沖擊氣流滅弧防雷裝置的實驗研究

王學(xué)彬，王巨豐，豐 德

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，電力在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活各方面的作用越來越大，對供電可靠性的要求越來越高。中國的電力線路密集，有些架空線路地勢高，極易遭受雷擊，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1-4]。電力系統(tǒng)中由雷擊引起的跳閘、斷線、停電等事故占總事故的50%以上，嚴(yán)重影響了供電可靠性[5-6]。

如今最新的防雷理念是“疏導(dǎo)型”防雷。其原理是在絕緣子串旁并聯(lián)一對金屬電極，調(diào)整絕緣配合，使金屬電極優(yōu)先閃絡(luò)，將雷電引入地面時絕緣子免受損害[7-8]。這種防雷方式要與繼電保護(hù)相配合，允許線路跳閘，待電弧自發(fā)熄滅，間隙絕緣強(qiáng)度恢復(fù)后重合閘成功。但此方法犧牲了跳閘率，并且電弧熄滅時間不確定，有可能超出繼電保護(hù)整定的時限，金屬電極長時間的燒蝕容易損壞[9-12]。

針對以上情況，筆者介紹一種新型的110 kV滅弧防雷裝置。裝置結(jié)構(gòu)見圖1。該裝置包括低壓電極連接金具、高壓電極連接金具、低壓電極、高壓電極、雷電信號接收器、產(chǎn)氣室、滅弧筒。輸電桿塔可作為低壓電極，低壓電極延伸到滅弧筒內(nèi)。高壓電極安裝在導(dǎo)線上。此裝置與絕緣子串并聯(lián)，通過調(diào)節(jié)高低壓電極間空氣間隙，使絕緣配合達(dá)到最佳。正常運(yùn)行時，裝置不會對輸電線路造成影響。當(dāng)線路遭受雷擊時，雷電波到達(dá)絕緣子串處，裝置的絕緣強(qiáng)度低于絕緣子串，在高低壓電極上優(yōu)先閃絡(luò)，將雷電流引入地面。與此同時雷電流觸發(fā)產(chǎn)氣裝置產(chǎn)生高速氣流（氣流中含有滅弧介質(zhì)）作用于工頻電弧，在滅弧室內(nèi)可產(chǎn)生瞬間高壓，加速電弧的熄滅[13-16]。此裝置可在繼電保護(hù)動作前將電弧熄滅，并且可多次產(chǎn)氣，多次滅弧，重復(fù)使用。

圖1 滅弧防雷裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of arc-extinguishing lightning protection device

筆者介紹了固相滅弧防雷裝置，通過滅弧實驗和氣流速度的測量，驗證了裝置的有效性及影響滅弧的因素，并且總結(jié)實際運(yùn)行的效果，證明裝置快速截斷電弧的實用性。

1 試驗及結(jié)果分析

1.1 滅弧實驗

1.1.1 實驗過程

如圖2所示，將裝置安裝在試驗用鋼架上，在高低壓電極間接短路熔絲，使電流能通過空氣間隙。短路電流將熔絲瞬間熔化，通過調(diào)整工頻電壓發(fā)生器，在裝置側(cè)產(chǎn)生穩(wěn)定的工頻電弧。工頻電壓發(fā)生器產(chǎn)生電壓為頻率50 Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，穩(wěn)壓300 ms，調(diào)節(jié)電壓為220 kV。然后手動閉合開關(guān)K觸發(fā)滅弧裝置，產(chǎn)生沖擊氣流熄滅電弧。實驗時用示波器和普通攝像機(jī)記錄沖擊氣流滅弧圖像和電壓波形。

圖2 滅弧實驗電路圖Fig.2 Circuit of arc-extinguishing test

1.1.2 實驗結(jié)果和分析

普通相機(jī)拍攝的滅弧裝置產(chǎn)生沖擊氣流的過程見圖3。從圖中可清楚看到電弧被熄滅。沖擊氣流作用于早期電弧，使其幾何形態(tài)發(fā)生變化，高速沖擊氣流打破了電弧的能量平衡，加速了熱量的散失，將電弧吹滅；沖擊氣流在滅弧筒內(nèi)產(chǎn)生高壓氣團(tuán)，使電弧中離子的自由行程大大縮小，加速了電弧的熄滅。此外電弧截斷后沒有重燃。

圖3 普通攝像機(jī)拍攝的滅弧圖像Fig.3 Arc interrupting process recorded by ordinary camera

圖4 為示波器記錄的電壓波形。其中U1是在R1上測得的觸發(fā)電壓的波形，U2是在R2上測得的電弧電壓波形。M點為滅弧裝置觸發(fā)時刻，N點為電弧熄滅時刻，則沖擊氣流的滅弧時間為TN～TM，約為3.6 ms，并且N點以后電壓為0，說明電弧被截斷且無重燃。

圖4 滅弧實驗電壓波形Fig.4 Voltage waveforms in arc-extinguishing test

多次重復(fù)試驗得出裝置的滅弧周期在3～5 ms之間，而中國大多數(shù)繼電保護(hù)裝置的最快響應(yīng)時間為20 ms以內(nèi)，因此這種主動式、高速的滅弧裝置能可靠有效的避免繼電保護(hù)裝置動作，有效防止雷擊跳閘，進(jìn)而大幅度降低雷擊跳閘率。

1.2 氣流測速實驗

1.2.1 實驗過程

滅弧裝置的滅弧效果主要由沖擊氣流的速度決定的，為了明確不同氣流速度的滅弧效果，可以通過改變產(chǎn)氣裝置的參數(shù)，利用圖5的電路圖來測量氣流的速度。其中R3、R4為測量電阻。根據(jù)大量實驗，在滅弧筒出口的6～12 cm處為氣流的主要作用區(qū)。圖5滅弧筒內(nèi)的短路線可被氣流沖斷且可忽略其對氣流速度的影響。氣流作用前電阻為高電平，短路線被沖斷后，電阻變?yōu)榈碗娖健Ｍㄟ^示波器觀察兩個電阻波形的變化可讀出氣流由12 cm處到達(dá)6 cm處的時間差T，則沖擊氣流的平均速度為

圖5 速度實驗電路圖Fig.5 Circuit diagram of speed test

1.2.2 實驗結(jié)果和分析

選取故障電流為5 kA、15 kA、20 kA的電弧進(jìn)行大量重復(fù)實驗，表1記錄了不同電弧電流和氣流速度條件下的滅弧率及建弧率的實驗數(shù)據(jù)，圖6是利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出不同氣流速度下的滅弧效果。

表1 不同條件下的滅弧效果Table 1 Arc-extinguishing effectiveness in different conditions

圖6 滅弧率擬合曲線Fig.6 Fitting curve of arc-extinguishing rate

由統(tǒng)計結(jié)果和數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)故障電弧電流一定時，滅弧率隨氣流速度的增大而增大，建弧率隨氣流速度的增大而減??；氣流速度一定時，滅弧率隨電弧電流的增大而減小，建弧率隨電弧電流的增大而增大。因此，要保證良好的滅弧效果，就要有足夠高的氣流速度[17-20]。

3 實際運(yùn)行效果

該滅弧防雷裝置在廣西南寧供電局馬桐線現(xiàn)場運(yùn)行。安裝爆炸氣流滅弧防雷間隙裝置后，經(jīng)過2012年至2015年的雷雨季節(jié)，運(yùn)行經(jīng)驗表明，經(jīng)改造后的線路雷擊跳閘率降低95%，滅弧防雷間隙安裝后至今，有效防護(hù)了2000多次雷擊。其中2014年8月11日18:56:06，132號桿塔成功防護(hù)了雷電流幅值為-199.3 kA的3次回?fù)簦€路未跳閘。

4 結(jié)論

1）滅弧防雷裝置產(chǎn)生高速沖擊氣流，可在3～5 ms內(nèi)將故障電弧電流熄滅，未發(fā)生重燃。

2）實驗統(tǒng)計表明，沖擊氣流速度是滅弧效果的決定因素。氣流速度在500 m/s時可達(dá)到近似理想的滅弧效果。

3）滅弧防雷裝置在110 kV線路試運(yùn)行結(jié)果表明，在極短的時間截斷電弧，保護(hù)絕緣子串，防止繼電保護(hù)動作，降低雷擊跳閘率，驗證了裝置的實用性。