一種新型多腔室吹弧式防雷裝置的研制與應用分析

摘" 要：傳傳統(tǒng)避雷器存在滅弧速度慢、依賴復雜接地系統(tǒng)等問題，導致山區(qū)、海島等高土壤電阻率地區(qū)應用受限，雷擊跳閘率長期居高不下。鑒于以上因素，為了能夠更好地提高防雷效果，提出一種基于多腔室吹弧原理的新型防雷裝置。該裝置可以通過優(yōu)化腔室結構與滅弧單元設計，利用電弧自身能量驅動氣體膨脹，形成高速氣流實現(xiàn)快速滅弧，突破傳統(tǒng)避雷器依賴工頻過零滅弧的限制。該技術通過多腔分割滅弧與氣流能量耗散核心機制，可以降低雷擊故障率、節(jié)省帶電作業(yè)施工時間和運維成本。

關鍵詞：多腔室" 吹弧式" 線路防雷裝置 多腔室滅弧結構

中圖分類號：TM863

Development and[A1]" Application of a New Type of Multi Chamber Arc Blowing Lightning Protection Device

KANG Zisen¹ "ZHANG Jifeng¹ "REN Zhimin²

1.Zhejiang Huanwang Electric Power Equipment Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 310000 China; 2. Changsha Nonferrous Metallurgy Design and Research Institute Co.， Ltd. Xi’ning Branch， Xi’ning， Qinghai Province， 810000 China

Abstract： ：Traditional lightning arresters have problems such as slow arc extinguishing speed and complex grounding system， resulting in limited application in high soil resistivity areas such as mountainous areas and islands， and the lightning trip rate remains high for a long time. In view of the above factors， in order to better improve the lightning protection effect， a new lightning protection device based on the principle of multi-chamber arc blowing is proposed， which can optimize the chamber structure and the design of the arc extinguishing unit， and use the arc energy to drive gas expansion to form a high-speed airflow to achieve rapid arc extinguishing， breaking through the limitation of traditional lightning arresters relying on power frequency zero-crossing arc extinguishing. This technology can reduce the failure rate of lightning strikes， and save the construction time and operation and maintenance costs of live operations through the core mechanism of multi-cavity segmentation arc extinguishing and airflow energy dissipation.Key Wwords： Multi -chamber; "Blow arc type; "Line lightning protection device; "Multi chamber arc extinguishing structure

雷擊是導致輸配電線路閃絡、短路及跳閘的主要原因。傳統(tǒng)防雷裝置（如避雷器、并聯(lián)間隙）在雷電沖擊下易出現(xiàn)閃絡路徑失控，導致工頻續(xù)流難以快速切斷，進而引發(fā)設備燒毀和長時間停電?。而傳統(tǒng)氧化鋅避雷器還存在的安裝難度大、接地要求高、維護成本高等諸多問題。針對傳統(tǒng)防雷裝置的設計缺陷，首先，課題組分析多腔室并聯(lián)間隙約束閃絡路徑的工作原理，通過簡易淬弧技術實現(xiàn)電弧的快速熄滅^[1]，開展雷電沖擊試驗，擬合了不同腔室數(shù)量下將多腔室滅弧結構等效為棒-棒電極空氣間距的公式；其次，通過開展不同外串聯(lián)間隙的多腔室并聯(lián)間隙伏秒特性試驗研究，確定了該裝置整體外串聯(lián)間距的設置方法。通過新型多腔室并聯(lián)間隙結構，將電弧分割為多個短弧，利用氣腔壓力差實現(xiàn)快速滅弧，無須額外接地?，串聯(lián)電極與氣腔配合可以將續(xù)流切斷時間控制在半個工頻周波（10 ms），顯著降低線路跳閘率?。因此，需要一種較為普適性的外串聯(lián)空氣間隙設置方法，使多腔室并聯(lián)間隙能夠約束雷電沖擊閃絡路徑并快速淬滅電弧，指導多腔室并聯(lián)間隙的實際安裝^[2]。

1 多腔室吹弧式防雷的設計與實現(xiàn)

1.1" 設計理念與目標

1.1.1" 設計理念?

結合多腔室結構和吹弧機制，實現(xiàn)對雷電沖擊的有效防護。

1.1.2" 設計目標?

提高防雷裝置的滅弧能力，防止電弧連續(xù)燃燒，確保電力系統(tǒng)的安全運行。

1.2" 裝置結構與設計

1.2.1 "多腔室系統(tǒng)?

新型多腔室吹弧式防雷裝置采用多個相互隔離的腔室組成，裝置內(nèi)部設有多個滅弧室，每個滅弧室內(nèi)均安裝有電極，形成串聯(lián)的短間隙結構。每個腔室都具有獨立的滅弧功能。這種結構設計不僅提高了裝置的滅弧能力，還能有效防止電弧的連續(xù)燃燒。

1.2.2 "吹弧機制?

裝置配備了高效的吹弧系統(tǒng)，能夠在極短的時間內(nèi)將電弧吹滅。吹弧效應通過特殊設計的通道和滅弧室實現(xiàn)，將電弧迅速吹散至周圍空氣中，從而防止其對電力系統(tǒng)造成破壞^[3]。

1.2.3" 高壓噴氣孔?

滅弧室一側設有開口，開口內(nèi)設有高壓噴氣孔，用于噴出高壓氣體以熄滅電弧。

1.2.4 "靈活調(diào)節(jié)?

裝置的結構設計允許根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)電極之間的距離和位置，以適應不同的安裝環(huán)境和電壓等級。

1.2.5" 電極與絕緣層?

裝置內(nèi)部包含珠型電極，這些電極被包裹在絕緣層內(nèi)。絕緣層不僅提供了必要的電氣絕緣，還通過其特殊設計增強了吹弧效果。相鄰電極之間的間隙被精確控制，以確保電弧在產(chǎn)生后能夠迅速被吹滅。

1.2.6 "安裝支架與固定方式?

裝置還包括安裝支架和固定支架，這些支架允許防雷裝置以不同的角度安裝在電力系統(tǒng)中。固定支架與防雷裝置之間采用可拆卸連接，便于安裝和維護。

多腔室吹弧式防雷裝置的結構特點顯著。它包含了兩個電極盤、多個絕緣子和連接桿，電極盤上設有環(huán)狀滅弧部，該部分外包有絕緣管套。電極盤沿外圓邊緣均勻布滿了多個小電極，這些小電極將絕緣管套分為多個滅弧室。每個滅弧室都設有高壓噴氣孔，用于噴出高壓氣體以熄滅電弧。此外，電極盤的環(huán)狀部分還設有開口，開口兩端點形成端子電極，便于與線路連接?。

1.3" "裝置工作原理

1.3.1" "絕緣配合

線路防雷的關鍵在于防雷裝置與線路的 絕緣配合，需要調(diào)整防雷裝置的臨界閃絡電壓，使其小于受保護絕緣子的基本絕緣水平，以確保在有直擊雷或感應雷時，防雷裝置可以先于絕緣子發(fā)生動作，從而避免絕緣子的閃絡。

1.3.2" 工頻續(xù)流遮斷

當線路上的防雷裝置動作閃絡時，線路中便會產(chǎn)生工頻續(xù)流，借助于“多腔吹弧”技術，防雷裝置可以在工頻續(xù)流的半個周波（10 ms）內(nèi)將其遮斷。多腔式吹弧防雷裝置本體由硅橡膠制成，內(nèi)部包覆一連串的合金球形電極，電極之間存在微小氣腔，并通過小孔與外部空氣連通，當防雷裝置遭受雷擊過電壓時，氣腔內(nèi)的空氣間隙會被擊穿。當工頻續(xù)流流經(jīng)多腔式吹弧防雷裝置時，會在產(chǎn)品內(nèi)部被分成一連串小的工頻電弧，這些微小的電弧會在一個個單獨的氣腔內(nèi)被熄滅。50 Hz的工頻續(xù)流第一次過零時會被遮斷并消失，線路恢復正常。整個滅弧過程小于10 ms，避免了線路發(fā)生跳閘和停電，這是因為開關或斷路器動作至少需要20 ms以上的時間^[4]。

1.3.3" 雷電能量釋放

當雷電過電壓作用于裝置時，電極間的微空腔空氣間隙被擊穿，形成低阻抗通道，將雷電流通過串聯(lián)放電室分割為多個短弧，并快速將雷電能量泄放至大氣中，限制線路過電壓幅值??。

新型多腔室吹弧式防雷裝置的放電過程始于雷擊過電壓觸發(fā)、終于工頻續(xù)流的快速遮斷（如圖1所示），具體說明如下。

（1）放電開始（啟動階段）。當雷電過電壓（直擊雷或感應雷）侵入線路時，裝置電極間隙因電場強度驟增而被擊穿，形成初始電弧通道。若沖擊閃絡電壓低于被保護設備的耐受水平，則確保優(yōu)先動作截獲雷電流。初始電弧通過串聯(lián)的球形金屬電極被引入多腔室結構，電弧路徑被約束至滅弧腔內(nèi)部。

（2）放電完成（熄弧階段）。長電弧被多個獨立腔室分割為短間隙電弧。腔內(nèi)空氣受熱膨脹產(chǎn)生高壓，通過微孔或吹弧口噴射超音速氣流，強制冷卻電弧。雷電流泄放后，系統(tǒng)工頻續(xù)流被分割的短電弧在?≤10 ms內(nèi)過零點同步熄滅?，避免線路跳閘。同時，新型多腔室硅橡膠材料的耐高溫特性與氣流冷卻作用使滅弧腔絕緣強度在毫秒級內(nèi)恢復，裝置自動復位。

新型多腔室吹弧式防雷裝置的工作原理是基于全新的簡易淬弧技術。新型多腔室吹弧式防雷裝置通過?多級電弧分割?、?自能式氣吹滅弧?和?免接地設計?，實現(xiàn)了對雷電過電壓和工頻續(xù)流的雙重高效防護。

2" 關鍵技術

（1）高效滅?。豪枚嗲皇蚁到y(tǒng)和簡易淬弧技術，實現(xiàn)電弧的快速熄滅，有效降低雷電過電壓對線路的危害。

（2）無須特殊接地?：裝置對接地電阻要求不高，降低了安裝難度和成本。

（3）可截斷工頻續(xù)流?：利用電弧過零特性，結合多腔室協(xié)同滅弧，徹底切斷工頻續(xù)流，避免二次復燃或能量殘留導致的持續(xù)放電?。

（4）故障率低、使用壽命長?：裝置結構緊湊、性能穩(wěn)定，減少了故障發(fā)生的可能性，延長了使用壽命。

（5）安裝便捷?：裝置設計考慮了安裝的便捷性，可以根據(jù)不同形式的絕緣子選擇不同的夾具，節(jié)省導線與安裝成本。

3 "裝置應用

新型多腔室吹弧式防雷裝置可廣泛應用于多個領域，特別是在架空線路的防雷中發(fā)揮重要作用。傳統(tǒng)的架空線路防雷措施往往存在工頻續(xù)流無法切斷、線路跳閘率高等問題。而新型多腔室吹弧式防雷裝置通過其獨特的滅弧原理，有效降低了線路跳閘率和運維成本。

特別是在多雷區(qū)和山區(qū)等地形復雜區(qū)域，新型多腔室吹弧式防雷裝置的應用對保障線路的安全穩(wěn)定運行起到了關鍵作用。通過實際運行驗證，該裝置能夠有效降低雷擊跳閘率，提高線路的防雷性能^[5]。

1. 結論

隨著防雷技術的不斷迭代和創(chuàng)新，新型多腔吹弧式線路防雷裝置將會在更多領域得到應用。從實際應用效果來看，雷擊跳閘率降低約90%，并且無須依賴低接地電阻，可以適應山區(qū)復雜地形環(huán)境?，而與傳統(tǒng)氧化鋅避雷器相比，工頻續(xù)流遮斷能力更強，避免線路跳閘和停電風險；從技術經(jīng)濟性來看，安裝成本較架空避雷線降低40%以上，并且無須頻繁更換閥片，全壽命周期成本優(yōu)勢顯著?，可以適用于新能源輸電線路、山區(qū)電網(wǎng)等場景，填補了傳統(tǒng)防雷裝置在高阻接地環(huán)境中的技術空白?。目前，由于實施應用時間較短，落雷風險的部分數(shù)據(jù)還存在微小偏差，還需要在實際應用中做進一步設計優(yōu)化與技術完善，需要進一步優(yōu)化腔室數(shù)量與電極布局設計，以適配更高電壓等級（如110 kV及以上）的輸電需求?，并探索多腔室吹弧技術與智能監(jiān)測系統(tǒng)的融合，實現(xiàn)防雷裝置的實時狀態(tài)評估與故障預警?未來，可以進一步優(yōu)化裝置結構、提高材料性能、降低生產(chǎn)成本，以滿足不同場合的防雷需求。

參考文獻

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[2]" 延衛(wèi)忠，趙鳳偉，彭鎖龍，等. 用于架空線路的多腔室吹弧式防雷裝置結構與應用研究[J].中國設備工程，2024，2（12）：128-129.

[3]" 謝從珍，李彥丞，杜巖，等.基于磁流體動力學的 35 kV 自脫離防雷裝置滅弧仿真[J].電力工程技術，2023，42（1）：2096-3203.

[4]" 唐佳雄.10kV線路防雷用反沖多間隙結構滅弧裝置理論與試驗研究[J].四川電力技術，2023，7（1）：12-17.

[5]" 韓旭君.多腔吹弧防雷裝置在風電場架空線路的應用[J].力工業(yè)，2020，2（10）：191-192.