爆炸氣流滅弧防雷裝置試驗(yàn)研究與應(yīng)用

唐佳雄，王巨豐，徐宇恒，張清河，王國(guó)鋒，龐志毅

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 南寧 530004)

0 引 言

雷電具有強(qiáng)大的破壞力，經(jīng)常給現(xiàn)代社會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。南方電網(wǎng)線路運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)告指出：南方電網(wǎng)中由雷擊所引起的跳閘次數(shù)占電網(wǎng)總跳閘次數(shù)的40%～70%，尤其對(duì)于在多雷、強(qiáng)雷、土壤電阻率高等地區(qū)，由雷擊造成的線路跳閘率更高[2]。

輸電線路防雷措施主要分為“阻塞式”和“疏導(dǎo)式”防雷方法。其中“阻塞型”防雷方法核心思想是防止線路發(fā)生絕緣閃絡(luò)，其手段主要包括架設(shè)避雷線、降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)絕緣、加裝耦合地線、安裝避雷器等措施[3]。但是多年的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，阻塞型防雷方法受雷擊類型(繞擊或反擊)、雷擊方式(單次雷擊或多重雷擊)、雷擊強(qiáng)度(強(qiáng)雷或弱雷)、地理?xiàng)l件(平原或山區(qū))等多種不可控因素影響[4]。因此，由雷擊引起的線路跳閘率仍然居高不下。

“疏導(dǎo)型”防雷方法的思想則是允許線路發(fā)生絕緣閃絡(luò)，然后通過(guò)并聯(lián)間隙準(zhǔn)確定位電弧閃絡(luò)點(diǎn)，并迅速轉(zhuǎn)移工頻電弧至上下電極穩(wěn)定的燃燒，最后依靠自動(dòng)重合閘的動(dòng)作配合將工頻電弧熄滅[5]。但是并聯(lián)間隙不具備主動(dòng)滅弧功能，所以并聯(lián)間隙觸頭被電弧多次燒蝕后，會(huì)造成并聯(lián)間隙與絕緣子串的絕緣配合失靈，導(dǎo)致線路跳閘次數(shù)增多，是一種“犧牲跳閘率換取故障率”的技術(shù)方式[6]。

為了突破現(xiàn)有的疏導(dǎo)型和阻塞型防雷方法所存在的瓶頸，本文基于“疏導(dǎo)式”防雷基礎(chǔ)上研發(fā)了一種能夠主動(dòng)、快速地熄滅工頻電弧的爆炸氣流滅弧防雷裝置[7]。該裝置利用工頻電弧建弧過(guò)程滯后于雷擊閃絡(luò)電弧的物理特性，通過(guò)在絕緣子串旁路并行安裝爆炸氣流滅弧防雷裝置。當(dāng)雷電過(guò)電壓擊穿滅弧防雷裝置與高壓電極間的空氣間隙時(shí)，裝置內(nèi)的信號(hào)采集器收到雷電脈沖信號(hào)并同步觸發(fā)滅弧氣丸，氣丸爆炸立刻產(chǎn)生高速、高壓的噴射氣流，高速氣流能完全作用于工頻電弧初期建弧階段，并在繼電保護(hù)裝置響應(yīng)動(dòng)作之前完全熄滅電弧，從而避免線路斷線、停電等事故的發(fā)生[8]。

1 爆炸氣流滅弧防雷裝置原理

爆炸氣流滅弧防雷裝置主體安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爆炸氣流滅弧裝置安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation of explosive air flow arc extinguishing device

裝置主體安裝在桿塔橫擔(dān)上，同時(shí)高壓電極通過(guò)必要的夾具固定在導(dǎo)線上；同時(shí)滅弧裝置的滅弧筒必須與高壓電極保持對(duì)齊，并調(diào)整兩者之間的空氣距離保持在絕緣子串長(zhǎng)度的80 %～90 %范圍內(nèi)，通過(guò)絕緣配合確保雷擊線路時(shí)，電弧優(yōu)先在滅弧防雷裝置側(cè)閃絡(luò)。

爆炸氣流滅弧防雷裝置主要包括：滅弧筒、儲(chǔ)彈倉(cāng)、滅弧氣丸、信號(hào)采集器。裝置具體的工作原理：當(dāng)線路正常工作時(shí)，裝置與高壓電極間的電位差并未達(dá)到擊穿空氣間隙的電壓閥值，所以裝置并不影響線路的正常運(yùn)行，裝置不動(dòng)作；當(dāng)線路遭受雷擊后產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí)，線路上的雷擊過(guò)電壓沿著導(dǎo)線傳遞到裝置，通過(guò)絕緣配合優(yōu)先將裝置與高壓電極間的空氣間隙擊穿形成閃絡(luò)電弧。此時(shí)裝置內(nèi)部的信號(hào)采集器同步采集到電流脈沖信號(hào)并觸發(fā)滅弧氣丸發(fā)生爆炸，爆炸產(chǎn)生的大量高速、高壓的電負(fù)性氣體沿著半封閉結(jié)構(gòu)的滅弧筒軸向運(yùn)動(dòng)，從而能夠使這股高壓、高速的噴射氣流能量完全的作用于電弧，加速電弧等離子體的熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流過(guò)程。高速?gòu)?qiáng)氣流不斷與電弧中的帶電粒子發(fā)生耦合，迫使電弧的微觀粒子沿著滅弧筒出口方向擴(kuò)散到四周空氣中。同時(shí)有大量的低溫空氣絕緣介質(zhì)不斷的輸送到電弧弧柱中，加速了電弧的熱量散失。并且電弧散失的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電弧補(bǔ)給的能量，電弧介質(zhì)的溫度迅速降低。同時(shí)電弧在爆炸沖擊波作用的瞬間被“炸斷”成若干段小電弧，電弧的幾何形態(tài)也發(fā)生劇烈變化，由此破壞了電弧的連續(xù)性，加快了空氣介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)過(guò)程。在高速氣流能量對(duì)電弧能量的持續(xù)壓制作用下，電弧最終在繼保動(dòng)作前熄滅。同時(shí)氣流已經(jīng)破壞了工頻電弧能量補(bǔ)給通道，能夠完全防止空氣間隙再次擊穿和電弧重燃。

2 爆炸氣流滅弧防雷裝置雷電沖擊試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

文中所進(jìn)行的雷電沖擊實(shí)驗(yàn)包括雷電沖擊電壓放電試驗(yàn)和雷電沖擊伏秒特性試驗(yàn)。試驗(yàn)中試品與高壓電極之間的空氣主間隙距離設(shè)置為Z=890 mm，試驗(yàn)中采用的絕緣子型號(hào)為 FZSW復(fù)合支柱絕緣子，絕緣子的絕緣距離為Z0=1 085 mm，Z/Z0=0.82，符合DL/T 1293-2013《交流架空輸電線路絕緣子并聯(lián)間隙使用導(dǎo)則》中Z/Z0為0.8～0.9的規(guī)定[9]。

沖擊電壓試驗(yàn)回路主要由沖擊發(fā)生器IG、試品TO(爆炸氣流滅弧防雷裝置)和沖擊電壓測(cè)量系統(tǒng)IVMS三個(gè)部分組成。圖2中：IG-沖擊發(fā)生器；C-沖擊發(fā)生器主電容；SG-點(diǎn)火球隙；Rf-波頭電阻；Rt-波尾電阻；TO-試品；C1/C2-分壓器電容；R-阻尼電阻；AS-采集裝置；IVMS-沖擊電壓測(cè)量系統(tǒng)。沖擊電壓試驗(yàn)回路主要參數(shù)為：沖擊發(fā)生器IG為3 000 kV/675 kJ，沖擊發(fā)生器主電容C為0.15 μF，波頭電阻Rf為400 Ω，波尾電阻Rt為1 440 Ω。

圖2 沖擊電壓試驗(yàn)回路圖Fig.2 Impulse voltage test diagram

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

沖擊放電電壓試驗(yàn)根據(jù)GBT 16927.1-2011中的試驗(yàn)要求所進(jìn)行[10]。文中的放電試驗(yàn)采用升降法測(cè)量裝置的50%放電電壓，放電次數(shù)為30次。試驗(yàn)中沖擊電壓發(fā)生器對(duì)滅弧裝置輸出1.2/50 μs的正極性雷電沖擊電壓。并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的試驗(yàn)升降曲線如圖3所示，其中正方形代表間隙擊穿放電，星型代表間隙未擊穿放電。根據(jù)升降曲線圖所測(cè)得的30次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出其放電電壓U50%平均值為539.0 kV，并根據(jù)給定的大氣修正因數(shù)Kt=0.948，計(jì)算可得校正后的放電電壓U50%平均值為568.6 kV，其值小于給定的試驗(yàn)要求放電壓730 kV。

圖3 雷電沖擊放電電壓升降曲線圖Fig.3 Elevation curve of lightning impulse discharge voltage

另外測(cè)試了爆炸氣流滅弧防雷裝置的沖擊伏秒特性。由于雷電沖擊電壓持續(xù)時(shí)間短，放電時(shí)間具有分散性，所以每級(jí)電壓下會(huì)有一系列放電時(shí)間，同級(jí)的沖擊電壓在同一空氣間隙距離下?lián)舸┛諝獾臅r(shí)間不完全一樣。試驗(yàn)中對(duì)爆炸氣流滅弧防雷裝置施加了波形為1.2/50 μs 的正極性沖擊電壓，所測(cè)得的伏秒特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 所示。并繪制出校正后的放電電壓和絕緣子的雷電沖擊伏秒特性曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出：滅弧防雷裝置的伏秒特性曲線在絕緣子的下方。并且滅弧防雷裝置的伏秒特性曲線符合DL/T 815-2012[11]所規(guī)定的比絕緣子的伏秒特性曲線低于15 %的要求。所以當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)滅弧防雷裝置能夠優(yōu)先于絕緣子串被擊穿，從而能夠防止絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。

表1 雷電沖擊伏秒特性Tab.1 Characteristics of lightning shock volts

圖4 雷電沖擊伏秒特性曲線Fig.4 Characteristic curve of lightning shock volt-second

3 裝置響應(yīng)觸發(fā)時(shí)間測(cè)試試驗(yàn)

爆炸氣流滅弧防雷裝置響應(yīng)觸發(fā)時(shí)間定義為：信號(hào)采集器采集到雷電脈沖前沿信號(hào)所需要的時(shí)間(記為t1)，然后信號(hào)采集器觸發(fā)滅弧氣丸產(chǎn)生足夠高速氣流所需的時(shí)間(記為t2)。兩者時(shí)間之和t=t1+t2即為觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間。觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間t對(duì)于滅弧時(shí)間快慢具有極其重要的意義，因?yàn)闇缁馔桧憫?yīng)時(shí)間越快，產(chǎn)生高速噴射氣流的速度的峰值時(shí)間也就越短，電弧發(fā)展成大電弧、穩(wěn)定的電弧的可能性越小，那么高速氣流熄滅電弧的時(shí)間越短。為了得到裝置的響應(yīng)觸發(fā)時(shí)間，在試驗(yàn)室內(nèi)搭建了響應(yīng)時(shí)間測(cè)試回路。試驗(yàn)中采用沖擊電壓發(fā)生器模擬雷電脈沖，試驗(yàn)回路圖如圖5所示。圖5中：ICG是沖擊電壓發(fā)生器；R1是限流電阻；R2、R3是測(cè)量電阻；K1、K2是開關(guān)；SAD是信號(hào)采集器；GP是滅弧氣丸；DSO是數(shù)字示波器；DC是直流電源。

圖5 觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試回路圖Fig.5 Trigger response time test loop diagram

3.1 試驗(yàn)步驟

首先對(duì)沖擊電壓發(fā)生器ICG設(shè)定預(yù)置參數(shù)；然后閉合開關(guān)K1和K2；手動(dòng)按下沖擊發(fā)生器的充電按鈕，待充電完畢后，再點(diǎn)擊觸發(fā)按鈕，沖擊電壓發(fā)生器輸出1.2/50 μs的雷電沖擊脈沖；信號(hào)采集器SAD接收到雷電脈沖后同步觸發(fā)滅弧氣丸GP，由于氣丸上纏有一定數(shù)量的導(dǎo)線，當(dāng)氣丸發(fā)生觸發(fā)動(dòng)作后，導(dǎo)線在沖擊波的作用下被沖斷，R3兩端的電壓迅速降低為0。示波器DSO采集到爆炸氣流滅弧裝置動(dòng)作時(shí)電阻R2兩端的觸發(fā)脈沖電壓波形和電阻R3兩端的電壓波形。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6為測(cè)試回路中R2和R3兩端的電壓波形圖。CH1為R3兩端的觸發(fā)脈沖電壓波形，CH2為電池回路中電阻R2兩端的電壓波形。如圖6所示：雷電沖擊電壓脈沖信號(hào)CH2在零時(shí)刻同步觸發(fā)滅弧氣丸，R3兩端的電壓(CH1)在200 μs后從電源電壓20 V降低至0，即說(shuō)明爆炸氣流滅弧防雷裝置的響應(yīng)觸發(fā)時(shí)間為200 μs，此時(shí)電弧尚處于早期發(fā)展階段，電弧能量極其脆弱，氣流很容易將其熄滅。并且根據(jù)圖6(a)和圖6(b)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：滅弧氣丸的響應(yīng)時(shí)間隨著雷電沖擊脈沖電壓幅值的增大而縮短，這對(duì)于熄滅高幅值電弧是極為有利的。

圖6 測(cè)試回路電壓波形圖Fig.6 Voltage waveform of test loop

4 工頻大電流滅弧試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及步驟

為了進(jìn)一步驗(yàn)證爆炸氣流滅弧防雷裝置實(shí)際的滅弧效果，本課題組在西安高壓電器研究院進(jìn)行了工頻大電流滅弧試驗(yàn)，試驗(yàn)回路圖如圖7所示。圖7中：G是短路發(fā)電機(jī)；GB是保護(hù)開關(guān)；MS是合閘開關(guān)；L是調(diào)節(jié)電抗；MB是操作開關(guān)；T是變壓器；U是電壓測(cè)量；I是電流測(cè)量；TO是試品。

圖7 工頻大電流滅弧試驗(yàn)回路圖Fig.7 Power frequency high current arc extinguishing test circuit diagram

為了測(cè)量滅弧裝置對(duì)1 kA工頻大電流的滅弧效果，需要在試驗(yàn)回路在接入試品TO前，對(duì)試驗(yàn)電源回路參數(shù)進(jìn)行整定。表2為試驗(yàn)前提供的理想電源回路參數(shù)試驗(yàn)參數(shù)，如表2所示。試驗(yàn)人員根據(jù)表2提供的參數(shù)對(duì)試驗(yàn)回路進(jìn)行調(diào)試，為了盡力減小試驗(yàn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的誤差，需要盡量將試驗(yàn)回路參數(shù)調(diào)整至理想?yún)?shù)。預(yù)先調(diào)試的波形如圖8所示。

表2 試驗(yàn)電源回路參數(shù)Tab.2 Test power parameters

圖8 預(yù)先調(diào)試的1 kA電流波形Fig.8 Pre-debug 1 kA current waveform

試驗(yàn)回路中的參數(shù)調(diào)整完畢后，再接入試品TO。同時(shí)將試品TO與 A、B相試驗(yàn)回路相連，并用直徑大約為0.01 mm的金屬線將試品間隙短接，然后閉合開關(guān)GB、MS和MB，短路發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器輸出1 kA的工頻大電流，此時(shí)爆炸氣流滅弧裝置的信號(hào)采集到電流脈沖信號(hào)同步觸發(fā)爆轟彈丸動(dòng)作產(chǎn)生高速氣流熄滅電弧。

總結(jié)什么是循環(huán)，在何種情況下使用循環(huán)結(jié)構(gòu)以及循環(huán)結(jié)構(gòu)的組成，循環(huán)的執(zhí)行過(guò)程，具體實(shí)現(xiàn)循環(huán)代碼編寫需繼續(xù)學(xué)習(xí)三種循環(huán)語(yǔ)句。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在爆炸氣流滅弧防雷裝置流過(guò)工頻電流后，由電流測(cè)量系統(tǒng)采集到熄滅工頻電流的波形，如圖9所示。從圖9中可以看出：滅弧防雷裝置僅在7.5 ms內(nèi)將幅值為1 kA的工頻電流在交流過(guò)零點(diǎn)時(shí)熄滅，并且電弧并未發(fā)生重燃。

圖9 1 kA工頻電流熄滅波形Fig.9 1 kA power frequency current extinguishing waveform

圖10為爆炸氣流滅弧防雷裝置熄滅電弧的整個(gè)過(guò)程。從圖10(a)和圖10(b)可以看出：當(dāng)短路發(fā)電機(jī)輸出工頻電流后，裝置與高壓電極間的空氣主間隙瞬間擊穿形成電弧，同時(shí)雷電脈沖信號(hào)同步觸發(fā)滅弧氣丸，滅弧氣丸瞬間釋放出高速?zèng)_擊氣流，氣流與電弧在滅弧筒內(nèi)發(fā)生耦合，大量電弧被氣流噴射出滅弧筒外；從圖10(c)～圖10(e)可以看出：電弧在強(qiáng)氣流的干擾下，電弧的暫態(tài)初期建弧過(guò)程受到了強(qiáng)烈抑制。并且滅弧氣丸產(chǎn)生的爆炸能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電弧維持其本身燃燒的能量。電弧能量的補(bǔ)給速度遠(yuǎn)低于強(qiáng)氣流產(chǎn)生的速度。電弧被氣流極度拉長(zhǎng)，電弧通道已經(jīng)出現(xiàn)斷口，工頻能量無(wú)法及時(shí)向電弧提供能量。電弧斷口介質(zhì)自由行程被氣流強(qiáng)力壓縮，加速弧柱中的正負(fù)離子復(fù)合，電弧能量已經(jīng)被極大的衰減；圖10(f)可以看出：電弧已經(jīng)完全熄滅，間隙的介質(zhì)強(qiáng)度得以迅速恢復(fù)，確保電弧不會(huì)重燃。

圖10 電弧熄滅全過(guò)程Fig.10 The whole arc extinguishing process

5 爆炸氣流滅弧防雷裝置實(shí)際應(yīng)用

廣西某沿海地區(qū)的某條110 kV輸電線路所處路徑雷電活動(dòng)頻繁，年雷暴日平均達(dá)120天，且雷電由海面登陸而來(lái)，具有能量高、電場(chǎng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)，該條線路雷擊跳閘率和事故率居高不下。據(jù)當(dāng)?shù)仉娏Σ块T統(tǒng)計(jì)，2014年該條線路附近落雷550次，已經(jīng)嚴(yán)重威脅電網(wǎng)、企業(yè)的安全運(yùn)行和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2016年初在該條線路安裝爆炸氣流滅弧防雷裝置后，如圖11所示。經(jīng)過(guò)了夏季雷季多發(fā)季節(jié)的考驗(yàn)，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示：該裝置已經(jīng)成功動(dòng)作了四次，有效的防護(hù)了多重雷擊和巨大雷擊，避免了線路跳閘和斷線的事故發(fā)生。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖Fig.11 Field operalion diagram

爆炸氣流滅弧防雷裝置突破了傳統(tǒng)防雷理念的桎梏，大幅度的降低了線路的事故率和跳閘率。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了其性能優(yōu)異、防雷效果突出，是一種能夠解決困擾電網(wǎng)防雷難題的新方法。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)爆炸氣流滅弧防雷裝置是通過(guò)雷電脈沖信號(hào)觸發(fā)滅弧氣丸，以產(chǎn)生強(qiáng)氣流在繼電保護(hù)響應(yīng)動(dòng)作之前就將電弧熄滅。并且在高速氣流的持續(xù)破壞作用下可以阻斷電弧重燃通道，完全防止電弧重燃;

(2)通過(guò)對(duì)爆炸氣流滅弧防雷裝置進(jìn)行的雷擊沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：該裝置的平均放電電壓U50%為568.6 kV滿足試驗(yàn)要求；滅弧防雷裝置的伏秒特性曲線滿足低于絕緣子的伏秒特性的15%的試驗(yàn)要求;

(3)通過(guò)測(cè)試裝置的觸發(fā)響應(yīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：信號(hào)采集器采集到雷電脈沖信號(hào)到觸發(fā)滅弧氣丸用時(shí)僅為200 μs。并且氣丸的響應(yīng)時(shí)間隨著雷電脈沖幅值的增大而縮短;

(4)通過(guò)對(duì)爆炸氣流滅弧防雷裝置的工頻大電流滅弧試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：裝置可以在將1 kA的工頻大電弧電流在7.5 ms內(nèi)熄滅，并且電弧并未發(fā)生重燃;

(5)通過(guò)對(duì)爆炸氣流滅弧防雷裝置的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：該裝置運(yùn)行狀況良好，已經(jīng)成功防護(hù)了多重雷擊和巨大雷擊，滅弧性能優(yōu)異，能夠大幅度降低雷擊跳閘率和事故率。