110 kV固态气体灭弧防雷间隙工频续流遮断试验

王巨丰，徐宇恒

(广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004)

0 引言

目前，国内外对并联间隙已经进行了较多研究。与传统防雷方式相比，其优势在于实现了线路防雷效果与耐雷水平分开，将线路防雷措施从降阻、架设避雷线等“阻塞型”方法发展到了“疏导型”并联间隙，利用空气间隙本身的绝缘作用，使电弧自行熄灭[1]。文献[2]通过大量试验证明了并联间隙具有引弧、熄弧的作用，并对现有不同型号绝缘子串提供了比较合适的绝缘配合距离。虽然并联间隙能够有效牵引电弧，防止电弧灼烧绝缘子串，但是并联间隙熄弧能力较弱，无法熄灭工频电弧，需要配合自动重合闸一起使用[3]。

工频电弧是线路跳闸的主要原因，所以在并联间隙两侧加装灭弧装置具有重大意义。在原有“疏导型”并联间隙的基础上加装灭弧装置组成“灭弧疏导型”并联间隙，既可以有效牵引电弧保护绝缘子，又能在自动重合闸装置动作前熄灭电弧，达到全面保护系统安全的目的。文献[4]中提出了一种对吹式并联间隙，在并联间隙上下均设置一个陀螺形状的喷气装置，当电弧通过时就会灼烧装置内壁材料并产生气体从喷嘴喷出。装置所采用的喇叭形结构和尖端喷口，增大了在喷口处的气流压力，电弧在喷口处被拉长、冷却，间隙介质强度快速恢复，从而熄灭工频电弧。文献[5]中提出一种固态气体灭弧防雷装置，在并联间隙两侧安装产气装置，当装置中有电流流过时，装置内部产气丸产生气体作用到通道中的电弧，切断电弧。文献[6]基于Navier-Stokes方程对固态气体灭弧的暂态过程进行描述，通过对气体作用到电弧时的温度场、速度场以及等离子体动态平衡进行分析，说明了固态气体灭弧的有效性。虽然现阶段对“灭弧疏导型”并联间隙的理论研究很充分，但是现有成果中缺少对“灭弧疏导型”并联间隙的试验验证以及安装标准。

文中对110 kV固态气体灭弧防雷间隙进行雷电冲击放电试验来确定其50 %放电电压，并与绝缘子串50 %放电电压进行比较，最后确定灭弧防雷间隙与不同型号绝缘子串的有效间隙距离。搭建工频续流遮断试验平台，参考雷电冲击放电试验得到的50 %放电电压，在有效间隙距离内对灭弧防雷间隙进行工频续流遮断试验，验证其熄灭工频续流和抑制重燃的有效性。

1 110 kV固态气体灭弧装置工作原理

110 kV固态气体灭弧防雷间隙与绝缘子串并联安装，从上到下由固态气体灭弧装置、空气间隙、固态气体灭弧装置构成，如图1所示。对于不同长度的绝缘子串，可以通过改变装置内部电极的长短来调节间隙距离。

图1 110 kV固态气体灭弧防雷间隙安装示意图

装置主体长L=360 mm，高D=40 mm，装置一端设置了长度H=150 mm的灭弧筒。装置主体内部包含有信号采集模块、接地电极、产气丸，以及内部控制气丸换位的机械结构，主要结构如图2所示。当间隙击穿后信号采集到电流信号，就会触发产气丸喷射固态气体。当一个产气丸被消耗以后，内部转盘自动转动切换到另外一个产气丸对准管口，以确保下一次雷电冲击到来能够成功触发。

图2 固态气体装置结构透视图

固态气体灭弧防雷间隙需要按照一定的绝缘配合比并联安装在绝缘子串两侧，通过不平衡绝缘的方式保证间隙的击穿电压小于绝缘子串的击穿电压[7]。间隙击穿以后，信号采集装置检测到电流时就会激活灭弧通道中的产气丸开始产气。在气体开始释放的时刻正处于工频建弧的早期，此时工频续流电流幅值小，电弧能量弱，容易截断[8]。电弧被截断以后，在灭弧筒空间约束以及气体压力作用下，削弱了通道内介质的电离条件，间隙中的流注发展受到抑制，当间隙介质强度大于间隙恢复电压时，电弧被强制熄灭。电弧被截断以后处于管道内的残余电弧以及带电介质在高速气流的作用很快湮灭[9-10]，工频电弧在第一次过零点熄灭，并且不会重燃[11]。

2 110 kV 固态气体灭弧防雷间隙雷电冲击放电试验

2.1 试验方法

固态气体灭弧防雷间隙与普通的并联间隙相比在上下电极结构上有了很大的变化，因此不能完全依据传统并联间隙的绝缘配合数据。试验参考传统并联间隙绝缘配合试验规范，对110 kV固态气体灭弧防雷间隙进行雷电冲击放电试验，确定其安装距离，为下一步的工频续流遮断试验提供依据。

试验使用7片U70BP/146绝缘子(总结构高度1 022 mm)和FXBW-110/70-1复合绝缘子(结构高度1 240 mm，绝缘部分长度975 mm)。并联间隙长度依据规范DL/T 1293-2013[12]中所推荐绝缘配合比0.8～0.9，分别取值800、830、860、890、920 mm进行试验。冲击电压试验回路如图3所示，试验所使用的冲击电压发生器IG最高能产生标称电压2 400 kV的1.2/50 μs标准雷电冲击电压，分压器采用1658:1电容分压器。

IG-冲击电压发生器；DIVMS-数字示波器；C-冲击电压发生器主电容；S1-冲击点火球隙；Rt-波头电阻；Rf-波尾电阻；C1、C2-电容分压器；TO-试品；

依照GB/T 16927[13-14]中的试验方法对间隙进行雷电冲击放电试验。因为自然界中90 %的雷电都是负极性，故采用负极性雷电冲击(1.2/50 μs全波)进行试验，试验波形如图4所示。其中波前时间t1=1.33 μs，半波时间t2=50.31 μs，偏差范围不超过30 %，符合GB/T 16927和IEC 60060中对于标准雷电波的误差要求。

“我们景区内的43辆接驳小火车都已全部投入了营运，几乎一刻都没休息。”中山陵景区工作人员告诉扬子晚报记者，昨天景区内所有的小火车都在不停地运客，但尽管这样，热门站点的接驳火车排队时间每班还得等上半小时。

图4 雷电冲击波形

试验按照GB/T 16927附录A中的升降法进行，即对间隙进行30次有效放电试验，出现15次左右的击穿。30次击穿电压的平均值即间隙的50 %放电电压，试验电压升降图如图5所示。

图5 890 mm间隙冲击电压升降曲线图

试验从间隙击穿电压附近开始试验，并以每次2 %的比例逐步加压，在接近间隙击穿电压时进行升降试验。每次试验以后对间隙进行1 min左右的空气对流，排除对下一次试验的影响，以此得到更加准确的试验数据[15]。

2.2 试验结果分析

雷电冲击50 %放电电压的计算公式如下：

(1)

(2)

式中,U50 %为50 %放电电压；Ui为第i次间隙击穿所施加的雷电冲击电压；n为试验次数；σ为标准差。

试验结果见表1，由表1可看出标准偏差均小于3 %，在试验允许误差范围以内。

表1 110 kV绝缘子串以及灭弧间隙50 %放电电压

由于冲击电压的时延性以及并联间隙中离子的分散性，导致在同一幅值电压下间隙存在击穿概率P，对击穿电压进行正态分布就可以得到间隙的击穿电压概率分布。对比绝缘子串的最大耐受概率和并联间隙的最大击穿概率，就可以得到间隙的最佳保护范围。

正态分布概率密度函数：

(3)

当绝缘子串耐受概率99.85 %的电压大于间隙击穿概率99.85 %的电压，可认为在此电压幅值下，并联间隙能完全保护绝缘子。即

Uj0=Uj50-3σj50

(4)

Ub100=Ub50-3σb50

(5)

Uj100>Ub100

(6)

式中,Uj0为绝缘子串耐受概率99.85 %的电压；Uj50为绝缘子串50 %放电电压；σj50为绝缘子串50 %放电电压标准差；Ub100为并联间隙击穿概率99.85 %的电压；Ub50为并联间隙50 %放电电压；σb50为并联间隙50 %放电电压标准差[16-17]。

由试验所得数据以及并联间隙保护概率特性可以得出不同长度间隙对绝缘子串的保护情况见表2，从表中可以看出，920 mm间隙无法完全保护玻璃绝缘子串和复合绝缘子串。

表2 110 kV并联间隙保护结果

雷电冲击放电试验结果表明：间隙需要控制在800～890 mm才完全保护绝缘子，考虑到装置运行的极端环境，在工频续流遮断试验中应该采用890 mm间隙进行试验。

3 110 kV 固态气体灭弧防雷间隙工频续流遮断试验

3.1 试验方法

确定间隙的有效保护距离后，为验证110 kV固态气体灭弧防雷间隙能否在线路正常运行工况下可靠切断工频续流，需采用冲击-工频联合加压试验，来测试装置灭弧能力[18]。

将装置并联安装于110 kV绝缘子串两端，调整间隙距离至890 mm。先在并联间隙两端施加最大相电压73 kV的工频电压，待工频电压稳定以后通过控制回路在工频90°和270°施加正极性、幅值超过568.4 kV的雷电冲击电压。使用高速摄像机拍摄间隙喷射气流与电弧的耦合过程，并使用示波器记录间隙两端电压和电流的波形。

试验回路如图6所示，实验回路中包括冲击电源回路IG、工频电源回路TT、保护回路以及控制回路。TT：800 kV/1 600 kVA工频试验变压器能产生稳定频率的电压波形，Rp：保护电阻，防止间隙击穿所产生的电压截波对工频试验变压器绕组的损伤，同时也有限制过电流的作用。MOA2：复合外套无间隙金属氧化物避雷器，主要是限制冲击电压，保护工频试验变压器。C5：电容器，防止重燃过电压入侵到工频试验变压器。L：限流电感，限制冲击电流。C1、C2：电容分压器，用来采集间隙的电压波形。CT：电流互感器，用来采集电流波形。S：保护球隙，防止工频电压入侵冲击电压发生器。MOA1：复合外套无间隙金属氧化物避雷器，限制工频电压。IG：2400 kV/260 kJ冲击电压发生器，能产生试验所需要的雷电冲击电压。

图6 续流切断试验回路示意图

3.2 试验结果分析

图7是使用高速摄像机所拍摄的工频90°时施加冲击电压的灭弧过程，试验采用IDT MotionPro Y4高速摄像机拍摄，拍摄帧率4 000帧/秒。从图7中可以看出，在1.00 ms时间隙已经完全击穿，这时可以看到高压侧的气丸已经触发，并产生明显喷焰，低压侧气丸还未触发。这是由于高压侧流注发展早于低压侧，所以高压侧气丸先于低压侧气丸达到触发阈值。在2.00 ms时可以看到高低压侧气丸明显喷焰，表明在此时灭弧通道内已经形成了气体绝缘区域，电弧能量不断耗散，流注难以维持，间隙中介质强度快速恢复，电弧开始熄灭。在3.00 ms时只能看到气丸燃烧火焰以及少量电弧的余辉。在4.00 ms时间隙中几乎看不到弧光，表明此时工频续流完全被切断，电弧被成功熄灭。

0.25 ms

从图8中可以看出在间隙两端施加工频电压，待工频稳定以后，通过控制回路在工频半波正极性峰值(90°)时对间隙施加幅值大于568.4 kV冲击电压将间隙击穿，此时CH1通道中可以看到电压突然降到一个较低水平，极性与工频电压极性相同，持续约2.50 ms，这是因为当工频续流产生时，电弧本身存在弧柱电阻，因此会产生一定的弧柱电压。工频续流熄灭以后，间隙两端经过一段时间的电压恢复阶段，在4 ms时间隙两端的电压恢复到正常工频电压幅值。电压恢复后的一个工频周期内，工频电压幅值和频率虽略有扰动，但并未超出额定范围，符合规范对工频续流遮断试验的要求。在CH2通道中可以看到，间隙产生约2.50 ms的工频续流，在2.00 ms时达到峰值，约为2.3 kA，随后电流迅速降低，工频续流在过零点熄灭并没有重燃。

图8 90°工频续流遮断波形

从图9中可以看出在工频半波负极性峰值(270°)施加同样幅值的冲击电压，在CH1中可以看到，间隙两端的电压也会迅速降低到一个较低的值，极性与工频电压极性相同，待间隙工频电流熄灭以后开始缓慢回升，在3.50 ms时恢复到正常工频电压。在CH2中可以看到，工频续流在1.0 ms时上升到峰值，约为2.1 kA，在2.0 ms时下降到0。

图9 270°工频续流遮断波形

从两次试验对比中还可以发现，当雷电冲击极性与工频电压极性相同，所测得的电流幅值略高于极性相异的幅值。原因是冲击电压和工频电压极性相同时，在工频续流重燃的过程中弧柱电阻要低于极性相异时的弧柱电阻，因此在相同电压幅值的下，产生的工频续流幅值也会更高。从两次试验中还可以看出工频续流阶段没有测到稳定的孤柱电压，这是由于装置内产气丸启动速度很快，在电弧发展的初期就已经形成了灭弧气流。在灭弧气流与工频电弧耦合的过程中，间隙中的流柱发展无法稳定维持，因此在气丸触发以后间隙两端很难形成稳定的弧柱电压。

工频续流遮断试验结果表明：固态气体灭弧防雷间隙能够在4.0 ms内切断最大幅值为2.3 kA的工频续流，且不会发生重燃。

4 结论

① 根据雷电冲击放电试验结果可以看出，安装距离控制在800～890 mm之间时，110 kV固态气体灭弧防雷间隙雷电冲击放电电压约为519.8～568.4 kV，既能提供安装裕度，也能完全保护绝缘子串，为装置的实际安装提供依据。

② 根据工频续流遮断试验结果可以看出，110 kV固态气体灭弧防雷间隙能在4.0 ms内熄灭最大峰值为2.3 kA的工频续流，并且不会发生电弧重燃。表明装置可以在自动重合闸动作前熄灭工频电弧，确保线路雷击时不会跳闸，也为固态气体灭弧防雷间隙后期的实际应用以及规范编制提供试验依据。