水利电气工程中高压输电线路防雷保护技术

引言

高压输电线路的防雷保护技术涵盖了多个方面，包括避雷针、避雷器、耦合地线等多种防护措施，这些技术手段通过有效分流雷电能量、降低电压波动以及提高设备的抗雷能力，有助于最大限度地减轻雷电对线路及其附属设备的损害。特别是在雷电频发的地区，如何结合输电线路的实际情况、地理环境及气候特点，合理设计防雷方案，已成为水利电气工程中亟待解决的重要课题。

1. 雷电对高压输电线路的危害

1.1 直接雷危害

当雷电直接击中高压输电线路时，会产生强大的电流和高温，导致输电线路的金属导体瞬间发生过热，甚至熔化或断裂。这种高温会破坏线路的绝缘层，可能引发线路短路或设备损坏，严重时会导致系统瘫痪。雷电的冲击还会产生电磁脉冲，干扰正常电力系统的运行，导致设备保护装置误动作，增加故障的频率和范围 [1]。此外，雷电击中输电线路后会通过接地系统传递大量电流，如果接地设计不合理，可能造成接地系统过载或损坏，甚至引发火灾。高压输电线路的雷击还可能导致电气设备的绝缘损坏，降低设备的使用寿命，并增加后期维修和维护成本。

1.2 感应雷危害

感应雷危害是指雷电活动产生的强电磁场作用于高压输电线路，导致线路及其设备发生感应电压，从而引发电气设备的损坏或系统故障。当雷电发生时，其产生的电磁脉冲能够通过空间传播，对周围的导体产生感应作用，高压输电线路中的导体和地网便可能承受这些感应电压。感应雷电压往往较为突然且短暂，但其瞬时高电压特性使得输电线路的绝缘层容易被击穿，造成线路短路或设备烧毁。感应雷的危害不仅表现在线路的电气设备上，还可能通过控制系统引发误操作，导致保护装置失效或系统误停。

1.3 雷电波入侵危害

雷电波入侵是指雷电直接击中输电线路附近的建筑物、树木等物体时，产生的雷电波通过导体传播，侵入变电站并对其中的电气设备造成威胁。雷电波的强电磁场可以通过电力系统的外部线路传播，进入变电站设备并引发过电压和过电流现象。变电站作为电力系统的关键枢纽，内设变压器、开关设备等电气设备，这些设备的内绝缘多为不可恢复型结构，一旦受到雷电波的强烈冲击，可能导致设备绝缘击穿、烧毁或严重损坏。雷电波入侵不仅使变电站设备遭受损害，还可能引发设备故障、继而导致大面积停电，影响电力供应的稳定性。

2. 高压输电线路防雷保护技术措施

2.1 合理规划线路路径

首先应充分考虑区域的雷电活动特点，避免将线路布置在雷电频发的高风险地区，如高山、峡谷、开阔平原等地。这些地区因地形特征和气候条件，雷电活动频繁，雷电放电几率较高，线路遭受雷击的风险随之增加。其次应尽量避免线路跨越大型水体、森林等自然障碍物。这些区域往往具有较强的电气导电性，容易形成雷电通道，进而提升线路被雷电波侵入或直接击中的风险。进一步地，在规划线路路径时，还应考虑地势的变化，如避免穿越地势起伏较大的区域，这不仅会增加线路遭受雷击的可能性，还可能影响避雷设备的安装和维护。因此，通过优化线路路径选择，可以在设计阶段有效降低雷电击中线路的几率，为后续的防雷保护提供基础保障 [2]。

2.2 架设避雷线

架设避雷线作用是通过为雷电提供引导通道，从而有效防止雷电直接击中输电导线。避雷线的设计原则基于雷电流通过避雷线流入大地的原理，避免雷电流对输电线路造成损害。避雷线的布置不仅能够直接引导雷电，还能在一定程度上通过电磁感应的方式抑制感应过电压的发生，从而有效提升输电线路的防雷能力。

避雷线的设置要求与输电线路的电压等级密切相关。对于 500kV 及以上电压等级的输电线路，通常需要全线安装双避雷线，以确保在高压环境下雷电流的引导能力。此外，随着输电线路电压等级的增加，避雷线的保护角度逐渐减小，部分线路的保护角可能小于 20^∘ ，这要求避雷线具备更强的电流引导能力和更精确的设计。对于 220kV 至 330kV 的输电线路，避雷线通常设置为双避雷线，保护角度一般在 20^∘ 至 30^∘ 之间，这能够有效应对常规雷电的威胁。110kV 的中低压线路在设计时，也会依据雷电活动的强度进行相应的避雷线设置。特别是在雷电频发的地区，采用双避雷线的方式进行全线装设，以增强防护效果。

2.3 降低杆塔接地电阻

杆塔接地电阻的大小直接影响着线路的直击雷耐雷水平，良好的接地系统能够有效将雷击电流迅速引导至地下，减少雷电流在杆塔上的电位升高，从而有效降低雷击对输电线路的危害，降低因雷击引起的跳闸风险。在山区或土壤电阻率较高的地区，通常采用延长接地极、外引接地、换土等技术手段，以改善接地电阻。延长接地极可以增加接地电流的分布面积，有效减小电阻值；外引接地则通过利用外部地面进行接地，从而优化电流的流通路径；而换土方法则是通过更换接地系统附近土壤的电性特性，以降低接地电阻。

2.4 安装避雷器

常见的避雷器类型包括气体放电避雷器和氧化锌避雷器。其中，氧化锌避雷器因其具有优异的非线性伏安特性，在正常工作电压下呈现高阻态，几乎没有电流通过，一旦发生雷电过电压，阻值会急剧下降，将过电压限制在安全范围内，从而有效保护输电线路中的设备。氧化锌避雷器不仅具有较低的泄漏电流和较高的耐压能力，还能够较好地适应高压输电线路中频繁的雷电环境，因此成为当前防雷保护中的首选设备。在高压输电线路的防雷设计中，避雷器的选择应根据具体的电网结构、地理环境和雷电活动频率来决定。避雷器应重点安装在雷电活动频繁、易遭受雷击的杆塔上，特别是线路的进线段、大跨越段等易受雷击的关键位置。

2.5 架设耦合地线

当雷电流流经输电线路时，耦合地线能够通过增加线路与地之间的耦合系数，降低杆塔绝缘子上产生的过电压，从而有效减少雷击对输电线路设备的破坏。这一措施显著提高了线路的耐雷能力，尤其是在雷电频发区域。然而，在实际应用中，架设耦合地线的效果受到多种因素的影响，首先是弧垂对地距离，这直接影响耦合地线的分流效果。其次，杆塔的结构强度和地面电导率等因素也会限制耦合地线的实际应用效果 [3]。为了达到最佳的防雷效果，必须综合考虑线路的具体地理环境、电气参数及防雷需求，合理选择耦合地线的架设位置和方式。在一些复杂环境中，可能需要结合其他防雷措施，如避雷器的配合使用，以确保高压输电线路的稳定和安全运行。

3. 结束语

本文探讨了当前高压输电线路防雷保护技术的应用现状，并分析了其面临的挑战。通过对避雷器、避雷针、耦合地线等防雷措施的应用，能够有效降低雷电对电力设备的冲击，提高电力系统的可靠性和安全性。未来，防雷保护技术的发展需要结合现代科技手段，如智能监控技术和大数据分析，以实现更高效、更精确的防护措施。通过综合考虑气候变化、地理环境和电力负荷等多方面因素，制定更加科学、合理的防雷方案，有助于提升水利电气工程的安全性和可持续性。

参考文献：

[1] 陈卓 , 陈嘉康 .220kV 高压输电线路防雷接地技术探析 [J]. 电气技术与经济 ,2024,(0 11):338-339+342 .

[2] 赵春宇 , 吴红石 , 熊志群 , 等 . 高压输电线路的防雷技术 [J]. 模具制造 ,2023,23(11):175-177.

[3] 王 里 . 高 压 输 电 线 路 的 综 合 防 雷 策 略 探 讨 [J]. 低 碳 世界 ,2019,9(11):77-78.