气体灭弧防雷间隙安全性能分析

李继强，王成全，徐国强，刘宗杰，许 浩，王巨丰

（1．国网济宁供电公司，山东 济宁 272111；2．南宁超伏电气科技有限公司，广西 南宁 530004）

0 引 言

目前，防雷存在着多重雷击防护空白区，在发生概率高达80%多重雷击条件下，耐雷水平有所降低，导致雷击跳闸率升高[1]。现有的“阻塞型”防雷和“疏导型”防雷对多重雷击的防护能力有限。其中“阻塞型”防雷中的固体阀片在多重雷击下通流能力降低，同时引发热击穿硬短路，引发继发性事故[2]。而“疏导型”防雷中并联间隙主要是通过断路器来切断事故，在多重雷击下会引起断路器频繁动作最终引发事故[3]。所以，现有的雷电防护措施在多重雷击下其安全性能需要加强。

由于多重雷击的叠加效应，高土壤电阻率地区反击耐雷水平欠账严重，使得多重雷击导致线路跳闸的概率长期居高不下，达60%以上[4]。

针对多重雷击防护问题，研制了一种气体灭弧防雷方法。该方法在传承并联间隙结构简单便宜、抑制过电压能力强及没有“硬短路”安全性问题的基础上增加气体灭弧功能，在雷电冲击阶段诱导触发产生喷射气流作用于工频续流电弧的及早阶段并在短时间内熄灭工频电弧，由于其灭弧时间远小于断路器动作时间，实现雷击不跳闸[5]。

本文首先理论分析气体灭弧防雷间隙的安全性能；其次对气体灭弧防雷间隙进行实验，验证其熄灭工频电弧的能力；最后根据现场运行数据分析气体灭弧的防护效果和安全性。

1 安全性能分析

区别于传统防雷技术，灭弧防雷间隙避开了“阻塞型”理念中与雷电“硬碰硬”的方法，将重点放在了“疏导”雷电能量后的工频电弧熄灭过程，其利用灭弧防雷间隙与被保护绝缘子的绝缘配合，首先将雷电能量通过间隙放电疏导至大地，然后在随后的工频续流发展过程中快速熄灭工频电弧，抑制工频能量的发展，并保证在线路跳之前将工频电弧熄灭[6]。

雷电冲击与气体灭弧构成因果关系，即来一个毫秒级雷电冲击脉冲使间隙放电，便触发一次灭弧气体；而在微秒级的雷电冲击中，由于一次灭弧气体作用时间可以持续10 ms 左右，所以在多个微秒级雷电冲击中触发一次灭弧气体即可。前者对应的是“一对一”灭弧过程，后者对应“一对多”灭弧过程[7]。

气体灭弧防雷最严峻的问题是不能正确触发气体动作，但由于整体结构并联于绝缘子两端，在最严峻条件下，气体灭弧防护能够充当并联间隙的作用，对雷电冲击能量进行“疏导”，保护绝缘子。

2 模拟仿真分析

2.1 仿真模型

电弧的开断由电场、磁场等物理场的相互耦合形成。本文采用描述电弧特性的麦叶尔（Mayr）模型[8]，假设：（1）电弧的主体为一直径不变的圆柱体，其温度由内而外逐渐降低；（2）不考虑正反电极的散热作用，把弧柱的电压占比认为电弧整体电压；（3）忽 略热对流作用，仅考虑弧柱的热传导和少量辐射作用，且能量散失假设为常数；（4）电弧中气体的热物理性质与其温度无关；（5）电弧主体中的热电离过程，依据沙哈方程给出。于是，电弧模型方程为：

将Mayr 电弧模型转化成如下形式：

其中，g 为电弧电导；uarc为电弧电压；iarc为电弧电流；Ploss为单位弧长的功率损失；θ 为电弧时间常数；C 为电弧电导g 的初始值。在电磁暂态分析软件PSCAD 中建立电弧电压uarc和电弧电流iarc控制可控电阻Rarc的电弧模型，如图1 所示。

图1 Mayr 电弧模型

通过PSCAD 的开关元件和Mayr 模型模拟电弧开断过程，杆塔采用分布参数波阻抗模型[9]。

2.2 过电压分析

应用建立的灭弧防雷间隙模型对线路进行仿真分析[10]，因在电弧开断过程中高次谐波较多，故选用其频率相关模型，线路平均高度为10 m，土壤电阻率为1 000 Ω·m，杆塔电感为0.42 μH/m。

分别针对单相接地短路和三相短路情况进行仿真。图2 为线路发生单相接地短路的电压波形，假设线路c在100 ms 时刻雷击时间隙击穿放电且气体灭弧动作无延迟，雷电冲击能量由于间隙放电被泄放入地，单相接地电流为15.7 A，在经过5 ms 的电压置零时间后，短时电压波动且伴随A、C 相电压上升，其中A 相电压最大值为45.6 kV，B 相最大值为48.5 kV，经过 12 ms 后电压恢复正常。

图2 单相接地短路电压波形

图3 为线路在0.1 s内发生三相短路的电压波形，A、B、C 三相最大电流幅值分别为1.47 kA、0.814 kA 及0.834 kA，灭弧装置三相同时动作，在经过11 ms 的电压置零时间后，B、C 两相出现的短时过电压幅值分别为52.1 kV 和-44.6 kV，经过19 ms 后电压恢复正常。

图3 三相短路电压波形

在输电线路中继电保护系统反应的时间为60 ～ 80 ms[11]，应用气体灭弧装置在经过12 ms、19 ms 后即可切除单相接地短路和三相短路故障，可有效防止线路跳闸。雷电波持续时间为2 ms，发生单相和三相故障时的电压置零时间分别为5 ms、11 ms，确保雷电流泄放入地所需时间充足。

3 实验结果分析

为了验证气体灭弧防雷间隙的有效性性能，建立工频大电弧实验平台，如图4 所示。图4 中，AC 为工频交流电源；TM 为调压变压器；T 为升压试验变压器；R0为限流电阻；R1、R2为测量电阻（1 Ω）；DSO 为数字示波器；DC 为直流电源；K 为断路器；QX 为保护球隙；MH 为装置；RS 为引弧熔丝；C 为摄像机；虚线框为触发回路。

利用引弧熔丝将气体灭弧间隙短路，以确保工频续流能够顺势产生[12-13]。预期工频电弧设置为 10.8 kA，继电保护动作时间设置为0.1 s。

图4 实验平台示意图

使用摄像机拍摄气体灭弧防雷间隙装置对工频电弧截断并熄灭的过程，如图5 所示。

由图5（b）可知，接通电流后，装置迅速反应动作。图5（c）电弧被装置动作所产生的高速气流拉伸，图5（d）高速气流作用下产生截断断口，由于受到辐射对流传导等导致能量补给缺失，电弧无法持续增长，此时的气流充满整个灭弧通道，电弧截断断口将继续受到气流作用。由图5（e）可知，电弧断口明显，其等离子体完全失去能量补给，图5（f）中电弧开始熄灭，至图5（g）中电弧弱化，最终图5（h）中完全熄灭，没有产生电弧重燃。实验表明，气体灭弧防雷间隙能够在继电保护动作前切断10.8 kA 工频续流电弧。

4 挂网运行情况

目前，气体灭弧防雷系列产品已应用于国网、南网及中石化炼油厂的雷击高发线路，在云南等地输电线路，多重雷击防护效果明显，大幅降低雷击事故率，保障电力系统及用户用电安全。

4.1 北海某110 kV 线路应用

北海某110 kV 线路地处台风登陆高发区域，伴随多重雷击和强烈雷击，该地年平均雷暴日可达全年的1/3，由雷击引发的输电线路跳闸事故时常发生，该线路在改造前年均雷击跳闸总数5 次。

图5 普通摄像机拍摄电弧熄灭全过程

2013 年12 月对该线路进行防雷改造，安装了气体灭弧防雷间隙。雷电监测定位系统的数据如表1所示。自2016 年4 月初至2016 年8 月底，该线路附近供落雷1 200 余次，超过耐雷水平128 次，多重回击189 次。2016 年6 月11 日01:52:56.317 2 时，于64#-65#杆塔成功防护了雷电流幅值为-363.0 kA 的1 次回击，同日02:35:00.184 0 时，于19#-20#杆塔成功防护了雷电流幅值为-215.7 kA 的8 次回击，线路均未跳闸。

表1 北海某110 kV 线路雷电监测信息

4.2 南宁某110 kV 线路应用

南宁某110 kV 线路输电走廊分布在高土壤电阻率的山区，由于土壤电阻率高的客观因素导致雷击杆塔时产生的雷电过电压较大而造成线路反击，引起线路跳闸。由以往数据查询可知，该地年平均雷暴日可达全年的1/4，并逐年增加。由于高土壤电阻率地区降低接地电阻未达设计要求，导致线路的防雷水平不达标，雷击跳闸事故频发。

2014 年3 月全线安装了气体灭弧防雷间隙。后经雷电定位系统查询可知，在4 月1 日至8 月30 日时间范围内，线路附近共落雷500 余次，其中超过耐雷水平203 次，多重雷击74 次（雷电流幅值超过100 kA 的雷击共有4 次，其中最大雷电流幅值为-199.3 kA）。 灭弧防雷间隙安装后至今，没有发生跳闸情况。

2014 年8 月11 日超过实际耐雷水平的雷击有13次，如表2 所示，雷电流幅值超过100 kA 的就有2 次，最大雷电流幅值为-199.3 kA，在灭弧防雷间隙保护下，未发生跳闸事件。

表2 南宁某110 kV 线路雷电监测信息

5 结 论

理论分析表明，气体灭弧防雷间隙在雷电冲击时击穿放电，泄放能量入地，避免绝缘子闪络，且能够在断路器动作前切断工频续流电弧，避免线路因雷击跳闸。实验结果表明，气体灭弧防雷间隙在继电保护动作前能够熄灭10.8 kA 的工频续流电弧，避免线路不跳闸。挂网运行数据表明，在实际情况下，实现对多重雷击防护，充分验证其有效安全，确保输电线路不跳闸。