持续性大电流直流电弧熄弧试验研究

邓元实，刘凤莲，朱 军，吴 驰

（国网四川省电力公司电力科学研究院，成都610072）

持续性大电流直流电弧熄弧试验研究

邓元实，刘凤莲，朱 军，吴 驰

（国网四川省电力公司电力科学研究院，成都610072）

特高压接地极线路处于运行状态，尤其是满负荷运行状态下，当导线出现雷击过电压和操作过电压时，过电压易击穿绝缘子串旁并联的招弧角并建立起直流电弧。直流电弧自熄弧困难，持续燃烧的直流电弧易导致接地极线路绝缘子烧蚀掉串，因此需研究直流电弧熄弧特性。由于特高压直流传输功率大，其产生的直流电弧能量巨大，难以在实验室现有直流设备上建立持续性大电流并开展熄弧研究。介绍了一种利用移动直流融冰装置作为试验电源，通过操作电极间隙距离可调的起弧装置，建立持续性大电流直流电弧的试验方法，并在200 A续流电流下开展了直流电弧熄弧试验。

直流电弧；熄弧试验；移动直流融冰装置

0 引言

与交流输电线路一样，特高压直流输电工程接地极线路为了避免在雷击、操作等过电压作用下发生闪络烧伤绝缘子，一般采用在绝缘子串上并联招弧角的方式保护绝缘子。由于交流存在过零点而直流没有，所以交流电弧和直流电弧在熄弧能力上表现出完全不同的特性，绝缘等级相同的交直流线路，直流线路的熄弧电流远小于交流线路。2012年7月7日，±500 kV伊穆直流工程在进行双极大地回线、单极大地回线运行方式时，出现了接地极线路4号塔左线绝缘子因为直流电弧持续烧蚀，致使绝缘子掉串、导线断线，导线侧挂点招弧角严重烧损的事故[1-4]；2015年7月13日，±800 kV宾金直流工程由于金华换流站套管故障，由双极运行方式切换到单极大地运行方式时，导致接地极线路11号杆塔挂点绝缘子被直流电弧持续烧蚀，绝缘子掉串、地线断线。

为了避免类似事故再次发生，需开展直流电弧熄弧试验，需要摸清直流电弧熄弧特性，为直流接地极线路招弧角形状、电极距离的设计提供参考。但是，“7.13”宾金线故障时，通过11号杆并联招弧角直流续弧电流达到了1.7 kA，续弧功率达数兆瓦。经调研，目前实验室设备只能实现“高电压，小电流”或“低电压，大电流”的试验条件，与实际运行情况完全相同的试验环境大大超出了现有试验设备能力，故以现有试验条件难以建立持续性大电流直流电弧并进行熄弧试验[5-8]。

针对上述试验问题，介绍了一种利用移动直流融冰装置作为试验电源，建立了连续稳定的大电流直流电弧并进行熄弧特性试验的方法，并在200 A续流条件下进行了直流电弧熄弧试验。

1 试验平台搭建与试验方法

1.1 试验平台搭建

本次试验利用了移动直流融冰装置作为直流电流源，设计了电极间隙距离精确可调的起弧试验装置，能够在持续大电流的试验条件下进行直流电弧熄弧特性研究[9-12]。

持续性大电流直流电弧熄弧试验平台主要由移动直流融冰装置、平波电抗器、电极间隙距离可调的起弧装置、连接电缆构成。试验平台见图1。

图1 持续性大电流直流电弧熄弧试验平台Fig.1 The test platform for persistent large current DC arc-extinguishing

移动直流融冰装置为试验提供直流电源，该装置容量25 MVA，输出直流电流200～2 000 A连续可调。由于融冰装置依靠晶闸管整流输出6脉动直流电流，为了保证直流融冰装置输出的直流电流连续且纹波较小，增加了25 mH电抗器用于平波。

电极间隙距离可调的起弧试验装置见图2。该装置由导轨、支柱绝缘子、连接铜排、连接软铜编织线、控制箱组成。招弧角电极分别固定在固定支柱绝缘子（左）的顶端和可移动支柱绝缘子（右）的顶端。装置通过遥控手柄控制可移动支柱绝缘子沿着预定的轨道向左或右移动设定的距离，这样电极间隙距离就跟随缩短或扩大相同的距离。可移动支柱绝缘子移动的速度、步长可由伺服电机精确控制。

1.2 试验方法

本试验采用“电极先接触后再拉开”的起弧方式起弧。即先将电极两端拉近并完好接触，再启动直流融冰装置输出稳定直流电流，最后以一定的速度、步长值拉开电极起弧直到直流电弧熄灭，记录在当前续流电流值与电弧熄灭时的电极距离，随后改变续流电流值重复试验[13-15]。

图2 电极距离可调的起弧试验装置Fig.2 The arc test device with adjustable electrode distance

1.3 试验测量

本试验采用日本横河DL850E型示波录波仪实时记录试验中直流电弧两端的电压和电流波形。

采用2个分压器（分压器信号FRV-15 kV，变比3 000:1）差分记录直流电弧正负两极电压信号，如图2所示。分压器输出通过同轴电缆连接至录波仪CH1与CH2通道，录波仪通道CH1记录电弧正极电压信号，CH2记录电弧负极电压信号，通过CH1-CH2运算即可得到电弧端电压波形。

采用日置CT9693-90型电流传感器记录直流电弧电流信号，电流传感器通过同轴电缆连接至录波仪CH3通道。该电流传感器额定一次电流为2 kA，满足本次试验电流记录量程需求。

2 试验过程与结果分析

2.1 试验过程

按照电弧的发展规律，整个试验过程分为以下几个阶段：

1）起弧阶段：先将两电极完全接触，启动直流融冰装置输出直流电流200 A，直流电流通过电抗器、完全接触的电极流回融冰装置。操作起弧装置拉开电极，电极两端出现贯穿性电弧。见图3（a）、3（b）。

2）初始燃烧阶段：按照速度400 mm/s，2mm的步长拉开电极。当电极距离拉开至50 mm时，电弧稳定燃烧。见图3（c）。

3）持续燃烧阶段：继续按照速度400 mm/s，2 mm的步长拉开电极。当电极距离拉开至200 mm时，电弧剧烈燃烧，见图3（d）。当电极距离达到287 mm时，电弧仍剧烈燃烧，见图3（e）。随后试验人员操作融冰装置停止输出直流电流，发现电极已几乎烧蚀殆尽。

由于试验是采用普通摄影设备录像，尚无法观察到电弧起弧瞬间的过程以及电弧随电极距离改变的精细形态。

2.2 试验数据分析

2.2.1 直流电弧电流波形

录波仪CH1、CH2通道记录了电弧正极、负极电压波形，见图4。

图3 直流电弧随电极间隙距离变化发展过程Fig.3 The developing process of DC arc with the change of electrode distance

图4 直流电弧弧道维持电压Fig.4 The hold voltage of DC arc

在电弧发展过程中，电弧长度拉伸至287 mm，而电弧的电压变化却不明显。从录波波形可看出，电弧的正极电压波形和负极电压波形二者幅值、相位几乎一致，波形几乎重叠。在电弧发展过程中，弧道维持电压在50 V左右，弧道维持电压未跟随电极距离的变化而改变。

2.2.2 直流电弧电流波形

录波仪CH3通道记录了电弧电流波形，见图5。

图5 直流电弧电流Fig.5 The current of DC arc

从录波波形看出，电弧发展过程中，直流电弧的电流平均值始终稳定在200 A，未跟随电极距离的变化而变化。

正是由于直流电弧弧道维持电压和续流电流在整个试验中始终保持稳定，才使得200 A的直流电弧在电极距离为287 mm的时候仍未熄灭。

3 结论与展望

通过本试验，得出了以下结论：

1）利用移动直流融冰装置和平波电抗器作为试验电源，采用“电极先接触后再拉开”的直流电弧起弧方法可以产生持续、稳定的大电流直流电弧。

2）电弧续流电流稳定时，弧道维持电压不随电极距离变化而变化。直流电弧续流电流为200 A，电弧长度达到287 mm时，直流电弧仍剧烈燃烧。

后续，试验将在选取耐高温电极材料以减慢电极烧蚀速度、在起弧装置中模拟风速等自然环境、增加导轨长度和加强融冰装置保护措施等方面进行改进，进一步开展直流电弧熄弧特性研究。

[1]祝永坤，刘奎，宋建山.直流输电系统接地极线路导线脱落事故原因分析及防范措施[J].内蒙古电力技术，2014，32（6）：111-113.ZHU Yongkun，LIU Kui，SONG Jianshan，Fall-down fault analysis on grounding line conductor of direct current transmission line and its preventive measures[J].Inner Mongolia Electric Power，2014，32（6）：111-113.

[2]张冯硕，吴高波，李健，等.特高压直流接地极线路绝缘配合研究[J].电力建设，2015，36（2）：86-90.ZHANG Fengshuo，WU Gaobo，LI Jian，et al.Insulation coordination for UHVDC electrode line[J].Electric Power Construction，2015，36（2）：86-90.

[3]郑扬亮，冉学彬，刘更生.直流输电接地极线路招弧角有关问题的分析[J].高电压技术，2008，34（7）:1513-1516.

[4]陈光，杨振国，杨振家，等.接地极线路导线脱落事故原因分析及相应措施[J].吉林电力，2014，42（1）：21-24.CHEN Guang，YANG Zhenguo，YANG Zhengjia，et al.Grounding conduct falling accident analysis and treatment measures[J].Jilin Electric Power，2014，42（1）：21-24.

[5]葛栋，冯海全，袁利红，等.绝缘子串并联间隙的工频大电流燃弧试验绝缘子串并联间隙的工频大电流燃弧试验[J].高电压技术，2008，34（7）：1499-1503.GE Dong，FENG Haiquan，YUAN Lihong，et al.Experi⁃mental research on large power frequency current of paral⁃lel gap of insulator strings[J].High Voltage Engineering.2008，34（7）：1499-1503.

[6]张冯硕，李健，吴高波，等，李显东.直流接地极招弧角熄弧特性研究[J].高压电器，2016，52（3）：105-110.ZHANG Fengshuo，LI Jian，WU Gaobo，et al.Study on arc-extinguishing characteristics of arcing horn on dc grounding line[J].High Voltage Apparatus.2016，52（3）：105-110.

[7]何计谋，洪波，李亚东，等.输电线路保护用有串联间隙避雷器间隙特性的研究[J].电瓷避雷器，2006（4）：25-29.HE Jimou，HONG Bo，LI Yadong，et al.Study on gap performance of line surge arrester with series gap[J].Insu⁃lators and Surge Arrester，2006（4）：25-29.

[8]徐志坚.直流接地极招弧角熄弧能力研究[D].武汉：华中科技大学，2015.

[9]杨光亮，王永，邰能灵，等.换流站主设备绝缘配合研究[J].电瓷避雷器，2012（5）:39-44.YANG Guangliang，WANG Yong，TAI Nengling，et al.Study on main equipments insulation coordination in con⁃verter station[J].Insulators and Surge Arrester，2012（5）：39-44.

[10]张志劲，蒋兴良，胡建林，等.低气压下的直流电弧特性[J].高电压技术，2009，35（4）:790-794.ZHANG Zhijing，JIANG Xingliang，HU Jianlin，et al.Characteristic of DC arc under low air pressure[J].High Voltage Engineering.2009，35（4）：1499-1503.

[11]王秀娟，王刚，许傲然，等.污染情况下硅橡胶表面直流电弧特性研究[J].电瓷避雷器，2015（6）：34-38.WANG Xiujuan，WANG Gang，XU Aoran，et al.Study of DC arc characteristics on polluted silicon rubber surface[J].Insulators and Surge Arrester，2015（6）：39-44.

[12]刘更生，郑扬亮，冉学彬.天广直流马窝侧接地极线路招弧角运行分析[J].电网技术，2007，31（2）：37-39.LIU Gengsheng，ZHENG Yangliang，RAN Xuebin.Anal⁃ysis on operational experience of grounding electrode line of mawo side in Tian-Guang HVDC transmission with arc⁃ing horn[J].Power System Technology，2007，31（2）：37-39.

[13]林福昌，詹花茂，龚大卫，等.特高塔绝缘子串用招弧角的试验研究[J].高电压技术，2003，29（2）：21-22.LIN Fuchang，ZHAN Huamao，GONG Dawei，et al.Ex⁃perimental research on arcing horn of insulators in UHV towers[J].High Voltage Engineering.2003，29（2）：21-22.

[14]蒋彪.高压直流输电系统接地极线路保护方法研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[15]张旭.特高压平行双回线路熄弧措施的研究[D].北京：华北电力大学，2012.

Research on Arc-Extinguishing Test of Persistent Large Current DC Arc

DENG Yuanshi，LIU Fenglian，ZHU Jun，WU Chi
（State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China）

The DC arc is established on the arcing horn which is parallel to the insulator when light⁃ing overvoltage and switching surge are arised in UHVDC earthing line.This is more easily happened when the UHVDC earthing line is operating at full load.It’s necessary to study the DC arc-extinguishing characteristics because the persistent DC arc can lead to the UHVDC earthing line falling off.Due to the high power possessed by the DC arc，the existing laboratory equipments don’t have enough power to es⁃tablish the persistent DC arc.This paper propose a way to establish the persistent DC arc using mobile DC ice-melting device and an arcing test device，and the DC Arc-extinguishing test is carried out under 200 A persistent current.

DC arc；test of DC arc-extinguishing；mobile DC ice-melting device

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.024

2017-03-15

邓元实（1985—），男，工程师，主要从事输电线路专业生产技术管理工作。