吳 東，王巨豐

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧530004）

0 引言

輸電線路防雷是世界級(jí)難題。國(guó)家電網(wǎng)公司的2003年生產(chǎn)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)分析表明，全國(guó)500 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的46%，330 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的29%，220 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的33.4%，110 kV輸電線路中雷擊閃絡(luò)占線路跳閘的35.3%[1-2]。因此研究新型防雷方法迫在眉睫。

目前我國(guó)采用的是傳統(tǒng)的架空輸電線路防雷措施，如架設(shè)避雷線、降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)絕緣、加裝耦合地線等[3-4]。但是傳統(tǒng)措施防雷效果不佳且存在一定問題：1）避雷線在冰凍狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致斷線及桿塔彎曲、倒塌，以及避雷線無法有效防護(hù)繞擊（出現(xiàn)概率高）；2）由于輸電走廊土壤電阻率普遍較高，降低桿塔接地電阻較為困難；3）目前有利用絕緣桿塔加強(qiáng)絕緣，但其成本較高。

現(xiàn)有防雷保護(hù)方式分為“疏導(dǎo)型”與“堵塞型”?！笆鑼?dǎo)型”思想的防雷保護(hù)方式，其核心理念是允許線路雷擊閃絡(luò)，閃絡(luò)后經(jīng)自動(dòng)重合閘排除閃絡(luò)故障[5-11]。這種方式在國(guó)內(nèi)應(yīng)用表現(xiàn)就是在絕緣子串兩端并聯(lián)一對(duì)金屬電極（又稱招弧角/引弧角），構(gòu)成保護(hù)間隙，通常保護(hù)間隙的距離小于絕緣子串的串長(zhǎng)[12-20]。該防雷保護(hù)方式?jīng)]有熄弧功能，電弧會(huì)在兩電極間持續(xù)燃燒，使得電極被電弧嚴(yán)重?zé)?，從而影響絕緣配合。“堵塞”型防雷保護(hù)目的在于提高線路的耐雷水平，減少雷擊跳閘率。但是其成本高，得到的效果也不理想。

為了解決電網(wǎng)雷害問題，王巨豐教授的團(tuán)隊(duì)研制出了對(duì)吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置。當(dāng)輸電線路遭受雷擊時(shí)，該裝置能夠迅速截?cái)嚅g隙兩端電弧，有效保護(hù)絕緣子串免受工頻電弧灼燒。從而保護(hù)絕緣子，并防止跳閘和事故發(fā)生。

筆者通過mayr電弧動(dòng)態(tài)模型以及滅弧試驗(yàn)對(duì)氣流耦合電弧過程進(jìn)行研究分析，驗(yàn)證了對(duì)吹式滅弧防雷裝置的有效性。

1 對(duì)吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置滅弧原理

1.1 滅弧裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置并聯(lián)安裝在絕緣子串兩端。該裝置主要由1-低壓電極，2-高壓電極，3-信號(hào)采集器，4-滅弧室，5-滅弧能量團(tuán)組成。滅弧室采用能夠耐受高溫的絕緣材料。

圖1 氣吹滅弧裝置安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of blowing arc-extinguishing device

1.2 熄滅電弧過程

當(dāng)雷擊桿塔或輸電線路時(shí)，雷電過電壓優(yōu)先擊穿上下對(duì)吹滅弧裝置內(nèi)電極間間隙，同時(shí)信號(hào)采集器接受到雷電流脈沖信號(hào)觸發(fā)滅弧裝置內(nèi)部的滅弧能量團(tuán)產(chǎn)生爆炸氣流，上下滅弧室的半封閉空間結(jié)構(gòu)使得爆炸氣流沿著滅弧室出口方向運(yùn)動(dòng)，使速度極快的爆炸氣流更加集中作用于后續(xù)工頻電弧，將整個(gè)電弧上下同時(shí)截?cái)啻偈蛊淅旌团で?，擴(kuò)散和冷卻，增強(qiáng)了去游離作用以至熄滅。由于電弧在上下兩個(gè)滅弧室中被截?cái)?，增大了電弧持續(xù)存在的弧壓，使得電弧難以重燃。

圖2所示為上下對(duì)吹滅弧室氣流對(duì)沖示意圖。從圖2中可以看出，由于上下對(duì)吹滅弧室的空間位置設(shè)置，因此將會(huì)形成如圖2所示的氣流對(duì)沖區(qū)域。在對(duì)沖區(qū)域內(nèi)使得電弧形成突變拐點(diǎn)，此處電弧易于截?cái)唷Ｋ詫?shí)際在裝置間產(chǎn)生電弧時(shí)，電弧在爆炸氣流作用下，被拉伸形成突變拐點(diǎn)，從而截?cái)嚯娀?。同時(shí)氣流耦合電弧過程發(fā)生強(qiáng)烈熱交換，滅弧室內(nèi)極高的電弧溫度使得氣體受熱膨脹吹出滅弧室，此時(shí)滅弧室內(nèi)溫度下降，起到冷卻電弧效果，該過程有效增強(qiáng)去游離作用使得上下兩滅弧室中的導(dǎo)電離子減少，促進(jìn)電弧熄滅。

圖2 上下對(duì)吹滅弧室氣流對(duì)沖示意圖Fig.2 Diagram of up and down arc-extinguishing chamber blowing

2 氣流耦合電弧過程仿真分析

2.1 建立mayr電弧模型

為得出電弧方程，對(duì)電弧模型進(jìn)行如下假設(shè)[20]:1）弧柱形狀為圓柱體，弧柱溫度隨著徑向的距離增加而降低。2）只考慮長(zhǎng)電弧的情況。3）弧柱的能量耗散主要因?qū)α饕稹?）假定溫度變化時(shí)弧柱中氣體物理性質(zhì)不變。5）弧柱中的熱電離情況可通過沙哈公式表述。

動(dòng)態(tài)電弧模型電導(dǎo)的一般表達(dá)式：

式中，g為電弧電導(dǎo)；i為電弧電流；u為電弧電壓；P為電弧的功率輸入值；PL為電弧的功率耗散值；t為時(shí)間。

電弧電導(dǎo)是關(guān)于電弧中所積累的能量Q來決定的，即電弧電導(dǎo)是關(guān)于Q的函數(shù)。

電弧能量的變化可表示：

對(duì)式（2）進(jìn)行變換得到：

其中，τ為時(shí)間常數(shù)。Q0為單位體積能量。

由式（6）得到：

2.2 仿真分析

仿真試驗(yàn)回路如圖3所示。圖中AC代表交流電壓源，L0表示雷擊閃絡(luò)點(diǎn)到電源之間的電感值。L1，R1，C1是接地電感、接地電阻和閃絡(luò)位置的電容，L2，R2，C2是模擬線路的相關(guān)參數(shù)。電弧電流和電壓波形是由示波器測(cè)量得到。

筆者設(shè)定的初始參數(shù)為

L0=5.8 mH，L1=6.64 mH，L2=5.4 mH，R1=30 W，R2=20 W，C1=6.42 mF，C2=3.25 mF。設(shè)定工頻電壓源頻率為50 Hz。

圖3 仿真試驗(yàn)回路Fig.3 Simulation test loop

圖4和圖5分別為仿真時(shí)示波器測(cè)量得到的電弧電流和電壓波形。從圖中可以看出，電弧電流幅值為1 kA，在t=10.8 ms時(shí)，電弧電流波形第一次過零點(diǎn)，間隙間的電壓恢復(fù)至峰值80 kV，電弧電流下降至零值，說明電弧已經(jīng)被截?cái)?，電弧熄滅?/p>

電弧熄滅過程實(shí)質(zhì)是電弧電流值減小、電弧能量被削弱、整體溫度下降的過程，該過程增加去游離作用，促使滅弧室內(nèi)的正負(fù)離子迅速?gòu)?fù)合，使得滅弧室內(nèi)帶電粒子減少，在一段時(shí)間內(nèi)，由于爆炸氣流的作用使得滅弧室內(nèi)氣體幾乎處于絕緣狀態(tài)，加速滅弧室內(nèi)了介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度，促進(jìn)電弧熄滅。

圖4 電弧熄滅過程的電流波形Fig.4 Current waveform of arc quenching process

圖5 電弧熄滅過程的電壓波形Fig.5 Voltage waveform of arc quenching process

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為了研究對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置的熄弧效果，搭建滅弧試驗(yàn)回路如圖6所示。試驗(yàn)回路包括工頻交流電源（AC），斷路器（K），電壓調(diào)節(jié)器（TM），變壓器（T），電流限流電阻（R0），測(cè)量電阻（R1）和示波器（DSO）。該試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的工頻電弧電流值為1 kA，維持時(shí)間為200 ms，頻率為50 Hz。在圖6中，對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置并聯(lián)安裝在絕緣子兩端，上下滅弧室與豎直方向夾角為30°，滅弧室與絕緣子串水平距離60 cm。為了確保電弧控制在上下對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置的間隙上燃燒，在上下滅弧裝置中的兩個(gè)電極之間連接了一個(gè)短路熔絲。

對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置觸發(fā)回路如圖7所示。觸發(fā)回路包括9 V電源，控制開關(guān)（K1），測(cè)量電阻（R2）和示波器（DSO）。

試驗(yàn)過程簡(jiǎn)述如下：

1）搭建試驗(yàn)電路，架設(shè)攝像機(jī)記錄熄滅電弧過程。同時(shí)用示波器采集滅弧波形。

圖6 滅弧試驗(yàn)回路Fig.6 Arc-extinguishing test circuit

圖7 對(duì)吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置觸發(fā)回路Fig.7 Trigger circuit of blowing explosion airflow

2）調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器，使滅弧裝置所處回路產(chǎn)生短路電流，此時(shí)熔絲迅速被熔斷，在對(duì)吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置間的間隙產(chǎn)生電弧燃燒現(xiàn)象。

3）間隙間的電弧燃燒穩(wěn)定時(shí)（示波器中測(cè)到R1的波形穩(wěn)定），合上開關(guān)K1，此時(shí)對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置動(dòng)作產(chǎn)生強(qiáng)氣流熄滅電弧。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

文中試驗(yàn)結(jié)果都是通過多次重復(fù)性試驗(yàn)得到的。圖8為普通攝像機(jī)拍攝的熄弧圖像。

圖8 攝像機(jī)拍攝的熄弧過程Fig.8 Arc-extinguishing process recorded by camera

圖8（a）顯示t=0時(shí)刻的滅弧圖像，此時(shí)滅弧裝置還未動(dòng)作，處于等待觸發(fā)狀態(tài)。從圖8（b）中可以看出對(duì)吹式爆炸氣流滅弧裝置的兩個(gè)信號(hào)采集器接收到觸發(fā)電流信號(hào)觸發(fā)裝置動(dòng)作。由于上下滅弧裝置的空間設(shè)置，使得對(duì)吹效果明顯如圖8（c）所示。此時(shí)電弧被拉長(zhǎng)形成突變拐點(diǎn)。從圖8（d）至（f）看出電弧開始出現(xiàn)斷口，在高速氣流與電弧高度耦合過程中，電弧發(fā)展被深度抑制。期間滅弧室中充滿電負(fù)性氣體，使得電弧形成上下兩個(gè)斷口，充分抑制電弧重燃。從圖8（g）可知，高速氣流依然持續(xù)作用于電弧，說明高速氣流存在時(shí)間足以抑制電弧發(fā)展。然后電弧能量經(jīng)過削弱、再度削弱，使得電弧迅速熄滅。由圖8（h）至（j）可以得出此結(jié)論。

4 結(jié)論

1）在仿真分析中，電弧電流波形t=10.8 ms時(shí)第一次過零點(diǎn)，此后間隙間的電壓恢復(fù)至峰值80 kV，此時(shí)電弧電流下降至零值，電弧熄滅。

2）試驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)吹式滅弧防雷裝置能迅速熄滅工頻電弧，深度抑制電弧發(fā)展。

3）仿真與試驗(yàn)一致說明對(duì)吹式滅弧防雷裝置具有良好的熄弧效果。

[1]李瑞芳，吳廣寧，曹曉斌，等.輸電線路雷電繞擊率的三維計(jì)算方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009（10）:134-138.LI Ruifang，WU Guangning，CAO Xiaobin，etal.Three-di?mensional calculation method onshielding failure rate of transmissionlines[J].Transactions of China Electrotechni?cal Society，2009（10）:134-138.

[2]張志勁，孫才新，蔣興良，等.層次分析法在輸電線路綜合防雷措施評(píng)估中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005（14）:68-72.ZHANG Zhijing，SUN Caixin，JIANG Xingliang，et al.Ap?plication of analytic hierarchy process in estimation of compositive transmission line lightning protection mea?sures[J].Power System Technology，2005（14）:68-72.

[3]谷山強(qiáng)，何金良，陳維江，等.架空輸電線路并聯(lián)間隙防雷裝置電弧磁場(chǎng)力計(jì)算研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006（7）:140-145.GU Shanqiang，HE Jinliang，CHEN Weijiang，et al.Mag?netic force computation for the electric arc of parallel gap lightning protection deviceon overhead transmission lines[J].Proceedings of the CSEE，2006（7）:140-145.

[4]王巨豐，梁雪，郭偉，等.基于Navier-Stokes方程的新型噴射氣流滅弧防雷間隙有效性論證[J].高電壓技術(shù)，2015（01）:28-34.WANG Jufeng，lIANG Xue，WEI Guo，etal.Effectiveness verification of Novel air-blast arc-quenching device based on Navier-stokes equations[J].High Voltage Engineering，2015（01）:28-34.

[5]陳勉，陳維江，等.110 kV、220 kV架空輸電線路復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙防雷保護(hù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002，26（10）：41-47．LUO Zhenhai，CHEN Mian，CHEN Weijiang，et al．Study on shunt gap lightning protection for 110 kV and 220 kV composite insulators[J].Power System Technology，2002，26（10）：41-47．

[6]王巨豐，陸俊杰，陳宙平，陳智勇，羅磊，林盛強(qiáng).噴射氣體滅弧防雷間隙裝置的研制[J].高電壓技術(shù)，2009（8）:1874-1878.WANG Jufeng，LU Junjie，CHEN Zhouping，etal.Develop?ment of parallel gap lightning protection device with arc ex?tinguished by high-speed airflow[J].High Voltage Engi?neering，2009（8）:1874-1878.

[7]張緯鈸，何金良，高玉明.電力系統(tǒng)過電壓防護(hù)及絕緣配合[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002.

[8] 何金良，曾嶸，陳水明.輸電線路雷電防護(hù)技術(shù)研究（三）：防護(hù)措施[J].高電壓技術(shù)，2009，35（12）：2917-2923.HE Jinliang，ZENG Rong，CHEN Shuiming.Lightning protection study of transmission line，PartⅢ：protection measures[J]．High Voltage Engineering，2009，35（12）：2917-2923．

[9]司馬文霞，張智，楊慶，等.110 kV復(fù)合絕緣子棒形并聯(lián)間隙工頻電弧疏導(dǎo)過程的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（31）：114-121．SIMA Wenxia，ZHANG Zhi，YANG Qing，et al．Experi?mental research on power frequency arc movement process of 110kV composite insulators in rod shape parallel gap lightning protection device[J]．Proceedings of the CSEE，2012，32（31）：114-121．

[10]顏湘蓮，陳維江，王承玉，等.計(jì)及風(fēng)影響的潛供電弧自熄特性計(jì)算研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（10）：1-6．YAN Xianglian，CHEN Weijiang，WANG Chengyu，et al.Computationof secondary arc self-extinction behavior with the influence of wind[J]．Proceedings of the CSEE，2009，29（10）：1-6．

[11]顏湘蓮.交流輸電線路單相接地潛供電弧自熄特性研究[D].北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2009.YAN Xianglian.Study on the arc self quenching properties of AC transmission line single-phase grounding[D].Bei?jing:China Electric Power Research Institute，2009.

[12]葛棟，毛艷，賀子鳴，張翠霞，等.110 kV線路復(fù)合絕緣子并聯(lián)間隙的工頻電壓與電場(chǎng)分布計(jì)算[J].電瓷避雷器，2011（5）:26-30，36.GE Dong，MAO Yan，HE Ziming，et al．Calculation of powe frequency voltage and electric field distribution on 110kV composite insulators with parallel gap[J].Insulators and Surge Arresters，2011（5）:26-30，36.

[13]葛棟，馮海全，袁利紅，等.絕緣子串并聯(lián)間隙的工頻大電流燃弧試驗(yàn)[J].高電壓技術(shù)，2008，34（7）：1499-1503.GE Dong，F(xiàn)ENG Haiquan，YUAN Lihong，et al.Experi?mental research on large power frequency current of paral?lel gap of insulator strings[J].High Voltage Engineering，2008，34（7）：1499-1503．

[14]葛棟，沈海濱，賀子鳴，等.110 kV輸電線路并聯(lián)間隙的電氣性能試驗(yàn)[J].中國(guó)電力，2011，44（6）：7-10．GE Dong，SHEN Haibin，HE Ziming，et al．Test on elec?trical performance of parallel gap for 110 kV transmission line[J]．Electric Power，2011，44（6）：7-10．

[15]陳維江，孫昭英，王獻(xiàn)麗，等.35 kV架空送電線路防雷用并聯(lián)間隙研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（2）：61-65．CHEN Weijiang，SUN Zhaoying，WANG Xianli，et al．Study on shunt gap lightning protection for 35 kV over?head transmission lines[J].Power System Technology，2007，31（2）：61-65．

[16]彭飛，陳維江，李成榕，等.110，220 kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)用復(fù)合間隙[J].高電壓技術(shù)，2008，34（2）:243-246.PENG Fei，CHEN Weijiang，LI Chengrong，et al.110 kV and 220 kV composite gap of transformer neutral point pro?tection[J].High voltage engineering，2008，34（2）:243-246.

[17]和彥淼，宋杲，曹榮江，等.1 000 kV特高壓輸電線路潛供電弧試驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（16）：138-143．HE Yanmiao，SONG Gao，CAO Rongjiang，et al．Test re?search of secondary arc in 1 000 kV UHV double-circuit transmission lines[J]．Proceedings of the CSEE，2011，31（16）：138-143．

[18]過增元，趙文華.電弧和熱等離子體[M].北京：科學(xué)出版社，1986.GUO Zengyuan，ZHAO Wenhua． The arc and thermal plasma[M].Beijing：Science Press，1986.

[19]陳維江，孫昭英，王獻(xiàn)麗，等.35 kV架空送電線路防雷用并聯(lián)間隙研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（2）:62-64.CHEN Weijiang，SUN Zhaoying，WANG Xianli，et al．Re?search on the parallel gap of lightning protection of 35kV overhead transmission lines[J]，Grid Technology，2007，31（2）：61-65．

[20]HABEDANK U．Application of a new arc model for the evaluation of short-circuit breaking Tests[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8（4）：1921-1925．