唐佳雄，王巨豐，徐宇恒，張清河，王國鋒，龐志毅

(廣西大學 電氣工程學院， 南寧 530004)

0 引 言

雷電具有強大的破壞力，經常給現代社會造成巨大的經濟損失和人員傷亡[1]。南方電網線路運行統(tǒng)計報告指出：南方電網中由雷擊所引起的跳閘次數占電網總跳閘次數的40%～70%，尤其對于在多雷、強雷、土壤電阻率高等地區(qū)，由雷擊造成的線路跳閘率更高[2]。

輸電線路防雷措施主要分為“阻塞式”和“疏導式”防雷方法。其中“阻塞型”防雷方法核心思想是防止線路發(fā)生絕緣閃絡，其手段主要包括架設避雷線、降低桿塔接地電阻、加強絕緣、加裝耦合地線、安裝避雷器等措施[3]。但是多年的實際運行經驗表明，阻塞型防雷方法受雷擊類型(繞擊或反擊)、雷擊方式(單次雷擊或多重雷擊)、雷擊強度(強雷或弱雷)、地理條件(平原或山區(qū))等多種不可控因素影響[4]。因此，由雷擊引起的線路跳閘率仍然居高不下。

“疏導型”防雷方法的思想則是允許線路發(fā)生絕緣閃絡，然后通過并聯間隙準確定位電弧閃絡點，并迅速轉移工頻電弧至上下電極穩(wěn)定的燃燒，最后依靠自動重合閘的動作配合將工頻電弧熄滅[5]。但是并聯間隙不具備主動滅弧功能，所以并聯間隙觸頭被電弧多次燒蝕后，會造成并聯間隙與絕緣子串的絕緣配合失靈，導致線路跳閘次數增多，是一種“犧牲跳閘率換取故障率”的技術方式[6]。

為了突破現有的疏導型和阻塞型防雷方法所存在的瓶頸，本文基于“疏導式”防雷基礎上研發(fā)了一種能夠主動、快速地熄滅工頻電弧的爆炸氣流滅弧防雷裝置[7]。該裝置利用工頻電弧建弧過程滯后于雷擊閃絡電弧的物理特性，通過在絕緣子串旁路并行安裝爆炸氣流滅弧防雷裝置。當雷電過電壓擊穿滅弧防雷裝置與高壓電極間的空氣間隙時，裝置內的信號采集器收到雷電脈沖信號并同步觸發(fā)滅弧氣丸，氣丸爆炸立刻產生高速、高壓的噴射氣流，高速氣流能完全作用于工頻電弧初期建弧階段，并在繼電保護裝置響應動作之前完全熄滅電弧，從而避免線路斷線、停電等事故的發(fā)生[8]。

1 爆炸氣流滅弧防雷裝置原理

爆炸氣流滅弧防雷裝置主體安裝結構如圖1所示。

圖1 爆炸氣流滅弧裝置安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation of explosive air flow arc extinguishing device

裝置主體安裝在桿塔橫擔上，同時高壓電極通過必要的夾具固定在導線上；同時滅弧裝置的滅弧筒必須與高壓電極保持對齊，并調整兩者之間的空氣距離保持在絕緣子串長度的80 %～90 %范圍內，通過絕緣配合確保雷擊線路時，電弧優(yōu)先在滅弧防雷裝置側閃絡。

爆炸氣流滅弧防雷裝置主要包括：滅弧筒、儲彈倉、滅弧氣丸、信號采集器。裝置具體的工作原理：當線路正常工作時，裝置與高壓電極間的電位差并未達到擊穿空氣間隙的電壓閥值，所以裝置并不影響線路的正常運行，裝置不動作；當線路遭受雷擊后產生過電壓時，線路上的雷擊過電壓沿著導線傳遞到裝置，通過絕緣配合優(yōu)先將裝置與高壓電極間的空氣間隙擊穿形成閃絡電弧。此時裝置內部的信號采集器同步采集到電流脈沖信號并觸發(fā)滅弧氣丸發(fā)生爆炸，爆炸產生的大量高速、高壓的電負性氣體沿著半封閉結構的滅弧筒軸向運動，從而能夠使這股高壓、高速的噴射氣流能量完全的作用于電弧，加速電弧等離子體的熱傳導、熱輻射和熱對流過程。高速強氣流不斷與電弧中的帶電粒子發(fā)生耦合，迫使電弧的微觀粒子沿著滅弧筒出口方向擴散到四周空氣中。同時有大量的低溫空氣絕緣介質不斷的輸送到電弧弧柱中，加速了電弧的熱量散失。并且電弧散失的能量遠遠大于電弧補給的能量，電弧介質的溫度迅速降低。同時電弧在爆炸沖擊波作用的瞬間被“炸斷”成若干段小電弧，電弧的幾何形態(tài)也發(fā)生劇烈變化，由此破壞了電弧的連續(xù)性，加快了空氣介質的絕緣強度的恢復過程。在高速氣流能量對電弧能量的持續(xù)壓制作用下，電弧最終在繼保動作前熄滅。同時氣流已經破壞了工頻電弧能量補給通道，能夠完全防止空氣間隙再次擊穿和電弧重燃。

2 爆炸氣流滅弧防雷裝置雷電沖擊試驗

2.1 試驗準備

文中所進行的雷電沖擊實驗包括雷電沖擊電壓放電試驗和雷電沖擊伏秒特性試驗。試驗中試品與高壓電極之間的空氣主間隙距離設置為Z=890 mm，試驗中采用的絕緣子型號為 FZSW復合支柱絕緣子，絕緣子的絕緣距離為Z0=1 085 mm，Z/Z0=0.82，符合DL/T 1293-2013《交流架空輸電線路絕緣子并聯間隙使用導則》中Z/Z0為0.8～0.9的規(guī)定[9]。

沖擊電壓試驗回路主要由沖擊發(fā)生器IG、試品TO(爆炸氣流滅弧防雷裝置)和沖擊電壓測量系統(tǒng)IVMS三個部分組成。圖2中：IG-沖擊發(fā)生器；C-沖擊發(fā)生器主電容；SG-點火球隙；Rf-波頭電阻；Rt-波尾電阻；TO-試品；C1/C2-分壓器電容；R-阻尼電阻；AS-采集裝置；IVMS-沖擊電壓測量系統(tǒng)。沖擊電壓試驗回路主要參數為：沖擊發(fā)生器IG為3 000 kV/675 kJ，沖擊發(fā)生器主電容C為0.15 μF，波頭電阻Rf為400 Ω，波尾電阻Rt為1 440 Ω。

圖2 沖擊電壓試驗回路圖Fig.2 Impulse voltage test diagram

2.2 試驗結果及分析

沖擊放電電壓試驗根據GBT 16927.1-2011中的試驗要求所進行[10]。文中的放電試驗采用升降法測量裝置的50%放電電壓，放電次數為30次。試驗中沖擊電壓發(fā)生器對滅弧裝置輸出1.2/50 μs的正極性雷電沖擊電壓。并根據試驗結果繪制的試驗升降曲線如圖3所示，其中正方形代表間隙擊穿放電，星型代表間隙未擊穿放電。根據升降曲線圖所測得的30次試驗數據，可得出其放電電壓U50%平均值為539.0 kV，并根據給定的大氣修正因數Kt=0.948，計算可得校正后的放電電壓U50%平均值為568.6 kV，其值小于給定的試驗要求放電壓730 kV。

圖3 雷電沖擊放電電壓升降曲線圖Fig.3 Elevation curve of lightning impulse discharge voltage

另外測試了爆炸氣流滅弧防雷裝置的沖擊伏秒特性。由于雷電沖擊電壓持續(xù)時間短，放電時間具有分散性，所以每級電壓下會有一系列放電時間，同級的沖擊電壓在同一空氣間隙距離下擊穿空氣的時間不完全一樣。試驗中對爆炸氣流滅弧防雷裝置施加了波形為1.2/50 μs 的正極性沖擊電壓，所測得的伏秒特性試驗數據如表 1 所示。并繪制出校正后的放電電壓和絕緣子的雷電沖擊伏秒特性曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出：滅弧防雷裝置的伏秒特性曲線在絕緣子的下方。并且滅弧防雷裝置的伏秒特性曲線符合DL/T 815-2012[11]所規(guī)定的比絕緣子的伏秒特性曲線低于15 %的要求。所以當發(fā)生雷擊時滅弧防雷裝置能夠優(yōu)先于絕緣子串被擊穿，從而能夠防止絕緣子發(fā)生閃絡。

表1 雷電沖擊伏秒特性Tab.1 Characteristics of lightning shock volts

圖4 雷電沖擊伏秒特性曲線Fig.4 Characteristic curve of lightning shock volt-second

3 裝置響應觸發(fā)時間測試試驗

爆炸氣流滅弧防雷裝置響應觸發(fā)時間定義為：信號采集器采集到雷電脈沖前沿信號所需要的時間(記為t1)，然后信號采集器觸發(fā)滅弧氣丸產生足夠高速氣流所需的時間(記為t2)。兩者時間之和t=t1+t2即為觸發(fā)響應時間。觸發(fā)響應時間t對于滅弧時間快慢具有極其重要的意義，因為滅弧氣丸響應時間越快，產生高速噴射氣流的速度的峰值時間也就越短，電弧發(fā)展成大電弧、穩(wěn)定的電弧的可能性越小，那么高速氣流熄滅電弧的時間越短。為了得到裝置的響應觸發(fā)時間，在試驗室內搭建了響應時間測試回路。試驗中采用沖擊電壓發(fā)生器模擬雷電脈沖，試驗回路圖如圖5所示。圖5中：ICG是沖擊電壓發(fā)生器；R1是限流電阻；R2、R3是測量電阻；K1、K2是開關；SAD是信號采集器；GP是滅弧氣丸；DSO是數字示波器；DC是直流電源。

圖5 觸發(fā)響應時間測試回路圖Fig.5 Trigger response time test loop diagram

3.1 試驗步驟

首先對沖擊電壓發(fā)生器ICG設定預置參數；然后閉合開關K1和K2；手動按下沖擊發(fā)生器的充電按鈕，待充電完畢后，再點擊觸發(fā)按鈕，沖擊電壓發(fā)生器輸出1.2/50 μs的雷電沖擊脈沖；信號采集器SAD接收到雷電脈沖后同步觸發(fā)滅弧氣丸GP，由于氣丸上纏有一定數量的導線，當氣丸發(fā)生觸發(fā)動作后，導線在沖擊波的作用下被沖斷，R3兩端的電壓迅速降低為0。示波器DSO采集到爆炸氣流滅弧裝置動作時電阻R2兩端的觸發(fā)脈沖電壓波形和電阻R3兩端的電壓波形。

3.2 試驗結果及分析

圖6為測試回路中R2和R3兩端的電壓波形圖。CH1為R3兩端的觸發(fā)脈沖電壓波形，CH2為電池回路中電阻R2兩端的電壓波形。如圖6所示：雷電沖擊電壓脈沖信號CH2在零時刻同步觸發(fā)滅弧氣丸，R3兩端的電壓(CH1)在200 μs后從電源電壓20 V降低至0，即說明爆炸氣流滅弧防雷裝置的響應觸發(fā)時間為200 μs，此時電弧尚處于早期發(fā)展階段，電弧能量極其脆弱，氣流很容易將其熄滅。并且根據圖6(a)和圖6(b)對比發(fā)現：滅弧氣丸的響應時間隨著雷電沖擊脈沖電壓幅值的增大而縮短，這對于熄滅高幅值電弧是極為有利的。

圖6 測試回路電壓波形圖Fig.6 Voltage waveform of test loop

4 工頻大電流滅弧試驗

4.1 試驗準備及步驟

為了進一步驗證爆炸氣流滅弧防雷裝置實際的滅弧效果，本課題組在西安高壓電器研究院進行了工頻大電流滅弧試驗，試驗回路圖如圖7所示。圖7中：G是短路發(fā)電機；GB是保護開關；MS是合閘開關；L是調節(jié)電抗；MB是操作開關；T是變壓器；U是電壓測量；I是電流測量；TO是試品。

圖7 工頻大電流滅弧試驗回路圖Fig.7 Power frequency high current arc extinguishing test circuit diagram

為了測量滅弧裝置對1 kA工頻大電流的滅弧效果，需要在試驗回路在接入試品TO前，對試驗電源回路參數進行整定。表2為試驗前提供的理想電源回路參數試驗參數，如表2所示。試驗人員根據表2提供的參數對試驗回路進行調試，為了盡力減小試驗過程中可能產生的誤差，需要盡量將試驗回路參數調整至理想參數。預先調試的波形如圖8所示。

表2 試驗電源回路參數Tab.2 Test power parameters

圖8 預先調試的1 kA電流波形Fig.8 Pre-debug 1 kA current waveform

試驗回路中的參數調整完畢后，再接入試品TO。同時將試品TO與 A、B相試驗回路相連，并用直徑大約為0.01 mm的金屬線將試品間隙短接，然后閉合開關GB、MS和MB，短路發(fā)電機經變壓器輸出1 kA的工頻大電流，此時爆炸氣流滅弧裝置的信號采集到電流脈沖信號同步觸發(fā)爆轟彈丸動作產生高速氣流熄滅電弧。

總結什么是循環(huán)，在何種情況下使用循環(huán)結構以及循環(huán)結構的組成，循環(huán)的執(zhí)行過程，具體實現循環(huán)代碼編寫需繼續(xù)學習三種循環(huán)語句。

4.2 試驗結果及分析

在爆炸氣流滅弧防雷裝置流過工頻電流后，由電流測量系統(tǒng)采集到熄滅工頻電流的波形，如圖9所示。從圖9中可以看出：滅弧防雷裝置僅在7.5 ms內將幅值為1 kA的工頻電流在交流過零點時熄滅，并且電弧并未發(fā)生重燃。

圖9 1 kA工頻電流熄滅波形Fig.9 1 kA power frequency current extinguishing waveform

圖10為爆炸氣流滅弧防雷裝置熄滅電弧的整個過程。從圖10(a)和圖10(b)可以看出：當短路發(fā)電機輸出工頻電流后，裝置與高壓電極間的空氣主間隙瞬間擊穿形成電弧，同時雷電脈沖信號同步觸發(fā)滅弧氣丸，滅弧氣丸瞬間釋放出高速沖擊氣流，氣流與電弧在滅弧筒內發(fā)生耦合，大量電弧被氣流噴射出滅弧筒外；從圖10(c)～圖10(e)可以看出：電弧在強氣流的干擾下，電弧的暫態(tài)初期建弧過程受到了強烈抑制。并且滅弧氣丸產生的爆炸能量遠遠高于電弧維持其本身燃燒的能量。電弧能量的補給速度遠低于強氣流產生的速度。電弧被氣流極度拉長，電弧通道已經出現斷口，工頻能量無法及時向電弧提供能量。電弧斷口介質自由行程被氣流強力壓縮，加速弧柱中的正負離子復合，電弧能量已經被極大的衰減；圖10(f)可以看出：電弧已經完全熄滅，間隙的介質強度得以迅速恢復，確保電弧不會重燃。

圖10 電弧熄滅全過程Fig.10 The whole arc extinguishing process

5 爆炸氣流滅弧防雷裝置實際應用

廣西某沿海地區(qū)的某條110 kV輸電線路所處路徑雷電活動頻繁，年雷暴日平均達120天，且雷電由海面登陸而來，具有能量高、電場強度大等特點，該條線路雷擊跳閘率和事故率居高不下。據當地電力部門統(tǒng)計，2014年該條線路附近落雷550次，已經嚴重威脅電網、企業(yè)的安全運行和人民的生命財產安全。

2016年初在該條線路安裝爆炸氣流滅弧防雷裝置后，如圖11所示。經過了夏季雷季多發(fā)季節(jié)的考驗，根據運行數據顯示：該裝置已經成功動作了四次，有效的防護了多重雷擊和巨大雷擊，避免了線路跳閘和斷線的事故發(fā)生。

圖11 現場運行圖Fig.11 Field operalion diagram

爆炸氣流滅弧防雷裝置突破了傳統(tǒng)防雷理念的桎梏，大幅度的降低了線路的事故率和跳閘率。通過實際運行驗證了其性能優(yōu)異、防雷效果突出，是一種能夠解決困擾電網防雷難題的新方法。

6 結束語

(1)爆炸氣流滅弧防雷裝置是通過雷電脈沖信號觸發(fā)滅弧氣丸，以產生強氣流在繼電保護響應動作之前就將電弧熄滅。并且在高速氣流的持續(xù)破壞作用下可以阻斷電弧重燃通道，完全防止電弧重燃;

(2)通過對爆炸氣流滅弧防雷裝置進行的雷擊沖擊試驗發(fā)現：該裝置的平均放電電壓U50%為568.6 kV滿足試驗要求；滅弧防雷裝置的伏秒特性曲線滿足低于絕緣子的伏秒特性的15%的試驗要求;

(3)通過測試裝置的觸發(fā)響應試驗發(fā)現：信號采集器采集到雷電脈沖信號到觸發(fā)滅弧氣丸用時僅為200 μs。并且氣丸的響應時間隨著雷電脈沖幅值的增大而縮短;

(4)通過對爆炸氣流滅弧防雷裝置的工頻大電流滅弧試驗中發(fā)現：裝置可以在將1 kA的工頻大電弧電流在7.5 ms內熄滅，并且電弧并未發(fā)生重燃;

(5)通過對爆炸氣流滅弧防雷裝置的實際運行數據可以發(fā)現：該裝置運行狀況良好，已經成功防護了多重雷擊和巨大雷擊，滅弧性能優(yōu)異，能夠大幅度降低雷擊跳閘率和事故率。