爆炸气流灭弧防雷装置试验研究与应用

唐佳雄，王巨丰，徐宇恒，张清河，王国锋，庞志毅

(广西大学 电气工程学院， 南宁 530004)

雷电具有强大的破坏力，经常给现代社会造成巨大的经济损失和人员伤亡[1]。南方电网线路运行统计报告指出：南方电网中由雷击所引起的跳闸次数占电网总跳闸次数的40%～70%，尤其对于在多雷、强雷、土壤电阻率高等地区，由雷击造成的线路跳闸率更高[2]。

输电线路防雷措施主要分为“阻塞式”和“疏导式”防雷方法。其中“阻塞型”防雷方法核心思想是防止线路发生绝缘闪络，其手段主要包括架设避雷线、降低杆塔接地电阻、加强绝缘、加装耦合地线、安装避雷器等措施[3]。但是多年的实际运行经验表明，阻塞型防雷方法受雷击类型(绕击或反击)、雷击方式(单次雷击或多重雷击)、雷击强度(强雷或弱雷)、地理条件(平原或山区)等多种不可控因素影响[4]。因此，由雷击引起的线路跳闸率仍然居高不下。

“疏导型”防雷方法的思想则是允许线路发生绝缘闪络，然后通过并联间隙准确定位电弧闪络点，并迅速转移工频电弧至上下电极稳定的燃烧，最后依靠自动重合闸的动作配合将工频电弧熄灭[5]。但是并联间隙不具备主动灭弧功能，所以并联间隙触头被电弧多次烧蚀后，会造成并联间隙与绝缘子串的绝缘配合失灵，导致线路跳闸次数增多，是一种“牺牲跳闸率换取故障率”的技术方式[6]。

为了突破现有的疏导型和阻塞型防雷方法所存在的瓶颈，本文基于“疏导式”防雷基础上研发了一种能够主动、快速地熄灭工频电弧的爆炸气流灭弧防雷装置[7]。该装置利用工频电弧建弧过程滞后于雷击闪络电弧的物理特性，通过在绝缘子串旁路并行安装爆炸气流灭弧防雷装置。当雷电过电压击穿灭弧防雷装置与高压电极间的空气间隙时，装置内的信号采集器收到雷电脉冲信号并同步触发灭弧气丸，气丸爆炸立刻产生高速、高压的喷射气流，高速气流能完全作用于工频电弧初期建弧阶段，并在继电保护装置响应动作之前完全熄灭电弧，从而避免线路断线、停电等事故的发生[8]。

爆炸气流灭弧防雷装置主体安装结构如图1所示。

图1 爆炸气流灭弧装置安装示意图Fig.1 Schematic diagram of installation of explosive air flow arc extinguishing device

装置主体安装在杆塔横担上，同时高压电极通过必要的夹具固定在导线上；
同时灭弧装置的灭弧筒必须与高压电极保持对齐，并调整两者之间的空气距离保持在绝缘子串长度的80 %～90 %范围内，通过绝缘配合确保雷击线路时，电弧优先在灭弧防雷装置侧闪络。

爆炸气流灭弧防雷装置主要包括：灭弧筒、储弹仓、灭弧气丸、信号采集器。装置具体的工作原理：当线路正常工作时，装置与高压电极间的电位差并未达到击穿空气间隙的电压阀值，所以装置并不影响线路的正常运行，装置不动作；
当线路遭受雷击后产生过电压时，线路上的雷击过电压沿着导线传递到装置，通过绝缘配合优先将装置与高压电极间的空气间隙击穿形成闪络电弧。此时装置内部的信号采集器同步采集到电流脉冲信号并触发灭弧气丸发生爆炸，爆炸产生的大量高速、高压的电负性气体沿着半封闭结构的灭弧筒轴向运动，从而能够使这股高压、高速的喷射气流能量完全的作用于电弧，加速电弧等离子体的热传导、热辐射和热对流过程。高速强气流不断与电弧中的带电粒子发生耦合，迫使电弧的微观粒子沿着灭弧筒出口方向扩散到四周空气中。同时有大量的低温空气绝缘介质不断的输送到电弧弧柱中，加速了电弧的热量散失。并且电弧散失的能量远远大于电弧补给的能量，电弧介质的温度迅速降低。同时电弧在爆炸冲击波作用的瞬间被“炸断”成若干段小电弧，电弧的几何形态也发生剧烈变化，由此破坏了电弧的连续性，加快了空气介质的绝缘强度的恢复过程。在高速气流能量对电弧能量的持续压制作用下，电弧最终在继保动作前熄灭。同时气流已经破坏了工频电弧能量补给通道，能够完全防止空气间隙再次击穿和电弧重燃。

2.1 试验准备

文中所进行的雷电冲击实验包括雷电冲击电压放电试验和雷电冲击伏秒特性试验。试验中试品与高压电极之间的空气主间隙距离设置为Z=890 mm，试验中采用的绝缘子型号为 FZSW复合支柱绝缘子，绝缘子的绝缘距离为Z0=1 085 mm，Z/Z0=0.82，符合DL/T 1293-2013《交流架空输电线路绝缘子并联间隙使用导则》中Z/Z0为0.8～0.9的规定[9]。

冲击电压试验回路主要由冲击发生器IG、试品TO(爆炸气流灭弧防雷装置)和冲击电压测量系统IVMS三个部分组成。图2中：IG-冲击发生器；
C-冲击发生器主电容；
SG-点火球隙；
Rf-波头电阻；
Rt-波尾电阻；
TO-试品；
C1/C2-分压器电容；
R-阻尼电阻；
AS-采集装置；
IVMS-冲击电压测量系统。冲击电压试验回路主要参数为：冲击发生器IG为3 000 kV/675 kJ，冲击发生器主电容C为0.15 μF，波头电阻Rf为400 Ω，波尾电阻Rt为1 440 Ω。

图2 冲击电压试验回路图Fig.2 Impulse voltage test diagram

2.2 试验结果及分析

冲击放电电压试验根据GBT 16927.1-2011中的试验要求所进行[10]。文中的放电试验采用升降法测量装置的50%放电电压，放电次数为30次。试验中冲击电压发生器对灭弧装置输出1.2/50 μs的正极性雷电冲击电压。并根据试验结果绘制的试验升降曲线如图3所示，其中正方形代表间隙击穿放电，星型代表间隙未击穿放电。根据升降曲线图所测得的30次试验数据，可得出其放电电压U50%平均值为539.0 kV，并根据给定的大气修正因数Kt=0.948，计算可得校正后的放电电压U50%平均值为568.6 kV，其值小于给定的试验要求放电压730 kV。

图3 雷电冲击放电电压升降曲线图Fig.3 Elevation curve of lightning impulse discharge voltage

另外测试了爆炸气流灭弧防雷装置的冲击伏秒特性。由于雷电冲击电压持续时间短，放电时间具有分散性，所以每级电压下会有一系列放电时间，同级的冲击电压在同一空气间隙距离下击穿空气的时间不完全一样。试验中对爆炸气流灭弧防雷装置施加了波形为1.2/50 μs 的正极性冲击电压，所测得的伏秒特性试验数据如表 1 所示。并绘制出校正后的放电电压和绝缘子的雷电冲击伏秒特性曲线，如图4所示。从图4中可以看出：灭弧防雷装置的伏秒特性曲线在绝缘子的下方。并且灭弧防雷装置的伏秒特性曲线符合DL/T 815-2012[11]所规定的比绝缘子的伏秒特性曲线低于15 %的要求。所以当发生雷击时灭弧防雷装置能够优先于绝缘子串被击穿，从而能够防止绝缘子发生闪络。

表1 雷电冲击伏秒特性Tab.1 Characteristics of lightning shock volts

图4 雷电冲击伏秒特性曲线Fig.4 Characteristic curve of lightning shock volt-second

爆炸气流灭弧防雷装置响应触发时间定义为：信号采集器采集到雷电脉冲前沿信号所需要的时间(记为t1)，然后信号采集器触发灭弧气丸产生足够高速气流所需的时间(记为t2)。两者时间之和t=t1+t2即为触发响应时间。触发响应时间t对于灭弧时间快慢具有极其重要的意义，因为灭弧气丸响应时间越快，产生高速喷射气流的速度的峰值时间也就越短，电弧发展成大电弧、稳定的电弧的可能性越小，那么高速气流熄灭电弧的时间越短。为了得到装置的响应触发时间，在试验室内搭建了响应时间测试回路。试验中采用冲击电压发生器模拟雷电脉冲，试验回路图如图5所示。图5中：ICG是冲击电压发生器；
R1是限流电阻；
R2、R3是测量电阻；
K1、K2是开关；
SAD是信号采集器；
GP是灭弧气丸；
DSO是数字示波器；
DC是直流电源。

图5 触发响应时间测试回路图Fig.5 Trigger response time test loop diagram

3.1 试验步骤

首先对冲击电压发生器ICG设定预置参数；
然后闭合开关K1和K2；
手动按下冲击发生器的充电按钮，待充电完毕后，再点击触发按钮，冲击电压发生器输出1.2/50 μs的雷电冲击脉冲；
信号采集器SAD接收到雷电脉冲后同步触发灭弧气丸GP，由于气丸上缠有一定数量的导线，当气丸发生触发动作后，导线在冲击波的作用下被冲断，R3两端的电压迅速降低为0。示波器DSO采集到爆炸气流灭弧装置动作时电阻R2两端的触发脉冲电压波形和电阻R3两端的电压波形。

3.2 试验结果及分析

图6为测试回路中R2和R3两端的电压波形图。CH1为R3两端的触发脉冲电压波形，CH2为电池回路中电阻R2两端的电压波形。如图6所示：雷电冲击电压脉冲信号CH2在零时刻同步触发灭弧气丸，R3两端的电压(CH1)在200 μs后从电源电压20 V降低至0，即说明爆炸气流灭弧防雷装置的响应触发时间为200 μs，此时电弧尚处于早期发展阶段，电弧能量极其脆弱，气流很容易将其熄灭。并且根据图6(a)和图6(b)对比发现：灭弧气丸的响应时间随着雷电冲击脉冲电压幅值的增大而缩短，这对于熄灭高幅值电弧是极为有利的。

图6 测试回路电压波形图Fig.6 Voltage waveform of test loop

4.1 试验准备及步骤

为了进一步验证爆炸气流灭弧防雷装置实际的灭弧效果，本课题组在西安高压电器研究院进行了工频大电流灭弧试验，试验回路图如图7所示。图7中：G是短路发电机；
GB是保护开关；
MS是合闸开关；
L是调节电抗；
MB是操作开关；
T是变压器；
U是电压测量；
I是电流测量；
TO是试品。

图7 工频大电流灭弧试验回路图Fig.7 Power frequency high current arc extinguishing test circuit diagram

为了测量灭弧装置对1 kA工频大电流的灭弧效果，需要在试验回路在接入试品TO前，对试验电源回路参数进行整定。表2为试验前提供的理想电源回路参数试验参数，如表2所示。试验人员根据表2提供的参数对试验回路进行调试，为了尽力减小试验过程中可能产生的误差，需要尽量将试验回路参数调整至理想参数。预先调试的波形如图8所示。

表2 试验电源回路参数Tab.2 Test power parameters

图8 预先调试的1 kA电流波形Fig.8 Pre-debug 1 kA current waveform

试验回路中的参数调整完毕后，再接入试品TO。同时将试品TO与 A、B相试验回路相连，并用直径大约为0.01 mm的金属线将试品间隙短接，然后闭合开关GB、MS和MB，短路发电机经变压器输出1 kA的工频大电流，此时爆炸气流灭弧装置的信号采集到电流脉冲信号同步触发爆轰弹丸动作产生高速气流熄灭电弧。

总结什么是循环，在何种情况下使用循环结构以及循环结构的组成，循环的执行过程，具体实现循环代码编写需继续学习三种循环语句。

4.2 试验结果及分析

在爆炸气流灭弧防雷装置流过工频电流后，由电流测量系统采集到熄灭工频电流的波形，如图9所示。从图9中可以看出：灭弧防雷装置仅在7.5 ms内将幅值为1 kA的工频电流在交流过零点时熄灭，并且电弧并未发生重燃。

图9 1 kA工频电流熄灭波形Fig.9 1 kA power frequency current extinguishing waveform

图10为爆炸气流灭弧防雷装置熄灭电弧的整个过程。从图10(a)和图10(b)可以看出：当短路发电机输出工频电流后，装置与高压电极间的空气主间隙瞬间击穿形成电弧，同时雷电脉冲信号同步触发灭弧气丸，灭弧气丸瞬间释放出高速冲击气流，气流与电弧在灭弧筒内发生耦合，大量电弧被气流喷射出灭弧筒外；
从图10(c)～图10(e)可以看出：电弧在强气流的干扰下，电弧的暂态初期建弧过程受到了强烈抑制。并且灭弧气丸产生的爆炸能量远远高于电弧维持其本身燃烧的能量。电弧能量的补给速度远低于强气流产生的速度。电弧被气流极度拉长，电弧通道已经出现断口，工频能量无法及时向电弧提供能量。电弧断口介质自由行程被气流强力压缩，加速弧柱中的正负离子复合，电弧能量已经被极大的衰减；
图10(f)可以看出：电弧已经完全熄灭，间隙的介质强度得以迅速恢复，确保电弧不会重燃。

图10 电弧熄灭全过程Fig.10 The whole arc extinguishing process

广西某沿海地区的某条110 kV输电线路所处路径雷电活动频繁，年雷暴日平均达120天，且雷电由海面登陆而来，具有能量高、电场强度大等特点，该条线路雷击跳闸率和事故率居高不下。据当地电力部门统计，2014年该条线路附近落雷550次，已经严重威胁电网、企业的安全运行和人民的生命财产安全。

2016年初在该条线路安装爆炸气流灭弧防雷装置后，如图11所示。经过了夏季雷季多发季节的考验，根据运行数据显示：该装置已经成功动作了四次，有效的防护了多重雷击和巨大雷击，避免了线路跳闸和断线的事故发生。

图11 现场运行图Fig.11 Field operalion diagram

爆炸气流灭弧防雷装置突破了传统防雷理念的桎梏，大幅度的降低了线路的事故率和跳闸率。通过实际运行验证了其性能优异、防雷效果突出，是一种能够解决困扰电网防雷难题的新方法。

(1)爆炸气流灭弧防雷装置是通过雷电脉冲信号触发灭弧气丸，以产生强气流在继电保护响应动作之前就将电弧熄灭。并且在高速气流的持续破坏作用下可以阻断电弧重燃通道，完全防止电弧重燃;

(2)通过对爆炸气流灭弧防雷装置进行的雷击冲击试验发现：该装置的平均放电电压U50%为568.6 kV满足试验要求；
灭弧防雷装置的伏秒特性曲线满足低于绝缘子的伏秒特性的15%的试验要求;

(3)通过测试装置的触发响应试验发现：信号采集器采集到雷电脉冲信号到触发灭弧气丸用时仅为200 μs。并且气丸的响应时间随着雷电脉冲幅值的增大而缩短;

(4)通过对爆炸气流灭弧防雷装置的工频大电流灭弧试验中发现：装置可以在将1 kA的工频大电弧电流在7.5 ms内熄灭，并且电弧并未发生重燃;

(5)通过对爆炸气流灭弧防雷装置的实际运行数据可以发现：该装置运行状况良好，已经成功防护了多重雷击和巨大雷击，灭弧性能优异，能够大幅度降低雷击跳闸率和事故率。

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