对吹式爆炸气流灭弧防雷装置熄弧效果研究

吴 东，王巨丰

（广西大学电气工程学院，南宁530004）

0 引言

输电线路防雷是世界级难题。国家电网公司的2003年生产运行情况统计分析表明，全国500 kV输电线路中雷击跳闸占线路跳闸的46%，330 kV输电线路中雷击跳闸占线路跳闸的29%，220 kV输电线路中雷击跳闸占线路跳闸的33.4%，110 kV输电线路中雷击闪络占线路跳闸的35.3%[1-2]。因此研究新型防雷方法迫在眉睫。

目前我国采用的是传统的架空输电线路防雷措施，如架设避雷线、降低杆塔接地电阻、加强绝缘、加装耦合地线等[3-4]。但是传统措施防雷效果不佳且存在一定问题：1）避雷线在冰冻状态下会导致断线及杆塔弯曲、倒塌，以及避雷线无法有效防护绕击（出现概率高）；2）由于输电走廊土壤电阻率普遍较高，降低杆塔接地电阻较为困难；3）目前有利用绝缘杆塔加强绝缘，但其成本较高。

现有防雷保护方式分为“疏导型”与“堵塞型”。“疏导型”思想的防雷保护方式，其核心理念是允许线路雷击闪络，闪络后经自动重合闸排除闪络故障[5-11]。这种方式在国内应用表现就是在绝缘子串两端并联一对金属电极（又称招弧角/引弧角），构成保护间隙，通常保护间隙的距离小于绝缘子串的串长[12-20]。该防雷保护方式没有熄弧功能，电弧会在两电极间持续燃烧，使得电极被电弧严重烧灼，从而影响绝缘配合。“堵塞”型防雷保护目的在于提高线路的耐雷水平，减少雷击跳闸率。但是其成本高，得到的效果也不理想。

为了解决电网雷害问题，王巨丰教授的团队研制出了对吹式爆炸气流灭弧防雷装置。当输电线路遭受雷击时，该装置能够迅速截断间隙两端电弧，有效保护绝缘子串免受工频电弧灼烧。从而保护绝缘子，并防止跳闸和事故发生。

笔者通过mayr电弧动态模型以及灭弧试验对气流耦合电弧过程进行研究分析，验证了对吹式灭弧防雷装置的有效性。

1 对吹式爆炸气流灭弧防雷装置灭弧原理

1.1 灭弧装置结构

如图1所示，对吹式爆炸气流灭弧装置并联安装在绝缘子串两端。该装置主要由1-低压电极，2-高压电极，3-信号采集器，4-灭弧室，5-灭弧能量团组成。灭弧室采用能够耐受高温的绝缘材料。

图1 气吹灭弧装置安装示意图Fig.1 Installation diagram of blowing arc-extinguishing device

1.2 熄灭电弧过程

当雷击杆塔或输电线路时，雷电过电压优先击穿上下对吹灭弧装置内电极间间隙，同时信号采集器接受到雷电流脉冲信号触发灭弧装置内部的灭弧能量团产生爆炸气流，上下灭弧室的半封闭空间结构使得爆炸气流沿着灭弧室出口方向运动，使速度极快的爆炸气流更加集中作用于后续工频电弧，将整个电弧上下同时截断促使其拉伸和扭曲，扩散和冷却，增强了去游离作用以至熄灭。由于电弧在上下两个灭弧室中被截断，增大了电弧持续存在的弧压，使得电弧难以重燃。

图2所示为上下对吹灭弧室气流对冲示意图。从图2中可以看出，由于上下对吹灭弧室的空间位置设置，因此将会形成如图2所示的气流对冲区域。在对冲区域内使得电弧形成突变拐点，此处电弧易于截断。所以实际在装置间产生电弧时，电弧在爆炸气流作用下，被拉伸形成突变拐点，从而截断电弧。同时气流耦合电弧过程发生强烈热交换，灭弧室内极高的电弧温度使得气体受热膨胀吹出灭弧室，此时灭弧室内温度下降，起到冷却电弧效果，该过程有效增强去游离作用使得上下两灭弧室中的导电离子减少，促进电弧熄灭。

图2 上下对吹灭弧室气流对冲示意图Fig.2 Diagram of up and down arc-extinguishing chamber blowing

2 气流耦合电弧过程仿真分析

2.1 建立mayr电弧模型

为得出电弧方程，对电弧模型进行如下假设[20]:1）弧柱形状为圆柱体，弧柱温度随着径向的距离增加而降低。2）只考虑长电弧的情况。3）弧柱的能量耗散主要因对流引起。4）假定温度变化时弧柱中气体物理性质不变。5）弧柱中的热电离情况可通过沙哈公式表述。

动态电弧模型电导的一般表达式：

式中，g为电弧电导；i为电弧电流；u为电弧电压；P为电弧的功率输入值；PL为电弧的功率耗散值；t为时间。

电弧电导是关于电弧中所积累的能量Q来决定的，即电弧电导是关于Q的函数。

电弧能量的变化可表示：

对式（2）进行变换得到：

其中，τ为时间常数。Q0为单位体积能量。

由式（6）得到：

2.2 仿真分析

仿真试验回路如图3所示。图中AC代表交流电压源，L0表示雷击闪络点到电源之间的电感值。L1，R1，C1是接地电感、接地电阻和闪络位置的电容，L2，R2，C2是模拟线路的相关参数。电弧电流和电压波形是由示波器测量得到。

笔者设定的初始参数为

L0=5.8 mH，L1=6.64 mH，L2=5.4 mH，R1=30 W，R2=20 W，C1=6.42 mF，C2=3.25 mF。设定工频电压源频率为50 Hz。

图3 仿真试验回路Fig.3 Simulation test loop

图4和图5分别为仿真时示波器测量得到的电弧电流和电压波形。从图中可以看出，电弧电流幅值为1 kA，在t=10.8 ms时，电弧电流波形第一次过零点，间隙间的电压恢复至峰值80 kV，电弧电流下降至零值，说明电弧已经被截断，电弧熄灭。

电弧熄灭过程实质是电弧电流值减小、电弧能量被削弱、整体温度下降的过程，该过程增加去游离作用，促使灭弧室内的正负离子迅速复合，使得灭弧室内带电粒子减少，在一段时间内，由于爆炸气流的作用使得灭弧室内气体几乎处于绝缘状态，加速灭弧室内了介质强度恢复速度，促进电弧熄灭。

图4 电弧熄灭过程的电流波形Fig.4 Current waveform of arc quenching process

图5 电弧熄灭过程的电压波形Fig.5 Voltage waveform of arc quenching process

3 试验

3.1 试验方案

为了研究对吹式爆炸气流灭弧装置的熄弧效果，搭建灭弧试验回路如图6所示。试验回路包括工频交流电源（AC），断路器（K），电压调节器（TM），变压器（T），电流限流电阻（R0），测量电阻（R1）和示波器（DSO）。该试验系统产生的工频电弧电流值为1 kA，维持时间为200 ms，频率为50 Hz。在图6中，对吹式爆炸气流灭弧装置并联安装在绝缘子两端，上下灭弧室与竖直方向夹角为30°，灭弧室与绝缘子串水平距离60 cm。为了确保电弧控制在上下对吹式爆炸气流灭弧装置的间隙上燃烧，在上下灭弧装置中的两个电极之间连接了一个短路熔丝。

对吹式爆炸气流灭弧装置触发回路如图7所示。触发回路包括9 V电源，控制开关（K1），测量电阻（R2）和示波器（DSO）。

试验过程简述如下：

1）搭建试验电路，架设摄像机记录熄灭电弧过程。同时用示波器采集灭弧波形。

图6 灭弧试验回路Fig.6 Arc-extinguishing test circuit

图7 对吹式爆炸气流灭弧防雷装置触发回路Fig.7 Trigger circuit of blowing explosion airflow

2）调节电压调节器，使灭弧装置所处回路产生短路电流，此时熔丝迅速被熔断，在对吹式爆炸气流灭弧防雷装置间的间隙产生电弧燃烧现象。

3）间隙间的电弧燃烧稳定时（示波器中测到R1的波形稳定），合上开关K1，此时对吹式爆炸气流灭弧装置动作产生强气流熄灭电弧。

3.2 试验结果分析

文中试验结果都是通过多次重复性试验得到的。图8为普通摄像机拍摄的熄弧图像。

图8 摄像机拍摄的熄弧过程Fig.8 Arc-extinguishing process recorded by camera

图8（a）显示t=0时刻的灭弧图像，此时灭弧装置还未动作，处于等待触发状态。从图8（b）中可以看出对吹式爆炸气流灭弧装置的两个信号采集器接收到触发电流信号触发装置动作。由于上下灭弧装置的空间设置，使得对吹效果明显如图8（c）所示。此时电弧被拉长形成突变拐点。从图8（d）至（f）看出电弧开始出现断口，在高速气流与电弧高度耦合过程中，电弧发展被深度抑制。期间灭弧室中充满电负性气体，使得电弧形成上下两个断口，充分抑制电弧重燃。从图8（g）可知，高速气流依然持续作用于电弧，说明高速气流存在时间足以抑制电弧发展。然后电弧能量经过削弱、再度削弱，使得电弧迅速熄灭。由图8（h）至（j）可以得出此结论。

4 结论

1）在仿真分析中，电弧电流波形t=10.8 ms时第一次过零点，此后间隙间的电压恢复至峰值80 kV，此时电弧电流下降至零值，电弧熄灭。

2）试验验证了对吹式灭弧防雷装置能迅速熄灭工频电弧，深度抑制电弧发展。

3）仿真与试验一致说明对吹式灭弧防雷装置具有良好的熄弧效果。

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