楊倩穎 王巨豐 李心如 王國鋒

(廣西大學電氣工程學院 南寧530004)

0 引言

雷電是電力系統(tǒng)的第一事故源。研究表明,我國220 kV 以上的超高壓輸電線路有40%～70%的事故都是雷擊跳閘導致的。雷擊輸電線路或雷擊桿塔會造成線路桿塔的絕緣子發(fā)生閃絡(luò)事故,工頻續(xù)流會沿閃絡(luò)通道流入接地端,這種現(xiàn)象會嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行。配網(wǎng)結(jié)構(gòu)錯綜復雜,其絕緣水平和耐雷水平與輸電網(wǎng)相比較低,易受直接雷擊和感應(yīng)雷擊的影響,其雷擊跳閘率及斷線率居高不下[1-3]。

雷擊事故成為電網(wǎng)供給需求側(cè)嚴重的安全問題,因此輸電線路對防雷有極高的要求。電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析指出,為保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行,發(fā)電機功角應(yīng)在遠小于90 °的基礎(chǔ)上運行,此種運行方式導致電網(wǎng)的輸運效率嚴重不足,而每一次雷擊閃絡(luò)都會使系統(tǒng)出現(xiàn)一次強擾動,影響電壓穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)大面積停電事故,造成的經(jīng)濟安全損失不可估量,因此防止雷擊跳閘成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重大課題[4]。

國內(nèi)外的研究學者在輸電線路防雷問題上已經(jīng)取得了一定的成果,并且已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于電網(wǎng)中,然而跳閘率沒有得到明顯改善,說明現(xiàn)有的防雷措施仍存在不足之處。本文將分析當前防雷面臨的難題以及現(xiàn)有防雷措施存在的問題,并在已有防雷技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出氣體滅弧防雷方法,為輸電線路防雷技術(shù)的發(fā)展提供新的思路。

1 復雜雷擊工況下的防護空白

1.1 多重雷擊引發(fā)跳閘

國際大電網(wǎng)委員會(CIGRE)2013 年報告表明,80%的地面落雷為多重雷,對地閃絡(luò)大部分為3～5次回擊,平均間隔時間為60 ms。文獻[5,6]在分析某地2006 -2008 年的27 次典型自然負地閃先導-回擊發(fā)展過程中發(fā)現(xiàn),約44%的地閃會發(fā)生多次回擊,最多回擊數(shù)高達13 次,大于10 次的回擊有4次。而基于2006 -2011 年對雷電的綜合觀測(包括自然觀測與人工測試)數(shù)據(jù)顯示這一概率為72%,回擊間隔主要分布在100 ms 以內(nèi),最大可達到500 ms。

大概率的多重雷擊和多次回擊條件下,耐雷水平與雷擊重復次數(shù)成反比,雷擊跳閘率與雷擊重復次數(shù)成正比。多重雷擊和多次回擊的熱量疊加、能量疊加、電流疊加、電壓疊加特性通過大概率引發(fā)絕緣閃絡(luò)跳閘而嚴重威脅電網(wǎng)安全,尤其在高土壤電阻率地區(qū),反擊跳閘事故經(jīng)常發(fā)生。而頻繁重合閘會導致斷路器頻繁切斷巨大工頻短路電流,造成觸頭燒蝕熔化,冷卻后焊死,發(fā)生后續(xù)雷擊斷路器拒動,引發(fā)爆炸,引起長時停電[7-8]。多重雷擊下的擊穿絕緣能力、引發(fā)長時停電能力、導致避雷器熱擊穿和爆炸形成硬短路的能力遠大于單脈沖雷擊,成為電力系統(tǒng)事故的“頭號殺手”[9]。然而前國家標準及行業(yè)標準并未涉及疊加性雷擊防雷保護設(shè)計,這也是造成目前的雷擊防護效果不明顯的重要因素之一,因此疊加性雷擊原理及危害性應(yīng)受到各界專家和學者的重視。

1.2 雷擊避雷線檔距中央引發(fā)閃絡(luò)

山區(qū)地理位置特殊,氣候環(huán)境復雜,雷電頻發(fā),其落雷密度要大于平原地區(qū),其中超高壓、特高壓輸電線路在山區(qū)峽谷所架設(shè)的桿塔高度較大、距離較長,導致雷擊事故嚴重。有資料顯示,我國110～220 kV 輸電線路雷擊事件中,超過50 %為繞擊事件。研究數(shù)據(jù)表示雷擊檔距中央的可能性大概只有10%,但是該位置導線與避雷線間隙被擊穿可能性最大,主要原因是雷擊避雷線檔距中央時,雷電負反射波通過接地端反射回來所需時長少于雷電波波峰時長,導線和避雷線間電壓值最大。因此當檔距過長,其負反射波越慢,反生閃絡(luò)事故的概率越大[10-12],且對于多重雷擊的情況,該峰值大幅提高,間隙擊穿成為全概率事件。

2 當前防雷方法及防雷能力

2.1 阻塞型防雷方法

“阻塞型”方法是以阻止絕緣子閃絡(luò)為目的,其基本原理是避免旁路絕緣子兩側(cè)出現(xiàn)雷電過電壓,實現(xiàn)方式為提高耐雷水平,當雷電強度在耐雷水平之下,能達到防護效果,主要方法如下文所述。

加強絕緣是通過添加絕緣子片數(shù)來加大其閃絡(luò)電壓,這種方式通常在大跨距高桿塔和耐張大轉(zhuǎn)角型桿塔上采用,但其效果仍然與雷電流幅值有關(guān)。降阻是為了降低雷擊反擊時在絕緣子桿塔側(cè)過電壓,但是桿塔接地電阻大多都會偏高,實際值嚴重小于理論值,難以滿足規(guī)程的現(xiàn)象[13],且昂貴的投資環(huán)節(jié)、較高概率的地網(wǎng)電阻損壞和維護,導致防雷成本大幅提升。

避雷線雖然能起到部分的保護作用,但是仍然存在缺陷,桿塔結(jié)構(gòu)、電壓等級、地形、地貌及風偏角等自然因素會使避雷線屏蔽范圍縮減,進而影響到其避雷作用的發(fā)揮,導線會失去避雷線的作用而發(fā)生繞擊[14]。

安裝線路避雷器,可以利用固體氧化物閥片的非線性特點來實現(xiàn)雷電疏導和工頻阻塞,但存在以下問題:疏導雷電流時產(chǎn)生的熱量需要及時排出,而內(nèi)部防潮必然要求密封性結(jié)構(gòu),又不利于散熱;加之工藝問題,使得避雷器爆炸事故成為大概率事件;當發(fā)生避雷器爆炸事故,原本的滅弧通道將轉(zhuǎn)為短路通道,構(gòu)成事故源,造成跳閘[15]。非線性電阻的時滯效應(yīng),使得多次回擊條件下殘壓疊加升高。閥片對散熱的要求,使得避雷器對沖擊電流密度的時間間隔至少為50～60 s,但疊加性雷擊脈沖的間隔遠遠小于該數(shù)值。

2.2 疏導型防雷方法

“疏導型”以普通并聯(lián)間隙為代表,在旁路絕緣子上下兩端并上一對金屬電極,當雷電產(chǎn)生過電壓時,空氣主間隙優(yōu)先擊穿,閃絡(luò)路徑被引致招弧角,避免絕緣子串閃絡(luò)或損毀。此外,并聯(lián)間隙還具有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝便利、性價比高等優(yōu)點,在輸電線路上已被大量使用。

普通并聯(lián)間隙為無熄弧能力,需要利用斷路器自動重合閘來切斷工頻電弧,導致雷擊跳閘事故頻發(fā),不利于電網(wǎng)安全可靠地供電。如計算機、電機群等特殊負荷重啟時間長,即便重合閘成功,也將造成損失,對這些負荷而言,重合閘成功的意義不存在。且電弧長時間的持續(xù)燃燒,造成電極燒蝕、電極長度變短和絕緣配合比改變的問題,導致在多次動作后裝置可靠性降低[16]。

2.3 滅弧防雷方法

滅弧防雷方法為當前國內(nèi)外面臨的防雷難題提供了新的科學原理及技術(shù)支持。該方法將沖擊疏導和工頻阻塞相結(jié)合,提出了“閃絡(luò)不建弧”模式,即利用滅弧裝置與絕緣子的絕緣配合保證絕緣子不閃絡(luò),閃絡(luò)路徑控制在裝置內(nèi)部,然后利用裝置自身的滅弧功能來滅弧,阻斷后續(xù)工頻電弧穩(wěn)定灼燒,從而杜絕了雷擊跳閘等相關(guān)事故的發(fā)生。但目前國內(nèi)外專家學者對滅弧防雷技術(shù)的研究并不多。

管式避雷器利用電弧烘烤裝置內(nèi)特殊材料使之汽化,利用短時間在封閉的空間內(nèi)膨脹產(chǎn)生的高壓氣體,達到滅弧的目的。但沖擊電弧本身持續(xù)時間極短,滅弧能量的產(chǎn)生更多是利用后續(xù)的工頻大電弧,線路上出現(xiàn)工頻故障電流。該思路本身不利于跳閘率的管控,且對安裝地點要求較高,過大的短路電流會導致避雷器爆炸,過小則可能沒法有效滅弧[17]。產(chǎn)氣材料的損耗使得其滅弧能力越來越弱,滅弧效果也具有隨機性、不穩(wěn)定性和不可控性。

磁吹避雷器利用電磁力拉長電弧,迫使其加速去游離,結(jié)合閥片電阻熄滅電弧。但其缺陷有:磁吹避雷器內(nèi)部仍然有非線性電阻閥片,因此也存在熱擊穿、熱累積效應(yīng);此外,磁吹避雷器需要非常先進的密封技術(shù)才能保證裝置具有出色的性能,目前的技術(shù)還達不到這一要求,因此設(shè)備經(jīng)過一段時間的運營后,難免出現(xiàn)受潮、退化的現(xiàn)象,帶來嚴重的隱患[18-19]。

Chino 等人[20]研發(fā)了一種招弧角,招弧角分為兩個電極,即接地電極和導線電線,并接于旁路絕緣子兩端,可避免雷擊引發(fā)閃絡(luò)。此外,用有機材料聚氯乙烯制成管道將接地電極一側(cè)包裹住,接地電極穿過管道,形成了熄弧部分。當雷擊事故發(fā)生時,電極間的電弧將觸發(fā)有機材料產(chǎn)生高速氣流熄滅電弧[20-21]。該裝置通常只能切斷幅值范圍為445～2000 A的故障電流,并且由于產(chǎn)氣材料是通過灼燒管道產(chǎn)生的,導致熄弧部分在經(jīng)過數(shù)次動作后出現(xiàn)腐蝕,裝置耐用性大大降低,這極大地限制了其在實踐中的推廣和使用。

3 氣體滅弧防雷方法

針對現(xiàn)有防雷能力不足的情況,繼續(xù)對滅弧防雷技術(shù)進行研究,發(fā)現(xiàn)如果能在工頻電弧尚未穩(wěn)定的發(fā)展初期熄弧,其熄弧難度將會大大降低。國內(nèi)廣西大學高壓實驗團隊[22]針對這個問題提出了氣體滅弧防雷方法,是一種“沖擊疏導-快速滅弧-工頻阻塞”組合的防雷新模式,可取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)單一防雷模式。在傳統(tǒng)并聯(lián)間隙中加入雷電本身激活截弧機制,實現(xiàn)在建弧初期便能徹底截斷電弧。該模式將滅弧防雷方法細分為3 個部分:“沖擊疏導”是指控制雷電沖擊電弧閃絡(luò),避免了旁路絕緣子受到?jīng)_擊電弧的燒蝕,使得雷擊過電壓趨于0;“快速滅弧”是指在雷電沖擊電弧階段就啟動滅弧環(huán)節(jié),實現(xiàn)在建弧過程的起點附近全概率中斷建弧過程,最終徹底消除工頻過電流;“工頻阻塞”通過快速置換介質(zhì)強度,達到阻斷工頻電弧和抑制重燃的目的。

基于上述理念,該團隊研發(fā)出兩種裝置:外能式固相氣體滅弧防雷間隙和內(nèi)能式壓縮氣體滅弧防雷間隙,下文將對兩項技術(shù)做具體介紹。

3.1 固相氣體滅弧防雷間隙

2010 年廣西大學高壓實驗室研制出固相氣體滅弧防雷間隙[23-24],是一種滅弧能量來源于滅弧氣丸的外能式滅弧防雷器。由于其能量巨大,因此適用于110 kV 及以上電壓等級較高輸電線路。裝置采用半封閉空間下全空氣介質(zhì),主設(shè)備通過金具與桿塔電極連接,設(shè)備滅弧筒通過空氣主間隙與石墨電極處在同一軸線上。雷擊產(chǎn)生時雷電脈沖傳至旁路絕緣子兩側(cè),防雷設(shè)備空氣主間隙優(yōu)先擊穿,疏導雷電能量并將雷電流引入大地,設(shè)備內(nèi)部通過電磁感應(yīng)定理同步觸發(fā)滅弧氣丸,利用電磁感應(yīng)觸發(fā)裝置內(nèi)部的滅弧氣丸,出現(xiàn)超壓高密度強氣流。如圖1所示,強烈的發(fā)光現(xiàn)象表示裝置已經(jīng)動作,電弧在高壓高速的氣流作用下,快速置換空氣介質(zhì),恢復間隙絕緣強度,促使電弧迅速地變細、變長、散熱、截斷、熄滅,滅弧起始點在沖擊電弧階段,將電弧發(fā)展扼殺在“搖籃”中。該裝置通過實驗測試可熄滅40 kA工頻電弧電流,電弧熄滅時長(約為0.3～0.4 ms)遠小于繼保動作時長(一般大于10 ms),爆炸沖擊波在滅弧筒內(nèi)傳播過程中其氣壓值遠大于大氣壓強,根據(jù)介質(zhì)恢復強度理論可知,空氣介質(zhì)恢復強度正比與壓強,反比于溫度[22-25]。據(jù)如上分析,介質(zhì)強度將快速恢復,使得電弧在工頻電壓下被有效抑制,具有抗重燃性,因此能夠可靠地阻止雷擊跳閘事故的發(fā)生。

圖1 裝置動作圖

氣體滅弧的殘壓是電弧壓降,受到弧柱電阻負阻特性的影響,在多重雷擊電流電壓疊加效應(yīng)下殘壓反而極低。滅弧能量在多次重復沖擊建弧過程中可多次被觸發(fā),利用引發(fā)閃絡(luò)的多重雷(毫秒級多重雷擊和微秒級多次回擊)的多個脈沖連續(xù)誘導激活多重強氣流,氣流壓力可高達50 MPa,工頻電弧在0.8 ms 內(nèi)便能被截斷,對空氣間隙中的單次雷擊或多次雷擊建弧過程實現(xiàn)早期強力干預,在建弧起點附近便能消滅工頻續(xù)流[26],有效抑制了多重雷擊下重復建弧過程。其防護示意圖如圖2 所示。

圖2 多重雷擊防護示意圖

裝置內(nèi)部還設(shè)有延時模塊,確保多重雷作用下多個雷電脈沖間隔時間較短的情況下,滅弧氣丸不會多次觸發(fā),單個氣丸的產(chǎn)氣強度便足夠消除多個電弧脈沖(裝置滅弧響應(yīng)時間為5 μs,工頻電弧峰值時間約為10 ms,爆炸氣流能量能持續(xù)約50 ms),可避免滅弧能量浪費。

固相氣體滅弧防雷性能如表1 表示。

表1 固相氣體滅弧防雷性能對比

固相氣體滅弧防雷間隙經(jīng)過多年不斷改進和升級換代,已有較為成熟的理論體系和標準的生產(chǎn)化流程,一系列產(chǎn)品已應(yīng)用于廣西南寧、新疆塔城、山東濟寧等地區(qū)110 kV～220 kV 輸電線路。用戶報告反饋及雷擊裝置動作時的雷電流監(jiān)測報告顯示,該裝置能有效防護巨大雷擊,并且對多次回擊下的疊加性雷擊均起到防護效果,避免安裝地的輸電線路受到雷害的影響,提升了安裝地區(qū)輸電線路抵御雷擊的綜合能力和整體實力。

3.2 壓縮氣體滅弧防雷間隙

2013 年廣西大學高壓團隊創(chuàng)新性地研制出壓縮氣體滅弧防雷間隙[27-28],是一種無需借助外力的自能式滅弧防雷器,適用于35 kV 及以下電壓等級較低的配電網(wǎng)和高鐵接觸網(wǎng)線路。

該裝置頭部裝有石墨電極,能吸引雷電弧,設(shè)備內(nèi)部含有由特殊材料組成的滅弧管道,管道的直徑和長度較短,并且管道按照一定的排列方式嵌套于設(shè)備中,每兩個管道之間會形成噴口,此噴口處不僅是產(chǎn)生滅弧能量源區(qū),也是電弧分段點[27-29]。當空氣間隙被擊穿后,電弧沿滅弧管道泄放雷電流,電弧在滅弧管道內(nèi)部被冷卻壓縮使得弧柱直徑減小,且沿軸向上直徑減小程度增大。如圖3 所示,根據(jù)電弧等離子體相關(guān)理論,當電弧變細后,弧柱的電流密度將會增大,由于電弧沿徑向的洛倫茲力和氣體壓力相平衡,導致通道電弧沿軸向形成壓力梯度。當管道電弧的溫度積累達一定值后,由于滅弧管道的絕熱性,使得電弧不會再進行對流、傳導、輻射散熱,管道內(nèi)與噴口處形成了溫度梯度。在溫升壓爆效應(yīng)作用下滅弧室內(nèi)產(chǎn)生高速沖擊氣體,被極度壓縮的電弧從相鄰管道噴口處噴出,造成電弧能量的分段,電弧能量快速喪失,如圖4 所示。并且電弧鏈式的多點射流導致了電弧能量的粉碎性截斷,有利于電弧的熄滅。

圖3 滅弧管道內(nèi)電弧的示意圖

圖4 相鄰管道氣流對沖示意圖

滅弧實驗采用2 kA 的工頻電流,熄弧時長約為0.3 ms,實驗過程中根據(jù)高速攝像機顯示,裝置動作后,電弧通過裝置內(nèi)部設(shè)定的路徑發(fā)展,電弧的建立發(fā)展過程與電弧的壓縮過程同步實現(xiàn),被壓縮的電弧最終向滅弧管道斷口噴出,從圖5 可以清楚地看到,電弧在經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)的滅弧通道后形成多個斷點,有火花四濺的現(xiàn)象。電弧逐步被弱化,最終實現(xiàn)滅弧,并且在工頻電壓下并未發(fā)生電弧重燃現(xiàn)象。

圖5 裝置動作圖

壓縮氣體滅弧防雷間隙不受耐雷水平、雷擊類型等因素制約,也無需考慮地網(wǎng)降阻的可行性,只需要保證地網(wǎng)完整性,即可消除高土壤率地區(qū)反擊帶來的危害。目前已應(yīng)用于廣西憑祥、梧州等地10 kV輸電線路和福建、云南風電場等35 kV 輸電線路,這些線路大多處于沿海強雷多雷地區(qū)、山區(qū)高土壤電阻率地區(qū)。根據(jù)用戶報告顯示,該技術(shù)防雷效果優(yōu)異,提升了配網(wǎng)抵御雷擊的綜合能力和整體實力。

壓縮氣體滅弧防雷性能如表2 所示。

表2 壓縮氣體滅弧防雷性能對比

4 氣體滅弧防雷方法的優(yōu)勢及不足

氣體滅弧防雷方法創(chuàng)新性地利用“沖擊疏導-快速滅弧-工頻阻塞”優(yōu)勢組合模式,實現(xiàn)對雷擊跳閘的有效管控,達到無過雷擊電壓和無工頻過電流的“雙無”目的?？梢詳[脫多重雷擊、地網(wǎng)電阻、大檔距中央繞擊等不可控因素的制約;填補了傳統(tǒng)防雷方法下防護效果受到雷擊強度、部位(輸電線、桿塔、避雷線)、方式(繞擊和反擊)、類型(單次雷擊和多重雷擊)、接地電阻等因素限制的能力缺陷;解決了由于防雷技術(shù)能力的缺陷與不足造成的防雷器自身及輸變用電設(shè)備的諸多安全性問題。

目前由于實驗條件、實驗方法、實驗經(jīng)費受限,該技術(shù)滅弧響應(yīng)時間、滅弧氣流速度無法達到高精度的測量,導致了可能與真實情況存在一定的誤差,還需進一步改進并將更多的環(huán)境因素融入到實驗過程中。目前已研制完成的一系列裝置適用范圍受到電壓等級的限制,適用于500 kV 及更高電壓等級的“固相-壓縮”、“固相-固相”等組合裝置已初步完成滅弧實驗(圖6),但還需做進一步的調(diào)試與研究。此外氣體主動滅弧是一種新型的防雷裝置,相對于傳統(tǒng)的防雷措施應(yīng)用率還不夠高,還需要進一步追蹤和觀察其性能的穩(wěn)定性。

圖6 500 kV 組合式滅弧實驗測試圖

5 結(jié)論

如今傳統(tǒng)的防雷方法在輸配電線路上雖然大量使用并對雷擊有一定的防護效果,但面臨著多重雷擊、高土壤率地區(qū)反擊和大峽谷繞擊等防雷空白,并受到雷擊方式、強度、類型和部位不可控性的影響,導致防雷效果也不可控。

氣體滅弧防雷方法在傳統(tǒng)防雷措施的基礎(chǔ)上提出了“沖擊疏導-快速滅弧-工頻阻塞”相結(jié)合的理念,是一種全新的防雷模式。其工作原理是在絕緣子旁路的雷擊過電壓形成電弧后快速熄滅電弧,阻止了后續(xù)的工頻續(xù)流,從而有效防護了工頻短路電流及雷擊跳閘對電力供給需求側(cè)的影響。通過科學原理的先進性、防雷裝置的安全性、運行效果的可控性3 個維度排除了防雷的難點、瓶頸和不可控因素影響。雖然現(xiàn)階段該技術(shù)仍存在一些問題亟待解決,但目前已有相對成熟的理論基礎(chǔ)而且該防雷裝置已在全國各地的防雷工程中逐步投入運行,并取得良好的效果,為今后的防雷研究工作提供了新的思路。隨著后繼研究的開展,該防雷方法將會更加成熟并在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。