沖擊電弧自截斷機(jī)理及對建弧率影響

劉其良，邵攀屹

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

沖擊電弧自截斷機(jī)理及對建弧率影響

劉其良，邵攀屹

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

為了解決架空輸電線路雷電防護(hù)的問題，研究了一種沖擊電弧自截斷的防雷保護(hù)方法。這種方法是通過絕緣配合將雷電流引入到防雷保護(hù)間隙中發(fā)生沖擊閃絡(luò)，利用雷電流產(chǎn)生的感應(yīng)電流同步觸發(fā)沖擊氣流發(fā)生器產(chǎn)生高速縱吹氣流熄滅電弧，實(shí)現(xiàn)沖擊電弧自截斷。從電弧能量平衡的角度分析了沖擊電弧自截斷原理。進(jìn)行了實(shí)驗室模擬雷擊的試驗對滅弧的可靠性進(jìn)行了驗證，試驗結(jié)果表面沖擊電弧自截斷的防雷保護(hù)裝置能夠快速有效熄滅電弧，滅弧時間為3.8ms，大幅降低了建弧率，使得沖擊閃絡(luò)幾乎無法轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧。

沖擊電??；自截斷；雷電流；建弧率

1 引言

我國能源分布與需求的不平衡導(dǎo)致我國需要加大力度發(fā)展遠(yuǎn)距離輸電，把電網(wǎng)作為優(yōu)化資源配置的主要力量。我國幅員遼闊，輸電線路縱橫萬里，經(jīng)常出現(xiàn)遭受雷擊的危險，直接威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計，因雷擊線路導(dǎo)致的跳閘事故占電網(wǎng)總事故的60%以上[1-4]，如何降低甚至避免輸電線路中的雷擊危害已經(jīng)成為了電網(wǎng)日益關(guān)注的焦點(diǎn)。

經(jīng)典的防雷方法通常是采取各種措施提高線路的耐雷水平來降低線路的雷擊跳閘率，然而這些措施并不能完全消除輸電線路的雷擊風(fēng)險，同時根據(jù)海拔氣候地形土壤等因素的不同，這些措施能起到的作用也也有很大差異[4-5]。因此需要提出一種有效性高、可行性好、適用范圍廣的新型防雷方法。

基于沖擊電弧自截斷機(jī)理的防雷保護(hù)裝置能夠替代絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，在早期熄滅電弧。這種抑制建弧率的防雷方法將雷電流泄入了大地，阻止了沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電弧，降低了雷擊跳閘率。該裝置已經(jīng)在我國多雷地區(qū)線路上試驗投運(yùn)多年，效果良好。

本文研究了電弧弧柱能量平衡，并以此對沖擊電弧自截斷的機(jī)理進(jìn)行了分析。然后對防雷保護(hù)裝置試品進(jìn)行了模擬雷擊滅弧試驗，研究其對建弧率的影響。

2 防雷保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

防雷保護(hù)裝置的技術(shù)性要求：①能定位雷電沖擊閃絡(luò)通道，具有足夠高的擊穿電壓水平；②能夠引導(dǎo)工頻電弧離開絕緣子串表面，引入半封閉的滅弧空間。③能夠迅速產(chǎn)生縱吹沖擊氣流，快速熄滅電弧。

圖1 沖擊電弧自截斷的設(shè)計與安裝結(jié)構(gòu)

防雷保護(hù)裝置的設(shè)計與安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中1為高壓側(cè)導(dǎo)體連接體；2為高壓側(cè)電極；3為接地側(cè)電極；4為沖擊氣體發(fā)生裝置；5接地連接體；6為信號采集裝置；7為兩電極之間的空氣間隙。裝置的兩個招弧電極與絕緣子串形成絕緣配合，起到引弧的作用。為了保護(hù)絕緣子串不發(fā)生閃絡(luò)，又要擁有足夠高的擊穿電壓，兩電極之間的空氣間隙長度選取為絕緣子串長的75%。

3 沖擊電弧自截斷機(jī)理

3.1 伏秒特性

圖2 沖擊電弧自截斷裝置與絕緣子串的伏秒特性

沖擊電弧自截斷的防雷保護(hù)裝置將并聯(lián)保護(hù)間隙的長度設(shè)計為絕緣子串長的75%左右，使得防雷保護(hù)裝置的臨界放電電壓低于絕緣子串的臨界放電電壓，在線路遭受雷擊時，并聯(lián)間隙優(yōu)先于線路絕緣發(fā)生閃絡(luò)[7,11]。裝置的伏秒特性與絕緣子串的伏秒特性如圖2所示。其中S1表示絕緣子串的伏秒特性，S2表示防雷保護(hù)裝置的伏秒特性，S2完全位于S1下方且與S1無交集，可以看出，裝置能夠保證絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)。

當(dāng)雷電流通過裝置時，裝置上的信號采集器能夠采集雷電流信號，并在電弧形成之前觸發(fā)氣體發(fā)生器發(fā)生動作，在半封閉的滅弧室內(nèi)噴出高速的沖擊氣流。在工頻續(xù)流電弧達(dá)到半封閉的滅弧室內(nèi)的時候，沖擊氣流能夠迅速截斷電弧，阻止電弧重燃。

3.2 電弧等離子體的能量平衡

弧柱中電弧溫度分布如圖3所示。

圖3 弧柱中的電離氣體溫度狀況

圖4 縱吹電弧示意圖

在防雷保護(hù)裝置中電弧是一長弧，可以當(dāng)做一個純電阻性發(fā)熱元件，其發(fā)熱的功率為：

Ph=IhUh=Ih(U0-Uz)

(1)

Ih=πr2beEne

(2)

式中Ph為電弧的發(fā)熱功率，Ih為電弧電流,U0為電弧極壓降，Uz為弧柱電壓，r為弧柱通道半徑，be為電子遷移率，E為弧柱的場強(qiáng)，n電子密度，e電子電荷。

電弧弧柱的散熱包括對流，傳導(dǎo)和輻射。在防雷保護(hù)裝置中其散熱以對流為主，沖擊氣流縱吹冷卻電弧，縱吹如圖4所示。其中傳導(dǎo)散熱的功率為：

(3)

其中，Pcd表示傳導(dǎo)散熱功率(W)，λ為氣體熱導(dǎo)率(W/(K·m))，l為電弧的長度(m)，rh為電弧半徑(m)，Th為弧柱表面溫度(K)，T0為環(huán)境溫度(K)，r0為T0處的電弧半徑(m)(r0>>rh)。

在半封閉的滅弧室內(nèi)縱吹強(qiáng)制冷卻電弧時，輻射可以忽略不計。即Pfs≈0。

縱吹電弧的散熱功率在此次弧柱散熱中占主要部分，其散熱功率為：

(4)

式中，Pdl縱吹對流散熱功率(W)，v縱吹速度(cm/s)，dh弧柱直徑(cm)，Th弧柱平均溫度(K)，T0介質(zhì)溫度(K)。

弧柱總散發(fā)功率：

Pz=Pcd+Pdl+Pfs

(5)

長電弧的散熱功率：

PS=Pz+IhU0

(6)

其中，IhU0為近極區(qū)耗散功率。

電弧的能量平衡公式:

(7)

式中WQ表示電弧所含的能量(J)。

增加氣流速度可以增加對流散熱功率,有利于電弧的熄滅。從能量平衡公式可以知道，只要?dú)獯邓俣冗_(dá)到一定的值，縱吹對流散熱功率Pdl將大于Ph，滿足Ph-PS<0，電弧的能量平衡就遭到破壞，電弧趨于熄滅。

在半封閉的滅弧室內(nèi)，由于沖擊氣流的縱吹速度很大，高達(dá)300000cm/s，而弧柱的溫度與滅弧氣體的溫度比值也很大，因此對流散熱功率非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電弧的產(chǎn)熱功率，滿足Ph-PS<0，因此從電弧能量平衡的角度來看，沖擊氣流自截斷的機(jī)理成立。

4 滅弧試驗

4.1 試驗回路

試驗使用數(shù)字示波器記錄沖擊發(fā)生器觸發(fā)時間、沖擊滅弧時間，用高數(shù)攝像機(jī)記錄整個滅弧的過程，幀數(shù)：10000幀/s。試驗用的工頻電流有效值取25kA，持續(xù)時間250ms。試驗回路如圖5所示。

圖5 等效試驗回路

其中，T-試驗變壓器；D-高壓硅堆；r-保護(hù)電阻；R-充電電阻；C1-主電容器；∑rd-等效阻尼電阻；Rt-放電電阻；Rf-波前電阻；C0-絕緣子串；C2-試品。

4.2 試驗結(jié)果

圖6 高速攝像機(jī)記錄的滅弧過程

圖7 觸發(fā)時間

圖8 測得的滅弧時間

圖6為高速攝像機(jī)拍攝到的電弧從發(fā)展到熄滅的過程。從圖7、圖8可知沖擊氣流觸發(fā)時間約0.2ms，截斷時間約3.8ms，而工頻短路電流的暫態(tài)過程約有10ms，由于熱慣性，此時電弧正處于早期的發(fā)育階段，極易被熄滅，達(dá)到以快制強(qiáng)的目標(biāo)。由于沖擊氣流作用的持續(xù)時間長，電弧熄滅后滅弧室內(nèi)的分子濃度低，壓強(qiáng)大，即使在短時間內(nèi)電弧發(fā)生重燃也會再次被熄滅，直到工頻電流過零點(diǎn)，電弧不再重燃完全熄滅。多次重復(fù)實(shí)驗證明，裝置的一次動作滅弧時間T<5ms，可保證限制電弧的建弧率在 5%以內(nèi)。

5 結(jié)論

沖擊電弧自截斷的防雷保護(hù)方法，能夠?qū)⒗纂娏鲗?dǎo)入大地，又能熄滅工頻續(xù)流電弧，實(shí)現(xiàn)主動、高效、快速滅弧的效果。即使在短時間內(nèi)電弧發(fā)生重燃也會再次被熄滅，直到工頻電流過零點(diǎn)，電弧不再重燃完全熄滅。該方法大大降低了建弧率，實(shí)現(xiàn)了對建弧率的有效抑制。

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Mechanism on Shock Arc Self-truncation And Impact on Arc-establishing Rate

LIUQi-liang,SHAOPan-yi

(College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

In order to solve the problem of overhead transmission line lightning protection,we developed a kind of lightning protection method based on shock arc self-truncation.Though insulation coordination,lightning current will be introduced to the lightning protection gap.Then impulse flashover occurred in the gap,and induced current produced by lightning current emerged at the same time.High-speed longitudinal blow airstream triggered by lightning current could interrupt subsequent power frequency arc rapidly,and realize the result of shock arc self-truncation.From the angle of the arc energy balance,we analyzed the principle of shock arc self-truncation.Then we conducted the arc-extinguishing tests to verify it′s reliability.The results indicate that the lightning protection device could extinguish arc quickly and effectively and substantially lower the arc-establishing rate.Arc-extinguishing time is 3.8ms.

shock arc；self-truncation；lightning current;arc-establishing rate

1004-289X(2016)03-0077-04

TM46，TM61

B

2015-03-30

劉其良(1988-)，男，碩士研究生 研究方向高電壓與絕緣技術(shù)； 邵攀屹(1988-)，男，碩士研究生，研究方向高電壓與絕緣技術(shù)。