多腔室閃絡(luò)限制器熄弧機(jī)理研究及試驗(yàn)

孫換春，楊 霞

(1.陜西省地方電力(集團(tuán))有限公司延安供電分公司，陜西延安716000；2.武漢克雷盾科技有限公司，湖北武漢430000)

近年來，隨著農(nóng)網(wǎng)持續(xù)加大投資，10 kV配電線路具有點(diǎn)多、面廣、分散的特點(diǎn)，遭受雷擊事故頻頻發(fā)生，線路跳閘、斷線和絕緣子閃絡(luò)事故已經(jīng)嚴(yán)重影響輸配電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。雖然在架空配電線路上應(yīng)用絕緣導(dǎo)線可以有效提高線路的絕緣性能，但卻無法避免絕緣導(dǎo)線遭受雷擊而斷線等事故的發(fā)生。安裝線路避雷器是配網(wǎng)線路防雷中最常見及行之有效的方法之一，但若要顯著降低雷擊跳閘率，需逐基桿塔均安裝避雷器，配電網(wǎng)供電區(qū)域大，線路避雷器成本較高，難以全線安裝，一般只在某些線路的易遭受雷擊段有選擇性的安裝，導(dǎo)致了雷擊事故還是時(shí)有發(fā)生。因氧化鋅避雷器的主要元件采用氧化鋅閥片，導(dǎo)致老化、受潮、接地、熱崩潰在電網(wǎng)運(yùn)行過程中時(shí)有發(fā)生，一直是運(yùn)行維護(hù)的老難題。為了擺脫對(duì)采用氧化鋅電阻片制作成的氧化鋅避雷器的依賴，近年來10 kV雷擊鉗位保護(hù)器應(yīng)用比較成功，其主要特點(diǎn)是不接地，損壞后不影響線路運(yùn)行。鉗位保護(hù)器比起氧化鋅避雷器在工程應(yīng)用中明顯降低了整體工程造價(jià)，尤其在土壤電阻率高的地區(qū)電網(wǎng)有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，但是鉗位保護(hù)器的脈沖電容壽命有一定期限，不可避免的存在弊端。針對(duì)氧化鋅避雷器、鉗位保護(hù)器等具有電子器件的系列防雷裝置，研究應(yīng)用一種無任何電子元器件的防雷裝置迫在眉睫[1]。

1 多腔室閃絡(luò)限制器的原理分析

10 kV多腔室閃絡(luò)限制器是一種不添加氧化鋅電阻片、脈沖電容器等電力電子器件的裝置，該裝置通過多級(jí)密封滅弧腔體的空氣絕緣擊穿建立電弧，同時(shí)應(yīng)用電弧產(chǎn)生的高溫高壓進(jìn)行短暫吹弧直至電弧熄滅，在泄放雷電流的同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，供電可靠性得到很大的提高。同時(shí)該裝置具有極佳的絕緣自恢復(fù)性能，可耐受多次雷擊，相比于金屬氧化物避雷器運(yùn)行壽命更長(zhǎng)、更加的實(shí)現(xiàn)免維護(hù)[2-4]。

多腔室閃絡(luò)限制器利用短間隙電弧的基礎(chǔ)理論，結(jié)合滅弧腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與線路絕緣子的絕緣配合，在線路遭受雷擊過電壓入侵時(shí)能夠快速動(dòng)作，形成閃絡(luò)通道泄放雷電能量，同時(shí)通過腔體強(qiáng)烈的吹弧作用有效增強(qiáng)電弧等離子體去游離作用，可在半個(gè)工頻周期(10 ms)內(nèi)有效切斷工頻續(xù)流，恢復(fù)線路絕緣強(qiáng)度，保護(hù)線路正常運(yùn)行。如圖1所示，電極A與電極B之間形成了空氣間隙時(shí)，間隙擊穿后的電弧產(chǎn)生的高溫高壓氣體向限制器薄弱的吹弧孔進(jìn)行吹弧。

由于多腔室閃絡(luò)限制器由多個(gè)間隙串聯(lián)而成，多腔室閃絡(luò)限制器被雷電過電壓擊穿后，電弧在多個(gè)腔室間隙的電極間產(chǎn)生，加在多腔室間隙上的工頻電壓會(huì)沿著電弧通道產(chǎn)生工頻續(xù)流。而多腔室間隙可以看成是一個(gè)多重滅弧室系統(tǒng)，將一段長(zhǎng)電弧切割成很多小段的電弧進(jìn)行吹弧，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 多腔室閃絡(luò)限制器的熄弧過程機(jī)理

本文研究的多腔室閃絡(luò)限制器由31個(gè)腔體組成，如圖3所示，每個(gè)氣孔之間是一個(gè)完整的滅弧室，通過每個(gè)空氣腔室對(duì)小電弧進(jìn)行滅弧。當(dāng)電弧開始在兩個(gè)電極間產(chǎn)生時(shí)，電弧長(zhǎng)度很短，而且在滅弧室內(nèi)部燃燒，由此產(chǎn)生的高溫會(huì)使滅弧室底部氣體迅速膨脹，氣壓急劇增大，而滅弧室只是一端開口，氣壓會(huì)驅(qū)使電弧朝開口方向移動(dòng)，而電弧起始點(diǎn)基本保持不變，電弧逐漸向外膨脹，直到電弧被吹到滅弧室之外，有效增強(qiáng)電弧等離子體去游離作用，實(shí)現(xiàn)快速熄弧，恢復(fù)線路絕緣強(qiáng)度。

在熄弧過程中，電弧長(zhǎng)度的拉長(zhǎng)使得弧道電阻增大，維持電弧燃燒的弧道壓降增加，而經(jīng)過多腔室間隙的串聯(lián)疊加使得弧道壓降增加顯著，由電弧的伏安特性可知，電弧電流迅速減小，同時(shí)由于系統(tǒng)電源電壓一定，弧道壓降的增加降低了系統(tǒng)回路中線路部分的壓降，當(dāng)線路阻抗一定時(shí)，工頻續(xù)流幅值也會(huì)減小。多腔室間隙的吹弧，既提高了弧道壓降也降低了工頻續(xù)流，使得電弧的持續(xù)燃燒變得更加困難，且弧道壓降的提高使得系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生短路性跳閘。多腔室閃絡(luò)限制器動(dòng)作放電的全過程如圖4所示。

3 多腔室閃絡(luò)限制器熄弧機(jī)理試驗(yàn)

在對(duì)試驗(yàn)回路中的工頻電壓源及沖擊電壓源進(jìn)行試驗(yàn)之前，首先設(shè)定多腔室閃絡(luò)限制器串聯(lián)間隙的最小距離為32 mm，測(cè)試試驗(yàn)品遭受雷擊時(shí)的雷電沖擊放電電壓值。對(duì)試驗(yàn)品逐漸增大雷電沖擊電壓直到試驗(yàn)品的串聯(lián)間隙開始放電并產(chǎn)生電弧，此時(shí)試驗(yàn)品的放電電壓值約為348 kV(達(dá)到峰值)。從采用工頻電壓源部分進(jìn)行考慮，采用了150 kV的工頻電壓源能滿足續(xù)流切斷試驗(yàn)時(shí)施加在試驗(yàn)品上的工頻電壓要求。但因續(xù)流切斷試驗(yàn)是由沖擊電壓源和工頻電壓源產(chǎn)生的合成電壓，施加在多腔室閃絡(luò)限制器的高壓端與地之間，因此在設(shè)計(jì)試驗(yàn)回路方案時(shí)，必須考慮回路的合理性及安全性。額定電壓越高的工頻試驗(yàn)變壓器，試驗(yàn)回路中運(yùn)行的絕緣裕度及安全性越大，因此基于絕緣配合和容量方面的考慮，選擇工頻電壓源時(shí)應(yīng)盡可能選擇額定電壓高、容量大的工頻試驗(yàn)變壓器。同時(shí)對(duì)多腔室長(zhǎng)閃絡(luò)限制器的各項(xiàng)指標(biāo)考核越苛刻嚴(yán)格，多腔室長(zhǎng)閃絡(luò)限制器在實(shí)際運(yùn)行中就越可靠。為了驗(yàn)證續(xù)流通過期間及續(xù)流遮斷后，試驗(yàn)品上施加的工頻電壓隨工頻試驗(yàn)變壓器的短路阻抗變化之間的關(guān)系，本次試驗(yàn)使用的工頻試驗(yàn)變壓器短路阻抗較小[5-8]。綜合上述，最后確定本次工頻續(xù)流遮斷試驗(yàn)回路的工頻電壓源使用150 kV/1000 kVA工頻試驗(yàn)變壓器，沖擊電壓源使用400 kV/180 kJ沖擊電壓發(fā)生器，試驗(yàn)回路如圖5所示。

對(duì)多腔室長(zhǎng)閃絡(luò)限制器熄弧機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)圖如圖6所示。從試驗(yàn)結(jié)果得出，10 kV多腔室長(zhǎng)閃絡(luò)限制器在10 kV系統(tǒng)中遮斷工頻續(xù)流時(shí)間為3.0 ms；該遮斷工頻續(xù)流時(shí)間短暫，在開關(guān)未跳閘前可安全可靠的遮斷工頻續(xù)流。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了利用空氣動(dòng)力學(xué)原理、短間隙電弧理論基礎(chǔ)，采用多段串聯(lián)間隙將電弧切斷成若干份，通過電弧產(chǎn)生的高溫高壓進(jìn)行吹弧直至電弧熄滅的原理可行。多腔室長(zhǎng)閃絡(luò)限制器的高壓端與接地端殘壓為45.8 kV，該殘壓比傳統(tǒng)的防雷裝置殘壓值更低，對(duì)線路設(shè)備有更好的保護(hù)。

4 總結(jié)

本文通過理論分析及機(jī)理試驗(yàn)，研究了多腔室閃絡(luò)限制器的關(guān)鍵工頻續(xù)流遮斷指標(biāo)。通過搭建10 kV多腔室閃絡(luò)限制器的續(xù)流遮斷電氣回路，并成功地對(duì)額定電壓10 kV多腔室閃絡(luò)限制器進(jìn)行續(xù)流切斷試驗(yàn)，驗(yàn)證多腔室閃絡(luò)限制器在運(yùn)行過程中受到雷電過電壓動(dòng)作時(shí)具備快速熄弧并恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)的能力，可以在配電網(wǎng)線路中進(jìn)行實(shí)際推廣應(yīng)用。