反沖壓縮滅弧防雷裝置原理及掛網運行

陸立夫

（云南電網有限責任公司西雙版納景洪供電局，云南 景洪 666100）

0 前言

目前，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性要求越來越高。配網作為電網中與用戶直接聯(lián)系的輸電線路，具有分布范圍廣、絕緣水平低等特點，極易發(fā)生雷擊跳閘事故。電網故障分類統(tǒng)計表明，在配電線路運行的總跳閘次數中，雷擊引起的跳閘次數約占總跳閘次數 70%～80%[1]。雷電災害嚴重影響著供電的可靠性和用戶的用電質量。如何降低甚至消除雷電災害對于配電網的影響是一個亟待解決的問題。

目前應用在配網線路上面的防雷裝置有避雷器、多腔室避雷器等。

避雷器是目前廣泛運用于線路中防雷裝置。避雷器與絕緣子并聯(lián)，限制絕緣子兩端電位差，以實現(xiàn)雷擊不閃絡。當避雷器承受雷擊過電壓作用時，閥片積累的熱量來不及向周圍傳遞，過熱點與周圍溫度梯度在閥片內部產生較大的熱應力，導致閥片破裂或損傷積累，最終導致避雷器損壞[2]。

多腔室避雷器，整個滅弧管道上緊密排列著一系列有特定長度的小孔滅弧室，每個小孔滅弧室兩端有一對電極。電弧進入滅弧室，由于熱膨脹，形成一定壓力氣流沿著狹窄的小孔將電弧橫向噴射出去[3]。實際運行情況表明多腔室避雷器具有一定的防雷效果。但是多腔室避雷器滅弧室中電極的距離很近，電弧被分成很多小段，電弧能量降低，導致噴射出的滅弧氣流速度和壓力不大，滅弧能力有限。

近年來廣西高壓團隊研發(fā)的一種氣體滅弧防雷裝置——反沖壓縮滅弧防雷裝置。反沖壓縮滅弧防雷裝置掛網運行效果良好，有效的解決了10 kV配網線路雷擊導致的跳閘問題。其優(yōu)良的防雷效果對于10 kV配網防雷具有重要的意義。

1 裝置滅弧防雷原理

1.1 裝置結構

如圖1所示為反沖壓縮滅弧防雷裝置。反沖壓縮防雷裝置主要由兩部分組成，即反沖部分和壓縮部分。

圖1 反沖壓縮滅弧防雷裝置

1.2 反沖滅弧原理

電弧進入反沖管，受到機械壓縮和自磁壓縮，電弧變得更細，能量變得更高，管內和管外形成溫度和壓力差，產生高速氣流持續(xù)作用于電弧[4-5]。

圖2 壓縮電弧示意圖

利用沖擊電流發(fā)生器產生的沖擊電流來模擬雷電流。圖3是沖擊電流發(fā)生器的等效電路。

圖3 沖擊電流發(fā)生器等效電路圖

沖擊電流發(fā)生器為RLC充放電電路，其工作在欠阻尼狀態(tài)，即。對電容充電，減小球隙直至球隙被擊穿，球隙被擊穿后電容中儲存的電荷通過電感L和電阻R放電，形成了沖擊電流[6]。如圖4所示，為沖擊電流發(fā)生器對地放電電流波形，電流峰值IPmax=66.95 kA，波前時間T1=3.620μs，半峰值時間T2=10.224μs。

圖4 沒有經過衰減的沖擊電流波形

如圖5所示為，反沖試驗示意圖。反沖管安裝在沖擊電流發(fā)生器的放電回路，通過引弧絲將沖擊電流引入反沖管，反沖管通過反沖作用對沖擊電流能量釋放，達到對沖擊電流的衰減作用。

圖5 反沖試驗示意圖

在反沖管反沖作用下，沖擊電流發(fā)生了很大程度的衰減，衰減后的沖擊電流峰值IPmax=35.10 kA，波前時間T1=8.470μs，半峰值時間T2=25.200μs。如圖6所示為反沖作用下的沖擊電流波形。

表1 反沖前后沖擊電流對比

圖6 反沖作用下的沖擊電流波形

從表1我們可以看出，經過反沖作用后的沖擊電流在峰值電流大幅減小，波前時間和半峰值時間都有所增加，陡度出現(xiàn)大幅度降低。

1.3 壓縮滅弧原理

如圖7所示，為壓縮滅弧單元示意圖。

圖7 壓縮滅弧單元示意圖

下面對一維弧柱自磁壓縮的現(xiàn)象進行定量分析。首先寫出其力學平衡方程：

式中，P為大氣壓，jz為軸向電流密度，Bφ為弧柱自磁場的磁場強度，它總是指向切線方向，而jzBφ代表洛倫茲力。方程的物理意義為：弧柱中的洛倫茲力將由壓力梯度來平衡。由于洛倫茲力是向心的，從式（1）可以得出，弧柱中心壓力必然高于其他地方的壓力。

由于弧柱是對稱的，因此可以由安培環(huán)路定律得到磁場強度和電流的關系：

式中，μ0為真空磁導率，ΣI為閉路l中所有電流的代數和。如把l取為半徑為r的圓，則B和dl具有相同的方向，且|B|=Bφ，在圓周上保持為常量。所以，式（2）就可以簡化為以下的表達式：

將式（3）代入式（1）中，得到：

對式（4）積分有：

由以上各式可以得到電弧向內最大的收縮力：

由式（6）可以看出，電弧向內最大的收縮力與電流的平方成正比，與壓縮管的半徑的平方成反比。自由電弧從外部進入滅弧細管時，其體積受到約束，產生壓縮，弧柱半徑變小，致使自磁收縮壓力大幅上升，再度受到自身壓力的壓縮[7]。另一方面，壓縮電弧會產生極大溫升，管內高溫高壓態(tài)和管外常溫常壓形成巨大溫度差，必然使得電弧沿斷口由內向外沖擊而出[8]。內電弧和外電弧之間形成高速氣流作用于電弧，使電弧熄滅。

壓縮氣體滅弧原理可以總結為：①沖擊電弧進入壓縮通道，由于機械壓縮和自磁壓縮，電弧嚴重變細，在雷電流的作用下壓縮電弧段吸收功率變大，產熱量和溫度瞬間增加。②壓縮段電弧溫度和密度高于非壓縮段，造成溫度和密度不平衡，形成從壓縮段向非壓縮段爆炸性膨脹噴射氣流作用于電弧。③整體結構由多個壓縮通道構成，通過空間位置的排布形成了多個拐點，氣流在拐點處作用于電弧使得電弧的斷裂[9]。

反沖壓縮滅弧防雷裝置是一種組合式滅弧防雷裝置。其將反沖滅弧和壓縮滅弧結合起來，反沖部分起到對雷電能量釋放，對雷電流進行衰減，使得進入壓縮部分的雷電流能量減小。經過衰減了的雷電流電弧進入壓縮部分被分成很多小段，電弧受到機械壓縮和自磁壓縮，形成高速氣流在電弧拐點處作用于電弧，從而使得電弧熄滅。同時氣流的時間大于電弧熄滅的時間，從而避免了電弧的重燃。

2 掛網運行

2.1 雷擊跳閘情況

該裝置已在多條線路掛網運行。本文以云南省某縣10 kV配網線路為例分析反沖壓縮滅弧防雷裝置的掛網運行效果。云南省地處云貴高原，海拔較高，地形以山地為主，氣候條件復雜多樣，受亞熱帶季風氣候的影響，降雨充沛且雷電天氣高發(fā)，雷電活動高于全國平均水平，屬于多雷區(qū)和強雷區(qū)[10-11]。雷擊導致的配網跳閘占了配網跳閘總數的80%以上。雷電災害嚴重影響著配電網的穩(wěn)定性和用戶用電的可靠性。

2020年在云南省某線雷擊跳閘率比較高的幾條線路上安裝了反沖壓縮滅弧防雷裝置。如圖8所示，為反沖壓縮滅弧防雷裝置安裝示意圖。

圖8 反沖壓縮滅弧防雷裝置安裝圖

為了避免裝置噴出的電弧灼傷導線和絕緣子，裝置在安裝的時候，安裝裝置的橫擔與導線之間會有一定的角度，如圖9所示。

圖9 反沖壓縮滅弧防雷間隙安裝位置示意圖

下面就安裝反沖壓縮滅弧防雷裝置前后線路的運行情況進行分析。

安裝反沖壓縮滅弧防雷裝置的線路都是雷擊跳閘率很高的幾條線路，據統(tǒng)計這幾條線路在2018年累計跳閘56次，2019年累計跳閘49次。安裝反沖壓縮滅弧防雷裝置后，2020年全年沒有發(fā)生雷擊跳閘事故。

如表2所示，為安裝反沖壓縮滅弧防雷裝置線路運行效果總表。

表2 安裝反沖壓縮滅弧防雷裝置線路運行效果總表

安裝有反沖壓縮滅弧防雷間隙的線路，在2020年全年遭受的直擊雷個數多、直擊雷強度大。在安裝反沖壓縮滅弧防雷裝置的線路和桿塔及其臨近線路、桿塔和變壓器2018-2019年的雷擊故障比較多，多為雷擊導致的避雷器擊穿和脫落。

安裝反沖壓縮滅弧防雷裝置后，安裝有反沖壓縮滅弧防雷裝置所在的線路和桿塔沒有發(fā)生雷擊事故。在安裝反沖壓縮滅弧防雷裝置所在的線路臨近的一些線路、桿塔和變壓器發(fā)生較多的雷擊事故。

2.2 導線灼傷及反沖壓縮滅弧防雷裝置脫落

巡線過程中對裝有反沖壓縮滅弧防雷裝置的桿塔進行登桿檢查，未發(fā)現(xiàn)安裝的反沖壓縮滅弧防雷裝置有脫落情況，未發(fā)現(xiàn)安裝反沖壓縮滅弧防雷裝置附近的裸導線、絕緣導線和絕緣子有灼燒情況。

掛網運行情況表明，安裝有反沖壓縮滅弧防雷裝置的線路間隔沒有發(fā)生雷擊跳閘和單相接地，沒有發(fā)生雷擊斷線和導線電弧灼傷，沒有發(fā)生反沖壓縮滅弧防雷裝置因雷擊損壞、破裂和墜落事件，反沖壓縮滅弧防雷裝置有效解決了10 kV線路雷擊防護問題。

3 結束語

本文對一種新型線路防雷裝置——反沖壓縮滅弧防雷裝置原理和掛網運行情況進行分析。反沖壓縮滅弧防雷裝置是一種將反沖滅弧和壓縮滅弧結合起來的組合滅弧防雷裝置。

從2020年安裝有防雷間隙的線路附近雷電數據和安裝有防雷間隙的線路雷擊事故來看，反沖壓縮滅弧防雷間隙運行和防雷效果良好，可以總結為以下幾個方面：

1）裝有防雷間隙的線路段未發(fā)生雷擊跳閘事故，大幅度降低甚至消除了安裝線路的雷擊跳閘事故；

2）巡線過程中未發(fā)現(xiàn)有反沖壓縮滅弧防雷間隙掉落的情況，安裝的穩(wěn)固性良好；

3）巡線過程中未發(fā)現(xiàn)裸導線、絕緣導線和絕緣子被灼燒的現(xiàn)象，對導線和絕緣子能做到有效保護。