110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙工頻續(xù)流遮斷試驗

王巨豐，徐宇恒

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引言

目前，國內(nèi)外對并聯(lián)間隙已經(jīng)進行了較多研究。與傳統(tǒng)防雷方式相比，其優(yōu)勢在于實現(xiàn)了線路防雷效果與耐雷水平分開，將線路防雷措施從降阻、架設(shè)避雷線等“阻塞型”方法發(fā)展到了“疏導(dǎo)型”并聯(lián)間隙，利用空氣間隙本身的絕緣作用，使電弧自行熄滅[1]。文獻[2]通過大量試驗證明了并聯(lián)間隙具有引弧、熄弧的作用，并對現(xiàn)有不同型號絕緣子串提供了比較合適的絕緣配合距離。雖然并聯(lián)間隙能夠有效牽引電弧，防止電弧灼燒絕緣子串，但是并聯(lián)間隙熄弧能力較弱，無法熄滅工頻電弧，需要配合自動重合閘一起使用[3]。

工頻電弧是線路跳閘的主要原因，所以在并聯(lián)間隙兩側(cè)加裝滅弧裝置具有重大意義。在原有“疏導(dǎo)型”并聯(lián)間隙的基礎(chǔ)上加裝滅弧裝置組成“滅弧疏導(dǎo)型”并聯(lián)間隙，既可以有效牽引電弧保護絕緣子，又能在自動重合閘裝置動作前熄滅電弧，達到全面保護系統(tǒng)安全的目的。文獻[4]中提出了一種對吹式并聯(lián)間隙，在并聯(lián)間隙上下均設(shè)置一個陀螺形狀的噴氣裝置，當(dāng)電弧通過時就會灼燒裝置內(nèi)壁材料并產(chǎn)生氣體從噴嘴噴出。裝置所采用的喇叭形結(jié)構(gòu)和尖端噴口，增大了在噴口處的氣流壓力，電弧在噴口處被拉長、冷卻，間隙介質(zhì)強度快速恢復(fù)，從而熄滅工頻電弧。文獻[5]中提出一種固態(tài)氣體滅弧防雷裝置，在并聯(lián)間隙兩側(cè)安裝產(chǎn)氣裝置，當(dāng)裝置中有電流流過時，裝置內(nèi)部產(chǎn)氣丸產(chǎn)生氣體作用到通道中的電弧，切斷電弧。文獻[6]基于Navier-Stokes方程對固態(tài)氣體滅弧的暫態(tài)過程進行描述，通過對氣體作用到電弧時的溫度場、速度場以及等離子體動態(tài)平衡進行分析，說明了固態(tài)氣體滅弧的有效性。雖然現(xiàn)階段對“滅弧疏導(dǎo)型”并聯(lián)間隙的理論研究很充分，但是現(xiàn)有成果中缺少對“滅弧疏導(dǎo)型”并聯(lián)間隙的試驗驗證以及安裝標(biāo)準(zhǔn)。

文中對110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙進行雷電沖擊放電試驗來確定其50 %放電電壓，并與絕緣子串50 %放電電壓進行比較，最后確定滅弧防雷間隙與不同型號絕緣子串的有效間隙距離。搭建工頻續(xù)流遮斷試驗平臺，參考雷電沖擊放電試驗得到的50 %放電電壓，在有效間隙距離內(nèi)對滅弧防雷間隙進行工頻續(xù)流遮斷試驗，驗證其熄滅工頻續(xù)流和抑制重燃的有效性。

1 110 kV固態(tài)氣體滅弧裝置工作原理

110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙與絕緣子串并聯(lián)安裝，從上到下由固態(tài)氣體滅弧裝置、空氣間隙、固態(tài)氣體滅弧裝置構(gòu)成，如圖1所示。對于不同長度的絕緣子串，可以通過改變裝置內(nèi)部電極的長短來調(diào)節(jié)間隙距離。

圖1 110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙安裝示意圖

裝置主體長L=360 mm，高D=40 mm，裝置一端設(shè)置了長度H=150 mm的滅弧筒。裝置主體內(nèi)部包含有信號采集模塊、接地電極、產(chǎn)氣丸，以及內(nèi)部控制氣丸換位的機械結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)間隙擊穿后信號采集到電流信號，就會觸發(fā)產(chǎn)氣丸噴射固態(tài)氣體。當(dāng)一個產(chǎn)氣丸被消耗以后，內(nèi)部轉(zhuǎn)盤自動轉(zhuǎn)動切換到另外一個產(chǎn)氣丸對準(zhǔn)管口，以確保下一次雷電沖擊到來能夠成功觸發(fā)。

圖2 固態(tài)氣體裝置結(jié)構(gòu)透視圖

固態(tài)氣體滅弧防雷間隙需要按照一定的絕緣配合比并聯(lián)安裝在絕緣子串兩側(cè)，通過不平衡絕緣的方式保證間隙的擊穿電壓小于絕緣子串的擊穿電壓[7]。間隙擊穿以后，信號采集裝置檢測到電流時就會激活滅弧通道中的產(chǎn)氣丸開始產(chǎn)氣。在氣體開始釋放的時刻正處于工頻建弧的早期，此時工頻續(xù)流電流幅值小，電弧能量弱，容易截斷[8]。電弧被截斷以后，在滅弧筒空間約束以及氣體壓力作用下，削弱了通道內(nèi)介質(zhì)的電離條件，間隙中的流注發(fā)展受到抑制，當(dāng)間隙介質(zhì)強度大于間隙恢復(fù)電壓時，電弧被強制熄滅。電弧被截斷以后處于管道內(nèi)的殘余電弧以及帶電介質(zhì)在高速氣流的作用很快湮滅[9-10]，工頻電弧在第一次過零點熄滅，并且不會重燃[11]。

2 110 kV 固態(tài)氣體滅弧防雷間隙雷電沖擊放電試驗

2.1 試驗方法

固態(tài)氣體滅弧防雷間隙與普通的并聯(lián)間隙相比在上下電極結(jié)構(gòu)上有了很大的變化，因此不能完全依據(jù)傳統(tǒng)并聯(lián)間隙的絕緣配合數(shù)據(jù)。試驗參考傳統(tǒng)并聯(lián)間隙絕緣配合試驗規(guī)范，對110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙進行雷電沖擊放電試驗，確定其安裝距離，為下一步的工頻續(xù)流遮斷試驗提供依據(jù)。

試驗使用7片U70BP/146絕緣子(總結(jié)構(gòu)高度1 022 mm)和FXBW-110/70-1復(fù)合絕緣子(結(jié)構(gòu)高度1 240 mm，絕緣部分長度975 mm)。并聯(lián)間隙長度依據(jù)規(guī)范DL/T 1293-2013[12]中所推薦絕緣配合比0.8～0.9，分別取值800、830、860、890、920 mm進行試驗。沖擊電壓試驗回路如圖3所示，試驗所使用的沖擊電壓發(fā)生器IG最高能產(chǎn)生標(biāo)稱電壓2 400 kV的1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，分壓器采用1658:1電容分壓器。

IG-沖擊電壓發(fā)生器；DIVMS-數(shù)字示波器；C-沖擊電壓發(fā)生器主電容；S1-沖擊點火球隙；Rt-波頭電阻；Rf-波尾電阻；C1、C2-電容分壓器；TO-試品；

依照GB/T 16927[13-14]中的試驗方法對間隙進行雷電沖擊放電試驗。因為自然界中90 %的雷電都是負極性，故采用負極性雷電沖擊(1.2/50 μs全波)進行試驗，試驗波形如圖4所示。其中波前時間t1=1.33 μs，半波時間t2=50.31 μs，偏差范圍不超過30 %，符合GB/T 16927和IEC 60060中對于標(biāo)準(zhǔn)雷電波的誤差要求。

“我們景區(qū)內(nèi)的43輛接駁小火車都已全部投入了營運，幾乎一刻都沒休息。”中山陵景區(qū)工作人員告訴揚子晚報記者，昨天景區(qū)內(nèi)所有的小火車都在不停地運客，但盡管這樣，熱門站點的接駁火車排隊時間每班還得等上半小時。

圖4 雷電沖擊波形

試驗按照GB/T 16927附錄A中的升降法進行，即對間隙進行30次有效放電試驗，出現(xiàn)15次左右的擊穿。30次擊穿電壓的平均值即間隙的50 %放電電壓，試驗電壓升降圖如圖5所示。

圖5 890 mm間隙沖擊電壓升降曲線圖

試驗從間隙擊穿電壓附近開始試驗，并以每次2 %的比例逐步加壓，在接近間隙擊穿電壓時進行升降試驗。每次試驗以后對間隙進行1 min左右的空氣對流，排除對下一次試驗的影響，以此得到更加準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)[15]。

2.2 試驗結(jié)果分析

雷電沖擊50 %放電電壓的計算公式如下：

(1)

(2)

式中,U50 %為50 %放電電壓；Ui為第i次間隙擊穿所施加的雷電沖擊電壓；n為試驗次數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

試驗結(jié)果見表1，由表1可看出標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3 %，在試驗允許誤差范圍以內(nèi)。

表1 110 kV絕緣子串以及滅弧間隙50 %放電電壓

由于沖擊電壓的時延性以及并聯(lián)間隙中離子的分散性，導(dǎo)致在同一幅值電壓下間隙存在擊穿概率P，對擊穿電壓進行正態(tài)分布就可以得到間隙的擊穿電壓概率分布。對比絕緣子串的最大耐受概率和并聯(lián)間隙的最大擊穿概率，就可以得到間隙的最佳保護范圍。

正態(tài)分布概率密度函數(shù)：

(3)

當(dāng)絕緣子串耐受概率99.85 %的電壓大于間隙擊穿概率99.85 %的電壓，可認為在此電壓幅值下，并聯(lián)間隙能完全保護絕緣子。即

Uj0=Uj50-3σj50

(4)

Ub100=Ub50-3σb50

(5)

Uj100>Ub100

(6)

式中,Uj0為絕緣子串耐受概率99.85 %的電壓；Uj50為絕緣子串50 %放電電壓；σj50為絕緣子串50 %放電電壓標(biāo)準(zhǔn)差；Ub100為并聯(lián)間隙擊穿概率99.85 %的電壓；Ub50為并聯(lián)間隙50 %放電電壓；σb50為并聯(lián)間隙50 %放電電壓標(biāo)準(zhǔn)差[16-17]。

由試驗所得數(shù)據(jù)以及并聯(lián)間隙保護概率特性可以得出不同長度間隙對絕緣子串的保護情況見表2，從表中可以看出，920 mm間隙無法完全保護玻璃絕緣子串和復(fù)合絕緣子串。

表2 110 kV并聯(lián)間隙保護結(jié)果

雷電沖擊放電試驗結(jié)果表明：間隙需要控制在800～890 mm才完全保護絕緣子，考慮到裝置運行的極端環(huán)境，在工頻續(xù)流遮斷試驗中應(yīng)該采用890 mm間隙進行試驗。

3 110 kV 固態(tài)氣體滅弧防雷間隙工頻續(xù)流遮斷試驗

3.1 試驗方法

確定間隙的有效保護距離后，為驗證110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙能否在線路正常運行工況下可靠切斷工頻續(xù)流，需采用沖擊-工頻聯(lián)合加壓試驗，來測試裝置滅弧能力[18]。

將裝置并聯(lián)安裝于110 kV絕緣子串兩端，調(diào)整間隙距離至890 mm。先在并聯(lián)間隙兩端施加最大相電壓73 kV的工頻電壓，待工頻電壓穩(wěn)定以后通過控制回路在工頻90°和270°施加正極性、幅值超過568.4 kV的雷電沖擊電壓。使用高速攝像機拍攝間隙噴射氣流與電弧的耦合過程，并使用示波器記錄間隙兩端電壓和電流的波形。

試驗回路如圖6所示，實驗回路中包括沖擊電源回路IG、工頻電源回路TT、保護回路以及控制回路。TT：800 kV/1 600 kVA工頻試驗變壓器能產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的電壓波形，Rp：保護電阻，防止間隙擊穿所產(chǎn)生的電壓截波對工頻試驗變壓器繞組的損傷，同時也有限制過電流的作用。MOA2：復(fù)合外套無間隙金屬氧化物避雷器，主要是限制沖擊電壓，保護工頻試驗變壓器。C5：電容器，防止重燃過電壓入侵到工頻試驗變壓器。L：限流電感，限制沖擊電流。C1、C2：電容分壓器，用來采集間隙的電壓波形。CT：電流互感器，用來采集電流波形。S：保護球隙，防止工頻電壓入侵沖擊電壓發(fā)生器。MOA1：復(fù)合外套無間隙金屬氧化物避雷器，限制工頻電壓。IG：2400 kV/260 kJ沖擊電壓發(fā)生器，能產(chǎn)生試驗所需要的雷電沖擊電壓。

圖6 續(xù)流切斷試驗回路示意圖

3.2 試驗結(jié)果分析

圖7是使用高速攝像機所拍攝的工頻90°時施加沖擊電壓的滅弧過程，試驗采用IDT MotionPro Y4高速攝像機拍攝，拍攝幀率4 000幀/秒。從圖7中可以看出，在1.00 ms時間隙已經(jīng)完全擊穿，這時可以看到高壓側(cè)的氣丸已經(jīng)觸發(fā)，并產(chǎn)生明顯噴焰，低壓側(cè)氣丸還未觸發(fā)。這是由于高壓側(cè)流注發(fā)展早于低壓側(cè)，所以高壓側(cè)氣丸先于低壓側(cè)氣丸達到觸發(fā)閾值。在2.00 ms時可以看到高低壓側(cè)氣丸明顯噴焰，表明在此時滅弧通道內(nèi)已經(jīng)形成了氣體絕緣區(qū)域，電弧能量不斷耗散，流注難以維持，間隙中介質(zhì)強度快速恢復(fù)，電弧開始熄滅。在3.00 ms時只能看到氣丸燃燒火焰以及少量電弧的余輝。在4.00 ms時間隙中幾乎看不到弧光，表明此時工頻續(xù)流完全被切斷，電弧被成功熄滅。

0.25 ms

從圖8中可以看出在間隙兩端施加工頻電壓，待工頻穩(wěn)定以后，通過控制回路在工頻半波正極性峰值(90°)時對間隙施加幅值大于568.4 kV沖擊電壓將間隙擊穿，此時CH1通道中可以看到電壓突然降到一個較低水平，極性與工頻電壓極性相同，持續(xù)約2.50 ms，這是因為當(dāng)工頻續(xù)流產(chǎn)生時，電弧本身存在弧柱電阻，因此會產(chǎn)生一定的弧柱電壓。工頻續(xù)流熄滅以后，間隙兩端經(jīng)過一段時間的電壓恢復(fù)階段，在4 ms時間隙兩端的電壓恢復(fù)到正常工頻電壓幅值。電壓恢復(fù)后的一個工頻周期內(nèi)，工頻電壓幅值和頻率雖略有擾動，但并未超出額定范圍，符合規(guī)范對工頻續(xù)流遮斷試驗的要求。在CH2通道中可以看到，間隙產(chǎn)生約2.50 ms的工頻續(xù)流，在2.00 ms時達到峰值，約為2.3 kA，隨后電流迅速降低，工頻續(xù)流在過零點熄滅并沒有重燃。

圖8 90°工頻續(xù)流遮斷波形

從圖9中可以看出在工頻半波負極性峰值(270°)施加同樣幅值的沖擊電壓，在CH1中可以看到，間隙兩端的電壓也會迅速降低到一個較低的值，極性與工頻電壓極性相同，待間隙工頻電流熄滅以后開始緩慢回升，在3.50 ms時恢復(fù)到正常工頻電壓。在CH2中可以看到，工頻續(xù)流在1.0 ms時上升到峰值，約為2.1 kA，在2.0 ms時下降到0。

圖9 270°工頻續(xù)流遮斷波形

從兩次試驗對比中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷電沖擊極性與工頻電壓極性相同，所測得的電流幅值略高于極性相異的幅值。原因是沖擊電壓和工頻電壓極性相同時，在工頻續(xù)流重燃的過程中弧柱電阻要低于極性相異時的弧柱電阻，因此在相同電壓幅值的下，產(chǎn)生的工頻續(xù)流幅值也會更高。從兩次試驗中還可以看出工頻續(xù)流階段沒有測到穩(wěn)定的孤柱電壓，這是由于裝置內(nèi)產(chǎn)氣丸啟動速度很快，在電弧發(fā)展的初期就已經(jīng)形成了滅弧氣流。在滅弧氣流與工頻電弧耦合的過程中，間隙中的流柱發(fā)展無法穩(wěn)定維持，因此在氣丸觸發(fā)以后間隙兩端很難形成穩(wěn)定的弧柱電壓。

工頻續(xù)流遮斷試驗結(jié)果表明：固態(tài)氣體滅弧防雷間隙能夠在4.0 ms內(nèi)切斷最大幅值為2.3 kA的工頻續(xù)流，且不會發(fā)生重燃。

4 結(jié)論

① 根據(jù)雷電沖擊放電試驗結(jié)果可以看出，安裝距離控制在800～890 mm之間時，110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙雷電沖擊放電電壓約為519.8～568.4 kV，既能提供安裝裕度，也能完全保護絕緣子串，為裝置的實際安裝提供依據(jù)。

② 根據(jù)工頻續(xù)流遮斷試驗結(jié)果可以看出，110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙能在4.0 ms內(nèi)熄滅最大峰值為2.3 kA的工頻續(xù)流，并且不會發(fā)生電弧重燃。表明裝置可以在自動重合閘動作前熄滅工頻電弧，確保線路雷擊時不會跳閘，也為固態(tài)氣體滅弧防雷間隙后期的實際應(yīng)用以及規(guī)范編制提供試驗依據(jù)。