冲击电弧自截断机理及对建弧率影响

刘其良，邵攀屹

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

冲击电弧自截断机理及对建弧率影响

刘其良，邵攀屹

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

为了解决架空输电线路雷电防护的问题，研究了一种冲击电弧自截断的防雷保护方法。这种方法是通过绝缘配合将雷电流引入到防雷保护间隙中发生冲击闪络，利用雷电流产生的感应电流同步触发冲击气流发生器产生高速纵吹气流熄灭电弧，实现冲击电弧自截断。从电弧能量平衡的角度分析了冲击电弧自截断原理。进行了实验室模拟雷击的试验对灭弧的可靠性进行了验证，试验结果表面冲击电弧自截断的防雷保护装置能够快速有效熄灭电弧，灭弧时间为3.8ms，大幅降低了建弧率，使得冲击闪络几乎无法转化为稳定的工频电弧。

冲击电弧；自截断；雷电流；建弧率

1 引言

我国能源分布与需求的不平衡导致我国需要加大力度发展远距离输电，把电网作为优化资源配置的主要力量。我国幅员辽阔，输电线路纵横万里，经常出现遭受雷击的危险，直接威胁电网的安全稳定运行。据统计，因雷击线路导致的跳闸事故占电网总事故的60%以上[1-4]，如何降低甚至避免输电线路中的雷击危害已经成为了电网日益关注的焦点。

经典的防雷方法通常是采取各种措施提高线路的耐雷水平来降低线路的雷击跳闸率，然而这些措施并不能完全消除输电线路的雷击风险，同时根据海拔气候地形土壤等因素的不同，这些措施能起到的作用也也有很大差异[4-5]。因此需要提出一种有效性高、可行性好、适用范围广的新型防雷方法。

基于冲击电弧自截断机理的防雷保护装置能够替代绝缘子串发生闪络，在早期熄灭电弧。这种抑制建弧率的防雷方法将雷电流泄入了大地，阻止了冲击闪络转化为稳定的电弧，降低了雷击跳闸率。该装置已经在我国多雷地区线路上试验投运多年，效果良好。

本文研究了电弧弧柱能量平衡，并以此对冲击电弧自截断的机理进行了分析。然后对防雷保护装置试品进行了模拟雷击灭弧试验，研究其对建弧率的影响。

2 防雷保护装置的结构设计

防雷保护装置的技术性要求：①能定位雷电冲击闪络通道，具有足够高的击穿电压水平；②能够引导工频电弧离开绝缘子串表面，引入半封闭的灭弧空间。③能够迅速产生纵吹冲击气流，快速熄灭电弧。

图1 冲击电弧自截断的设计与安装结构

防雷保护装置的设计与安装结构如图1所示，图中1为高压侧导体连接体；2为高压侧电极；3为接地侧电极；4为冲击气体发生装置；5接地连接体；6为信号采集装置；7为两电极之间的空气间隙。装置的两个招弧电极与绝缘子串形成绝缘配合，起到引弧的作用。为了保护绝缘子串不发生闪络，又要拥有足够高的击穿电压，两电极之间的空气间隙长度选取为绝缘子串长的75%。

3 冲击电弧自截断机理

3.1 伏秒特性

图2 冲击电弧自截断装置与绝缘子串的伏秒特性

冲击电弧自截断的防雷保护装置将并联保护间隙的长度设计为绝缘子串长的75%左右，使得防雷保护装置的临界放电电压低于绝缘子串的临界放电电压，在线路遭受雷击时，并联间隙优先于线路绝缘发生闪络[7,11]。装置的伏秒特性与绝缘子串的伏秒特性如图2所示。其中S1表示绝缘子串的伏秒特性，S2表示防雷保护装置的伏秒特性，S2完全位于S1下方且与S1无交集，可以看出，装置能够保证绝缘子不发生闪络。

当雷电流通过装置时，装置上的信号采集器能够采集雷电流信号，并在电弧形成之前触发气体发生器发生动作，在半封闭的灭弧室内喷出高速的冲击气流。在工频续流电弧达到半封闭的灭弧室内的时候，冲击气流能够迅速截断电弧，阻止电弧重燃。

3.2 电弧等离子体的能量平衡

弧柱中电弧温度分布如图3所示。

图3 弧柱中的电离气体温度状况

图4 纵吹电弧示意图

在防雷保护装置中电弧是一长弧，可以当做一个纯电阻性发热元件，其发热的功率为：

Ph=IhUh=Ih(U0-Uz)

(1)

Ih=πr2beEne

(2)

式中Ph为电弧的发热功率，Ih为电弧电流,U0为电弧极压降，Uz为弧柱电压，r为弧柱通道半径，be为电子迁移率，E为弧柱的场强，n电子密度，e电子电荷。

电弧弧柱的散热包括对流，传导和辐射。在防雷保护装置中其散热以对流为主，冲击气流纵吹冷却电弧，纵吹如图4所示。其中传导散热的功率为：

(3)

其中，Pcd表示传导散热功率(W)，λ为气体热导率(W/(K·m))，l为电弧的长度(m)，rh为电弧半径(m)，Th为弧柱表面温度(K)，T0为环境温度(K)，r0为T0处的电弧半径(m)(r0>>rh)。

在半封闭的灭弧室内纵吹强制冷却电弧时，辐射可以忽略不计。即Pfs≈0。

纵吹电弧的散热功率在此次弧柱散热中占主要部分，其散热功率为：

(4)

式中，Pdl纵吹对流散热功率(W)，v纵吹速度(cm/s)，dh弧柱直径(cm)，Th弧柱平均温度(K)，T0介质温度(K)。

弧柱总散发功率：

Pz=Pcd+Pdl+Pfs

(5)

长电弧的散热功率：

PS=Pz+IhU0

(6)

其中，IhU0为近极区耗散功率。

电弧的能量平衡公式:

(7)

式中WQ表示电弧所含的能量(J)。

增加气流速度可以增加对流散热功率,有利于电弧的熄灭。从能量平衡公式可以知道，只要气吹速度达到一定的值，纵吹对流散热功率Pdl将大于Ph，满足Ph-PS<0，电弧的能量平衡就遭到破坏，电弧趋于熄灭。

在半封闭的灭弧室内，由于冲击气流的纵吹速度很大，高达300000cm/s，而弧柱的温度与灭弧气体的温度比值也很大，因此对流散热功率非常大，远远大于电弧的产热功率，满足Ph-PS<0，因此从电弧能量平衡的角度来看，冲击气流自截断的机理成立。

4 灭弧试验

4.1 试验回路

试验使用数字示波器记录冲击发生器触发时间、冲击灭弧时间，用高数摄像机记录整个灭弧的过程，帧数：10000帧/s。试验用的工频电流有效值取25kA，持续时间250ms。试验回路如图5所示。

图5 等效试验回路

其中，T-试验变压器；D-高压硅堆；r-保护电阻；R-充电电阻；C1-主电容器；∑rd-等效阻尼电阻；Rt-放电电阻；Rf-波前电阻；C0-绝缘子串；C2-试品。

4.2 试验结果

图6 高速摄像机记录的灭弧过程

图7 触发时间

图8 测得的灭弧时间

图6为高速摄像机拍摄到的电弧从发展到熄灭的过程。从图7、图8可知冲击气流触发时间约0.2ms，截断时间约3.8ms，而工频短路电流的暂态过程约有10ms，由于热惯性，此时电弧正处于早期的发育阶段，极易被熄灭，达到以快制强的目标。由于冲击气流作用的持续时间长，电弧熄灭后灭弧室内的分子浓度低，压强大，即使在短时间内电弧发生重燃也会再次被熄灭，直到工频电流过零点，电弧不再重燃完全熄灭。多次重复实验证明，装置的一次动作灭弧时间T<5ms，可保证限制电弧的建弧率在 5%以内。

5 结论

冲击电弧自截断的防雷保护方法，能够将雷电流导入大地，又能熄灭工频续流电弧，实现主动、高效、快速灭弧的效果。即使在短时间内电弧发生重燃也会再次被熄灭，直到工频电流过零点，电弧不再重燃完全熄灭。该方法大大降低了建弧率，实现了对建弧率的有效抑制。

[1] 易辉，崔江流.我国输电线路运行现状及防雷保护[J].高电压技术，2001，27(6)：44-45.

[2] 彭向阳，钱冠军，李鑫，等.架空输电线路跳闸故障智能诊断[J].高电压技术，2012，38(8):1965-1972.

[3] 刘刚，许彬，汪逍旻，等.考虑工频电压影响的输电线路雷击跳闸率计算方法[J].高电压技术，2013，39(6)：1481-1486.

[4] 何金良，曾嵘，陈水明.输电线路雷电防护技术研究(三)：防护措施[J].高电压技术，2009，35(12)：2917-2923.

[5] 周蜜，王建国，范璇，等.珠三角地区的土壤电阻率温度修正模型[J].高电压技术，2012，38(3)：623-631.

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

刘其良(1988-)，男，硕士研究生 研究方向高电压与绝缘技术； 邵攀屹(1988-)，男，硕士研究生，研究方向高电压与绝缘技术。