雷电诱导爆炸气流灭弧防雷装置原理研究与应用

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(广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 概述

电网安全关系国民经济命脉，雷害后果严重危及国民经济所有领域。据统计，南方电网的雷击事故在总事故已占总发生事故的70%以上，而且仍在持续增长中。在整个国家电网中，这个比例也在55%以上。现有的“闪络抑制”防雷方法高度依赖极不可控的雷电拦截技术、地网降阻技术与避雷器技术，造成这种局面的原因是目前电网防雷措施存在着以下难以逾越的问题：

(1)多重雷击是大概率事件：根据国际大电网委员会CIGRE的最新研究，多重雷击所占的比重高达75%，多重雷通过叠加机制使杆塔反击电位、避雷器残压叠加性升高且无法解决，现行的避雷器国家标准中尚未提出对多重雷的防护方法。(2)避雷线拦截雷击漏洞大引发巨大雷电流绕击频发问题。(3)地网电阻无法达标引发的耐雷水平达标率低的问题。(4)避雷器非线性电阻“时滞”引发的高电压问题，非线性电阻变化滞后于电流变化，带来的后果是极短时间内千安级电流通过兆欧级电阻产生一个极大的电位差，沿面放电使绝缘子表面击穿，非线性电阻阀片失去限流作用。(5)避雷器防潮层引起的阀片散热困难问题。避雷器的密封性和散热性就成了一对不可调和的矛盾。其后果导致防水层在高温时膨胀破坏，避雷器阀片因受潮而损坏。依照《GB11032-2010交流无间隙金属氧化物避雷器》标准生产的避雷器通流容量为：5kA/110kV、10kA/220kV、20kA500kV,且在半小时内遭受6次雷击或一分钟内2次雷击的情况下极有可能损坏。(6)冰冻避雷线引发的杆塔弯曲、倒塌及断线。

围绕上述难题，广西大学高电压团队经过长期开拓性研究，另辟蹊径，在国际上首创爆炸气流灭弧防雷理论，发明了爆炸气流主动灭弧技术，率先突破爆炸气流直接灭弧实现建弧抑制的关键技术难题，成功研制出适用于10kV、35kV、110kV、220kV等电压等级输电线路的爆炸灭弧防雷装置。其研究的核心成果——爆炸气流灭弧防雷间隙采用独创的“建弧抑制”防雷理念，在实际运行中取得了极为优异的效果。

2 原理

本文发明了以建弧抑制为切入点的防雷装置——爆炸气流灭弧防雷间隙(AELPG)。其运行原理是在绝缘并联间隙末端装设一种灭弧气流发生器。线路受到雷击时，通过库仑力对雷击闪络路径进行控制，使电弧优先通过专用闪络通道，允许雷击分量通过此通道释放入地的同时确保绝缘不闪络。与此同时触发灭弧能量团产生高速喷射气流，利用工频暂态电弧起始段电流极小，电弧具有易断性、易崩溃性的特点，爆炸气流能够有效地促使电弧拉长、扩散、变形、冷却、截断，最终在0.4ms左右完全熄灭后续工频电弧。由于短路电流在极小值被切除，继电保护不会动作，没有电动力破坏、热力破坏和过电压破坏。实现上述方法的关键是：

(1)雷电闪络路径控制：利用绝缘配合技术使雷击放电路径优先定位在绝缘强度较弱的专用并联间隙放电通道，将雷电能量充分导入大地，持续时间是1ms，是雷电脉冲周期的50倍。

(2)雷电诱导触发灭弧能量团：利用雷电流变化率最大点处的起点激活建弧抑制环节，截弧能量的响应时间为0.5μs，完全截断电弧并到达电弧断口的时间为87μs，建弧时间为截弧时间的104～105倍。灭弧能量来源于最早出现的雷电冲击电弧，灭弧气流的发展和积累均超前于工频暂态电弧，灭弧能量能够在工频续流电弧的发展起始点即对其形成深度抑制效果

(3)电弧断裂自崩溃：在冲击电弧发展阶段即实现深度抑制，截断电弧气流破坏了自持放电的条件，电荷密度通过截断后的复合、对流、辐射、传导作用趋零，使电弧的暂态发展过程完全失去外界能量注入，极大地提高了灭弧效率，并能够同时避免高温工频电弧的热效应和电动力效应所造成的潜在巨大危害

(4)爆炸力抑制断口重燃：爆炸的灭弧气流会在灭弧筒这一约束空间内产生高速的冲击波。在炸药质量一定的情况下，使用J.Henrych超压计算公式分析灭弧筒内的压强分布：

式中，W为炸药质量，kg；R为离爆炸点的距离，m。以距离爆炸点2cm(R=0.02m)处为例，爆炸气流产生的压强高达335.4MPa。这一压强对此处的电弧横截面可产生16858.94kg·f的冲力。

图1 灭弧筒内距离爆炸点2cm～5cm的爆炸气流压强分布

爆炸性气流作用于等离子体电弧轴向的压强计算公式如下：

图2 电弧维持力与气流爆炸力对比图

当工频电弧在5000A时，电弧横截面上的维持力为2.50kg·f，远远小于爆炸气流产生的16858.94kg·f。电弧不可能重燃，从而实现电弧全熄灭。

(5)多重雷击电弧截断：装置具有针对多重雷与工频续流的双通道截断电弧技术，两个通道互为备用。每个灭弧能量团的灭弧气流维持时间为50ms，当数个雷电脉冲处于50ms间隔内时，一个能量团即可以熄灭这若干个雷电脉冲，确保能量团利用效率的最大化，可以有效应对多个多重雷击情况。

3 灭弧防雷间隙特点

(1)科学性：采用基于电弧截断的截弧抑制理念，以雷电脉冲这一单一因素为激活信号，激活灭弧能量团气吹灭弧。可摆脱雷击强度、杆塔地网电阻、雷击方式(绕击、反击)、雷电陡度、绝缘水平等多种不可控因素的制约，使抑制效果单一可控，防雷效果由不可控因素决定的概率事件提升为可控的必然事件。

(2)有效性：建立雷击分量与灭弧机制的同步联动机制，形成灭弧与建弧的起点同步性、灭弧过程的快速性特性，通过“以快争强，以强制弱，从弱抑强”实现有效灭弧方法和对重复雷、多次回击雷引发的多次连续建弧过程的有效抑制。实现跳闸率、事故率和断线率的趋零。填补大概率叠加性雷击防护空白。实际运行中，2016年某线路曾使用灭弧防雷间隙熄灭-258.1kA的电弧电流。

(3)免维护性：省去地网电阻的测试、维护工作量；本装置的结构中没有易损件且结构稳定，维护工作量极小。此外由于具有数据链功能，可通过短信方式自动传递故障信息，实现了灭弧间隙的在线监测功能。

(4)无害性：由于本装置切断电弧的有效性，放电通道中不会出现大电流的剧烈高温放电，因此不会出现通过电场力、高温烧蚀和过电压等方式对绝缘绕组线圈、变压器和断路器的损害。为智能电网提供一种非常优良的电磁环境。

(5)经济性：由于灭弧防雷间隙摆脱了地网电阻、雷击方式与雷击强度的影响，因此可以在电网基础建设阶段节省大量投资，大量节省后续的维护费用，免除地网。

(6)绿色环保性：灭弧防雷间隙造价低，易安装，对地网电阻等不做要求；省去避雷线及避雷器配套设施的重量；杆塔瘦身，此项应用到全国可减少二氧化碳排放450万吨以上。

4 科学实验

由于爆炸气流冲击波和交流暂态电弧的相互耦合是一个非常复杂的过程，理论框架由传统的电路原理拓展到等离子物理、爆炸力学、流体力学、电磁场理论等多学科交叉，原理的复杂程度巨大，仅仅通过理论描述并不能对灭弧过程的各项参量进行具体解析，故必须通过软件仿真模拟和试验验证的方法多其过程进行直观具体的分析。本文通过流体力学的方法对爆炸气流灭弧全过程进行数值模拟，用有限元分析软件ansys14.0模拟仿真在理想情况下电弧被高速气流开断的过程；以及研制爆炸气流灭弧防雷间隙样机，并在西安高压电器研究院进行了1kA、5kA、10.8kA的大电流灭弧试验，成功熄灭了10.8kA工频电弧。这两者验证了“工频暂态电弧深度抑制”的灭弧防雷新思想的科学性。

4.1 灭弧过程仿真分析

对于本文中所提到的灭弧防雷间隙研究的关键就是：当雷电流流过防雷间隙的时刻，通过雷电流来感应触发的爆炸灭弧气体的流体速度是否足以熄灭间隙上的续流工频电弧，以达到灭弧防雷的效果。鉴于此，本文对灭弧气体喷射全过程以ANSYS AUTODYN为平台进行了数值仿真，对有无电弧影响下爆炸过程中气体的高斯点速度曲线、能量曲线及压力曲线进行了分析比较，得出了爆炸气流灭弧防雷的可行性。

本文将电弧等同视为流体，而且其中气流耦合电弧的状态相关的重要参数包括温度、速度、压力，所以用流体力学对整个灭弧过程进行建模和仿真模拟，同时得出多个参量并进行分析。仿真模拟的过程大致如下：(1)通过建模模拟得出灭胡筒内爆炸气流与工频续流电弧的耦合作用以及复杂流场中关键监视点的速度变化和问对变化，从流体流动参量方面进行分析论证；(2)从炸药爆炸开始，测定电极上的压力分布；(3)爆炸冲击波在陶瓷灭弧筒内的压力随时间变化曲线与筒口处的冲击波压力随时间变化曲线。

图3 高斯点处的压力曲线图

从假设电弧影响下的爆轰仿真的动能响应可以看出，在暂态电弧刚刚发展的起始阶段TNT炸药的动能远大于电弧的动能，可以轻易的湮灭电弧的能量。从压力云图也可以清晰看出爆炸过程中陶瓷筒内的压力变化过程:从电弧开始产生到电弧触发炸药爆炸，再到爆炸气流与电弧的竞争，最后到爆炸气流冲出灭弧圆筒把电弧灭掉，整个过程可以清晰的从压力云图上看到。在爆炸气流与电弧的交界处，压力非常大,可以达到几十MPa。电弧的截断时间可以从图上看出在0.087ms左右。

图4 能量效应

图5 动能效应

图6 爆炸过程中不同时刻的结果压力云图

4.2 试验验证

雷电脉冲既是建弧的诱因，又是截断电弧的触发信号，触发信号利用雷电陡度实现。爆炸气流灭弧装置安装在输电线路上，与线路绝缘子并联放置。当线路遭受雷击使绝缘子串两端电场达到其绝缘临界值时，灭弧间隙通过绝缘配合技术将电弧通道控制在其电极两端。当电流流过灭弧间隙时，信号采集装置自动采集信号并启动强气流约束空间主动灭弧单元对电弧根部实行强力截断，在继电保护动作前将电弧在极早脆弱期熄灭。

由于本课题组的试验条件有限，为了检验爆炸气流对电弧的作用及灭弧防雷装置的实际效果，本文到西高所进行了1kA，5.2kA，10.8 kA大电流熄灭电弧试验，装置试验连接图如图7所示。

图7 大电流灭弧试验回路连接示意图

试验过程中，我们分别架设普通摄像机与高速摄像机全称记录电弧从形成到爆炸气流产生以及作用于工频暂态电弧的过程。试验中用短路熔丝短接灭弧间隙装置的上下电极，仅留一个短间隙。待试验设备全部连接完毕，对变压器进行调节，同时打开电源进行调压和变压直到间隙被击穿，引弧熔丝燃烧融化，形成暂态电弧。与此同时，爆炸气流灭弧装置触发产生高速喷射性气流将尚处于极早脆弱期的电弧湮灭。下图分别为用普通摄像机和高速摄像机所拍摄的灭弧装置熄灭电弧过程。

由图9(B)所知，断路器合闸瞬间产生暂态电弧(形状较细，蓝白色)，与此同时装置被暂态电弧触发喷射高速气流(形状较粗，红色)。图9(H)可知，最终间隙电弧因为绝缘恢复强度大于击穿恢复电压，能量供给被切断而迅速熄灭。高速气流印证了暂态电弧深度抑制理论的科学性，验证了装置能够在0.8ms内熄灭10.8kA的工频电弧，满足实际工程需要。

为了证明爆炸气流灭弧防雷间隙装置“以快制强”的优势，到西高所进行短路电流值为10.8kA灭弧试验，试验前后波形如图10、图11所示。

图8 普通摄像机拍摄的电弧熄灭的过程

由图10可知，试验前试验回路调试短路电流值为10.8kA，而在试验回路安装喷射气流灭弧防雷装置后，进行同样短路试验得到的波形如图11所示，没有采集到短路电流波形。西安高压电器研究院所出示结论为：由于喷射气流灭弧防雷间隙反应太快，短路电流为安培级，未采集到短路电流波形，判定成功灭弧。

爆炸气流灭弧防雷间隙装置在广西电力科学研究院进行的灭弧气丸响应时间测试结果显示(图12)：灭弧气丸响应时间为0.2ms,而在实际情况中，由于雷电脉冲幅值要远大于实验室所用雷电模拟脉冲，所以实际的灭弧响应时间比实验室测试值0.2ms要小。图12中，黄色为触发脉冲，蓝色为产生气流时刻，响应时间约：0.2ms。

5 运行效果

针对雷害多发地区，我们选取了雷击发生率高的典型线路安装灭弧防雷间隙以验证其防雷可靠性。

5.1 线路雷击情况

某沿海线路位于滨海，属台风登陆高发地带，是多雷、强雷地区，年雷暴日平均达124日。线路处于海面均匀雷云电池(3000kV/m)向地面极不均匀电场(500kV/m)转变节点，释放大量雷电能量，导致雷击强度大，频率高，远超线路耐雷水平。且雷击多为低空雷，从导线侧面袭击，避雷线对导线无遮挡作用，绕击率极高，这也给输电线路的防雷保护增加了困难。

图9 高速摄像机拍摄的图片

图10 试验前短路电流波形

5.2 灭弧防雷间隙运行情况

由于传统防雷措施在多年应用中的防雷效果不理想，2013年12月该线路进行防雷改造，安装了喷射气流灭弧防雷间隙。灭弧防雷间隙多次成功动作，喷射气流灭弧防雷间隙的可靠性和有效性得到了充分验证。根据雷电定位数据显示，2014年雷电高发季节有多天发生了强雷暴天气，部分统计如表1。在灭弧防雷间隙正常工作保护小，线路未发生雷害事故。

图11 试验时短路电流波形

图12 装置响应时间测试结果(广西电力科学研究院)

图13 安装灭弧防雷间隙后的某沿海线

日期遭雷击次数超过耐雷水平次数最大幅值防雷效果6月5日100次11次-176.2kA成功防护6月6日75次8次-124.8kA成功防护7月6日56次5次-278.2kA成功防护7月9日60次13次-167.9kA成功防护8月7日70次10次-186.8kA成功防护8月21日115次41次-249.4kA成功防护

6月6日发生了75次雷击，仅05:47:08开始的半分钟内就发生了12次密集落雷，在灭弧防雷间隙装置的保护下，没有发生跳闸事件。

图14 某沿海线雷电定位仪数据(14年6月6日)

2014年7月9日05:23:48.2382时，线路68#杆塔遭受雷击，雷电流幅值为-167.9kA。落雷后B相灭弧间隙动作并成功灭弧，线路未发生跳闸。2014年7月9日05:23:48.3666时，线路69#杆塔遭受雷击，雷电流幅值为-71.1kA。落雷后C相灭弧间隙动作并成功灭弧，线路未发生跳闸。

图15 某沿海线雷电定位仪数据(14年7月9日)

2016年6月09日03:03:23.4795时，线路仅在短短两个小时的落雷密度与强度巨大。落雷后灭弧间隙动作并成功灭弧，线路未发生跳闸。

综上所述，爆炸气流灭弧防雷间隙装置能够大幅度降低输电线路的雷击跳闸率和建弧率。摆脱原有低效、高投资粗犷型防雷，转变为高效精准型防雷，大幅提高防雷性价比。实现所有雷击工况无死角全覆盖，使得雷击性能和指标大幅度提升，使防雷效果与雷击强度、雷击类型、雷击部位和雷击方式无关。

6 结论

(1)爆炸气流灭弧防雷间隙装置能够吸引雷电电磁脉冲触发装置中的灭弧能量团，雷电诱导同步激活强大、快速、不对称的灭弧能量团。在工频电弧弱小、脆弱期熄灭电弧，在建弧起始点附近中断建弧过程，实现对电弧的主动、初期、高效抑制。

(2)利用AUTODYN和fluent有限元分析软件对爆炸气流和暂态电弧进行耦合分析，并具体演示分析在理想情况下建弧早期极脆弱的暂态电弧被高速爆炸气流截断的过程。结果表明，爆炸齐鲁对电弧强烈的对流散热效果使电弧在极早期被熄灭。

(3)在实验室内模拟灭弧间隙实际运行条件，进行多次爆炸气流熄灭电弧试验，验证理论与仿真的正确性，得出爆炸气流响应时间、气流速度与电弧熄灭时间，验证了灭弧过程具有快速性；同时分别用普通摄像机与高速摄像机拍摄试验过程进行分析，验证了爆炸气流截断电弧的有效性。

(4)通过绝缘配合技术控制雷击在间隙闪络，使电弧不会伤及绝缘子串，在维持线路原有绝缘水平的基础上是的耐雷水平提高10倍以上。