雷電誘導(dǎo)爆炸氣流滅弧防雷裝置原理研究與應(yīng)用

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(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 概述

電網(wǎng)安全關(guān)系國民經(jīng)濟命脈，雷害后果嚴重危及國民經(jīng)濟所有領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，南方電網(wǎng)的雷擊事故在總事故已占總發(fā)生事故的70%以上，而且仍在持續(xù)增長中。在整個國家電網(wǎng)中，這個比例也在55%以上。現(xiàn)有的“閃絡(luò)抑制”防雷方法高度依賴極不可控的雷電攔截技術(shù)、地網(wǎng)降阻技術(shù)與避雷器技術(shù)，造成這種局面的原因是目前電網(wǎng)防雷措施存在著以下難以逾越的問題：

(1)多重雷擊是大概率事件：根據(jù)國際大電網(wǎng)委員會CIGRE的最新研究，多重雷擊所占的比重高達75%，多重雷通過疊加機制使桿塔反擊電位、避雷器殘壓疊加性升高且無法解決，現(xiàn)行的避雷器國家標準中尚未提出對多重雷的防護方法。(2)避雷線攔截雷擊漏洞大引發(fā)巨大雷電流繞擊頻發(fā)問題。(3)地網(wǎng)電阻無法達標引發(fā)的耐雷水平達標率低的問題。(4)避雷器非線性電阻“時滯”引發(fā)的高電壓問題，非線性電阻變化滯后于電流變化，帶來的后果是極短時間內(nèi)千安級電流通過兆歐級電阻產(chǎn)生一個極大的電位差，沿面放電使絕緣子表面擊穿，非線性電阻閥片失去限流作用。(5)避雷器防潮層引起的閥片散熱困難問題。避雷器的密封性和散熱性就成了一對不可調(diào)和的矛盾。其后果導(dǎo)致防水層在高溫時膨脹破壞，避雷器閥片因受潮而損壞。依照《GB11032-2010交流無間隙金屬氧化物避雷器》標準生產(chǎn)的避雷器通流容量為：5kA/110kV、10kA/220kV、20kA500kV,且在半小時內(nèi)遭受6次雷擊或一分鐘內(nèi)2次雷擊的情況下極有可能損壞。(6)冰凍避雷線引發(fā)的桿塔彎曲、倒塌及斷線。

圍繞上述難題，廣西大學(xué)高電壓團隊經(jīng)過長期開拓性研究，另辟蹊徑，在國際上首創(chuàng)爆炸氣流滅弧防雷理論，發(fā)明了爆炸氣流主動滅弧技術(shù)，率先突破爆炸氣流直接滅弧實現(xiàn)建弧抑制的關(guān)鍵技術(shù)難題，成功研制出適用于10kV、35kV、110kV、220kV等電壓等級輸電線路的爆炸滅弧防雷裝置。其研究的核心成果——爆炸氣流滅弧防雷間隙采用獨創(chuàng)的“建弧抑制”防雷理念，在實際運行中取得了極為優(yōu)異的效果。

2 原理

本文發(fā)明了以建弧抑制為切入點的防雷裝置——爆炸氣流滅弧防雷間隙(AELPG)。其運行原理是在絕緣并聯(lián)間隙末端裝設(shè)一種滅弧氣流發(fā)生器。線路受到雷擊時，通過庫侖力對雷擊閃絡(luò)路徑進行控制，使電弧優(yōu)先通過專用閃絡(luò)通道，允許雷擊分量通過此通道釋放入地的同時確保絕緣不閃絡(luò)。與此同時觸發(fā)滅弧能量團產(chǎn)生高速噴射氣流，利用工頻暫態(tài)電弧起始段電流極小，電弧具有易斷性、易崩潰性的特點，爆炸氣流能夠有效地促使電弧拉長、擴散、變形、冷卻、截斷，最終在0.4ms左右完全熄滅后續(xù)工頻電弧。由于短路電流在極小值被切除，繼電保護不會動作，沒有電動力破壞、熱力破壞和過電壓破壞。實現(xiàn)上述方法的關(guān)鍵是：

(1)雷電閃絡(luò)路徑控制：利用絕緣配合技術(shù)使雷擊放電路徑優(yōu)先定位在絕緣強度較弱的專用并聯(lián)間隙放電通道，將雷電能量充分導(dǎo)入大地，持續(xù)時間是1ms，是雷電脈沖周期的50倍。

(2)雷電誘導(dǎo)觸發(fā)滅弧能量團：利用雷電流變化率最大點處的起點激活建弧抑制環(huán)節(jié)，截弧能量的響應(yīng)時間為0.5μs，完全截斷電弧并到達電弧斷口的時間為87μs，建弧時間為截弧時間的104～105倍。滅弧能量來源于最早出現(xiàn)的雷電沖擊電弧，滅弧氣流的發(fā)展和積累均超前于工頻暫態(tài)電弧，滅弧能量能夠在工頻續(xù)流電弧的發(fā)展起始點即對其形成深度抑制效果

(3)電弧斷裂自崩潰：在沖擊電弧發(fā)展階段即實現(xiàn)深度抑制，截斷電弧氣流破壞了自持放電的條件，電荷密度通過截斷后的復(fù)合、對流、輻射、傳導(dǎo)作用趨零，使電弧的暫態(tài)發(fā)展過程完全失去外界能量注入，極大地提高了滅弧效率，并能夠同時避免高溫工頻電弧的熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)所造成的潛在巨大危害

(4)爆炸力抑制斷口重燃：爆炸的滅弧氣流會在滅弧筒這一約束空間內(nèi)產(chǎn)生高速的沖擊波。在炸藥質(zhì)量一定的情況下，使用J.Henrych超壓計算公式分析滅弧筒內(nèi)的壓強分布：

式中，W為炸藥質(zhì)量，kg；R為離爆炸點的距離，m。以距離爆炸點2cm(R=0.02m)處為例，爆炸氣流產(chǎn)生的壓強高達335.4MPa。這一壓強對此處的電弧橫截面可產(chǎn)生16858.94kg·f的沖力。

圖1 滅弧筒內(nèi)距離爆炸點2cm～5cm的爆炸氣流壓強分布

爆炸性氣流作用于等離子體電弧軸向的壓強計算公式如下：

圖2 電弧維持力與氣流爆炸力對比圖

當工頻電弧在5000A時，電弧橫截面上的維持力為2.50kg·f，遠遠小于爆炸氣流產(chǎn)生的16858.94kg·f。電弧不可能重燃，從而實現(xiàn)電弧全熄滅。

(5)多重雷擊電弧截斷：裝置具有針對多重雷與工頻續(xù)流的雙通道截斷電弧技術(shù)，兩個通道互為備用。每個滅弧能量團的滅弧氣流維持時間為50ms，當數(shù)個雷電脈沖處于50ms間隔內(nèi)時，一個能量團即可以熄滅這若干個雷電脈沖，確保能量團利用效率的最大化，可以有效應(yīng)對多個多重雷擊情況。

3 滅弧防雷間隙特點

(1)科學(xué)性：采用基于電弧截斷的截弧抑制理念，以雷電脈沖這一單一因素為激活信號，激活滅弧能量團氣吹滅弧。可擺脫雷擊強度、桿塔地網(wǎng)電阻、雷擊方式(繞擊、反擊)、雷電陡度、絕緣水平等多種不可控因素的制約，使抑制效果單一可控，防雷效果由不可控因素決定的概率事件提升為可控的必然事件。

(2)有效性：建立雷擊分量與滅弧機制的同步聯(lián)動機制，形成滅弧與建弧的起點同步性、滅弧過程的快速性特性，通過“以快爭強，以強制弱，從弱抑強”實現(xiàn)有效滅弧方法和對重復(fù)雷、多次回擊雷引發(fā)的多次連續(xù)建弧過程的有效抑制。實現(xiàn)跳閘率、事故率和斷線率的趨零。填補大概率疊加性雷擊防護空白。實際運行中，2016年某線路曾使用滅弧防雷間隙熄滅-258.1kA的電弧電流。

(3)免維護性：省去地網(wǎng)電阻的測試、維護工作量；本裝置的結(jié)構(gòu)中沒有易損件且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，維護工作量極小。此外由于具有數(shù)據(jù)鏈功能，可通過短信方式自動傳遞故障信息，實現(xiàn)了滅弧間隙的在線監(jiān)測功能。

(4)無害性：由于本裝置切斷電弧的有效性，放電通道中不會出現(xiàn)大電流的劇烈高溫放電，因此不會出現(xiàn)通過電場力、高溫燒蝕和過電壓等方式對絕緣繞組線圈、變壓器和斷路器的損害。為智能電網(wǎng)提供一種非常優(yōu)良的電磁環(huán)境。

(5)經(jīng)濟性：由于滅弧防雷間隙擺脫了地網(wǎng)電阻、雷擊方式與雷擊強度的影響，因此可以在電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)階段節(jié)省大量投資，大量節(jié)省后續(xù)的維護費用，免除地網(wǎng)。

(6)綠色環(huán)保性：滅弧防雷間隙造價低，易安裝，對地網(wǎng)電阻等不做要求；省去避雷線及避雷器配套設(shè)施的重量；桿塔瘦身，此項應(yīng)用到全國可減少二氧化碳排放450萬噸以上。

4 科學(xué)實驗

由于爆炸氣流沖擊波和交流暫態(tài)電弧的相互耦合是一個非常復(fù)雜的過程，理論框架由傳統(tǒng)的電路原理拓展到等離子物理、爆炸力學(xué)、流體力學(xué)、電磁場理論等多學(xué)科交叉，原理的復(fù)雜程度巨大，僅僅通過理論描述并不能對滅弧過程的各項參量進行具體解析，故必須通過軟件仿真模擬和試驗驗證的方法多其過程進行直觀具體的分析。本文通過流體力學(xué)的方法對爆炸氣流滅弧全過程進行數(shù)值模擬，用有限元分析軟件ansys14.0模擬仿真在理想情況下電弧被高速氣流開斷的過程；以及研制爆炸氣流滅弧防雷間隙樣機，并在西安高壓電器研究院進行了1kA、5kA、10.8kA的大電流滅弧試驗，成功熄滅了10.8kA工頻電弧。這兩者驗證了“工頻暫態(tài)電弧深度抑制”的滅弧防雷新思想的科學(xué)性。

4.1 滅弧過程仿真分析

對于本文中所提到的滅弧防雷間隙研究的關(guān)鍵就是：當雷電流流過防雷間隙的時刻，通過雷電流來感應(yīng)觸發(fā)的爆炸滅弧氣體的流體速度是否足以熄滅間隙上的續(xù)流工頻電弧，以達到滅弧防雷的效果。鑒于此，本文對滅弧氣體噴射全過程以ANSYS AUTODYN為平臺進行了數(shù)值仿真，對有無電弧影響下爆炸過程中氣體的高斯點速度曲線、能量曲線及壓力曲線進行了分析比較，得出了爆炸氣流滅弧防雷的可行性。

本文將電弧等同視為流體，而且其中氣流耦合電弧的狀態(tài)相關(guān)的重要參數(shù)包括溫度、速度、壓力，所以用流體力學(xué)對整個滅弧過程進行建模和仿真模擬，同時得出多個參量并進行分析。仿真模擬的過程大致如下：(1)通過建模模擬得出滅胡筒內(nèi)爆炸氣流與工頻續(xù)流電弧的耦合作用以及復(fù)雜流場中關(guān)鍵監(jiān)視點的速度變化和問對變化，從流體流動參量方面進行分析論證；(2)從炸藥爆炸開始，測定電極上的壓力分布；(3)爆炸沖擊波在陶瓷滅弧筒內(nèi)的壓力隨時間變化曲線與筒口處的沖擊波壓力隨時間變化曲線。

圖3 高斯點處的壓力曲線圖

從假設(shè)電弧影響下的爆轟仿真的動能響應(yīng)可以看出，在暫態(tài)電弧剛剛發(fā)展的起始階段TNT炸藥的動能遠大于電弧的動能，可以輕易的湮滅電弧的能量。從壓力云圖也可以清晰看出爆炸過程中陶瓷筒內(nèi)的壓力變化過程:從電弧開始產(chǎn)生到電弧觸發(fā)炸藥爆炸，再到爆炸氣流與電弧的競爭，最后到爆炸氣流沖出滅弧圓筒把電弧滅掉，整個過程可以清晰的從壓力云圖上看到。在爆炸氣流與電弧的交界處，壓力非常大,可以達到幾十MPa。電弧的截斷時間可以從圖上看出在0.087ms左右。

圖4 能量效應(yīng)

圖5 動能效應(yīng)

圖6 爆炸過程中不同時刻的結(jié)果壓力云圖

4.2 試驗驗證

雷電脈沖既是建弧的誘因，又是截斷電弧的觸發(fā)信號，觸發(fā)信號利用雷電陡度實現(xiàn)。爆炸氣流滅弧裝置安裝在輸電線路上，與線路絕緣子并聯(lián)放置。當線路遭受雷擊使絕緣子串兩端電場達到其絕緣臨界值時，滅弧間隙通過絕緣配合技術(shù)將電弧通道控制在其電極兩端。當電流流過滅弧間隙時，信號采集裝置自動采集信號并啟動強氣流約束空間主動滅弧單元對電弧根部實行強力截斷，在繼電保護動作前將電弧在極早脆弱期熄滅。

由于本課題組的試驗條件有限，為了檢驗爆炸氣流對電弧的作用及滅弧防雷裝置的實際效果，本文到西高所進行了1kA，5.2kA，10.8 kA大電流熄滅電弧試驗，裝置試驗連接圖如圖7所示。

圖7 大電流滅弧試驗回路連接示意圖

試驗過程中，我們分別架設(shè)普通攝像機與高速攝像機全稱記錄電弧從形成到爆炸氣流產(chǎn)生以及作用于工頻暫態(tài)電弧的過程。試驗中用短路熔絲短接滅弧間隙裝置的上下電極，僅留一個短間隙。待試驗設(shè)備全部連接完畢，對變壓器進行調(diào)節(jié)，同時打開電源進行調(diào)壓和變壓直到間隙被擊穿，引弧熔絲燃燒融化，形成暫態(tài)電弧。與此同時，爆炸氣流滅弧裝置觸發(fā)產(chǎn)生高速噴射性氣流將尚處于極早脆弱期的電弧湮滅。下圖分別為用普通攝像機和高速攝像機所拍攝的滅弧裝置熄滅電弧過程。

由圖9(B)所知，斷路器合閘瞬間產(chǎn)生暫態(tài)電弧(形狀較細，藍白色)，與此同時裝置被暫態(tài)電弧觸發(fā)噴射高速氣流(形狀較粗，紅色)。圖9(H)可知，最終間隙電弧因為絕緣恢復(fù)強度大于擊穿恢復(fù)電壓，能量供給被切斷而迅速熄滅。高速氣流印證了暫態(tài)電弧深度抑制理論的科學(xué)性，驗證了裝置能夠在0.8ms內(nèi)熄滅10.8kA的工頻電弧，滿足實際工程需要。

為了證明爆炸氣流滅弧防雷間隙裝置“以快制強”的優(yōu)勢，到西高所進行短路電流值為10.8kA滅弧試驗，試驗前后波形如圖10、圖11所示。

圖8 普通攝像機拍攝的電弧熄滅的過程

由圖10可知，試驗前試驗回路調(diào)試短路電流值為10.8kA，而在試驗回路安裝噴射氣流滅弧防雷裝置后，進行同樣短路試驗得到的波形如圖11所示，沒有采集到短路電流波形。西安高壓電器研究院所出示結(jié)論為：由于噴射氣流滅弧防雷間隙反應(yīng)太快，短路電流為安培級，未采集到短路電流波形，判定成功滅弧。

爆炸氣流滅弧防雷間隙裝置在廣西電力科學(xué)研究院進行的滅弧氣丸響應(yīng)時間測試結(jié)果顯示(圖12)：滅弧氣丸響應(yīng)時間為0.2ms,而在實際情況中，由于雷電脈沖幅值要遠大于實驗室所用雷電模擬脈沖，所以實際的滅弧響應(yīng)時間比實驗室測試值0.2ms要小。圖12中，黃色為觸發(fā)脈沖，藍色為產(chǎn)生氣流時刻，響應(yīng)時間約：0.2ms。

5 運行效果

針對雷害多發(fā)地區(qū)，我們選取了雷擊發(fā)生率高的典型線路安裝滅弧防雷間隙以驗證其防雷可靠性。

5.1 線路雷擊情況

某沿海線路位于濱海，屬臺風登陸高發(fā)地帶，是多雷、強雷地區(qū)，年雷暴日平均達124日。線路處于海面均勻雷云電池(3000kV/m)向地面極不均勻電場(500kV/m)轉(zhuǎn)變節(jié)點，釋放大量雷電能量，導(dǎo)致雷擊強度大，頻率高，遠超線路耐雷水平。且雷擊多為低空雷，從導(dǎo)線側(cè)面襲擊，避雷線對導(dǎo)線無遮擋作用，繞擊率極高，這也給輸電線路的防雷保護增加了困難。

圖9 高速攝像機拍攝的圖片

圖10 試驗前短路電流波形

5.2 滅弧防雷間隙運行情況

由于傳統(tǒng)防雷措施在多年應(yīng)用中的防雷效果不理想，2013年12月該線路進行防雷改造，安裝了噴射氣流滅弧防雷間隙。滅弧防雷間隙多次成功動作，噴射氣流滅弧防雷間隙的可靠性和有效性得到了充分驗證。根據(jù)雷電定位數(shù)據(jù)顯示，2014年雷電高發(fā)季節(jié)有多天發(fā)生了強雷暴天氣，部分統(tǒng)計如表1。在滅弧防雷間隙正常工作保護小，線路未發(fā)生雷害事故。

圖11 試驗時短路電流波形

圖12 裝置響應(yīng)時間測試結(jié)果(廣西電力科學(xué)研究院)

圖13 安裝滅弧防雷間隙后的某沿海線

日期遭雷擊次數(shù)超過耐雷水平次數(shù)最大幅值防雷效果6月5日100次11次-176.2kA成功防護6月6日75次8次-124.8kA成功防護7月6日56次5次-278.2kA成功防護7月9日60次13次-167.9kA成功防護8月7日70次10次-186.8kA成功防護8月21日115次41次-249.4kA成功防護

6月6日發(fā)生了75次雷擊，僅05:47:08開始的半分鐘內(nèi)就發(fā)生了12次密集落雷，在滅弧防雷間隙裝置的保護下，沒有發(fā)生跳閘事件。

圖14 某沿海線雷電定位儀數(shù)據(jù)(14年6月6日)

2014年7月9日05:23:48.2382時，線路68#桿塔遭受雷擊，雷電流幅值為-167.9kA。落雷后B相滅弧間隙動作并成功滅弧，線路未發(fā)生跳閘。2014年7月9日05:23:48.3666時，線路69#桿塔遭受雷擊，雷電流幅值為-71.1kA。落雷后C相滅弧間隙動作并成功滅弧，線路未發(fā)生跳閘。

圖15 某沿海線雷電定位儀數(shù)據(jù)(14年7月9日)

2016年6月09日03:03:23.4795時，線路僅在短短兩個小時的落雷密度與強度巨大。落雷后滅弧間隙動作并成功滅弧，線路未發(fā)生跳閘。

綜上所述，爆炸氣流滅弧防雷間隙裝置能夠大幅度降低輸電線路的雷擊跳閘率和建弧率。擺脫原有低效、高投資粗獷型防雷，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝Ь珳市头览祝蠓岣叻览仔詢r比。實現(xiàn)所有雷擊工況無死角全覆蓋，使得雷擊性能和指標大幅度提升，使防雷效果與雷擊強度、雷擊類型、雷擊部位和雷擊方式無關(guān)。

6 結(jié)論

(1)爆炸氣流滅弧防雷間隙裝置能夠吸引雷電電磁脈沖觸發(fā)裝置中的滅弧能量團，雷電誘導(dǎo)同步激活強大、快速、不對稱的滅弧能量團。在工頻電弧弱小、脆弱期熄滅電弧，在建弧起始點附近中斷建弧過程，實現(xiàn)對電弧的主動、初期、高效抑制。

(2)利用AUTODYN和fluent有限元分析軟件對爆炸氣流和暫態(tài)電弧進行耦合分析，并具體演示分析在理想情況下建弧早期極脆弱的暫態(tài)電弧被高速爆炸氣流截斷的過程。結(jié)果表明，爆炸齊魯對電弧強烈的對流散熱效果使電弧在極早期被熄滅。

(3)在實驗室內(nèi)模擬滅弧間隙實際運行條件，進行多次爆炸氣流熄滅電弧試驗，驗證理論與仿真的正確性，得出爆炸氣流響應(yīng)時間、氣流速度與電弧熄滅時間，驗證了滅弧過程具有快速性；同時分別用普通攝像機與高速攝像機拍攝試驗過程進行分析，驗證了爆炸氣流截斷電弧的有效性。

(4)通過絕緣配合技術(shù)控制雷擊在間隙閃絡(luò)，使電弧不會傷及絕緣子串，在維持線路原有絕緣水平的基礎(chǔ)上是的耐雷水平提高10倍以上。