10 kV配電網壓縮滅弧防雷裝置工頻續流遮斷與雷電沖擊實驗研究

毛成程, 王巨豐 , 周勇軍, 孟偉航, 韓力

(1.廣西大學 電氣工程學院, 南寧 530004; 2.廣西電力輸配網防雷工程技術研究中心, 南寧530004)

0 引 言

隨著時代發展, 社會對于用電穩定性提出了更高的要求, 而輸配電線路因雷擊引發跳閘在跳閘事故中的占比很大, 達到40%～70%[1]。絕緣子由雷擊引起過電壓導致閃絡時會產生沖擊電弧, 電弧持續燒蝕進而發展成工頻電弧, 從而發生跳閘事故, 嚴重影響供電的可靠性, 所以如何降低雷害對于輸配電線路的影響一直是一個熱門的研究課題[2-6]。以往常見的防雷措施主要有: 架空地線及減小保護角、降低接地電阻、加強絕緣、安裝避雷器等, 這一類統稱為阻塞型防雷。阻塞型防雷在防雷領域都發揮了一定的作用, 但也有諸如接地電阻難以降阻、設計好的線路提高絕緣水平代價大等局限性[7]。

相比于阻塞型防雷對于雷電的阻塞攔截, 疏導型防雷則是一種完全不同的防雷思路, 它是在絕緣子一側并聯一組由兩電極組成的間隙, 間隙間距小于絕緣子干弧長度, 當遭受雷擊時, 間隙優先于絕緣子擊穿, 再配合跳閘動作從而實現保護絕緣子的目的[8-10]。但是跳閘本身嚴重影響著供電可靠性, 所以在此背景下, 提出一種適用于10 kV～35 kV輸電線路的壓縮滅弧防雷裝置。壓縮裝置是一款帶有滅弧能力的并聯間隙, 裝置通過金具并聯在絕緣子一側, 其同樣因為優先被擊穿而保護絕緣子, 但是該裝置的長處在于具有滅弧功能并且具有自恢復能力[11], 不會隨使用次數的增加而衰減, 這樣在保護絕緣子的同時不會使輸配電線路跳閘, 提高電力系統的供電質量。

先通過遮斷滅弧實驗來驗證其滅弧能力, 再進行雷電沖擊實驗, 獲取了支柱絕緣子與壓縮滅弧裝置的伏秒特性曲線, 并依據實驗數據進行較為詳盡的絕緣配合研究[12-18]。

1 裝置簡介

壓縮滅弧防雷裝置如圖1所示。

圖1 壓縮滅弧防雷裝置

其主要結構為:

(1)引雷電極(即石墨頭)負責建立電弧通道, 吸引雷電至絕緣子一側, 即間隙處發生閃絡;

(2)裝置內由多個壓縮管組成, 如圖2所示, 其整體螺旋向下盤旋構成曲折路徑。每個腔室內部放置球形電極, 相鄰腔室間存在金屬絲電極以保證電弧按照預設路徑運動。當電弧進入裝置內, 電弧受到腔室管壁束縛、壓縮導致半徑弧柱減小, 另一方面管壁材料也有降低電弧溫度的作用, 溫度下降也會導致電弧半徑減小；電弧經過曲折路徑的斷口處時, 部分能量會從噴口噴出, 而另一部分繼續順著管道運動, 噴口氣流與電弧運動路徑形成一定角度, 氣流持續噴出使得弧柱在斷口處發生斷裂。半徑減小、溫度下降、弧柱斷裂, 在多方面的因素作用下, 電弧補給能量不足以維持弧柱持續燃燒而最終熄滅;

圖2 裝置內部壓縮管結構

(3)裝置外表面設置裙邊, 用來分隔相鄰噴口, 使得電弧能按照預設曲折路徑運動,而不會直接從噴口處沿面閃絡。

2 工頻續流遮斷實驗

本實驗主要是驗證壓縮滅弧裝置的滅弧能力, 擁有滅弧能力也是該裝置區別于傳統并聯間隙的重要功能優化。實驗電路圖如圖3所示。

圖3 工頻續流遮斷實驗電路圖

其中的主要模塊, IG表示沖擊電壓發生器；TT為工頻試驗電壓器；MOA為避雷器；T0為試品, 即壓縮滅弧裝置；CT為電流互感器, 負責采集實驗電流；C1、C2, C3、C4串接后與裝置并聯, 其中C2、C4為小電容, 起到分壓作用, 其電壓通過采集系統DIVMS采集, 生成波形。

實驗需要先進行工頻加壓。模擬10 kV線路工況, 將施加標準的50 Hz工頻電壓調升至13.2 kV, 待線路穩定運行1 min后開始進行沖擊放電, 分別在工頻電壓的90°和270°相角進行觸發。實驗過程由高速攝像機進行捕捉, 如圖4所示。

圖4 相機捕捉滅弧圖片

相片拍攝間隔為0.5 ms, 從0 s開始記錄。從圖片中可以看出, 施加沖擊電壓之后, 0.5 ms時電弧貫穿整個間隙, 1 ms時電弧從裝置的噴口四濺噴出, 此圖顯示電弧是從裝置預設的電弧路徑通過而非沿面閃絡；從1.5 ms及之后的圖片可以觀察到電弧在進入曲折管道后在斷口處噴射產生撕裂, 電弧此時在管道內部被截成許多小段, 電弧能量持續衰減, 最終在4 ms內成功熄滅。后續工頻能量供給并未使電弧復燃。

示波器采集到的電壓、電流波形圖如圖5、圖6所示, 圖中CH1表示電壓通道, CH2表示電流通道。

圖5 90°觸發波形圖

圖6 270°觸發波形圖

波形圖顯示間隙被擊穿瞬間, 裝置兩端電壓迅速下降, 生成較大的工頻續流, 圖5測得90°觸發時通道2的電流最大值為1.17 kA, 圖6測得270°觸發時數據為1.09 kA。電壓在出現干擾后的4 ms內恢復到正常波形。由于沖擊電壓的影響, 裝置兩端的工頻電壓恢復后的第一個周期的峰值相較于正常值略高, 但之后仍正常運行, 并沒有因震蕩產生電弧復燃的現象。電流的峰值較大, 但在極短時間內下降到0, 結合之前觀察的實驗現象可以得出該裝置具備滅弧能力的結論, 電弧在4 ms內完全熄滅。

3 雷電沖擊放電實驗

作為一款新型的防雷滅弧設備, 在此之前缺乏對該設備在10 kV線路運行的絕緣配合進行詳盡的研究, 試運行安裝采用的基本是以往并聯間隙或者有間隙型避雷器的絕緣配合標準, 壓縮裝置跟傳統間隙防雷裝置在原理上的差別很大, 沿用之前的標準來安裝此設備可能達不到最理想的效果, 所以應該在試驗的基礎上得出一套伏秒特性配合以用于實際工程, 使本裝置能最大限度的保護線路,提高線路運行的可靠性。

3.1 試驗場地及平臺搭建

標準雷電波沖擊閃絡特性試驗研究, 所用試驗平臺及模擬裝置結構圖如圖7、圖8所示。

圖7 沖擊電壓發生器

圖8 安裝示意圖

圖8中雷電施放到輸配電導線位置, 下方金具起到固定及接地的作用。間隙長度取引雷電極頂端到輸配電導線最近點的垂直距離。

實驗設備采用華高生產的沖擊電壓發生器, 其每極充電電容最高可充電至100 kV, 共有15級電容。每次試驗所采用的雷電波滿足標準為1.2/50 μs的雷電波形, 其誤差均在國標要求之內。由于自然界負極性雷電占雷電總數的九成以上, 因此本次實驗均采用負極性雷電波。

根據國家標準GB/T 16927.1中提到的方法[19], 絕緣子及裝置的50%放電電壓采用升降法確定, 先估計試驗品的擊穿電壓進行試驗, 若擊穿則降壓, 反之則升壓, 電壓增減幅度為5 kV。當找到一個前次未擊穿而降壓后擊穿, 或者前次擊穿而升壓后未擊穿的電壓時, 從此點開始進行50%放電試驗, 試驗共進行30組, 根據式(1)計算:

(1)

式中n為第試驗次數；Ui表示第i次試驗的電壓(kV)。

實驗標準差σ采用式(2)計算:

(2)

式中U50%為計算得到的50%放電電壓。

3.2 規程法間隙保護有效率計算

在絕緣子閃絡研究中, 規程法是一種重要且常見的方法, 通過比較絕緣子兩端的電壓與承受的電壓與其50%的放電電壓, 判斷是否發生閃絡。為保證裝置動作可靠性, 其50%放電電壓應該低于絕緣子。

經過實驗得到了絕緣子以及壓縮滅弧裝置在5 cm、7 cm、9 cm這三個間隙長度下的50%雷電沖擊放電電壓及其標準誤差, 如表1所示。

表1 支柱絕緣子及裝置的50%放電電壓

表1中σ%為標準誤差σ與U50%的比值, 這個數據對于之后的計算有幫助, 故在此單獨列出來。根據試驗所得數據可知壓縮滅弧裝置的50%沖擊放電電壓與其間隙距離基本滿足線性關系, 其關系式通過軟件擬合如圖9所示。

圖9 50%放電電壓關系擬合圖

其表達式為:

UY50%=13.9L+97.5

(3)

間隙擊穿概率一般滿足正態分布[20], 其表達式一般為:

(4)

式中P為擊穿概率。間隙的擊穿具有一定分散性, 并非嚴格滿足曲線分布, 所以在確定間隙距離時, 僅僅裝置的U50%低于絕緣子并不能達到保護的要求, 還需要留有一定的裕度。下面計算壓縮裝置保護絕緣子的有效率, 確保裝置工作的可靠性。

具體算法利用了概率論中提到的“3σ”法則, 即: 盡管正太變量的取值范圍為無窮, 但它落在(μ-3σ,μ+3σ)內基本是肯定的事。

因此, IEC 60099-8中推薦使用式(5)來驗證帶間隙的保護性, 根據表1數據, 絕緣子標準誤差σI%取0.025, 裝置σY%取三個數據中的最大值0.035:

UY50%+3σY

UI50%=201.3 kV

(5)

將裝置50%放電電壓最大值201.3 kV帶入式(3)計算, 得出對應間隙長度為7.4 cm, 當壓縮裝置的間隙小于此距離時, 裝置優先于絕緣子閃絡是可信的。

3.3 伏秒特性法間隙保護計算

伏秒特性反映了在沖擊電壓下, 間隙上電壓最大值和放電時間的關系。

研究壓縮滅弧裝置與絕緣子的配合程度, 僅靠規程法50%放電電壓顯得不夠全面, 規程法過于精簡, 忽略了放電時延的影響, 所以要采用伏秒特性法, 通過實驗作出完成伏秒特性曲線, 對比絕緣子與裝置的曲線, 才能得出不同強度的雷電沖擊下, 裝置是否還能起到理想的保護作用。此方法更直觀, 也更符合實際情況。

在進行U50%放電電壓實驗后, 進行伏秒特性實驗。對于絕緣子或者某一長度的間隙, 測量了其U50%之后, 取一個略高于這個值的點, 保證每次實驗都能擊穿, 進行沖擊放電實驗20次。之后升高每級電壓5 kV, 進行試驗20次, 以此類推, 進行4次電壓調整, 取得五組總共100次的試驗數據, 其數據以jpg的格式保存。圖片打開后如圖10所示。

圖10 波形采集圖

圖片導出后從圖中記錄每次實驗所需的電壓Up和時間T1(下邊直接用t表示), 用軟件origin繪制了實驗的散點圖后用曲線進行擬合, 即可得到伏秒特性曲線。如圖11所示, 圖中所繪制的是絕緣子以及在同一絕緣子下所做的裝置間隙為5 cm、7 cm、9 cm的沖擊電壓試驗。

采用伏秒特性來研究間隙保護效果時, 用直觀方式研究曲線是否存在交點, 若存在交點則說明一定大小的沖擊電壓將優先擊穿絕緣子。但是上述方法并不夠嚴謹, 從圖11中可以看出實驗所采集的數據較為均勻的分部在曲線兩側, 伏秒曲線實際上是一條有一定寬度的帶狀線條。

圖11 不同長度間隙下的伏秒特性曲線

根據DL/T 815-2012《交流輸電線路用復合外套金屬氧化物避雷器》要求, 線路避雷器雷電沖擊伏秒特性曲線應比被保護絕緣子串的雷電沖擊伏秒特性曲線至少低15%[21]。

另一方面, 實驗不能窮盡所有情況, 比如不可能將所有間隙距離的伏秒特性曲線都作出來。擬合曲線后發現不同間隙的伏秒特性曲線雖然不是正比關系但也比較相似, 所以對所得結果進行數學歸納, 統一成一個公式, 最終可以推廣到其它情況。

擬合曲線時采用IEC推薦的用于伏秒特性曲線描述函數進行擬合, 函數形式為:

(6)

式中U為擊穿電壓(kV)；L為間隙長度(cm)；t為電壓從施放到閃絡的時間(μs)；A、B、C為待定系數。

對于表2中的數據, 每項保留兩位小數。

表2 實驗擬合所得數據

將擬合得到的數據歸納為公式可以更直觀地對曲線進行對比。其中此絕緣子的描述函數為:

(7)

在對壓縮滅弧裝置的數學函數進行歸納的時候, 其公式很難統一, 在不同間隙長度上計算出來的A、B數值差距較大。研究后發現問題可能出在公式所提的間隙距離，跟傳統并聯間隙的長度測算方法并不等同。推薦公式一般用于絕緣子或者并聯間隙, 并聯間隙長度一般所指的是兩端金屬電極間的長度, 其間是空氣介質；而壓縮滅弧防雷裝置所提的間隙是指引雷電極到另一端電極的長度, 但裝置本身內部還存在一定長度的空氣間隙, 所以在利用推薦公式時還要進行一定調整。經過大致測量, 裝置內部還有長度約為10 cm的空氣間隙, 所以推薦公式可以修正為:

(8)

如表3所示，采用修正公式計算后可以看出不同間隙距離下擬合出的A、B、C三項的數值比較接近, 說明此推薦公式經過修正, 也適用于壓縮滅弧防雷裝置。

表3 根據修正公式所計算出的參數

取A、B、C三項的平均值, 則裝置的描述函數為:

(9)

前文說到裝置與絕緣子之間的伏秒特性曲線需要15%的裕度, 在得出二者的具體描述函數后需要對數據進行進一步處理, 得到它們的配合曲線, 從配合曲線中容易看出不同長度間隙下的裕度是否達到要求。配合裕度的公式為:

C=(UI-UY)/UY×100%

(10)

式中UI、UY分別為絕緣子和壓縮裝置的擊穿電壓。

計算時分別采用了三個間隙長度, 其中9 cm、7 cm采用原本擬合得到的曲線, 7.9 cm采用壓縮裝置統一的描述函數, 利用Excel畫出它們的配合裕度曲線, 如圖12所示。

圖12 配合裕度曲線圖

根據圖中曲線可以直觀地看出L=9 cm時配合裕度達不到15%, 不符合要求；而L=7.9 cm時配合裕度不低于20%, 滿足要求。從曲線圖以及裕度公式可知, 當間隙距離L越小時, 裕度越大, 所以當L<7.9 cm時, 其伏秒特性曲線都滿足裕度大于15%的要求。綜合伏秒特性法與前邊規程法, 7.4 cm為同時滿足兩種方法的最大值, 所以10 kV線路安裝本裝置應該取間隙距離L≤7.4 cm。

4 運行效果

壓縮滅弧防雷裝置易安裝, 維護簡單, 已在部分地區的10 kV線路上掛網運行, 安裝圖片如圖13所示。運行效果以云南某線路為例, 該線路使用壓縮裝置之前平均每年跳閘達8次, 相關資料顯示每臺2 MW風機棄風損失為100萬元/天, 損失驚人, 而且還會嚴重干擾人民的日常生活, 間接損失更不可估量。在采用了壓縮裝置之后,年跳閘率不足一次, 效果顯著。

圖13 現場安裝施工圖片

5 結束語

(1)工頻遮斷實驗顯示10 kV壓縮滅弧裝置在4 ms內完全熄滅峰值為1.17 kA的電弧, 且之后沒有發生電弧復燃, 具備滅弧能力；

(2)運行于10 kV線路時,壓縮滅弧防雷裝置的50%放電電壓為:U50%=13.9L+97.5, 其中U50%單位為kV, 間隙長度L單位為cm；

(3)通過規程法計算得到在干弧長度為22.5 cm規格的支柱型絕緣子下, 間隙距離L≤7.4 cm時, 裝置嚴格保護絕緣子；

(4)在支柱絕緣子實驗條件下, 擬合出了該裝置的伏秒特性曲線及其數學表達式, 在此基礎上計算并畫出了裕度配合曲線, 據此可知間隙距離L≤7.4 cm也滿足配合裕度的保護要求, 可將此距離運用于實際工程中。