劉其良，邵攀屹

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

沖擊電弧自截?cái)鄼C(jī)理及對(duì)建弧率影響

劉其良，邵攀屹

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

為了解決架空輸電線路雷電防護(hù)的問(wèn)題，研究了一種沖擊電弧自截?cái)嗟姆览妆Ｗo(hù)方法。這種方法是通過(guò)絕緣配合將雷電流引入到防雷保護(hù)間隙中發(fā)生沖擊閃絡(luò)，利用雷電流產(chǎn)生的感應(yīng)電流同步觸發(fā)沖擊氣流發(fā)生器產(chǎn)生高速縱吹氣流熄滅電弧，實(shí)現(xiàn)沖擊電弧自截?cái)?。從電弧能量平衡的角度分析了沖擊電弧自截?cái)嘣?。進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬雷擊的試驗(yàn)對(duì)滅弧的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表面沖擊電弧自截?cái)嗟姆览妆Ｗo(hù)裝置能夠快速有效熄滅電弧，滅弧時(shí)間為3.8ms，大幅降低了建弧率，使得沖擊閃絡(luò)幾乎無(wú)法轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧。

沖擊電弧；自截?cái)啵焕纂娏?；建弧?/p>

1 引言

我國(guó)能源分布與需求的不平衡導(dǎo)致我國(guó)需要加大力度發(fā)展遠(yuǎn)距離輸電，把電網(wǎng)作為優(yōu)化資源配置的主要力量。我國(guó)幅員遼闊，輸電線路縱橫萬(wàn)里，經(jīng)常出現(xiàn)遭受雷擊的危險(xiǎn)，直接威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因雷擊線路導(dǎo)致的跳閘事故占電網(wǎng)總事故的60%以上[1-4]，如何降低甚至避免輸電線路中的雷擊危害已經(jīng)成為了電網(wǎng)日益關(guān)注的焦點(diǎn)。

經(jīng)典的防雷方法通常是采取各種措施提高線路的耐雷水平來(lái)降低線路的雷擊跳閘率，然而這些措施并不能完全消除輸電線路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)根據(jù)海拔氣候地形土壤等因素的不同，這些措施能起到的作用也也有很大差異[4-5]。因此需要提出一種有效性高、可行性好、適用范圍廣的新型防雷方法。

基于沖擊電弧自截?cái)鄼C(jī)理的防雷保護(hù)裝置能夠替代絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，在早期熄滅電弧。這種抑制建弧率的防雷方法將雷電流泄入了大地，阻止了沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電弧，降低了雷擊跳閘率。該裝置已經(jīng)在我國(guó)多雷地區(qū)線路上試驗(yàn)投運(yùn)多年，效果良好。

本文研究了電弧弧柱能量平衡，并以此對(duì)沖擊電弧自截?cái)嗟臋C(jī)理進(jìn)行了分析。然后對(duì)防雷保護(hù)裝置試品進(jìn)行了模擬雷擊滅弧試驗(yàn)，研究其對(duì)建弧率的影響。

2 防雷保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防雷保護(hù)裝置的技術(shù)性要求：①能定位雷電沖擊閃絡(luò)通道，具有足夠高的擊穿電壓水平；②能夠引導(dǎo)工頻電弧離開(kāi)絕緣子串表面，引入半封閉的滅弧空間。③能夠迅速產(chǎn)生縱吹沖擊氣流，快速熄滅電弧。

圖1 沖擊電弧自截?cái)嗟脑O(shè)計(jì)與安裝結(jié)構(gòu)

防雷保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中1為高壓側(cè)導(dǎo)體連接體；2為高壓側(cè)電極；3為接地側(cè)電極；4為沖擊氣體發(fā)生裝置；5接地連接體；6為信號(hào)采集裝置；7為兩電極之間的空氣間隙。裝置的兩個(gè)招弧電極與絕緣子串形成絕緣配合，起到引弧的作用。為了保護(hù)絕緣子串不發(fā)生閃絡(luò)，又要擁有足夠高的擊穿電壓，兩電極之間的空氣間隙長(zhǎng)度選取為絕緣子串長(zhǎng)的75%。

3 沖擊電弧自截?cái)鄼C(jī)理

3.1 伏秒特性

圖2 沖擊電弧自截?cái)嘌b置與絕緣子串的伏秒特性

沖擊電弧自截?cái)嗟姆览妆Ｗo(hù)裝置將并聯(lián)保護(hù)間隙的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為絕緣子串長(zhǎng)的75%左右，使得防雷保護(hù)裝置的臨界放電電壓低于絕緣子串的臨界放電電壓，在線路遭受雷擊時(shí)，并聯(lián)間隙優(yōu)先于線路絕緣發(fā)生閃絡(luò)[7,11]。裝置的伏秒特性與絕緣子串的伏秒特性如圖2所示。其中S1表示絕緣子串的伏秒特性，S2表示防雷保護(hù)裝置的伏秒特性，S2完全位于S1下方且與S1無(wú)交集，可以看出，裝置能夠保證絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)。

當(dāng)雷電流通過(guò)裝置時(shí)，裝置上的信號(hào)采集器能夠采集雷電流信號(hào)，并在電弧形成之前觸發(fā)氣體發(fā)生器發(fā)生動(dòng)作，在半封閉的滅弧室內(nèi)噴出高速的沖擊氣流。在工頻續(xù)流電弧達(dá)到半封閉的滅弧室內(nèi)的時(shí)候，沖擊氣流能夠迅速截?cái)嚯娀?，阻止電弧重燃?/p>

3.2 電弧等離子體的能量平衡

弧柱中電弧溫度分布如圖3所示。

圖3 弧柱中的電離氣體溫度狀況

圖4 縱吹電弧示意圖

在防雷保護(hù)裝置中電弧是一長(zhǎng)弧，可以當(dāng)做一個(gè)純電阻性發(fā)熱元件，其發(fā)熱的功率為：

Ph=IhUh=Ih(U0-Uz)

(1)

Ih=πr2beEne

(2)

式中Ph為電弧的發(fā)熱功率，Ih為電弧電流,U0為電弧極壓降，Uz為弧柱電壓，r為弧柱通道半徑，be為電子遷移率，E為弧柱的場(chǎng)強(qiáng)，n電子密度，e電子電荷。

電弧弧柱的散熱包括對(duì)流，傳導(dǎo)和輻射。在防雷保護(hù)裝置中其散熱以對(duì)流為主，沖擊氣流縱吹冷卻電弧，縱吹如圖4所示。其中傳導(dǎo)散熱的功率為：

(3)

其中，Pcd表示傳導(dǎo)散熱功率(W)，λ為氣體熱導(dǎo)率(W/(K·m))，l為電弧的長(zhǎng)度(m)，rh為電弧半徑(m)，Th為弧柱表面溫度(K)，T0為環(huán)境溫度(K)，r0為T(mén)0處的電弧半徑(m)(r0>>rh)。

在半封閉的滅弧室內(nèi)縱吹強(qiáng)制冷卻電弧時(shí)，輻射可以忽略不計(jì)。即Pfs≈0。

縱吹電弧的散熱功率在此次弧柱散熱中占主要部分，其散熱功率為：

(4)

式中，Pdl縱吹對(duì)流散熱功率(W)，v縱吹速度(cm/s)，dh弧柱直徑(cm)，Th弧柱平均溫度(K)，T0介質(zhì)溫度(K)。

弧柱總散發(fā)功率：

Pz=Pcd+Pdl+Pfs

(5)

長(zhǎng)電弧的散熱功率：

PS=Pz+IhU0

(6)

其中，IhU0為近極區(qū)耗散功率。

電弧的能量平衡公式:

(7)

式中WQ表示電弧所含的能量(J)。

增加氣流速度可以增加對(duì)流散熱功率,有利于電弧的熄滅。從能量平衡公式可以知道，只要?dú)獯邓俣冗_(dá)到一定的值，縱吹對(duì)流散熱功率Pdl將大于Ph，滿(mǎn)足Ph-PS<0，電弧的能量平衡就遭到破壞，電弧趨于熄滅。

在半封閉的滅弧室內(nèi)，由于沖擊氣流的縱吹速度很大，高達(dá)300000cm/s，而弧柱的溫度與滅弧氣體的溫度比值也很大，因此對(duì)流散熱功率非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電弧的產(chǎn)熱功率，滿(mǎn)足Ph-PS<0，因此從電弧能量平衡的角度來(lái)看，沖擊氣流自截?cái)嗟臋C(jī)理成立。

4 滅弧試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)回路

試驗(yàn)使用數(shù)字示波器記錄沖擊發(fā)生器觸發(fā)時(shí)間、沖擊滅弧時(shí)間，用高數(shù)攝像機(jī)記錄整個(gè)滅弧的過(guò)程，幀數(shù)：10000幀/s。試驗(yàn)用的工頻電流有效值取25kA，持續(xù)時(shí)間250ms。試驗(yàn)回路如圖5所示。

圖5 等效試驗(yàn)回路

其中，T-試驗(yàn)變壓器；D-高壓硅堆；r-保護(hù)電阻；R-充電電阻；C1-主電容器；∑rd-等效阻尼電阻；Rt-放電電阻；Rf-波前電阻；C0-絕緣子串；C2-試品。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖6 高速攝像機(jī)記錄的滅弧過(guò)程

圖7 觸發(fā)時(shí)間

圖8 測(cè)得的滅弧時(shí)間

圖6為高速攝像機(jī)拍攝到的電弧從發(fā)展到熄滅的過(guò)程。從圖7、圖8可知沖擊氣流觸發(fā)時(shí)間約0.2ms，截?cái)鄷r(shí)間約3.8ms，而工頻短路電流的暫態(tài)過(guò)程約有10ms，由于熱慣性，此時(shí)電弧正處于早期的發(fā)育階段，極易被熄滅，達(dá)到以快制強(qiáng)的目標(biāo)。由于沖擊氣流作用的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電弧熄滅后滅弧室內(nèi)的分子濃度低，壓強(qiáng)大，即使在短時(shí)間內(nèi)電弧發(fā)生重燃也會(huì)再次被熄滅，直到工頻電流過(guò)零點(diǎn)，電弧不再重燃完全熄滅。多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，裝置的一次動(dòng)作滅弧時(shí)間T<5ms，可保證限制電弧的建弧率在 5%以?xún)?nèi)。

5 結(jié)論

沖擊電弧自截?cái)嗟姆览妆Ｗo(hù)方法，能夠?qū)⒗纂娏鲗?dǎo)入大地，又能熄滅工頻續(xù)流電弧，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)、高效、快速滅弧的效果。即使在短時(shí)間內(nèi)電弧發(fā)生重燃也會(huì)再次被熄滅，直到工頻電流過(guò)零點(diǎn)，電弧不再重燃完全熄滅。該方法大大降低了建弧率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建弧率的有效抑制。

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Mechanism on Shock Arc Self-truncation And Impact on Arc-establishing Rate

LIUQi-liang,SHAOPan-yi

(College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

In order to solve the problem of overhead transmission line lightning protection,we developed a kind of lightning protection method based on shock arc self-truncation.Though insulation coordination,lightning current will be introduced to the lightning protection gap.Then impulse flashover occurred in the gap,and induced current produced by lightning current emerged at the same time.High-speed longitudinal blow airstream triggered by lightning current could interrupt subsequent power frequency arc rapidly,and realize the result of shock arc self-truncation.From the angle of the arc energy balance,we analyzed the principle of shock arc self-truncation.Then we conducted the arc-extinguishing tests to verify it′s reliability.The results indicate that the lightning protection device could extinguish arc quickly and effectively and substantially lower the arc-establishing rate.Arc-extinguishing time is 3.8ms.

shock arc；self-truncation；lightning current;arc-establishing rate

1004-289X(2016)03-0077-04

TM46，TM61

B

2015-03-30

劉其良(1988-)，男，碩士研究生 研究方向高電壓與絕緣技術(shù)； 邵攀屹(1988-)，男，碩士研究生，研究方向高電壓與絕緣技術(shù)。