王巨豐，徐宇恒

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)并聯(lián)間隙已經(jīng)進(jìn)行了較多研究。與傳統(tǒng)防雷方式相比，其優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了線路防雷效果與耐雷水平分開，將線路防雷措施從降阻、架設(shè)避雷線等“阻塞型”方法發(fā)展到了“疏導(dǎo)型”并聯(lián)間隙，利用空氣間隙本身的絕緣作用，使電弧自行熄滅[1]。文獻(xiàn)[2]通過(guò)大量試驗(yàn)證明了并聯(lián)間隙具有引弧、熄弧的作用，并對(duì)現(xiàn)有不同型號(hào)絕緣子串提供了比較合適的絕緣配合距離。雖然并聯(lián)間隙能夠有效牽引電弧，防止電弧灼燒絕緣子串，但是并聯(lián)間隙熄弧能力較弱，無(wú)法熄滅工頻電弧，需要配合自動(dòng)重合閘一起使用[3]。

工頻電弧是線路跳閘的主要原因，所以在并聯(lián)間隙兩側(cè)加裝滅弧裝置具有重大意義。在原有“疏導(dǎo)型”并聯(lián)間隙的基礎(chǔ)上加裝滅弧裝置組成“滅弧疏導(dǎo)型”并聯(lián)間隙，既可以有效牽引電弧保護(hù)絕緣子，又能在自動(dòng)重合閘裝置動(dòng)作前熄滅電弧，達(dá)到全面保護(hù)系統(tǒng)安全的目的。文獻(xiàn)[4]中提出了一種對(duì)吹式并聯(lián)間隙，在并聯(lián)間隙上下均設(shè)置一個(gè)陀螺形狀的噴氣裝置，當(dāng)電弧通過(guò)時(shí)就會(huì)灼燒裝置內(nèi)壁材料并產(chǎn)生氣體從噴嘴噴出。裝置所采用的喇叭形結(jié)構(gòu)和尖端噴口，增大了在噴口處的氣流壓力，電弧在噴口處被拉長(zhǎng)、冷卻，間隙介質(zhì)強(qiáng)度快速恢復(fù)，從而熄滅工頻電弧。文獻(xiàn)[5]中提出一種固態(tài)氣體滅弧防雷裝置，在并聯(lián)間隙兩側(cè)安裝產(chǎn)氣裝置，當(dāng)裝置中有電流流過(guò)時(shí)，裝置內(nèi)部產(chǎn)氣丸產(chǎn)生氣體作用到通道中的電弧，切斷電弧。文獻(xiàn)[6]基于Navier-Stokes方程對(duì)固態(tài)氣體滅弧的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行描述，通過(guò)對(duì)氣體作用到電弧時(shí)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及等離子體動(dòng)態(tài)平衡進(jìn)行分析，說(shuō)明了固態(tài)氣體滅弧的有效性。雖然現(xiàn)階段對(duì)“滅弧疏導(dǎo)型”并聯(lián)間隙的理論研究很充分，但是現(xiàn)有成果中缺少對(duì)“滅弧疏導(dǎo)型”并聯(lián)間隙的試驗(yàn)驗(yàn)證以及安裝標(biāo)準(zhǔn)。

文中對(duì)110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙進(jìn)行雷電沖擊放電試驗(yàn)來(lái)確定其50 %放電電壓，并與絕緣子串50 %放電電壓進(jìn)行比較，最后確定滅弧防雷間隙與不同型號(hào)絕緣子串的有效間隙距離。搭建工頻續(xù)流遮斷試驗(yàn)平臺(tái)，參考雷電沖擊放電試驗(yàn)得到的50 %放電電壓，在有效間隙距離內(nèi)對(duì)滅弧防雷間隙進(jìn)行工頻續(xù)流遮斷試驗(yàn)，驗(yàn)證其熄滅工頻續(xù)流和抑制重燃的有效性。

1 110 kV固態(tài)氣體滅弧裝置工作原理

110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙與絕緣子串并聯(lián)安裝，從上到下由固態(tài)氣體滅弧裝置、空氣間隙、固態(tài)氣體滅弧裝置構(gòu)成，如圖1所示。對(duì)于不同長(zhǎng)度的絕緣子串，可以通過(guò)改變裝置內(nèi)部電極的長(zhǎng)短來(lái)調(diào)節(jié)間隙距離。

圖1 110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙安裝示意圖

裝置主體長(zhǎng)L=360 mm，高D=40 mm，裝置一端設(shè)置了長(zhǎng)度H=150 mm的滅弧筒。裝置主體內(nèi)部包含有信號(hào)采集模塊、接地電極、產(chǎn)氣丸，以及內(nèi)部控制氣丸換位的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)間隙擊穿后信號(hào)采集到電流信號(hào)，就會(huì)觸發(fā)產(chǎn)氣丸噴射固態(tài)氣體。當(dāng)一個(gè)產(chǎn)氣丸被消耗以后，內(nèi)部轉(zhuǎn)盤自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)切換到另外一個(gè)產(chǎn)氣丸對(duì)準(zhǔn)管口，以確保下一次雷電沖擊到來(lái)能夠成功觸發(fā)。

圖2 固態(tài)氣體裝置結(jié)構(gòu)透視圖

固態(tài)氣體滅弧防雷間隙需要按照一定的絕緣配合比并聯(lián)安裝在絕緣子串兩側(cè)，通過(guò)不平衡絕緣的方式保證間隙的擊穿電壓小于絕緣子串的擊穿電壓[7]。間隙擊穿以后，信號(hào)采集裝置檢測(cè)到電流時(shí)就會(huì)激活滅弧通道中的產(chǎn)氣丸開始產(chǎn)氣。在氣體開始釋放的時(shí)刻正處于工頻建弧的早期，此時(shí)工頻續(xù)流電流幅值小，電弧能量弱，容易截?cái)郲8]。電弧被截?cái)嘁院?，在滅弧筒空間約束以及氣體壓力作用下，削弱了通道內(nèi)介質(zhì)的電離條件，間隙中的流注發(fā)展受到抑制，當(dāng)間隙介質(zhì)強(qiáng)度大于間隙恢復(fù)電壓時(shí)，電弧被強(qiáng)制熄滅。電弧被截?cái)嘁院筇幱诠艿纼?nèi)的殘余電弧以及帶電介質(zhì)在高速氣流的作用很快湮滅[9-10]，工頻電弧在第一次過(guò)零點(diǎn)熄滅，并且不會(huì)重燃[11]。

2 110 kV 固態(tài)氣體滅弧防雷間隙雷電沖擊放電試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

固態(tài)氣體滅弧防雷間隙與普通的并聯(lián)間隙相比在上下電極結(jié)構(gòu)上有了很大的變化，因此不能完全依據(jù)傳統(tǒng)并聯(lián)間隙的絕緣配合數(shù)據(jù)。試驗(yàn)參考傳統(tǒng)并聯(lián)間隙絕緣配合試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙進(jìn)行雷電沖擊放電試驗(yàn)，確定其安裝距離，為下一步的工頻續(xù)流遮斷試驗(yàn)提供依據(jù)。

試驗(yàn)使用7片U70BP/146絕緣子(總結(jié)構(gòu)高度1 022 mm)和FXBW-110/70-1復(fù)合絕緣子(結(jié)構(gòu)高度1 240 mm，絕緣部分長(zhǎng)度975 mm)。并聯(lián)間隙長(zhǎng)度依據(jù)規(guī)范DL/T 1293-2013[12]中所推薦絕緣配合比0.8～0.9，分別取值800、830、860、890、920 mm進(jìn)行試驗(yàn)。沖擊電壓試驗(yàn)回路如圖3所示，試驗(yàn)所使用的沖擊電壓發(fā)生器IG最高能產(chǎn)生標(biāo)稱電壓2 400 kV的1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，分壓器采用1658:1電容分壓器。

IG-沖擊電壓發(fā)生器；DIVMS-數(shù)字示波器；C-沖擊電壓發(fā)生器主電容；S1-沖擊點(diǎn)火球隙；Rt-波頭電阻；Rf-波尾電阻；C1、C2-電容分壓器；TO-試品；

依照GB/T 16927[13-14]中的試驗(yàn)方法對(duì)間隙進(jìn)行雷電沖擊放電試驗(yàn)。因?yàn)樽匀唤缰?0 %的雷電都是負(fù)極性，故采用負(fù)極性雷電沖擊(1.2/50 μs全波)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)波形如圖4所示。其中波前時(shí)間t1=1.33 μs，半波時(shí)間t2=50.31 μs，偏差范圍不超過(guò)30 %，符合GB/T 16927和IEC 60060中對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)雷電波的誤差要求。

“我們景區(qū)內(nèi)的43輛接駁小火車都已全部投入了營(yíng)運(yùn)，幾乎一刻都沒(méi)休息?！敝猩搅昃皡^(qū)工作人員告訴揚(yáng)子晚報(bào)記者，昨天景區(qū)內(nèi)所有的小火車都在不停地運(yùn)客，但盡管這樣，熱門站點(diǎn)的接駁火車排隊(duì)時(shí)間每班還得等上半小時(shí)。

圖4 雷電沖擊波形

試驗(yàn)按照GB/T 16927附錄A中的升降法進(jìn)行，即對(duì)間隙進(jìn)行30次有效放電試驗(yàn)，出現(xiàn)15次左右的擊穿。30次擊穿電壓的平均值即間隙的50 %放電電壓，試驗(yàn)電壓升降圖如圖5所示。

圖5 890 mm間隙沖擊電壓升降曲線圖

試驗(yàn)從間隙擊穿電壓附近開始試驗(yàn)，并以每次2 %的比例逐步加壓，在接近間隙擊穿電壓時(shí)進(jìn)行升降試驗(yàn)。每次試驗(yàn)以后對(duì)間隙進(jìn)行1 min左右的空氣對(duì)流，排除對(duì)下一次試驗(yàn)的影響，以此得到更加準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[15]。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

雷電沖擊50 %放電電壓的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中,U50 %為50 %放電電壓；Ui為第i次間隙擊穿所施加的雷電沖擊電壓；n為試驗(yàn)次數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

試驗(yàn)結(jié)果見表1，由表1可看出標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3 %，在試驗(yàn)允許誤差范圍以內(nèi)。

表1 110 kV絕緣子串以及滅弧間隙50 %放電電壓

由于沖擊電壓的時(shí)延性以及并聯(lián)間隙中離子的分散性，導(dǎo)致在同一幅值電壓下間隙存在擊穿概率P，對(duì)擊穿電壓進(jìn)行正態(tài)分布就可以得到間隙的擊穿電壓概率分布。對(duì)比絕緣子串的最大耐受概率和并聯(lián)間隙的最大擊穿概率，就可以得到間隙的最佳保護(hù)范圍。

正態(tài)分布概率密度函數(shù)：

(3)

當(dāng)絕緣子串耐受概率99.85 %的電壓大于間隙擊穿概率99.85 %的電壓，可認(rèn)為在此電壓幅值下，并聯(lián)間隙能完全保護(hù)絕緣子。即

Uj0=Uj50-3σj50

(4)

Ub100=Ub50-3σb50

(5)

Uj100>Ub100

(6)

式中,Uj0為絕緣子串耐受概率99.85 %的電壓；Uj50為絕緣子串50 %放電電壓；σj50為絕緣子串50 %放電電壓標(biāo)準(zhǔn)差；Ub100為并聯(lián)間隙擊穿概率99.85 %的電壓；Ub50為并聯(lián)間隙50 %放電電壓；σb50為并聯(lián)間隙50 %放電電壓標(biāo)準(zhǔn)差[16-17]。

由試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)以及并聯(lián)間隙保護(hù)概率特性可以得出不同長(zhǎng)度間隙對(duì)絕緣子串的保護(hù)情況見表2，從表中可以看出，920 mm間隙無(wú)法完全保護(hù)玻璃絕緣子串和復(fù)合絕緣子串。

表2 110 kV并聯(lián)間隙保護(hù)結(jié)果

雷電沖擊放電試驗(yàn)結(jié)果表明：間隙需要控制在800～890 mm才完全保護(hù)絕緣子，考慮到裝置運(yùn)行的極端環(huán)境，在工頻續(xù)流遮斷試驗(yàn)中應(yīng)該采用890 mm間隙進(jìn)行試驗(yàn)。

3 110 kV 固態(tài)氣體滅弧防雷間隙工頻續(xù)流遮斷試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

確定間隙的有效保護(hù)距離后，為驗(yàn)證110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙能否在線路正常運(yùn)行工況下可靠切斷工頻續(xù)流，需采用沖擊-工頻聯(lián)合加壓試驗(yàn)，來(lái)測(cè)試裝置滅弧能力[18]。

將裝置并聯(lián)安裝于110 kV絕緣子串兩端，調(diào)整間隙距離至890 mm。先在并聯(lián)間隙兩端施加最大相電壓73 kV的工頻電壓，待工頻電壓穩(wěn)定以后通過(guò)控制回路在工頻90°和270°施加正極性、幅值超過(guò)568.4 kV的雷電沖擊電壓。使用高速攝像機(jī)拍攝間隙噴射氣流與電弧的耦合過(guò)程，并使用示波器記錄間隙兩端電壓和電流的波形。

試驗(yàn)回路如圖6所示，實(shí)驗(yàn)回路中包括沖擊電源回路IG、工頻電源回路TT、保護(hù)回路以及控制回路。TT：800 kV/1 600 kVA工頻試驗(yàn)變壓器能產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的電壓波形，Rp：保護(hù)電阻，防止間隙擊穿所產(chǎn)生的電壓截波對(duì)工頻試驗(yàn)變壓器繞組的損傷，同時(shí)也有限制過(guò)電流的作用。MOA2：復(fù)合外套無(wú)間隙金屬氧化物避雷器，主要是限制沖擊電壓，保護(hù)工頻試驗(yàn)變壓器。C5：電容器，防止重燃過(guò)電壓入侵到工頻試驗(yàn)變壓器。L：限流電感，限制沖擊電流。C1、C2：電容分壓器，用來(lái)采集間隙的電壓波形。CT：電流互感器，用來(lái)采集電流波形。S：保護(hù)球隙，防止工頻電壓入侵沖擊電壓發(fā)生器。MOA1：復(fù)合外套無(wú)間隙金屬氧化物避雷器，限制工頻電壓。IG：2400 kV/260 kJ沖擊電壓發(fā)生器，能產(chǎn)生試驗(yàn)所需要的雷電沖擊電壓。

圖6 續(xù)流切斷試驗(yàn)回路示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7是使用高速攝像機(jī)所拍攝的工頻90°時(shí)施加沖擊電壓的滅弧過(guò)程，試驗(yàn)采用IDT MotionPro Y4高速攝像機(jī)拍攝，拍攝幀率4 000幀/秒。從圖7中可以看出，在1.00 ms時(shí)間隙已經(jīng)完全擊穿，這時(shí)可以看到高壓側(cè)的氣丸已經(jīng)觸發(fā)，并產(chǎn)生明顯噴焰，低壓側(cè)氣丸還未觸發(fā)。這是由于高壓側(cè)流注發(fā)展早于低壓側(cè)，所以高壓側(cè)氣丸先于低壓側(cè)氣丸達(dá)到觸發(fā)閾值。在2.00 ms時(shí)可以看到高低壓側(cè)氣丸明顯噴焰，表明在此時(shí)滅弧通道內(nèi)已經(jīng)形成了氣體絕緣區(qū)域，電弧能量不斷耗散，流注難以維持，間隙中介質(zhì)強(qiáng)度快速恢復(fù)，電弧開始熄滅。在3.00 ms時(shí)只能看到氣丸燃燒火焰以及少量電弧的余輝。在4.00 ms時(shí)間隙中幾乎看不到弧光，表明此時(shí)工頻續(xù)流完全被切斷，電弧被成功熄滅。

0.25 ms

從圖8中可以看出在間隙兩端施加工頻電壓，待工頻穩(wěn)定以后，通過(guò)控制回路在工頻半波正極性峰值(90°)時(shí)對(duì)間隙施加幅值大于568.4 kV沖擊電壓將間隙擊穿，此時(shí)CH1通道中可以看到電壓突然降到一個(gè)較低水平，極性與工頻電壓極性相同，持續(xù)約2.50 ms，這是因?yàn)楫?dāng)工頻續(xù)流產(chǎn)生時(shí)，電弧本身存在弧柱電阻，因此會(huì)產(chǎn)生一定的弧柱電壓。工頻續(xù)流熄滅以后，間隙兩端經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的電壓恢復(fù)階段，在4 ms時(shí)間隙兩端的電壓恢復(fù)到正常工頻電壓幅值。電壓恢復(fù)后的一個(gè)工頻周期內(nèi)，工頻電壓幅值和頻率雖略有擾動(dòng)，但并未超出額定范圍，符合規(guī)范對(duì)工頻續(xù)流遮斷試驗(yàn)的要求。在CH2通道中可以看到，間隙產(chǎn)生約2.50 ms的工頻續(xù)流，在2.00 ms時(shí)達(dá)到峰值，約為2.3 kA，隨后電流迅速降低，工頻續(xù)流在過(guò)零點(diǎn)熄滅并沒(méi)有重燃。

圖8 90°工頻續(xù)流遮斷波形

從圖9中可以看出在工頻半波負(fù)極性峰值(270°)施加同樣幅值的沖擊電壓，在CH1中可以看到，間隙兩端的電壓也會(huì)迅速降低到一個(gè)較低的值，極性與工頻電壓極性相同，待間隙工頻電流熄滅以后開始緩慢回升，在3.50 ms時(shí)恢復(fù)到正常工頻電壓。在CH2中可以看到，工頻續(xù)流在1.0 ms時(shí)上升到峰值，約為2.1 kA，在2.0 ms時(shí)下降到0。

圖9 270°工頻續(xù)流遮斷波形

從兩次試驗(yàn)對(duì)比中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷電沖擊極性與工頻電壓極性相同，所測(cè)得的電流幅值略高于極性相異的幅值。原因是沖擊電壓和工頻電壓極性相同時(shí)，在工頻續(xù)流重燃的過(guò)程中弧柱電阻要低于極性相異時(shí)的弧柱電阻，因此在相同電壓幅值的下，產(chǎn)生的工頻續(xù)流幅值也會(huì)更高。從兩次試驗(yàn)中還可以看出工頻續(xù)流階段沒(méi)有測(cè)到穩(wěn)定的孤柱電壓，這是由于裝置內(nèi)產(chǎn)氣丸啟動(dòng)速度很快，在電弧發(fā)展的初期就已經(jīng)形成了滅弧氣流。在滅弧氣流與工頻電弧耦合的過(guò)程中，間隙中的流柱發(fā)展無(wú)法穩(wěn)定維持，因此在氣丸觸發(fā)以后間隙兩端很難形成穩(wěn)定的弧柱電壓。

工頻續(xù)流遮斷試驗(yàn)結(jié)果表明：固態(tài)氣體滅弧防雷間隙能夠在4.0 ms內(nèi)切斷最大幅值為2.3 kA的工頻續(xù)流，且不會(huì)發(fā)生重燃。

4 結(jié)論

① 根據(jù)雷電沖擊放電試驗(yàn)結(jié)果可以看出，安裝距離控制在800～890 mm之間時(shí)，110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙雷電沖擊放電電壓約為519.8～568.4 kV，既能提供安裝裕度，也能完全保護(hù)絕緣子串，為裝置的實(shí)際安裝提供依據(jù)。

② 根據(jù)工頻續(xù)流遮斷試驗(yàn)結(jié)果可以看出，110 kV固態(tài)氣體滅弧防雷間隙能在4.0 ms內(nèi)熄滅最大峰值為2.3 kA的工頻續(xù)流，并且不會(huì)發(fā)生電弧重燃。表明裝置可以在自動(dòng)重合閘動(dòng)作前熄滅工頻電弧，確保線路雷擊時(shí)不會(huì)跳閘，也為固態(tài)氣體滅弧防雷間隙后期的實(shí)際應(yīng)用以及規(guī)范編制提供試驗(yàn)依據(jù)。