96-99.