基于壓縮電弧多點(diǎn)截?cái)嗟臏缁》览组g隙機(jī)理研究

李籽劍，王巨豐，張華驛，戴琦，豐德

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧530004）

基于壓縮電弧多點(diǎn)截?cái)嗟臏缁》览组g隙機(jī)理研究

李籽劍，王巨豐，張華驛，戴琦，豐德

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧530004）

配網(wǎng)輸電線路沒(méi)有避雷線的保護(hù)，因此雷擊造成感應(yīng)過(guò)電壓幅值大、作用范圍廣、雷擊閃絡(luò)概率高。為了改善配網(wǎng)線路雷擊跳閘頻繁的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種能連續(xù)、多次動(dòng)作并長(zhǎng)期運(yùn)行的壓縮滅弧間隙，對(duì)其產(chǎn)生自膨脹氣流滅弧機(jī)理進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)并完成了沖擊電弧和工頻電弧疊加作用下的滅弧實(shí)驗(yàn)。電弧的熄滅過(guò)程借助高速攝像機(jī)和示波器監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，該滅弧間隙能在沖擊電弧暫態(tài)發(fā)展初期對(duì)其能量分段，并于1.2 ms左右熄滅2 kA的工頻電弧。該裝置已應(yīng)用于10 kV配網(wǎng)線路上，驗(yàn)證了該裝置的實(shí)用性。

配網(wǎng)線路；滅弧防雷間隙；壓縮電弧；自膨脹氣流；滅弧實(shí)驗(yàn)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市化的加快，電網(wǎng)的規(guī)模也越來(lái)越大，各種類型架空輸電線路縱橫交錯(cuò)，這在某種程度上使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有所降低，無(wú)論是內(nèi)部潮流的擾動(dòng)，還是外界因素的影響都會(huì)引起電力系統(tǒng)的故障。在當(dāng)前電力系統(tǒng)中，由雷擊引發(fā)的跳閘次數(shù)占總跳閘次數(shù)的40%～70%，可見雷擊事故是電網(wǎng)運(yùn)行安全的主要威脅[1]。

基于“閃絡(luò)抑制”的傳統(tǒng)防雷理念依賴于雷電攔截、地網(wǎng)降阻等方法，這些方法最大的共同特征是不可控性，導(dǎo)致防雷效果極差。而避雷器不僅成本較高并且存在閥片時(shí)滯導(dǎo)致殘壓飆升、閥片防潮措施嚴(yán)重影響閥片散熱性能導(dǎo)致熱擊穿高發(fā)、選擇性安裝點(diǎn)會(huì)使回射波自動(dòng)復(fù)原升高等固有缺陷，也使其難以保障電網(wǎng)的輸電安全。如果長(zhǎng)期發(fā)生這樣的情況更容易造成人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)。所以尋找一種高性價(jià)比的防雷方式一直是防雷工作者的研究放向之一[2-6]。

目前國(guó)內(nèi)外最新的輸電線路防雷方法是采用“疏導(dǎo)型”防雷手段[7]。其基本原理：在絕緣子串兩端并聯(lián)裝設(shè)保護(hù)間隙從而形成對(duì)雷擊閃絡(luò)路徑的控制，使其優(yōu)先經(jīng)過(guò)并聯(lián)間隙。這種防雷手段避免了絕緣子串發(fā)生沿面閃絡(luò)導(dǎo)致永久性絕緣損壞，但是也存在以下缺陷：首先，這種并聯(lián)間隙沒(méi)有熄滅工頻續(xù)流電弧的功能，在多次閃絡(luò)后并聯(lián)間隙兩端電極會(huì)因?yàn)樽茻鴮?dǎo)致距離增大，絕緣配合失效。其次，這種并聯(lián)間隙降低了線路的絕緣強(qiáng)度，雖然在一定程度上降低了電網(wǎng)的雷擊事故率，但這是以犧牲雷擊跳閘率為前提的，防雷性價(jià)比并不高[8-13]。

筆者所研究的自能式壓縮滅弧防雷間隙也屬于“疏導(dǎo)型”防雷方法。但不同的是，這種防雷間隙是由一系列滅弧壓縮通道按照一定的空間序列排列而成，不僅能優(yōu)先吸引沖擊電弧進(jìn)入滅弧通道，而且每個(gè)通道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生自膨脹滅弧氣流，在相鄰滅弧單元的拐點(diǎn)處形成對(duì)電弧的能量分段，從而在工頻電弧暫態(tài)發(fā)展初期實(shí)現(xiàn)電弧的多點(diǎn)截?cái)?，阻止其發(fā)展成為穩(wěn)定的工頻續(xù)流電弧[14-22]。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文建立了電弧在壓縮通道內(nèi)發(fā)展的模型，并在沖擊電弧耦合工頻電弧的

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)該防雷間隙的滅弧效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，最后分析其實(shí)際運(yùn)行效果。

1 壓縮電弧多點(diǎn)截?cái)嗟臏缁C(jī)理

1.1 電弧壓縮模型

電弧直徑在受到外力壓縮減小的現(xiàn)象稱為弧壓縮，見圖1。通常情況下，電弧壓縮的類型可分為以下3種形式[23]。1）機(jī)械壓縮：以冷通道壁對(duì)電弧進(jìn)行控制壓縮；2）流體壓縮：當(dāng)氣態(tài)或液態(tài)流體作用于電弧時(shí)，也會(huì)使其發(fā)生收縮；3）自磁壓縮：電弧受到自身電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)所形成的電磁性壓縮。

圖1 電弧在單元壓縮管道中的模型Fig.1 The model of arc in the unit compression tube

進(jìn)入滅弧通道中的電弧會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)與壓縮管道的冷通道內(nèi)壁形成大面積接觸。由于電弧與通道內(nèi)壁溫差極大，弧柱外圍將立即冷卻，并失去導(dǎo)電性，也就是電弧受到了機(jī)械壓縮，弧柱半徑減小。同時(shí)，如此強(qiáng)烈的機(jī)械壓縮也造成了電弧形態(tài)的巨大改變。

另一方面，如果把電弧等效分為多段電流，每段電流都會(huì)受到其他段電流與自身電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)而作用形成的洛倫茲力，這些洛倫茲力的方向均指向弧柱中心，電弧就會(huì)產(chǎn)生自磁壓縮。在機(jī)械壓縮和自磁壓縮的疊加作用下，電弧的直徑將進(jìn)一步減小。

電弧受到自磁壓縮時(shí)弧柱單元體力的平衡方程如下：

式中：P為弧柱徑向壓力；jr為電流的軸向密度；Bφ為弧柱產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)電弧的對(duì)稱性，與安培環(huán)路定律結(jié)合可得：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；l為電弧弧柱環(huán)繞積分長(zhǎng)度；I為電弧電流。若設(shè)定l為半徑為r的圓，則式（2）可轉(zhuǎn)化為

結(jié)合式（3）與式（1）可得：

將式（4）沿電弧徑向從邊緣至中心積分，可得下式：

式中：P0為弧柱邊緣的環(huán)境壓力，這里為電弧所受機(jī)械壓縮力；ΔP(r)為電弧所受自磁壓縮力在弧柱徑向r處產(chǎn)生的壓力差，若把弧柱電流密度表示為，則

由式（6）可看出，在r=0時(shí)，電弧中心弧軸有最大壓力差：

由以上推導(dǎo)可知，電弧受到自磁壓縮產(chǎn)生在電弧徑向上的壓力差與電弧半徑的平方成反比，在電弧受到機(jī)械壓縮半徑減小以后，自磁壓縮效果將會(huì)呈指數(shù)平方性放大，在這兩種壓縮方式下，電弧將形成極度壓縮狀態(tài)，導(dǎo)電橫截面大幅縮小的同時(shí)，弧柱中心的溫度與電流密度也將大幅增加?？梢姡趬嚎s管道中，電弧的形態(tài)與能量分布已發(fā)生巨大改變。

1.2 電弧在壓縮管道中的多點(diǎn)自截?cái)嘈纬蓹C(jī)理

1.2.1 壓縮管道內(nèi)的“電弧噴射”與“壓縮抽吸”

在壓縮管道的端口處，電弧從極度壓縮態(tài)發(fā)展至自由態(tài)的過(guò)程中，原本集中在弧柱軸心的能量和電流將會(huì)以噴射的態(tài)勢(shì)向管道外釋放和發(fā)展，形成“電弧噴射”現(xiàn)象。

根據(jù)物質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡原理，在管道內(nèi)的電弧受到機(jī)械壓縮和自磁壓縮的疊加作用后，會(huì)從端口外吸入大量氣體填補(bǔ)管道內(nèi)的空間，這種現(xiàn)象稱為電弧在壓縮管道內(nèi)的“壓縮抽吸”現(xiàn)象。

如圖2所示，這兩種現(xiàn)象促使壓縮電弧介質(zhì)與空氣介質(zhì)形成對(duì)流，并在滅弧通道內(nèi)積累大量氣體，為自膨脹滅弧氣流的產(chǎn)生提供了載體。

圖2 單元滅弧管道內(nèi)電弧噴射與壓縮抽吸示意Fig 2 Schematic of arc spraying and compression in the arc extinguishing tube

1.2.2 自膨脹氣流對(duì)電弧的截?cái)嘈?yīng)

電弧在管道內(nèi)被極度壓縮，弧柱能量瞬時(shí)積累，導(dǎo)致弧柱中心溫度急劇上升，弧柱與通道內(nèi)壁形成巨大的溫度差，因此通道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的熱傳導(dǎo)。此時(shí)，弧柱和通道內(nèi)壁之間已經(jīng)吸入大量氣體，這些氣體在強(qiáng)烈的對(duì)流傳熱下溫度會(huì)快速升高，體積將迅速增大，由于受到管道內(nèi)壁的壓力，徑向自膨脹氣流發(fā)展為軸向自膨脹氣流。

整體滅弧通道的空間結(jié)構(gòu)見圖3，單元壓縮管道之間以一定空間結(jié)構(gòu)排列，不僅能拉長(zhǎng)電弧，而且每個(gè)通道內(nèi)的軸向自膨脹氣流會(huì)在相鄰管道的電弧運(yùn)動(dòng)軌跡拐點(diǎn)處作用于處于形態(tài)不穩(wěn)定的電弧，從而對(duì)電弧多點(diǎn)截?cái)?，阻斷后續(xù)能量供給，快速有效地熄滅電弧，見圖4。

設(shè)在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)下電弧弧柱中心的運(yùn)動(dòng)速度與電弧溫度最大值的運(yùn)動(dòng)速度都為Va。當(dāng)軸向自膨脹氣流在相同坐標(biāo)系下以速度V在弧柱中運(yùn)動(dòng)，其經(jīng)歷的溫度可以表示為

若與軸向自膨脹氣流耦合的弧柱所經(jīng)歷的溫度梯度為?T，則自膨脹氣流所經(jīng)歷的溫度梯度變化為

圖3 滅弧通道空間結(jié)構(gòu)Fig.3 Space structure of arc extinguishing channel

圖4 自膨脹氣流滅弧機(jī)理Fig.4 Arc extinguishing mechanism of self expanding air flow

在自膨脹氣流的作用下，電弧弧柱中心溫度最大值的運(yùn)動(dòng)速度很快到達(dá)最大值，即與自膨脹氣流同步運(yùn)動(dòng)。故自膨脹氣流所經(jīng)歷的就是弧柱溫度最大值的溫度梯度?mT，且此溫度梯度相對(duì)于時(shí)間的變化率為零，可得

此式可轉(zhuǎn)化為

由上式可看出，自膨脹氣流的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)極大地影響突變拐點(diǎn)處電弧的運(yùn)動(dòng)速度，使其到達(dá)下一個(gè)滅弧通道的運(yùn)動(dòng)距離增加，而電弧的能量耗散率與其運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)距離成正比，所以在每一個(gè)突變拐點(diǎn)處電弧的能量將大幅耗散，最終形成能量的斷點(diǎn)。在相鄰滅弧單元處都存在能量斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電弧的多點(diǎn)截?cái)唷?/p>

2 滅弧試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)

為了模擬出雷擊條件下沖擊電弧和工頻續(xù)流電弧在滅弧結(jié)構(gòu)中的發(fā)展情況，本次試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)出了沖擊電流回路和工頻續(xù)流回路，見圖5和圖6。

圖5 沖擊電流回路設(shè)計(jì)Fig.5 Design of impact current circuit

圖6 工頻續(xù)流回路設(shè)計(jì)Fig.6 Design of power frequency continuous current circuit

本次試驗(yàn)步驟如下：

1）首先接通工頻電源，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器和試驗(yàn)變壓器，使絕緣子兩端電壓升高，觀察連接在滅弧間隙的熔絲是否出現(xiàn)變化。當(dāng)工頻電壓升高達(dá)到一定幅值，滅弧間隙被擊穿，熔絲由于短路電流的流過(guò)出現(xiàn)融化跡象，表明這是工頻電弧發(fā)展的起始時(shí)刻，這時(shí)立即斷開記憶開關(guān)K0，保持回路其他部分不變，此時(shí)記憶電阻兩端記錄下了工頻短路電弧的起始電壓。

2）記憶開關(guān)K0斷開之后，操作控制臺(tái)啟動(dòng)沖擊電流發(fā)生器并調(diào)節(jié)自耦變壓器和分流器產(chǎn)生模擬沖擊電弧所需波形和幅值的沖擊電流，此時(shí)，可觀察到熔絲繼續(xù)融化，表示滅弧間隙兩端已產(chǎn)生沖擊電弧。

3）沖擊電弧產(chǎn)生的同時(shí)，與記憶開關(guān)相連的感應(yīng)控制器將收到?jīng)_擊電流脈沖信號(hào)，并控制記憶開關(guān)K0閉合，從而使之前記錄下的工頻短路電壓疊加在滅弧間隙兩端，實(shí)現(xiàn)沖擊電弧與工頻短路電弧在時(shí)間和空間上的疊加。

雖然由于記憶開關(guān)和感應(yīng)控制器的配合存在一定的時(shí)滯，使得工頻電壓的疊加滯后于沖擊電流，但只要控制滯后時(shí)間在沖擊電流的半波峰內(nèi)，即可近似模擬沖擊電弧與工頻電弧的疊加，其中的誤差不會(huì)對(duì)本次實(shí)驗(yàn)效果及結(jié)論產(chǎn)生太大影響。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)利用CCD高速攝像機(jī)和數(shù)字示波器記錄了自膨脹氣流滅弧防雷間隙的滅弧動(dòng)作過(guò)程及沖擊電弧電壓變化波形，以此分析電弧的發(fā)展規(guī)律和滅弧間隙的動(dòng)作效果。

圖7為在沖擊回路中測(cè)量電阻R（1mW）并聯(lián)的示波器記錄的不同波形和幅值的沖擊電弧能量分段。波形的縱坐標(biāo)為沖擊電流在測(cè)量電阻R兩端產(chǎn)生的電壓，可以反映沖擊電弧電流的變化規(guī)律。左側(cè)波形為8 μs/20 μs，幅值20 kA的沖擊電弧電壓波形，右側(cè)為30 μs/80 μs，幅值40 kA的沖擊電弧電壓波形。

圖7 不同波形和幅值的分段沖擊電弧波形Fig.7 Different waveforms and amplitudes of the segmented impulse arc wave

從以上波形可看出，在滅弧間隙的作用下，兩種不同波形不同幅值的沖擊電弧波形均產(chǎn)生了大幅的密集電壓震蕩，這時(shí)因?yàn)闆_擊電弧在滅弧間隙的突變拐點(diǎn)處發(fā)生了能量分段，導(dǎo)致在各個(gè)分段點(diǎn)產(chǎn)生電壓波動(dòng)，從而無(wú)法形成平滑連續(xù)的電壓波形。這驗(yàn)證了自膨脹氣流滅弧間隙對(duì)沖擊電弧的截?cái)嘈?yīng)。

圖8為設(shè)置拍攝頻幀為20 000 fps的CCD高速攝像機(jī)記錄的壓縮滅弧間隙在2 kA工頻電弧條件下的滅弧動(dòng)作過(guò)程。為排除外界環(huán)境的絕緣強(qiáng)度造成的干擾，在滅弧間隙外表面覆蓋了特殊的有機(jī)絕緣材料。

從圖中可看出，在沖擊電弧進(jìn)入滅弧間隙后的50 μs內(nèi)，就完全按照滅弧間隙的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行螺旋式發(fā)展。此時(shí)的沖擊電弧由于極度壓縮，滅弧通道單位截面積上的能量積累密度達(dá)到峰值，因此只能在圖中觀察到滅弧通道附近強(qiáng)烈的發(fā)光現(xiàn)象。

在滅弧過(guò)程的150 μs，可清楚看到，由于滅弧通道產(chǎn)生較高的縱向壓力梯度，沖擊電弧在電弧噴射的作用下沿各個(gè)滅弧單元連接處向外噴射，此時(shí)的沖擊電弧開始逐步被切割分段，不再連續(xù)。

滅弧過(guò)程到達(dá)300 μs時(shí)，沖擊電弧已經(jīng)形成了明顯的能量分段，其能量也大幅耗散，此時(shí)在各滅弧單元中已積累了大量自膨脹氣流，在突變拐點(diǎn)處的電弧被吹出到較遠(yuǎn)空間。

工頻續(xù)流電弧與沖擊電弧的耦合與解耦發(fā)生在300～500 μs的時(shí)段中，由于自膨脹氣流對(duì)電弧發(fā)展的抑制作用，從圖中未看出電弧能量有增加的趨勢(shì)，工頻續(xù)流電弧延續(xù)著沖擊電弧的發(fā)展，形成孤立斷裂的分段弧柱并被吹散至外部。

可以看出在500～1 000 μs內(nèi)，自膨脹縱吹氣流完全耦合工頻續(xù)流電弧，使工頻電弧迅速衰減，分段弧柱的數(shù)量和能量密度都大大減小。衰減過(guò)程中，工頻電弧被大尺度截?cái)?，失去了能量供給的通道，避免了重燃的可能。在1 200～1 500 μs內(nèi)，滅弧過(guò)程基本結(jié)束，工頻電弧已衰減至熄滅。

圖8 高速攝像機(jī)拍攝的滅弧過(guò)程圖像Fig.8 The image of the arc extinguishing process for high speed video camera

3 掛網(wǎng)運(yùn)行情況

由于壓縮滅弧防雷間隙具有科學(xué)原理先進(jìn)、安裝便捷（見圖9）、無(wú)易損件、維護(hù)周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已在廣西某市10 kV配網(wǎng)線路防雷工程中應(yīng)用，進(jìn)行了運(yùn)行實(shí)踐（見圖10）。結(jié)果表明，壓縮滅弧防雷間隙能大幅度降低雷擊跳閘率、事故率，取得了良好的運(yùn)行效果，很大程度上保證了線路供電的可靠性。

圖9 壓縮滅弧防雷間隙安裝圖片F(xiàn)ig.9 Compression arc extinguishing lightning protection gap installation picture

4 結(jié)論

1）近似理論解析表明，沖擊電弧進(jìn)入滅弧通道后，在通道內(nèi)將產(chǎn)生自膨脹氣流，使相鄰滅弧通道拐點(diǎn)處的電弧加速縱向運(yùn)動(dòng)，能量大幅耗散，最終形成能量斷點(diǎn)。

圖10 壓縮滅弧防雷間隙運(yùn)行圖片F(xiàn)ig.10 Compression arc extinguishing lightning protection gap operation picture

2）壓縮滅弧防雷間隙在8 μs/20 μs與30 μs/80 μs兩種沖擊電弧的發(fā)展初期對(duì)它們進(jìn)行多點(diǎn)截?cái)啵⒂?.2 ms左右熄滅幅值為2 kA的后續(xù)工頻電弧，不會(huì)重燃。

3）筆者研究的壓縮滅弧防雷間隙能快速熄滅電弧，有效降低配網(wǎng)線路的跳閘率，保證了線路的正常運(yùn)行，為研究適用于更高電壓等級(jí)的壓縮滅弧防雷間隙奠定了基礎(chǔ)。

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Study on the Mechanism of Arc Extinguishing Lightning Protection Gap Based on the Multi Point Arc Cutting

LI Zijian，WANG Jufeng，ZHANG Huayi，DAI Qi，F(xiàn)ENG De
（College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Without the protection of lightning conductor，once struck by lightning，the distribution network transmission lines will result in high amplitude of induced overvoltage，wide range of damage and high probability of lightning flashover.In order to improve the situation of frequent lightning trip of distribution network lines，the author designs a kind of continuous，repeated action and long-term oper?ating compression arc gap，and studies on the mechanism of extinguishing arc through self expanded air flow.The author designed and completed the arc extinguishing experiment under the dual function of im?pulse arc and power frequency arc.Monitoring the process of arc extinguishing through high speed cam?era and oscillograph，the author finds out that the arc gap segments on the energy in the development of early transient impulse arc，and puts out the power frequency arc 2 kA at about 1.2 ms.The device has been applied to the 10 kV distribution line，which verified the practicability of the device.

distribution line；arc extinguishing lightning protection gap；compressed arc；self ex?panding air current；arc extinguishing experiment

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.027

2016-09-21

李籽劍（1993—），男，碩士，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。