引言
随着我国电力工业的发展，电网的运行电压等级不断提高，输电线路走廊越来越狭窄，雷击跳闸事故时有发生。特高压输电线路具有电压等级高、输送容量大、输电距离长、输送距离远等特点，容易遭受雷击危害，绝缘水平低的线路更容易发生雷击闪电事故。目前，国内外学者已经提出了许多提高特高压输电线路绝缘水平的方法。但这些方法大多是针对某一种防护措施进行优化设计，缺少对各种防护措施进行优化设计的研究。因此，本文针对特高压输电线路的雷击过电压问题开展了研究，分析了雷电过电压对绝缘造成的影响，并提出了防护技术优化方法和绝缘配合优化方法。
一、特高压输电线路雷击过电压机理分析
输电线路雷击跳闸事故中，绝缘损坏是造成跳闸的主要原因，雷击过电压对绝缘造成的危害主要表现为工频电压的上升沿或闪烁。通常情况下，雷击过电压的形成主要有两个阶段：雷电冲击阶段和雷电放电阶段。雷电冲击阶段是指由雷电流在导线上产生的感应雷过电压，该过电压会对线路造成较大危害；雷电放电阶段是指由雷击引起的闪烁现象，该过程会产生较大的工频电压。由于特高压输电线路绝缘水平较高，绝缘强度远远大于其他输电线路，因此，特高压输电线路的雷击过电压主要来源于雷电冲击过电压和雷电放电。因此，在特高压输电线路设计中，应当采取必要的防雷措施以确保其安全可靠运行[1]。
二、雷击过电压的形成及对绝缘的影响
输电线路遭受雷击后，在雷击点附近的导线上将会产生感应过电压。当雷击点附近的导线上的感应过电压达到一定程度时，将会发生绝缘闪络现象，从而导致线路跳闸，导致输电线路停运。为了避免雷击闪络事故，相关人员在设计特高压输电线路时，通常采用绝缘配合的方式进行线路设计。所谓绝缘配合，是指不同电气设备的绝缘水平保持一致，以确保其安全可靠运行。然而，绝缘配合不可能做到绝对完美，由于特高压输电线路受各种因素影响，其绝缘水平往往不能达到理想状态。因此，在设计特高压输电线路时应当综合考虑各种因素并对绝缘配合进行优化。
三、雷击过电压防护技术现状与不足
3.1现有防护措施概述
目前，国内外对雷电防护主要采用以下几种方法：一是在线路杆塔上装设避雷线，提高线路的耐雷水平，同时降低接地电阻；二是在杆塔上安装避雷器，使线路遭受雷击时产生的过电压及时泄入大地；三是在导线与避雷线之间装设间隙，以限制工频续流的幅值和时限。避雷器作为主要的防雷装置，应用最为广泛。避雷器按照结构可分为两类：一类是将避雷器安装在杆塔上，通过在线路雷击时产生的过电压将过电压幅值限制在一定范围内；另一类是将避雷器安装在线路杆塔上，通过保护间隙来限制工频续流的幅值和时限。目前，我国特高压输电线路普遍采用第一种方法[2]。
3.2防护技术应用案例分析
以西北—华中、华中—东南特高压直流输电工程为例，输电线路采用了四种防护措施。一是在塔顶和塔身安装避雷器，由于塔顶避雷器的保护范围有限，其雷电过电压可能超过塔身避雷器的保护范围，从而限制了过电压幅值；二是在绝缘子串两端加装保护间隙，其防护范围也有限，限制了过电压幅值；三是在线路杆塔上安装间隙式避雷器，由于间隙式避雷器的保护范围有限，其雷电过电压幅值也不能超过避雷器的保护范围；四是在杆塔上安装双端绝缘子串。由于双端绝缘子串的保护范围有限，其雷电过电压幅值也不能超过双端绝缘子串的幅值。以上四种防护措施均能有效地限制线路的雷电过电压幅值。
3.3问题与挑战
根据对上述四种防护措施的应用，分析发现其均存在一定的问题与挑战，主要表现在：（1）避雷器、避雷器安装在塔顶和塔身上，其保护范围有限，只能限制塔顶和塔身的雷电过电压幅值，对线路绝缘子串上的雷电过电压不能有效限制；（2）间隙式避雷器、双端绝缘子串在线路上只起到了防护作用，不能有效限制线路的雷电过电压幅值，在线路雷击跳闸率高的情况下，可能会对设备和人员安全造成威胁；（3）避雷器、避雷器安装在杆塔上，其对杆塔接地电阻也有一定要求，若接地电阻太大则会影响其防护效果；（4）在杆塔上安装避雷器、避雷器会对设备、人员带来一定的安全隐患[3]。
四、技术优化方法研究
4.1防雷措施优化设计（如避雷线、避雷器选型与布置）
避雷线的选型应综合考虑其耐雷水平、经济技术指标等因素，避雷线的耐雷水平可以采用最大雷电流下的放电试验值，以避免避雷线选型过大或过小。避雷器的选型应结合避雷器安装位置和当地雷击概率等因素进行综合考虑。避雷器的布置应选择合适的安装位置，以避免避雷器安装不均匀、不合理等情况。避雷线和避雷器的布置应遵循以下原则：①对雷电过电压幅值较大、分布较广且易受雷电流幅值影响的杆塔，可在杆塔上增设1～2条避雷线；②对于雷击电流幅值较小且分布比较均匀的杆塔，可在杆塔上增设1～2条避雷线；③对于雷击电流幅值较小，且分布比较均匀的杆塔，可在杆塔上增设1～2条避雷线。
4.2新型防护材料与器件应用
硅橡胶材料具有耐温高、电气性能优良、化学稳定性好等优点，且具备一定的机械强度，目前已经广泛应用于各类电气设备绝缘防护领域。而在特高压输电线路防雷领域，硅橡胶材料的应用还有待进一步推广。氧化锌避雷器具有价格低、运行维护方便、使用寿命长等优点，特别适合于低电压等级线路。因此，未来在特高压输电线路防雷领域的应用前景较为广阔。但是氧化锌避雷器的响应速度较慢，其非线性伏安特性会随电压幅值的增大而增大，且非线性伏安特性所占比例较高，这将会增加系统的操作过电压水平，从而影响特高压线路的运行安全。
4.3仿真与测试方法
根据上述研究结果，结合目前已有的防雷设计方案，提出以下防雷优化建议：（1）避雷线、绝缘子等防雷设备选型与布置时，应注意避雷线与绝缘子的选型与布置合理，并应根据不同地区雷电活动情况选择不同的避雷线类型，提高系统的雷击过电压水平。（2）采用新型材料研发的避雷器作为特高压线路防雷防护手段，同时可以进一步提高其抗氧化能力和非线性伏安特性，从而提升特高压线路的耐雷水平。（3）特高压线路的绝缘水平较高，因此不建议将氧化锌避雷器作为避雷线、绝缘子等防雷设备的主保护器。（4）建议采用新型防雷材料，同时应注意新型材料的使用情况[4]。
4.4优化效果评估
对优化方案进行仿真计算，验证所提防雷技术的可行性。仿真结果表明：新型避雷器可有效降低特高压输电线路的雷击过电压，在满足绝缘配合要求的情况下，其防护效果可达90%以上，且新型材料可有效降低避雷线、绝缘子等防雷设备的绝缘水平。基于现有技术和仿真分析结果，对优化方案进行试验验证，验证防雷技术的有效性。针对已有试验结果和优化建议中提出的新型材料，在特高压线路上开展相关试验研究。在1 000 kV线路上对不同新型材料及防护技术的综合效果进行评估。结果表明：采用新型材料研发的避雷器可有效降低特高压输电线路的雷击过电压，满足绝缘配合要求。
五、绝缘配合特性分析
5.1绝缘配合的基本原理
绝缘配合是指在确定绝缘水平时，通过选取绝缘水平最小的绝缘子串，使得在雷电过电压作用下，其绝缘水平的变化控制在一定范围内，以保证线路安全运行。特高压输电线路的绝缘配合主要涉及到绝缘子串的污秽闪烁、雷电冲击、操作冲击和雷电过电压四个方面。特高压输电线路的污秽闪络与线路的运行环境密切相关，雷击过电压和操作冲击是影响污秽闪络的主要因素。因此，提高特高压输电线路的绝缘水平，可有效降低雷击过电压对导线、避雷线及绝缘子造成的危害。通过分析雷电冲击电流和操作冲击电流对输电线路绝缘水平影响，可得到不同工况下线路的绝缘水平[5]。
5.2特高压输电线路绝缘水平配置
特高压输电线路的绝缘水平配置，应综合考虑环境因素和电气因素，以确保特高压输电线路的安全运行。特高压输电线路的绝缘水平配置应尽量提高绝缘水平，以降低雷电过电压对导线、避雷线及绝缘子的危害，但也应控制过电压下的绝缘水平。在雷电过电压下，一般选取导线对地高度的1/8-1/10作为绝缘子串的绝缘水平，以保证在雷电过电压下不发生闪络。当导线对地高度小于1/10-1/8时，可以通过提高线路的高度来降低过电压对绝缘子的影响；当导线对地高度大于1/10-1/8时，应采取相应措施来提高线路的高度，以减少雷电过电压对绝缘子的危害。
5.3绝缘配合与防护措施的协同关系
当线路采取了相应的防护措施后，仍有可能出现闪烁现象，因此需要对线路进行绝缘配合特性优化，以提高线路的防雷水平。在不同的环境条件下，线路的绝缘配合特性不同。在雷电活动较弱的地区，应考虑提高线路绝缘水平，使其能够承受雷击过电压的作用；而在雷电活动较强的地区，应降低线路绝缘水平，使其能够承受雷电过电压。特高压输电线路采用了相应的防护措施后，可以通过合理配置杆塔，改善杆塔接地电阻等措施来提高线路的防雷能力。对于雷击闪络现象较为严重的地区，可采取措施提高绝缘水平并适当降低接地电阻等方式来提高线路的防雷水平。
5.4绝缘配合特性优化方法与参数选择
对于采用了相应的防护措施后仍可能出现闪络的特高压输电线路，需要对其进行绝缘配合特性优化，以提高线路的防雷能力。可以通过以下两种方式进行优化：一是在绝缘子表面涂覆导电涂料，降低绝缘子表面的电荷密度，以降低绝缘子表面与周围环境之间的电场强度，从而降低工频电压对绝缘子串的冲击闪络电压。二是采用新型高效工频耐雷水平高、耐污闪能力强的绝缘子串，以提高工频耐雷水平。对于采用了绝缘子的特高压输电线路，应尽可能使其工作在较高的绝缘水平上，以提高线路的防雷水平，从而有效降低雷击过电压对线路绝缘设备的损害。
具体来说，可考虑将绝缘子的闪络电压提高到40 kV以上，使绝缘子在发生闪络后能自动切断工频放电通路，以达到防止工频过电压造成的绝缘设备损害的目的。此外，还应采取一些措施，降低雷电过电压对输电线路绝缘设备的损害。具体来说，包括：调整绝缘子串间距、增加绝缘子串长度、优化杆塔布置、增加避雷线等。
为了更好地控制线路的绝缘水平，在特高压输电线路的设计过程中，应根据工程实际情况和现有技术水平，选择合适的绝缘子串个数、配置合适的导线型号、合理选择绝缘子的串间距与串长、合理布置避雷线等。通过这些措施，可以使特高压输电线路具有较高的耐雷水平和防雷水平。
结语
特高压输电线路具有高电压、大容量、远距离传输的特点，其雷击过电压问题是影响线路安全稳定运行的重要因素之一。基于以上分析，可以得出如下结论：一是通过增加线路绝缘子串的闪烁次数，可以提高特高压输电线路的雷击过电压防护能力，但对于防雷效果有一定影响。二是特高压输电线路的雷击过电压防护措施之间存在着协同效应，防护措施越多，其防雷效果越好。三是提高绝缘子串的工频耐雷水平和降低工频电压的冲击闪络电压是特高压输电线路防雷措施中最为重要的两个方面。四是可以通过合理选择绝缘子串的安装位置，加强绝缘子串的质量管理等方法来提高特高压输电线路的防雷效果。
参考文献
[1]旷宇.混合级联直流输电系统雷击过电压分析与辨识方法研究[D].昆明理工大学,2023.
[2]王智宇。±800kV输电线路防雷的研究[D].沈阳农业大学,2020.
[3]谷琛，李鹏，何慧雯，等。±1100kV以上电压等级直流输电技术研究[J].中国电机工程学报,2020,40(20):6745-6754.
[4]张正根.基于小波变换的高压输电线路雷击过电压识别方法研究[D].华北电力大学,2014.
[5]朱文卫.特高压直流输电线路耐雷水平和雷击闪络率的研究[J].科技信息,2010,(31):751+807.
