對(duì)吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置熄弧效果研究

吳 東，王巨豐

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧530004）

0 引言

輸電線(xiàn)路防雷是世界級(jí)難題。國(guó)家電網(wǎng)公司的2003年生產(chǎn)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)分析表明，全國(guó)500 kV輸電線(xiàn)路中雷擊跳閘占線(xiàn)路跳閘的46%，330 kV輸電線(xiàn)路中雷擊跳閘占線(xiàn)路跳閘的29%，220 kV輸電線(xiàn)路中雷擊跳閘占線(xiàn)路跳閘的33.4%，110 kV輸電線(xiàn)路中雷擊閃絡(luò)占線(xiàn)路跳閘的35.3%[1-2]。因此研究新型防雷方法迫在眉睫。

目前我國(guó)采用的是傳統(tǒng)的架空輸電線(xiàn)路防雷措施，如架設(shè)避雷線(xiàn)、降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)絕緣、加裝耦合地線(xiàn)等[3-4]。但是傳統(tǒng)措施防雷效果不佳且存在一定問(wèn)題：1）避雷線(xiàn)在冰凍狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致斷線(xiàn)及桿塔彎曲、倒塌，以及避雷線(xiàn)無(wú)法有效防護(hù)繞擊（出現(xiàn)概率高）；2）由于輸電走廊土壤電阻率普遍較高，降低桿塔接地電阻較為困難；3）目前有利用絕緣桿塔加強(qiáng)絕緣，但其成本較高。

現(xiàn)有防雷保護(hù)方式分為“疏導(dǎo)型”與“堵塞型”?！笆鑼?dǎo)型”思想的防雷保護(hù)方式，其核心理念是允許線(xiàn)路雷擊閃絡(luò)，閃絡(luò)后經(jīng)自動(dòng)重合閘排除閃絡(luò)故障[5-11]。這種方式在國(guó)內(nèi)應(yīng)用表現(xiàn)就是在絕緣子串兩端并聯(lián)一對(duì)金屬電極（又稱(chēng)招弧角/引弧角），構(gòu)成保護(hù)間隙，通常保護(hù)間隙的距離小于絕緣子串的串長(zhǎng)[12-20]。該防雷保護(hù)方式?jīng)]有熄弧功能，電弧會(huì)在兩電極間持續(xù)燃燒，使得電極被電弧嚴(yán)重?zé)?，從而影響絕緣配合?！岸氯毙头览妆Ｗo(hù)目的在于提高線(xiàn)路的耐雷水平，減少雷擊跳閘率。但是其成本高，得到的效果也不理想。

為了解決電網(wǎng)雷害問(wèn)題，王巨豐教授的團(tuán)隊(duì)研制出了對(duì)吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置。當(dāng)輸電線(xiàn)路遭受雷擊時(shí)，該裝置能夠迅速截?cái)嚅g隙兩端電弧，有效保護(hù)絕緣子串免受工頻電弧灼燒。從而保護(hù)絕緣子，并防止跳閘和事故發(fā)生。

筆者通過(guò)mayr電弧動(dòng)態(tài)模型以及滅弧試驗(yàn)對(duì)氣流耦合電弧過(guò)程進(jìn)行研究分析，驗(yàn)證了對(duì)吹式滅弧防雷裝置的有效性。

1 對(duì)吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置滅弧原理

1.1 滅弧裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置并聯(lián)安裝在絕緣子串兩端。該裝置主要由1-低壓電極，2-高壓電極，3-信號(hào)采集器，4-滅弧室，5-滅弧能量團(tuán)組成。滅弧室采用能夠耐受高溫的絕緣材料。

圖1 氣吹滅弧裝置安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of blowing arc-extinguishing device

1.2 熄滅電弧過(guò)程

當(dāng)雷擊桿塔或輸電線(xiàn)路時(shí)，雷電過(guò)電壓優(yōu)先擊穿上下對(duì)吹滅弧裝置內(nèi)電極間間隙，同時(shí)信號(hào)采集器接受到雷電流脈沖信號(hào)觸發(fā)滅弧裝置內(nèi)部的滅弧能量團(tuán)產(chǎn)生爆炸氣流，上下滅弧室的半封閉空間結(jié)構(gòu)使得爆炸氣流沿著滅弧室出口方向運(yùn)動(dòng)，使速度極快的爆炸氣流更加集中作用于后續(xù)工頻電弧，將整個(gè)電弧上下同時(shí)截?cái)啻偈蛊淅旌团で?，擴(kuò)散和冷卻，增強(qiáng)了去游離作用以至熄滅。由于電弧在上下兩個(gè)滅弧室中被截?cái)?，增大了電弧持續(xù)存在的弧壓，使得電弧難以重燃。

圖2所示為上下對(duì)吹滅弧室氣流對(duì)沖示意圖。從圖2中可以看出，由于上下對(duì)吹滅弧室的空間位置設(shè)置，因此將會(huì)形成如圖2所示的氣流對(duì)沖區(qū)域。在對(duì)沖區(qū)域內(nèi)使得電弧形成突變拐點(diǎn)，此處電弧易于截?cái)?。所以?shí)際在裝置間產(chǎn)生電弧時(shí)，電弧在爆炸氣流作用下，被拉伸形成突變拐點(diǎn)，從而截?cái)嚯娀　Ｍ瑫r(shí)氣流耦合電弧過(guò)程發(fā)生強(qiáng)烈熱交換，滅弧室內(nèi)極高的電弧溫度使得氣體受熱膨脹吹出滅弧室，此時(shí)滅弧室內(nèi)溫度下降，起到冷卻電弧效果，該過(guò)程有效增強(qiáng)去游離作用使得上下兩滅弧室中的導(dǎo)電離子減少，促進(jìn)電弧熄滅。

圖2 上下對(duì)吹滅弧室氣流對(duì)沖示意圖Fig.2 Diagram of up and down arc-extinguishing chamber blowing

2 氣流耦合電弧過(guò)程仿真分析

2.1 建立mayr電弧模型

為得出電弧方程，對(duì)電弧模型進(jìn)行如下假設(shè)[20]:1）弧柱形狀為圓柱體，弧柱溫度隨著徑向的距離增加而降低。2）只考慮長(zhǎng)電弧的情況。3）弧柱的能量耗散主要因?qū)α饕稹?）假定溫度變化時(shí)弧柱中氣體物理性質(zhì)不變。5）弧柱中的熱電離情況可通過(guò)沙哈公式表述。

動(dòng)態(tài)電弧模型電導(dǎo)的一般表達(dá)式：

式中，g為電弧電導(dǎo)；i為電弧電流；u為電弧電壓；P為電弧的功率輸入值；PL為電弧的功率耗散值；t為時(shí)間。

電弧電導(dǎo)是關(guān)于電弧中所積累的能量Q來(lái)決定的，即電弧電導(dǎo)是關(guān)于Q的函數(shù)。

電弧能量的變化可表示：

對(duì)式（2）進(jìn)行變換得到：

其中，τ為時(shí)間常數(shù)。Q0為單位體積能量。

由式（6）得到：

2.2 仿真分析

仿真試驗(yàn)回路如圖3所示。圖中AC代表交流電壓源，L0表示雷擊閃絡(luò)點(diǎn)到電源之間的電感值。L1，R1，C1是接地電感、接地電阻和閃絡(luò)位置的電容，L2，R2，C2是模擬線(xiàn)路的相關(guān)參數(shù)。電弧電流和電壓波形是由示波器測(cè)量得到。

筆者設(shè)定的初始參數(shù)為

L0=5.8 mH，L1=6.64 mH，L2=5.4 mH，R1=30 W，R2=20 W，C1=6.42 mF，C2=3.25 mF。設(shè)定工頻電壓源頻率為50 Hz。

圖3 仿真試驗(yàn)回路Fig.3 Simulation test loop

圖4和圖5分別為仿真時(shí)示波器測(cè)量得到的電弧電流和電壓波形。從圖中可以看出，電弧電流幅值為1 kA，在t=10.8 ms時(shí)，電弧電流波形第一次過(guò)零點(diǎn)，間隙間的電壓恢復(fù)至峰值80 kV，電弧電流下降至零值，說(shuō)明電弧已經(jīng)被截?cái)啵娀∠纭?/p>

電弧熄滅過(guò)程實(shí)質(zhì)是電弧電流值減小、電弧能量被削弱、整體溫度下降的過(guò)程，該過(guò)程增加去游離作用，促使滅弧室內(nèi)的正負(fù)離子迅速?gòu)?fù)合，使得滅弧室內(nèi)帶電粒子減少，在一段時(shí)間內(nèi)，由于爆炸氣流的作用使得滅弧室內(nèi)氣體幾乎處于絕緣狀態(tài)，加速滅弧室內(nèi)了介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度，促進(jìn)電弧熄滅。

圖4 電弧熄滅過(guò)程的電流波形Fig.4 Current waveform of arc quenching process

圖5 電弧熄滅過(guò)程的電壓波形Fig.5 Voltage waveform of arc quenching process

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為了研究對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置的熄弧效果，搭建滅弧試驗(yàn)回路如圖6所示。試驗(yàn)回路包括工頻交流電源（AC），斷路器（K），電壓調(diào)節(jié)器（TM），變壓器（T），電流限流電阻（R0），測(cè)量電阻（R1）和示波器（DSO）。該試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的工頻電弧電流值為1 kA，維持時(shí)間為200 ms，頻率為50 Hz。在圖6中，對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置并聯(lián)安裝在絕緣子兩端，上下滅弧室與豎直方向夾角為30°，滅弧室與絕緣子串水平距離60 cm。為了確保電弧控制在上下對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置的間隙上燃燒，在上下滅弧裝置中的兩個(gè)電極之間連接了一個(gè)短路熔絲。

對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置觸發(fā)回路如圖7所示。觸發(fā)回路包括9 V電源，控制開(kāi)關(guān)（K1），測(cè)量電阻（R2）和示波器（DSO）。

試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)述如下：

1）搭建試驗(yàn)電路，架設(shè)攝像機(jī)記錄熄滅電弧過(guò)程。同時(shí)用示波器采集滅弧波形。

圖6 滅弧試驗(yàn)回路Fig.6 Arc-extinguishing test circuit

圖7 對(duì)吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置觸發(fā)回路Fig.7 Trigger circuit of blowing explosion airflow

2）調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器，使滅弧裝置所處回路產(chǎn)生短路電流，此時(shí)熔絲迅速被熔斷，在對(duì)吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置間的間隙產(chǎn)生電弧燃燒現(xiàn)象。

3）間隙間的電弧燃燒穩(wěn)定時(shí)（示波器中測(cè)到R1的波形穩(wěn)定），合上開(kāi)關(guān)K1，此時(shí)對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置動(dòng)作產(chǎn)生強(qiáng)氣流熄滅電弧。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

文中試驗(yàn)結(jié)果都是通過(guò)多次重復(fù)性試驗(yàn)得到的。圖8為普通攝像機(jī)拍攝的熄弧圖像。

圖8 攝像機(jī)拍攝的熄弧過(guò)程Fig.8 Arc-extinguishing process recorded by camera

圖8（a）顯示t=0時(shí)刻的滅弧圖像，此時(shí)滅弧裝置還未動(dòng)作，處于等待觸發(fā)狀態(tài)。從圖8（b）中可以看出對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置的兩個(gè)信號(hào)采集器接收到觸發(fā)電流信號(hào)觸發(fā)裝置動(dòng)作。由于上下滅弧裝置的空間設(shè)置，使得對(duì)吹效果明顯如圖8（c）所示。此時(shí)電弧被拉長(zhǎng)形成突變拐點(diǎn)。從圖8（d）至（f）看出電弧開(kāi)始出現(xiàn)斷口，在高速氣流與電弧高度耦合過(guò)程中，電弧發(fā)展被深度抑制。期間滅弧室中充滿(mǎn)電負(fù)性氣體，使得電弧形成上下兩個(gè)斷口，充分抑制電弧重燃。從圖8（g）可知，高速氣流依然持續(xù)作用于電弧，說(shuō)明高速氣流存在時(shí)間足以抑制電弧發(fā)展。然后電弧能量經(jīng)過(guò)削弱、再度削弱，使得電弧迅速熄滅。由圖8（h）至（j）可以得出此結(jié)論。

4 結(jié)論

1）在仿真分析中，電弧電流波形t=10.8 ms時(shí)第一次過(guò)零點(diǎn)，此后間隙間的電壓恢復(fù)至峰值80 kV，此時(shí)電弧電流下降至零值，電弧熄滅。

2）試驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)吹式滅弧防雷裝置能迅速熄滅工頻電弧，深度抑制電弧發(fā)展。

3）仿真與試驗(yàn)一致說(shuō)明對(duì)吹式滅弧防雷裝置具有良好的熄弧效果。

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