多腔室闪络限制器熄弧机理研究及试验

孙换春，杨 霞

(1.陕西省地方电力(集团)有限公司延安供电分公司，陕西延安716000；2.武汉克雷盾科技有限公司，湖北武汉430000)

近年来，随着农网持续加大投资，10 kV配电线路具有点多、面广、分散的特点，遭受雷击事故频频发生，线路跳闸、断线和绝缘子闪络事故已经严重影响输配电线路的安全稳定运行。虽然在架空配电线路上应用绝缘导线可以有效提高线路的绝缘性能，但却无法避免绝缘导线遭受雷击而断线等事故的发生。安装线路避雷器是配网线路防雷中最常见及行之有效的方法之一，但若要显著降低雷击跳闸率，需逐基杆塔均安装避雷器，配电网供电区域大，线路避雷器成本较高，难以全线安装，一般只在某些线路的易遭受雷击段有选择性的安装，导致了雷击事故还是时有发生。因氧化锌避雷器的主要元件采用氧化锌阀片，导致老化、受潮、接地、热崩溃在电网运行过程中时有发生，一直是运行维护的老难题。为了摆脱对采用氧化锌电阻片制作成的氧化锌避雷器的依赖，近年来10 kV雷击钳位保护器应用比较成功，其主要特点是不接地，损坏后不影响线路运行。钳位保护器比起氧化锌避雷器在工程应用中明显降低了整体工程造价，尤其在土壤电阻率高的地区电网有较为明显的优势，但是钳位保护器的脉冲电容寿命有一定期限，不可避免的存在弊端。针对氧化锌避雷器、钳位保护器等具有电子器件的系列防雷装置，研究应用一种无任何电子元器件的防雷装置迫在眉睫[1]。

1 多腔室闪络限制器的原理分析

10 kV多腔室闪络限制器是一种不添加氧化锌电阻片、脉冲电容器等电力电子器件的装置，该装置通过多级密封灭弧腔体的空气绝缘击穿建立电弧，同时应用电弧产生的高温高压进行短暂吹弧直至电弧熄灭，在泄放雷电流的同时不会导致继电保护装置动作，供电可靠性得到很大的提高。同时该装置具有极佳的绝缘自恢复性能，可耐受多次雷击，相比于金属氧化物避雷器运行寿命更长、更加的实现免维护[2-4]。

多腔室闪络限制器利用短间隙电弧的基础理论，结合灭弧腔体结构设计实现与线路绝缘子的绝缘配合，在线路遭受雷击过电压入侵时能够快速动作，形成闪络通道泄放雷电能量，同时通过腔体强烈的吹弧作用有效增强电弧等离子体去游离作用，可在半个工频周期(10 ms)内有效切断工频续流，恢复线路绝缘强度，保护线路正常运行。如图1所示，电极A与电极B之间形成了空气间隙时，间隙击穿后的电弧产生的高温高压气体向限制器薄弱的吹弧孔进行吹弧。

由于多腔室闪络限制器由多个间隙串联而成，多腔室闪络限制器被雷电过电压击穿后，电弧在多个腔室间隙的电极间产生，加在多腔室间隙上的工频电压会沿着电弧通道产生工频续流。而多腔室间隙可以看成是一个多重灭弧室系统，将一段长电弧切割成很多小段的电弧进行吹弧，其内部结构如图2所示。

2 多腔室闪络限制器的熄弧过程机理

本文研究的多腔室闪络限制器由31个腔体组成，如图3所示，每个气孔之间是一个完整的灭弧室，通过每个空气腔室对小电弧进行灭弧。当电弧开始在两个电极间产生时，电弧长度很短，而且在灭弧室内部燃烧，由此产生的高温会使灭弧室底部气体迅速膨胀，气压急剧增大，而灭弧室只是一端开口，气压会驱使电弧朝开口方向移动，而电弧起始点基本保持不变，电弧逐渐向外膨胀，直到电弧被吹到灭弧室之外，有效增强电弧等离子体去游离作用，实现快速熄弧，恢复线路绝缘强度。

在熄弧过程中，电弧长度的拉长使得弧道电阻增大，维持电弧燃烧的弧道压降增加，而经过多腔室间隙的串联叠加使得弧道压降增加显著，由电弧的伏安特性可知，电弧电流迅速减小，同时由于系统电源电压一定，弧道压降的增加降低了系统回路中线路部分的压降，当线路阻抗一定时，工频续流幅值也会减小。多腔室间隙的吹弧，既提高了弧道压降也降低了工频续流，使得电弧的持续燃烧变得更加困难，且弧道压降的提高使得系统不会发生短路性跳闸。多腔室闪络限制器动作放电的全过程如图4所示。

3 多腔室闪络限制器熄弧机理试验

在对试验回路中的工频电压源及冲击电压源进行试验之前，首先设定多腔室闪络限制器串联间隙的最小距离为32 mm，测试试验品遭受雷击时的雷电冲击放电电压值。对试验品逐渐增大雷电冲击电压直到试验品的串联间隙开始放电并产生电弧，此时试验品的放电电压值约为348 kV(达到峰值)。从采用工频电压源部分进行考虑，采用了150 kV的工频电压源能满足续流切断试验时施加在试验品上的工频电压要求。但因续流切断试验是由冲击电压源和工频电压源产生的合成电压，施加在多腔室闪络限制器的高压端与地之间，因此在设计试验回路方案时，必须考虑回路的合理性及安全性。额定电压越高的工频试验变压器，试验回路中运行的绝缘裕度及安全性越大，因此基于绝缘配合和容量方面的考虑，选择工频电压源时应尽可能选择额定电压高、容量大的工频试验变压器。同时对多腔室长闪络限制器的各项指标考核越苛刻严格，多腔室长闪络限制器在实际运行中就越可靠。为了验证续流通过期间及续流遮断后，试验品上施加的工频电压随工频试验变压器的短路阻抗变化之间的关系，本次试验使用的工频试验变压器短路阻抗较小[5-8]。综合上述，最后确定本次工频续流遮断试验回路的工频电压源使用150 kV/1000 kVA工频试验变压器，冲击电压源使用400 kV/180 kJ冲击电压发生器，试验回路如图5所示。

对多腔室长闪络限制器熄弧机理进行试验，试验图如图6所示。从试验结果得出，10 kV多腔室长闪络限制器在10 kV系统中遮断工频续流时间为3.0 ms；该遮断工频续流时间短暂，在开关未跳闸前可安全可靠的遮断工频续流。通过试验验证了利用空气动力学原理、短间隙电弧理论基础，采用多段串联间隙将电弧切断成若干份，通过电弧产生的高温高压进行吹弧直至电弧熄灭的原理可行。多腔室长闪络限制器的高压端与接地端残压为45.8 kV，该残压比传统的防雷装置残压值更低，对线路设备有更好的保护。

4 总结

本文通过理论分析及机理试验，研究了多腔室闪络限制器的关键工频续流遮断指标。通过搭建10 kV多腔室闪络限制器的续流遮断电气回路，并成功地对额定电压10 kV多腔室闪络限制器进行续流切断试验，验证多腔室闪络限制器在运行过程中受到雷电过电压动作时具备快速熄弧并恢复到正常运行状态的能力，可以在配电网线路中进行实际推广应用。