主动式冲击气流熄灭电弧装置介绍及试验研究

李心如,王巨丰

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

由雷击造成的断路器跳闸、输电线路断线等事故频发，给电力系统安全稳定运行带来了影响，因此，对于雷电的防护不容小觑。尤其是我国南部地区雷雨天气频繁，雷暴日多。根据统计显示，广西 2013 年上半年，110kV及以上输电线路共发生雷击跳闸374起，占总跳闸事故数的 73.2%[1-2]。一旦雷击跳闸率增高，将影响电力安全的运行和国民经济的稳定。

目前，我国的防雷体系主要有两种，一种为阻塞型防雷方式，另一种为疏导型防雷方式[3]。由于雷电击中线路时，线路易产生过电压，在绝缘子处发生闪络，由冲击闪络变为工频电压，因此，造成电力系统中线路跳闸，甚至设备损坏。由于阻塞型防雷方式比较传统，主要是安装避雷针、避雷线、耦合地线，降低杆塔接地电阻、提高线路绝缘水平、安装避雷器等方式[4]，而疏导型防雷方式是利用并联间隙保护线路。

这两种方式各有利弊，阻塞型防雷方式应用于各个方面，在一定程度上防止雷击导致线路跳闸，但在极端天气条件下，避雷线易被损毁，尤其在冰雪天气，覆冰线路易断裂；有些地区电压等级较高，并不适合安装避雷线；土壤中的化学物质长时间将对接地线路造成损坏，避雷器的保护范围有限等等。疏导型防雷方式国外早有研究，我国研究起步较晚，对于利用并联间隙保护绝缘子使其不发生闪络来说，关键在于延长并联间隙的使用寿命，提高并联间隙两端电极的利用率，所以如何使并联间隙在经过多次雷电击中后，不发生损毁成了防雷方面的难题。

并联间隙没有灭弧的能力，是一种以提高线路跳闸率来换取线路安全的手段。由于普通的并联间隙没有主动熄灭闪络电弧的能力，当雷电流击中间隙时，线路发生跳闸，只有重新启动自动重合闸装置才能保证电力的供应。这对多重雷击的情况是致命的，根据国内外对雷电观测数据研究，70%的地面落雷具有重复性，其重复回击次数在2～20次以上，平均回击次数达3～4次，时间间隔为15ms～500ms，平均大概在30ms～40ms[5]。叠加性的雷击极易使得并联间隙失效。

针对现有技术瓶颈，提出了一种主动式冲击气流熄灭电弧等离子体的方法。主动式冲击气流熄灭电弧等离子体方法就是利用自身气体作用于电弧并使其熄灭，也称为气体灭弧技术。利用该技术解决并联间隙无法灭弧的难题，研制出一种主动式冲击气流熄灭电弧的防雷装置。能够迅速截断间隙两端的电弧，保护绝缘子串免受电弧灼烧，防止事故的发生。

本文论述了该装置结构及主动灭弧原理、过程，并通过灭弧试验对高速气流作用于电弧并熄灭和抑制电弧过程进行详细的研究分析。

2 主动式冲击气流熄灭电弧装置

2.1 装置介绍

2.1.1 安装方式

该装置并列安装于绝缘子两端，保持一段距离，其底端于高压端相接，上端与空气间隙形成一定间距，在安装过程中主要调整间隙长度以及该装置与绝缘子之间的距离，以达到最佳绝缘配合比，确保雷电弧的行程路径是先击穿在冲击气流装置与空气之间，保护绝缘子，降低线路跳闸率。

2.1.2 主体结构

该装置包括石墨电极、多个冲击电弧通道、主体以及裙边结构组成，见图1所示。石墨电极与上端线路有一定距离的空气间隙，由于其两端绝缘程度小于绝缘子绝缘程度，同时，石墨电极具有良好的导电性，电弧会优先通过空气以及该装置内部冲击气流通道，起到优先引弧作用。主体内部由多个冲击电弧通道呈螺旋型结构排列，具体排列方式如图2所示。单个通道顶端镶嵌一个金属电极，起到引弧作用，其内部结构入口粗，出口细，增加管道内壁面部，增大与电弧的接触面积。设置裙边主要是增强爬电距离，避免电弧沿面放电。主体以及多个管道是由高强度、强耐压的非导电材料构成。

图1 主动式冲击气流灭弧装置

2.1.3 动作原理

将刚刚进入管道入口处的电弧称为入口电弧，入口电弧通过金属电极进入第一层管道内部，收到管道的狭管灌注作用，受到狭管灌注的入口电弧由于弧柱直径变小，导致整个电弧导电横截面积变小、电弧密度增大、电弧中心温度升高、速度增大，管内压力急剧上升；电弧冲击管壁发生弹性碰撞，部分电弧反弹，形成出口电弧，方向与入口电弧相反。

此时，入口电弧与出口电弧形成的压强、温度、密度叠加，使得管内压强成配属增加。最后，入口电弧与出口电弧形成内外压强差、温度差、密度差以及速度差，使得叠加后的电弧能量削弱，同时，出口电弧阻碍入口电弧的进入，在管道入口处形成电弧大尺度断口，破坏电弧连续性，加速电弧熄灭；同时，形成的空腔效应，加速入口电弧的截断。

2.2 工作原理

电弧等离子体等在管内发生弹性形变。电弧由管道外口进入内部时，物理形状发生改变，由粗电弧变成了极细的电弧，径向压力转成了轴向压力，由于狭管反冲效应，在电弧反冲时喷出速度会加快。

电弧的温度急剧增加。电弧变细后，电弧横截面积变小，根据公式r=ρl/S可知，电弧电阻将大幅度上升。由于雷电弧在实际经验工作中常作为恒流源，尽管冲击时间仅有几微秒，但整体能量会增加，管道内敛性温度会升高。

电弧能量流失的三种方式为辐射、对流、传导，由于半封闭管道在底端封堵的情况下，巨大的电弧能量进入窄小的管道内得不到释放，对电弧起到了阻断的作用，只会产热，不会散热，因此，会产生阶梯式的温升效果，管内温度持续升高。

管道内压爆效应急剧增加。当管道内温度逐步升高使得电弧积累性的增加，又进一步加剧了压爆效应，使得电弧喷射力度更大。

大量电弧喷射出的强气流越大，则熄灭电弧能力越强。因此冲击气流在工频续流早期截断就抑制电弧的发展，降低了线路雷击跳闸率，同时保证了不停电。

3 实验证明

为了验证这种灭弧方式的实际作用效果，本节将通过设计合理的实验方案和搭建有效的实验回路，并借助高速摄像机和示波器等测试工具，模拟记录雷击大电流条件下这种灭弧结构中冲击电弧及工频续流电弧的发展变化效果。

3.1 试验设备

利用实验室的冲击电流发生器及控制台完成，如图2所示。冲击电流发生器的主要作用之一是对回路参数进行控制，从而达到调整参数、波形的目的，通过改变电压值，使电流幅值随之改变。需要电流参数为波形 8μs/20μs，幅值20kA。再利用CCD高速摄像机及数字示波器采集记录了自能式灭弧间隙的动作过程及电弧电压变化波形，据此以分析冲击电弧及工频续流电弧的变化过程及规律。

T—充电变压器，D—硅堆，C—并联总电容，r—保护电阻，G—点火球隙，L，R—电感值及电阻值(包括电容器、回路线、分流器、试品以及外加电感电阻等部分在内)，O—试品，S—分流器，C1，C2—分压器，DSO—数字示波器

3.2 试验过程

利用冲击电流发生器以整流电压作为充电电源，在运行时，电容器组首先达到由整流器充电而获得的必需电压，进而产生的触发脉冲将击穿点火球隙 G，此时，电容器组就将沿着回路电感、电阻及试品完成放电。

3.3 试验结果及分析

图3为高速摄像机不同时刻拍摄下的电弧熄灭情况。可以看出，冲击电弧进入灭弧间隙后50μs内，电弧发展路径受限，电弧出现弯曲转折，光亮强度明显；当灭弧时间在150μs时，管道处有较高的轴向压力，弧柱体积减小；在300μs时，电弧断裂，弧柱被纵吹气流吹灭；在500μs之后，纵吹气流将逐渐完全耦合间隙中的工频电弧，工频电弧在经历了极其短暂的暂态发展后迅速进入衰减期。该实验也证明主动式冲击气流灭弧装置的有效性。

图3 不同时刻电弧熄灭情况

4 结论

首先对主动式冲击气流熄灭电弧装置的安装方式、结构、动作原理做了介绍，然后以冲击大电流实验验证了其装置灭弧的有效性，为后续装置的实验及仿真研究提供了基础。