10 kV配电网压缩灭弧防雷装置工频续流遮断与雷电冲击实验研究

毛成程, 王巨丰 , 周勇军, 孟伟航, 韩力

(1.广西大学 电气工程学院, 南宁 530004; 2.广西电力输配网防雷工程技术研究中心, 南宁530004)

0 引 言

随着时代发展, 社会对于用电稳定性提出了更高的要求, 而输配电线路因雷击引发跳闸在跳闸事故中的占比很大, 达到40%～70%[1]。绝缘子由雷击引起过电压导致闪络时会产生冲击电弧, 电弧持续烧蚀进而发展成工频电弧, 从而发生跳闸事故, 严重影响供电的可靠性, 所以如何降低雷害对于输配电线路的影响一直是一个热门的研究课题[2-6]。以往常见的防雷措施主要有: 架空地线及减小保护角、降低接地电阻、加强绝缘、安装避雷器等, 这一类统称为阻塞型防雷。阻塞型防雷在防雷领域都发挥了一定的作用, 但也有诸如接地电阻难以降阻、设计好的线路提高绝缘水平代价大等局限性[7]。

相比于阻塞型防雷对于雷电的阻塞拦截, 疏导型防雷则是一种完全不同的防雷思路, 它是在绝缘子一侧并联一组由两电极组成的间隙, 间隙间距小于绝缘子干弧长度, 当遭受雷击时, 间隙优先于绝缘子击穿, 再配合跳闸动作从而实现保护绝缘子的目的[8-10]。但是跳闸本身严重影响着供电可靠性, 所以在此背景下, 提出一种适用于10 kV～35 kV输电线路的压缩灭弧防雷装置。压缩装置是一款带有灭弧能力的并联间隙, 装置通过金具并联在绝缘子一侧, 其同样因为优先被击穿而保护绝缘子, 但是该装置的长处在于具有灭弧功能并且具有自恢复能力[11], 不会随使用次数的增加而衰减, 这样在保护绝缘子的同时不会使输配电线路跳闸, 提高电力系统的供电质量。

先通过遮断灭弧实验来验证其灭弧能力, 再进行雷电冲击实验, 获取了支柱绝缘子与压缩灭弧装置的伏秒特性曲线, 并依据实验数据进行较为详尽的绝缘配合研究[12-18]。

1 装置简介

压缩灭弧防雷装置如图1所示。

图1 压缩灭弧防雷装置

其主要结构为:

(1)引雷电极(即石墨头)负责建立电弧通道, 吸引雷电至绝缘子一侧, 即间隙处发生闪络;

(2)装置内由多个压缩管组成, 如图2所示, 其整体螺旋向下盘旋构成曲折路径。每个腔室内部放置球形电极, 相邻腔室间存在金属丝电极以保证电弧按照预设路径运动。当电弧进入装置内, 电弧受到腔室管壁束缚、压缩导致半径弧柱减小, 另一方面管壁材料也有降低电弧温度的作用, 温度下降也会导致电弧半径减小；电弧经过曲折路径的断口处时, 部分能量会从喷口喷出, 而另一部分继续顺着管道运动, 喷口气流与电弧运动路径形成一定角度, 气流持续喷出使得弧柱在断口处发生断裂。半径减小、温度下降、弧柱断裂, 在多方面的因素作用下, 电弧补给能量不足以维持弧柱持续燃烧而最终熄灭;

图2 装置内部压缩管结构

(3)装置外表面设置裙边, 用来分隔相邻喷口, 使得电弧能按照预设曲折路径运动,而不会直接从喷口处沿面闪络。

2 工频续流遮断实验

本实验主要是验证压缩灭弧装置的灭弧能力, 拥有灭弧能力也是该装置区别于传统并联间隙的重要功能优化。实验电路图如图3所示。

图3 工频续流遮断实验电路图

其中的主要模块, IG表示冲击电压发生器；TT为工频试验电压器；MOA为避雷器；T0为试品, 即压缩灭弧装置；CT为电流互感器, 负责采集实验电流；C1、C2, C3、C4串接后与装置并联, 其中C2、C4为小电容, 起到分压作用, 其电压通过采集系统DIVMS采集, 生成波形。

实验需要先进行工频加压。模拟10 kV线路工况, 将施加标准的50 Hz工频电压调升至13.2 kV, 待线路稳定运行1 min后开始进行冲击放电, 分别在工频电压的90°和270°相角进行触发。实验过程由高速摄像机进行捕捉, 如图4所示。

图4 相机捕捉灭弧图片

相片拍摄间隔为0.5 ms, 从0 s开始记录。从图片中可以看出, 施加冲击电压之后, 0.5 ms时电弧贯穿整个间隙, 1 ms时电弧从装置的喷口四溅喷出, 此图显示电弧是从装置预设的电弧路径通过而非沿面闪络；从1.5 ms及之后的图片可以观察到电弧在进入曲折管道后在断口处喷射产生撕裂, 电弧此时在管道内部被截成许多小段, 电弧能量持续衰减, 最终在4 ms内成功熄灭。后续工频能量供给并未使电弧复燃。

示波器采集到的电压、电流波形图如图5、图6所示, 图中CH1表示电压通道, CH2表示电流通道。

图5 90°触发波形图

图6 270°触发波形图

波形图显示间隙被击穿瞬间, 装置两端电压迅速下降, 生成较大的工频续流, 图5测得90°触发时通道2的电流最大值为1.17 kA, 图6测得270°触发时数据为1.09 kA。电压在出现干扰后的4 ms内恢复到正常波形。由于冲击电压的影响, 装置两端的工频电压恢复后的第一个周期的峰值相较于正常值略高, 但之后仍正常运行, 并没有因震荡产生电弧复燃的现象。电流的峰值较大, 但在极短时间内下降到0, 结合之前观察的实验现象可以得出该装置具备灭弧能力的结论, 电弧在4 ms内完全熄灭。

3 雷电冲击放电实验

作为一款新型的防雷灭弧设备, 在此之前缺乏对该设备在10 kV线路运行的绝缘配合进行详尽的研究, 试运行安装采用的基本是以往并联间隙或者有间隙型避雷器的绝缘配合标准, 压缩装置跟传统间隙防雷装置在原理上的差别很大, 沿用之前的标准来安装此设备可能达不到最理想的效果, 所以应该在试验的基础上得出一套伏秒特性配合以用于实际工程, 使本装置能最大限度的保护线路,提高线路运行的可靠性。

3.1 试验场地及平台搭建

标准雷电波冲击闪络特性试验研究, 所用试验平台及模拟装置结构图如图7、图8所示。

图7 冲击电压发生器

图8 安装示意图

图8中雷电施放到输配电导线位置, 下方金具起到固定及接地的作用。间隙长度取引雷电极顶端到输配电导线最近点的垂直距离。

实验设备采用华高生产的冲击电压发生器, 其每极充电电容最高可充电至100 kV, 共有15级电容。每次试验所采用的雷电波满足标准为1.2/50 μs的雷电波形, 其误差均在国标要求之内。由于自然界负极性雷电占雷电总数的九成以上, 因此本次实验均采用负极性雷电波。

根据国家标准GB/T 16927.1中提到的方法[19], 绝缘子及装置的50%放电电压采用升降法确定, 先估计试验品的击穿电压进行试验, 若击穿则降压, 反之则升压, 电压增减幅度为5 kV。当找到一个前次未击穿而降压后击穿, 或者前次击穿而升压后未击穿的电压时, 从此点开始进行50%放电试验, 试验共进行30组, 根据式(1)计算:

(1)

式中n为第试验次数；Ui表示第i次试验的电压(kV)。

实验标准差σ采用式(2)计算:

(2)

式中U50%为计算得到的50%放电电压。

3.2 规程法间隙保护有效率计算

在绝缘子闪络研究中, 规程法是一种重要且常见的方法, 通过比较绝缘子两端的电压与承受的电压与其50%的放电电压, 判断是否发生闪络。为保证装置动作可靠性, 其50%放电电压应该低于绝缘子。

经过实验得到了绝缘子以及压缩灭弧装置在5 cm、7 cm、9 cm这三个间隙长度下的50%雷电冲击放电电压及其标准误差, 如表1所示。

表1 支柱绝缘子及装置的50%放电电压

表1中σ%为标准误差σ与U50%的比值, 这个数据对于之后的计算有帮助, 故在此单独列出来。根据试验所得数据可知压缩灭弧装置的50%冲击放电电压与其间隙距离基本满足线性关系, 其关系式通过软件拟合如图9所示。

图9 50%放电电压关系拟合图

其表达式为:

UY50%=13.9L+97.5

(3)

间隙击穿概率一般满足正态分布[20], 其表达式一般为:

(4)

式中P为击穿概率。间隙的击穿具有一定分散性, 并非严格满足曲线分布, 所以在确定间隙距离时, 仅仅装置的U50%低于绝缘子并不能达到保护的要求, 还需要留有一定的裕度。下面计算压缩装置保护绝缘子的有效率, 确保装置工作的可靠性。

具体算法利用了概率论中提到的“3σ”法则, 即: 尽管正太变量的取值范围为无穷, 但它落在(μ-3σ,μ+3σ)内基本是肯定的事。

因此, IEC 60099-8中推荐使用式(5)来验证带间隙的保护性, 根据表1数据, 绝缘子标准误差σI%取0.025, 装置σY%取三个数据中的最大值0.035:

UY50%+3σY

UI50%=201.3 kV

(5)

将装置50%放电电压最大值201.3 kV带入式(3)计算, 得出对应间隙长度为7.4 cm, 当压缩装置的间隙小于此距离时, 装置优先于绝缘子闪络是可信的。

3.3 伏秒特性法间隙保护计算

伏秒特性反映了在冲击电压下, 间隙上电压最大值和放电时间的关系。

研究压缩灭弧装置与绝缘子的配合程度, 仅靠规程法50%放电电压显得不够全面, 规程法过于精简, 忽略了放电时延的影响, 所以要采用伏秒特性法, 通过实验作出完成伏秒特性曲线, 对比绝缘子与装置的曲线, 才能得出不同强度的雷电冲击下, 装置是否还能起到理想的保护作用。此方法更直观, 也更符合实际情况。

在进行U50%放电电压实验后, 进行伏秒特性实验。对于绝缘子或者某一长度的间隙, 测量了其U50%之后, 取一个略高于这个值的点, 保证每次实验都能击穿, 进行冲击放电实验20次。之后升高每级电压5 kV, 进行试验20次, 以此类推, 进行4次电压调整, 取得五组总共100次的试验数据, 其数据以jpg的格式保存。图片打开后如图10所示。

图10 波形采集图

图片导出后从图中记录每次实验所需的电压Up和时间T1(下边直接用t表示), 用软件origin绘制了实验的散点图后用曲线进行拟合, 即可得到伏秒特性曲线。如图11所示, 图中所绘制的是绝缘子以及在同一绝缘子下所做的装置间隙为5 cm、7 cm、9 cm的冲击电压试验。

采用伏秒特性来研究间隙保护效果时, 用直观方式研究曲线是否存在交点, 若存在交点则说明一定大小的冲击电压将优先击穿绝缘子。但是上述方法并不够严谨, 从图11中可以看出实验所采集的数据较为均匀的分部在曲线两侧, 伏秒曲线实际上是一条有一定宽度的带状线条。

图11 不同长度间隙下的伏秒特性曲线

根据DL/T 815-2012《交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器》要求, 线路避雷器雷电冲击伏秒特性曲线应比被保护绝缘子串的雷电冲击伏秒特性曲线至少低15%[21]。

另一方面, 实验不能穷尽所有情况, 比如不可能将所有间隙距离的伏秒特性曲线都作出来。拟合曲线后发现不同间隙的伏秒特性曲线虽然不是正比关系但也比较相似, 所以对所得结果进行数学归纳, 统一成一个公式, 最终可以推广到其它情况。

拟合曲线时采用IEC推荐的用于伏秒特性曲线描述函数进行拟合, 函数形式为:

(6)

式中U为击穿电压(kV)；L为间隙长度(cm)；t为电压从施放到闪络的时间(μs)；A、B、C为待定系数。

对于表2中的数据, 每项保留两位小数。

表2 实验拟合所得数据

将拟合得到的数据归纳为公式可以更直观地对曲线进行对比。其中此绝缘子的描述函数为:

(7)

在对压缩灭弧装置的数学函数进行归纳的时候, 其公式很难统一, 在不同间隙长度上计算出来的A、B数值差距较大。研究后发现问题可能出在公式所提的间隙距离，跟传统并联间隙的长度测算方法并不等同。推荐公式一般用于绝缘子或者并联间隙, 并联间隙长度一般所指的是两端金属电极间的长度, 其间是空气介质；而压缩灭弧防雷装置所提的间隙是指引雷电极到另一端电极的长度, 但装置本身内部还存在一定长度的空气间隙, 所以在利用推荐公式时还要进行一定调整。经过大致测量, 装置内部还有长度约为10 cm的空气间隙, 所以推荐公式可以修正为:

(8)

如表3所示，采用修正公式计算后可以看出不同间隙距离下拟合出的A、B、C三项的数值比较接近, 说明此推荐公式经过修正, 也适用于压缩灭弧防雷装置。

表3 根据修正公式所计算出的参数

取A、B、C三项的平均值, 则装置的描述函数为:

(9)

前文说到装置与绝缘子之间的伏秒特性曲线需要15%的裕度, 在得出二者的具体描述函数后需要对数据进行进一步处理, 得到它们的配合曲线, 从配合曲线中容易看出不同长度间隙下的裕度是否达到要求。配合裕度的公式为:

C=(UI-UY)/UY×100%

(10)

式中UI、UY分别为绝缘子和压缩装置的击穿电压。

计算时分别采用了三个间隙长度, 其中9 cm、7 cm采用原本拟合得到的曲线, 7.9 cm采用压缩装置统一的描述函数, 利用Excel画出它们的配合裕度曲线, 如图12所示。

图12 配合裕度曲线图

根据图中曲线可以直观地看出L=9 cm时配合裕度达不到15%, 不符合要求；而L=7.9 cm时配合裕度不低于20%, 满足要求。从曲线图以及裕度公式可知, 当间隙距离L越小时, 裕度越大, 所以当L<7.9 cm时, 其伏秒特性曲线都满足裕度大于15%的要求。综合伏秒特性法与前边规程法, 7.4 cm为同时满足两种方法的最大值, 所以10 kV线路安装本装置应该取间隙距离L≤7.4 cm。

4 运行效果

压缩灭弧防雷装置易安装, 维护简单, 已在部分地区的10 kV线路上挂网运行, 安装图片如图13所示。运行效果以云南某线路为例, 该线路使用压缩装置之前平均每年跳闸达8次, 相关资料显示每台2 MW风机弃风损失为100万元/天, 损失惊人, 而且还会严重干扰人民的日常生活, 间接损失更不可估量。在采用了压缩装置之后,年跳闸率不足一次, 效果显著。

图13 现场安装施工图片

5 结束语

(1)工频遮断实验显示10 kV压缩灭弧装置在4 ms内完全熄灭峰值为1.17 kA的电弧, 且之后没有发生电弧复燃, 具备灭弧能力；

(2)运行于10 kV线路时,压缩灭弧防雷装置的50%放电电压为:U50%=13.9L+97.5, 其中U50%单位为kV, 间隙长度L单位为cm；

(3)通过规程法计算得到在干弧长度为22.5 cm规格的支柱型绝缘子下, 间隙距离L≤7.4 cm时, 装置严格保护绝缘子；

(4)在支柱绝缘子实验条件下, 拟合出了该装置的伏秒特性曲线及其数学表达式, 在此基础上计算并画出了裕度配合曲线, 据此可知间隙距离L≤7.4 cm也满足配合裕度的保护要求, 可将此距离运用于实际工程中。