冲击气流灭弧防雷装置的实验研究

0 引言

随着社会的发展，电力在工农业生产及生活各方面的作用越来越大，对供电可靠性的要求越来越高。中国的电力线路密集，有些架空线路地势高，极易遭受雷击，影响电网的安全运行[1-4]。电力系统中由雷击引起的跳闸、断线、停电等事故占总事故的50%以上，严重影响了供电可靠性[5-6]。

如今最新的防雷理念是“疏导型”防雷。其原理是在绝缘子串旁并联一对金属电极，调整绝缘配合，使金属电极优先闪络，将雷电引入地面时绝缘子免受损害[7-8]。这种防雷方式要与继电保护相配合，允许线路跳闸，待电弧自发熄灭，间隙绝缘强度恢复后重合闸成功。但此方法牺牲了跳闸率，并且电弧熄灭时间不确定，有可能超出继电保护整定的时限，金属电极长时间的烧蚀容易损坏[9-12]。

针对以上情况，笔者介绍一种新型的110 kV灭弧防雷装置。装置结构见图1。该装置包括低压电极连接金具、高压电极连接金具、低压电极、高压电极、雷电信号接收器、产气室、灭弧筒。输电杆塔可作为低压电极，低压电极延伸到灭弧筒内。高压电极安装在导线上。此装置与绝缘子串并联，通过调节高低压电极间空气间隙，使绝缘配合达到最佳。正常运行时，装置不会对输电线路造成影响。当线路遭受雷击时，雷电波到达绝缘子串处，装置的绝缘强度低于绝缘子串，在高低压电极上优先闪络，将雷电流引入地面。与此同时雷电流触发产气装置产生高速气流（气流中含有灭弧介质）作用于工频电弧，在灭弧室内可产生瞬间高压，加速电弧的熄灭[13-16]。此装置可在继电保护动作前将电弧熄灭，并且可多次产气，多次灭弧，重复使用。

图1 灭弧防雷装置结构图
Fig.1 Structure diagram of arc-extinguishing lightning protection device

笔者介绍了固相灭弧防雷装置，通过灭弧实验和气流速度的测量，验证了装置的有效性及影响灭弧的因素，并且总结实际运行的效果，证明装置快速截断电弧的实用性。

1 试验及结果分析

1.1 灭弧实验

1.1.1 实验过程

如图2所示，将装置安装在试验用钢架上，在高低压电极间接短路熔丝，使电流能通过空气间隙。短路电流将熔丝瞬间熔化，通过调整工频电压发生器，在装置侧产生稳定的工频电弧。工频电压发生器产生电压为频率50 Hz的标准正弦波，稳压300 ms，调节电压为220 kV。然后手动闭合开关K触发灭弧装置，产生冲击气流熄灭电弧。实验时用示波器和普通摄像机记录冲击气流灭弧图像和电压波形。

图2 灭弧实验电路图
Fig.2 Circuit of arc-extinguishing test

1.1.2 实验结果和分析

普通相机拍摄的灭弧装置产生冲击气流的过程见图3。从图中可清楚看到电弧被熄灭。冲击气流作用于早期电弧，使其几何形态发生变化，高速冲击气流打破了电弧的能量平衡，加速了热量的散失，将电弧吹灭；冲击气流在灭弧筒内产生高压气团，使电弧中离子的自由行程大大缩小，加速了电弧的熄灭。此外电弧截断后没有重燃。

图3 普通摄像机拍摄的灭弧图像
Fig.3 Arc interrupting process recorded by ordinary camera

图4 为示波器记录的电压波形。其中U1是在R1上测得的触发电压的波形，U2是在R2上测得的电弧电压波形。M点为灭弧装置触发时刻，N点为电弧熄灭时刻，则冲击气流的灭弧时间为TN～TM，约为3.6 ms，并且N点以后电压为0，说明电弧被截断且无重燃。

图4 灭弧实验电压波形
Fig.4 Voltage waveforms in arc-extinguishing test

多次重复试验得出装置的灭弧周期在3～5 ms之间，而中国大多数继电保护装置的最快响应时间为20 ms以内，因此这种主动式、高速的灭弧装置能可靠有效的避免继电保护装置动作，有效防止雷击跳闸，进而大幅度降低雷击跳闸率。

1.2 气流测速实验

1.2.1 实验过程

灭弧装置的灭弧效果主要由冲击气流的速度决定的，为了明确不同气流速度的灭弧效果，可以通过改变产气装置的参数，利用图5的电路图来测量气流的速度。其中R3、R4为测量电阻。根据大量实验，在灭弧筒出口的6～12 cm处为气流的主要作用区。图5灭弧筒内的短路线可被气流冲断且可忽略其对气流速度的影响。气流作用前电阻为高电平，短路线被冲断后，电阻变为低电平。通过示波器观察两个电阻波形的变化可读出气流由12 cm处到达6 cm处的时间差T，则冲击气流的平均速度为

图5 速度实验电路图
Fig.5 Circuit diagram of speed test

1.2.2 实验结果和分析

选取故障电流为5 kA、15 kA、20 kA的电弧进行大量重复实验，表1记录了不同电弧电流和气流速度条件下的灭弧率及建弧率的实验数据，图6是利用Matlab进行数据分析，得出不同气流速度下的灭弧效果。

表1 不同条件下的灭弧效果
Table 1 Arc-extinguishing effectiveness in different conditions

图6 灭弧率拟合曲线
Fig.6 Fitting curve of arc-extinguishing rate

由统计结果和数据分析可知：当故障电弧电流一定时，灭弧率随气流速度的增大而增大，建弧率随气流速度的增大而减小；气流速度一定时，灭弧率随电弧电流的增大而减小，建弧率随电弧电流的增大而增大。因此，要保证良好的灭弧效果，就要有足够高的气流速度[17-20]。

3 实际运行效果

该灭弧防雷装置在广西南宁供电局马桐线现场运行。安装爆炸气流灭弧防雷间隙装置后，经过2012年至2015年的雷雨季节，运行经验表明，经改造后的线路雷击跳闸率降低95%，灭弧防雷间隙安装后至今，有效防护了2000多次雷击。其中2014年8月11日18:56:06，132号杆塔成功防护了雷电流幅值为-199.3 kA的3次回击，线路未跳闸。

4 结论

1）灭弧防雷装置产生高速冲击气流，可在3～5 ms内将故障电弧电流熄灭，未发生重燃。

2）实验统计表明，冲击气流速度是灭弧效果的决定因素。气流速度在500 m/s时可达到近似理想的灭弧效果。

3）灭弧防雷装置在110 kV线路试运行结果表明，在极短的时间截断电弧，保护绝缘子串，防止继电保护动作，降低雷击跳闸率，验证了装置的实用性。