反冲压缩灭弧防雷装置原理及挂网运行

陆立夫

（云南电网有限责任公司西双版纳景洪供电局，云南 景洪 666100）

0 前言

目前，对电力系统稳定性要求越来越高。配网作为电网中与用户直接联系的输电线路，具有分布范围广、绝缘水平低等特点，极易发生雷击跳闸事故。电网故障分类统计表明，在配电线路运行的总跳闸次数中，雷击引起的跳闸次数约占总跳闸次数 70%～80%[1]。雷电灾害严重影响着供电的可靠性和用户的用电质量。如何降低甚至消除雷电灾害对于配电网的影响是一个亟待解决的问题。

目前应用在配网线路上面的防雷装置有避雷器、多腔室避雷器等。

避雷器是目前广泛运用于线路中防雷装置。避雷器与绝缘子并联，限制绝缘子两端电位差，以实现雷击不闪络。当避雷器承受雷击过电压作用时，阀片积累的热量来不及向周围传递，过热点与周围温度梯度在阀片内部产生较大的热应力，导致阀片破裂或损伤积累，最终导致避雷器损坏[2]。

多腔室避雷器，整个灭弧管道上紧密排列着一系列有特定长度的小孔灭弧室，每个小孔灭弧室两端有一对电极。电弧进入灭弧室，由于热膨胀，形成一定压力气流沿着狭窄的小孔将电弧横向喷射出去[3]。实际运行情况表明多腔室避雷器具有一定的防雷效果。但是多腔室避雷器灭弧室中电极的距离很近，电弧被分成很多小段，电弧能量降低，导致喷射出的灭弧气流速度和压力不大，灭弧能力有限。

近年来广西高压团队研发的一种气体灭弧防雷装置——反冲压缩灭弧防雷装置。反冲压缩灭弧防雷装置挂网运行效果良好，有效的解决了10 kV配网线路雷击导致的跳闸问题。其优良的防雷效果对于10 kV配网防雷具有重要的意义。

1 装置灭弧防雷原理

1.1 装置结构

如图1所示为反冲压缩灭弧防雷装置。反冲压缩防雷装置主要由两部分组成，即反冲部分和压缩部分。

图1 反冲压缩灭弧防雷装置

1.2 反冲灭弧原理

电弧进入反冲管，受到机械压缩和自磁压缩，电弧变得更细，能量变得更高，管内和管外形成温度和压力差，产生高速气流持续作用于电弧[4-5]。

图2 压缩电弧示意图

利用冲击电流发生器产生的冲击电流来模拟雷电流。图3是冲击电流发生器的等效电路。

图3 冲击电流发生器等效电路图

冲击电流发生器为RLC充放电电路，其工作在欠阻尼状态，即。对电容充电，减小球隙直至球隙被击穿，球隙被击穿后电容中储存的电荷通过电感L和电阻R放电，形成了冲击电流[6]。如图4所示，为冲击电流发生器对地放电电流波形，电流峰值IPmax=66.95 kA，波前时间T1=3.620μs，半峰值时间T2=10.224μs。

图4 没有经过衰减的冲击电流波形

如图5所示为，反冲试验示意图。反冲管安装在冲击电流发生器的放电回路，通过引弧丝将冲击电流引入反冲管，反冲管通过反冲作用对冲击电流能量释放，达到对冲击电流的衰减作用。

图5 反冲试验示意图

在反冲管反冲作用下，冲击电流发生了很大程度的衰减，衰减后的冲击电流峰值IPmax=35.10 kA，波前时间T1=8.470μs，半峰值时间T2=25.200μs。如图6所示为反冲作用下的冲击电流波形。

表1 反冲前后冲击电流对比

图6 反冲作用下的冲击电流波形

从表1我们可以看出，经过反冲作用后的冲击电流在峰值电流大幅减小，波前时间和半峰值时间都有所增加，陡度出现大幅度降低。

1.3 压缩灭弧原理

如图7所示，为压缩灭弧单元示意图。

图7 压缩灭弧单元示意图

下面对一维弧柱自磁压缩的现象进行定量分析。首先写出其力学平衡方程：

式中，P为大气压，jz为轴向电流密度，Bφ为弧柱自磁场的磁场强度，它总是指向切线方向，而jzBφ代表洛伦兹力。方程的物理意义为：弧柱中的洛伦兹力将由压力梯度来平衡。由于洛伦兹力是向心的，从式（1）可以得出，弧柱中心压力必然高于其他地方的压力。

由于弧柱是对称的，因此可以由安培环路定律得到磁场强度和电流的关系：

式中，μ0为真空磁导率，ΣI为闭路l中所有电流的代数和。如把l取为半径为r的圆，则B和dl具有相同的方向，且|B|=Bφ，在圆周上保持为常量。所以，式（2）就可以简化为以下的表达式：

将式（3）代入式（1）中，得到：

对式（4）积分有：

由以上各式可以得到电弧向内最大的收缩力：

由式（6）可以看出，电弧向内最大的收缩力与电流的平方成正比，与压缩管的半径的平方成反比。自由电弧从外部进入灭弧细管时，其体积受到约束，产生压缩，弧柱半径变小，致使自磁收缩压力大幅上升，再度受到自身压力的压缩[7]。另一方面，压缩电弧会产生极大温升，管内高温高压态和管外常温常压形成巨大温度差，必然使得电弧沿断口由内向外冲击而出[8]。内电弧和外电弧之间形成高速气流作用于电弧，使电弧熄灭。

压缩气体灭弧原理可以总结为：①冲击电弧进入压缩通道，由于机械压缩和自磁压缩，电弧严重变细，在雷电流的作用下压缩电弧段吸收功率变大，产热量和温度瞬间增加。②压缩段电弧温度和密度高于非压缩段，造成温度和密度不平衡，形成从压缩段向非压缩段爆炸性膨胀喷射气流作用于电弧。③整体结构由多个压缩通道构成，通过空间位置的排布形成了多个拐点，气流在拐点处作用于电弧使得电弧的断裂[9]。

反冲压缩灭弧防雷装置是一种组合式灭弧防雷装置。其将反冲灭弧和压缩灭弧结合起来，反冲部分起到对雷电能量释放，对雷电流进行衰减，使得进入压缩部分的雷电流能量减小。经过衰减了的雷电流电弧进入压缩部分被分成很多小段，电弧受到机械压缩和自磁压缩，形成高速气流在电弧拐点处作用于电弧，从而使得电弧熄灭。同时气流的时间大于电弧熄灭的时间，从而避免了电弧的重燃。

2 挂网运行

2.1 雷击跳闸情况

该装置已在多条线路挂网运行。本文以云南省某县10 kV配网线路为例分析反冲压缩灭弧防雷装置的挂网运行效果。云南省地处云贵高原，海拔较高，地形以山地为主，气候条件复杂多样，受亚热带季风气候的影响，降雨充沛且雷电天气高发，雷电活动高于全国平均水平，属于多雷区和强雷区[10-11]。雷击导致的配网跳闸占了配网跳闸总数的80%以上。雷电灾害严重影响着配电网的稳定性和用户用电的可靠性。

2020年在云南省某线雷击跳闸率比较高的几条线路上安装了反冲压缩灭弧防雷装置。如图8所示，为反冲压缩灭弧防雷装置安装示意图。

图8 反冲压缩灭弧防雷装置安装图

为了避免装置喷出的电弧灼伤导线和绝缘子，装置在安装的时候，安装装置的横担与导线之间会有一定的角度，如图9所示。

图9 反冲压缩灭弧防雷间隙安装位置示意图

下面就安装反冲压缩灭弧防雷装置前后线路的运行情况进行分析。

安装反冲压缩灭弧防雷装置的线路都是雷击跳闸率很高的几条线路，据统计这几条线路在2018年累计跳闸56次，2019年累计跳闸49次。安装反冲压缩灭弧防雷装置后，2020年全年没有发生雷击跳闸事故。

如表2所示，为安装反冲压缩灭弧防雷装置线路运行效果总表。

表2 安装反冲压缩灭弧防雷装置线路运行效果总表

安装有反冲压缩灭弧防雷间隙的线路，在2020年全年遭受的直击雷个数多、直击雷强度大。在安装反冲压缩灭弧防雷装置的线路和杆塔及其临近线路、杆塔和变压器2018-2019年的雷击故障比较多，多为雷击导致的避雷器击穿和脱落。

安装反冲压缩灭弧防雷装置后，安装有反冲压缩灭弧防雷装置所在的线路和杆塔没有发生雷击事故。在安装反冲压缩灭弧防雷装置所在的线路临近的一些线路、杆塔和变压器发生较多的雷击事故。

2.2 导线灼伤及反冲压缩灭弧防雷装置脱落

巡线过程中对装有反冲压缩灭弧防雷装置的杆塔进行登杆检查，未发现安装的反冲压缩灭弧防雷装置有脱落情况，未发现安装反冲压缩灭弧防雷装置附近的裸导线、绝缘导线和绝缘子有灼烧情况。

挂网运行情况表明，安装有反冲压缩灭弧防雷装置的线路间隔没有发生雷击跳闸和单相接地，没有发生雷击断线和导线电弧灼伤，没有发生反冲压缩灭弧防雷装置因雷击损坏、破裂和坠落事件，反冲压缩灭弧防雷装置有效解决了10 kV线路雷击防护问题。

3 结束语

本文对一种新型线路防雷装置——反冲压缩灭弧防雷装置原理和挂网运行情况进行分析。反冲压缩灭弧防雷装置是一种将反冲灭弧和压缩灭弧结合起来的组合灭弧防雷装置。

从2020年安装有防雷间隙的线路附近雷电数据和安装有防雷间隙的线路雷击事故来看，反冲压缩灭弧防雷间隙运行和防雷效果良好，可以总结为以下几个方面：

1）装有防雷间隙的线路段未发生雷击跳闸事故，大幅度降低甚至消除了安装线路的雷击跳闸事故；

2）巡线过程中未发现有反冲压缩灭弧防雷间隙掉落的情况，安装的稳固性良好；

3）巡线过程中未发现裸导线、绝缘导线和绝缘子被灼烧的现象，对导线和绝缘子能做到有效保护。