35 kV输电线路灭弧间隙的仿真分析与试验

2022-04-11孔佳琦夏志坚王巨丰陈舒婷

电力科学与技术学报 2022年1期

孔佳琦，夏志坚，王巨丰，陈舒婷

(1.广西大学电气工程学院，广西南宁 530004；2. 国网江西省电力有限公司抚州供电分公司，江西抚州 344000；3. 广西电网有限责任公司北海供电局，广西北海 536000)

全国范围内雷雨天气频繁发生，由雷击引起的电网安全事故日益增多，特别是传统的35 kV输电线路，因绝缘水平普遍偏低，加之很多线路又地处雷害重灾区，出现雷害状况更是严重[1-2]。而这些发生故障的输电线路时常因雷击过电压及伴随的谐波问题导致线路电压增高、电力系统附加损耗上升、输电线路电压波形振荡畸变等严重情况，继而严重影响到变电站站内设备的安全运行、工业生产、人民的日常生活等[3-9]。然而，传统的防雷手段如降低冲击接地电阻、架设避雷线、铺设耦合地线等，未能从根本上解决上述雷害问题[10]。近些年，国内外学者提出了一些依靠绝缘配合诱导电弧的并联间隙防雷方式[11-13]，其中最常见的是排气式避雷器和角型避雷器。

排气式避雷器主要是利用灭弧间隙内电弧与产气管内产气材料接触所产生的气体来切断续流的一种避雷器[14]，结构原理如图1所示。当雷电击穿隔离间隙时，雷电顺势击穿灭弧间隙，雷电流沿着接地电极顺势流入大地，进而消除雷电过电压[15]。被雷电击穿的灭弧间隙和隔离间隙在工频电源的作用下，工频续流电弧也随之产生，而灭弧间隙内的橡胶管在工频续流电弧的作用下受热分解出灭弧气体，在狭隘的灭弧间隙内突然出现灭弧气体，致使橡胶管内气压增大，最后从圆形电极方向喷出，从而破坏电弧的结构，致使电弧能在3个工频周期内熄灭[16]。

图1 排气式避雷器的结构原理Figure 1 Structural principle of exhaust type arrester

排气式避雷器的灭弧能力受到工频续流的制约，其熄灭电弧的能力与工频电弧的大小有关。另外，橡胶管承担着产生灭弧气流以及直接作用电弧的作用，这对橡胶管本身的结构就是一个巨大隐患，即存在橡胶管炸裂的危险。因此排气式避雷器的相关标准早已作废，取而代之的是金属氧化物避雷器[17]。

角型避雷器主要是由日本学者Mikimasa Iwata等专家联合电力公司研发的另一类气体灭弧防雷装置[18]。角型避雷器的安装方式如图2所示。

图2 角型避雷器安装[18]Figure 2 Installation of angle arrester[18]

该装置继承并联间隙的工作方式，当雷击时，由于并联间隙的雷电冲击击穿电压远远小于绝缘子串的雷电冲击击穿电压，确保闪络发生在并联间隙内。与并联间隙最大的不同之处在于角型避雷器的内部结构，如图3所示。绝缘筒体由聚酰胺树脂制成，当电弧进入绝缘筒体时，筒内的材料会分解出灭弧气体，并在筒内形成高气压，使电弧沿绝缘筒体向外喷射而出，加速了电弧形态破坏，最终在一个工频周期内将电弧熄灭[19]。

图3 角型避雷器结构Figure 3 Structure of angle arrester

角型避雷器与排气式避雷器都是必须利用电弧的高温烘烤产生灭弧气体，即属于“被动式”灭弧[20]，产生灭弧气体的大小以及气体作用在电弧上的作用均受到电弧的影响，并且产气的次数以及效果还与产气材料有关，对约束条件还有待进一步考究。这2种方法确实在很大程度上保护了绝缘子免受电弧烧蚀，但因电弧不能得到快速熄灭(通常依靠电弧自熄灭)以及材料的消耗致使避雷器失去灭弧效果，电网安全依旧受到威胁。

针对上述存在的雷害难题及现有防雷措施存在的技术、无法主动灭弧的难点，基于“疏导型”防雷理念研制出了一种能主动熄弧的新型灭弧防雷间隙(new arc-extinguishing and lightning protection gap, NALPG)装置。该装置借鉴了并联间隙利用绝缘配合诱导电弧方式，将电弧诱导至装置间隙，利用其自主熄弧的优势来截断电弧，从而迅速降低雷击形成的过电压，削弱谐波引起的振荡，为输电线路稳定运行提供了保障。

本文通过研究分析电弧的发展与熄灭机理，并借助电磁暂态计算软件(electro-magnetic transient program,EMTP)模拟线路安装NALPG后暂态稳定情况，进行强气流截断工频电弧的试验，统计NALPG在实际运行中的数据，最终充分印证NALPG应用于35 kV输电线路的可行性。

1 装置的熄弧原理

NALPG连接示意如图4所示。接地电极与灭弧装置之间电气连接，可调节的高压电极、灭弧装置与绝缘子形成有效地绝缘配合，当雷击时，高压电极与灭弧装置之间形成的并联间隙的雷电冲击击穿电压远远小于绝缘子穿的雷电冲击击穿电压，确保闪络发生在并联间隙内[21]，整个装置通过导电连接体与绝缘子串并联连接。

图4 NALPG连接Figure 4 Connected schematic of NALPG

NALPG的内部结构如图5所示。当雷电流流经引弧电极时，安装在引弧电极上的感应模块激发了气丸仓内的气丸爆炸，并释放出强气流于灭弧筒内。由于产生强气流是在雷电流阶段，而且强气流还作用在工频电弧发展的早期阶段，因此加速了电弧的熄灭，强气流加速了电弧的对流散热并抑制了电弧热量传导，电弧能量不断消散，最终在四分之一的周期内将电弧被截断，间隙绝缘强度迅速恢复[22]。

图5 NALPG内部结构Figure 5 The internal structure of NALPG

根据上文气体灭弧中的管式避雷器、角型避雷器和NALPG，总结了当前利用气体灭弧的防雷装置的技术参数和特点，如表1所示。

表1 气体灭弧防雷技术的相关技术参数与特点Table 1 Parameters and characteristics of gas arc-extinguishing protection technology

2 电弧的发展与熄灭

电弧等离子体在刚性的半封闭灭弧筒内与强气流耦合时，将满足Navier-Stokers方程及电流守恒方程，其控制方程[23-26]如下。

质量守恒方程为

(1)

动量守恒方程为

(2)

能量守恒方程为

(3)

气体状态方程为

p=βρRT

(4)

电流守恒方程为

(5)

式(1)～(5)中ρ为密度；t为时间；u为速度矢量；p为压力；I为单位矩阵；μ为动粘度系数；J为电流密度；T为温度；E为电场强度；kB为波尔兹曼系数；q为电子电荷；cp为定压比热容；Qrad为辐射源项；φ为电势。

分析式(3)可知，流体焓的变化等于对流散热、传导散热、辐射散热与电子焓传递、焦耳热之间的差值。其中焦耳热是流体温度升高的“症结”所在，这即是空气间隙因雷电冲击及工频续流产生电弧的原因。电弧温度下降与对流散热、传导散热、辐射散热密切相关，而辐射散热与电弧温度有关，无法人为干预[27]，那么可以通过利用气丸产生的强冲击气流来控制对流散热及传导散热，从而达到熄灭电弧并抑制雷击过电压的目的。

3 仿真设计

接下来借助EMTP仿真软件来验证35 kV输电线路杆塔遭遇雷击故障时，在安装有NALPG之后的暂态稳定情况。以上文论述的装置熄弧原理及电弧的发展与熄灭机理为基础建立电弧EMTP模型、NALPG的EMTP模型及35 kV输电线路的EMTP仿真电路。

3.1 绝缘子串以及空气间隙的EMTP模型

结合合作单位线路实际运行状况，仿真选用3片绝缘子，总长度为480 mm。采用相交法确定雷电冲击下绝缘子串是否闪络[28]，相应的绝缘子串近似伏秒特性为

(6)

式中L为绝缘子串总长度，mm；t为从雷击持续时间，μs。当绝缘子串两端电压大于Uflash时，绝缘子串发生闪络。

此外实验条件下测得当NALPG的空气间隙长度为绝缘子长度的的85%时，能达到最佳的绝缘配合[29]，再根据麦考林数据[30]棒—棒电极间隙在正、负极性标准雷电波作用下，空气间隙的50%闪络电压正、负极性闪络电压分别为

(7)

(8)

故此，式(6)作为不加装NALPG仿真电路中绝缘子串发生闪络的数学模型，式(7)、(8)作为加装NALPG仿真电路中空气间隙发生闪络的数学模型。

3.2 闪络电弧的EMTP模型

发生闪络既形成闪络通道，为简化这一过程，利用闪络电弧阻抗来表征，并在仿真中采用分段函数形式来模拟动态闪络电弧阻抗，并用Rarc表示。当绝缘子或空气间隙2端电压大于式(6)～(8)电压值时，绝缘子串或空气间隙发生闪络，Rarc由1018Ω变为0.015 Ω[31]，得到如图6(a)所示的逻辑关系，在EMTP中使用计算模型元件控制Rarc时变电阻，实现闪络过程，图6(b)为仿真中闪络电弧对应的EMTP模型。

图6 等值闪络电弧电路模型Figure 6 Circuit model of equivalent flashover arc

3.3 NALPG的EMTP模型

为建立NALPG的EMTP模型，在设计好的闪络电弧EMTP模型上增加熄弧过程，输出的闪络电弧阻抗依然采用分段函数实现。由于NALPG结构中的间隙长度为绝缘子串长度的85%，即保证NALPG中的间隙优先绝缘子串击穿。此外，设击穿电流值为iarc，形成的闪络电弧阻抗为Rarc，Rarc初值0.015 Ω，当∂iarc/∂t大于设定值时，NALPG发生动作，装置中的灭弧气丸发生爆炸而产生高速爆炸气流沿灭弧筒纵吹作用于电弧，空气间隙绝缘迅速恢复，输出的Rarc变为1018Ω，如图7(a)所示的逻辑关系，同样利用计算模型元件控制Rarc时变电阻，得到图7(b)仿真中NALPG的EMTP模型。

图7 等值NALPG电路模型Figure 7 Circuit model of equivalent NALPG

3.4 35 kV输电线路的EMTP仿真电路

建立完上述模型之后再利用合作单位提供的该条35 kV线路参数建立EMTP仿真电路(以6基杆塔为例)，得到如图8所示的仿真电路。其中情况1(不加装NALPG的暂态运行情况)的电路图是在图8的蓝框内嵌入图6(b)的模型，情况2(加装NALPG的暂态运行情况)的电路图是在图8的蓝框内嵌入图7(b)的模型。具体仿真过程如下。

图8 仿真电路Figure 8 Simulation circuit diagram

模拟稳态运行中的35 kV输电线路，在t=10 ms时，#4杆塔塔顶突然遭受雷电冲击，对比加装与不加装NALPG情况下，输电线路的暂态稳定状况，仿真设置的雷电流幅值为50 kA，仿真步长为5×10-6ms，总运行时间为30 ms。

3.5 仿真结果及分析

图9为仿真得到的故障端各相在情况1、2条件下暂态运行电压的波形。其中，图9(a)为不加装NALPG的暂态运行情况，图9(b)为加装NALPG的暂态运行情况。对比分析图9可知，没有加装NALPG的输电线路在雷击杆塔瞬间，A相绝缘子闪络击穿，继而引发A相出现了高达383.16 kV的过电压，形成的闪络通道又为后续工频电流提供了路径，致使A相出现了接地故障，与此同时，B、C也因受到雷电脉冲及故障相(A相)电磁耦合影响，出现了严重的波形畸变和振荡情况。然而，加装NALPG的输电线路运行情况却与之截然相反，雷击杆塔瞬间，NALPG的空气间隙会优先于绝缘子击穿，从图9(b)波形图中可知，雷击初期受雷电流影响，虽然各相线路上出现了短暂的雷击过电压情况，但随着灭弧装置的迅速动作，强气流纵吹作用于不仅作用在雷电冲击电弧上还处在“萌芽期”的工频电弧，加快了电弧能量的消散，空气间隙的绝缘强度很快恢复，整个过程既保护了绝缘子免于电弧灼烧又快速疏导并抑制了输电线路上的雷击过电压及后续的工频电流，等到约12 ms左右，三相过电压及波形畸变情况基本消失，再到16 ms时波形振荡情况也基本消失，三相电压已恢复至稳态状况。

图9 故障端三相暂态运行电压波形Figure 9 Three-phase transient operating voltage waveform at the fault end

仿真中借助傅里叶变换进一步分析故障端(这里以较为严重的故障相A相为代表来展开分析)在情况1、2条件下的基波和谐波幅值，得到的结果如图10、11所示。分析图10可知，由于雷电脉冲及后续工频续流能量未能得到及时消除抑制，引起的线路谐波次数高达100次，且谐波幅值大部分为基波幅值的30%～70%，如此高的谐波分量就是线路电压出现畸形震荡的主要原因；图11为情况2的运行结果，由于NALPG的快速动作，截断雷电弧的同时又及时抑制了后续的工频续流，只存在少量的2～12次谐波，且谐波平均幅值只有基波幅值的0.6%左右，由此可见，加装NALPG之后，输电线路的谐波分量确实得到了一定程度的遏制。

图10 不加装NALPG故障相A相谐波分析Figure 10 Harmonic Analysis of A fault phase without NALPG

图11 加装NALPG故障相A相谐波分析Figure 11 Harmonic analysis of A fault phase with NALPG

4 熄弧试验

众所周知，雷电脉冲冲击时间很短，雷击杆塔引发绝缘子闪络最可怕的不是雷电形成的短暂电弧，而是后续的工频续流，而前文仿真很好地验证了NALPG成功动作之后线路暂态运行情况良好，但其中最主要的关键还是NALPG的熄弧能力。因此，为了检验NALPG熄灭工频电弧的能力进一步验证其科学性，对装置进行工频熄弧试验。图12是设计的试验回路。具体试验步骤如下。

图12 工频电流试验回路Figure 12 power frequency current test loop

1)按试验回路图连接好电路，调节熔丝与高压电极之间的距离，打开高清摄像机准备对灭弧过程进行拍摄。

2)接通试验电源，打开示波器，工频电流流经熔丝以及测量电阻R1，记录R1的电压波形和NALPG触发脉冲波形，并在t=0 ms时合上手动开关K1，观察波形变化并记录灭弧时间。

高速摄像机拍摄的灭弧图像如图3所示，从t=0.01 ms开始，熔丝迅速熔断并快速形成光亮细长的弧光；0.5～1.0 ms时，此阶段明显看见电弧上端弧光光圈变大迹象，说明此时间段NALPG已发生动作产生高速气流并作用于电弧；2.5～3.0 ms时，电弧上端被完全切断并逐渐消失；3.5～4.0 ms时，电弧上端再无连续弧光，间隙部分绝缘明显恢复，并且没有出现电弧重燃的现象。示波器采集到的熄弧动作波形如图14所示，其中U1为测量电阻R1的电压，U2为NALPG动作的触发脉冲电压，示波器显示每格为5 ms。其中t=0 ms时，合上手动开关K1对应M点，开关合上后电弧形成并触发NALPG动作产生高速气流，气流纵吹作用于电弧，加速了带电粒子扩散和复合，最终电弧被截断，到达N点时，测得R1两端电压为0 V，即交流电弧已熄灭，且后续未见重燃现象。

图13 高速摄像机拍摄的电弧发展过程Figure 13 Arc development process shot by high speed camera

图14 示波器采集到的熄弧动作波形Figure 14 Arc-extinguishing waveform collected by oscilloscope

综上分析，装置的整个灭弧时间约4 ms，如此快速的熄弧时间才能为后续线路迅速恢复稳定运行提供可靠保障。

5 实际运行情况

合作单位的该条输电线路地处于喀斯特山区，属于雷害重灾区，并于2015年完成防雷改造，现场运行如图15所示。据合作单位反馈的运行数据可知，在安装NALPG之前，雷击跳闸率高达10次/100 km·雷电日，而安装NALPG之后未发生雷击跳闸事件，输电线路安全可靠性明显加强，实际运行结果也进一步印证了仿真和试验的科学性，证明NALPG运用于35 kV输电线路是可行的。