基于工頻電弧試驗結(jié)果的招弧角設(shè)計校核

李華

摘要：在我國南方雷電較多地區(qū)，經(jīng)常會出現(xiàn)因雷擊造成的電路短路而引起的瞬時高溫，瞬時高溫會引起金具的熔融，從而破壞絕緣子串的機械性能。與系統(tǒng)短路電流相類比，分析試驗工頻電弧產(chǎn)生的引弧通道;根據(jù)工頻電弧試驗結(jié)果，校核產(chǎn)生熱量的公式;根據(jù)工頻電弧試驗結(jié)果，校核招弧角桿徑的設(shè)計大小，得出招弧角設(shè)計的基本原則。

關(guān)鍵詞：工頻電弧、桿徑校核、引弧通道、工頻電弧計算方法

1引言

目前，我國輸電線路已經(jīng)完成了較大規(guī)模的建設(shè)，在南方雷電較多地區(qū)以及塔位點在高山地區(qū)的情況，經(jīng)常會出現(xiàn)由于雷擊造成電路短路而引起的瞬時高溫，瞬時高溫會引起連接絕緣子的金具的熔融以及絕緣子的損壞，破壞絕緣子串的機械性能，甚至出現(xiàn)整串絕緣子脫落的現(xiàn)象，進(jìn)而影響整個線路的運行狀況。

2雷擊閃絡(luò)的引流通道

雷擊時，電弧是通過金具串招弧角將雷擊引至鐵塔接地端，雷擊產(chǎn)生的電流通過招弧角時產(chǎn)生大量的熱量，如果招弧角桿徑較細(xì)，電阻過大，在此過程中產(chǎn)生的熱量足以使得桿徑熔斷，如圖1。

招弧角桿徑一旦熔斷，后續(xù)電弧試驗的電弧將通過球頭掛環(huán)引入鐵塔接地端。如果球頭掛環(huán)桿徑較細(xì)，電阻過大，在此過程中產(chǎn)生的熱量足以使得球頭掛環(huán)桿徑熔斷，出現(xiàn)掉串的現(xiàn)象。

3基于試驗結(jié)果的工頻電弧計算方法

根據(jù)烏干達(dá)卡魯瑪水電站工程及巴西美麗山±800kV直流輸變電工程在匈牙利布達(dá)佩斯的試驗結(jié)果，對工頻電弧試驗的計算方法做了總結(jié)，該方法理論上驗證球頭掛環(huán)及招弧角的尺寸，能對產(chǎn)品的生產(chǎn)起指導(dǎo)作用。

烏干達(dá)卡魯瑪輸變電工程中132kV單聯(lián)懸垂串及400kV單聯(lián)懸垂串前后進(jìn)行了兩次試驗，第一次試驗未通過，在改正了球頭掛環(huán)及招弧角尺寸及連接方法后第二次試驗順利通過。

烏干達(dá)線路兩次工頻電弧試驗的試驗參數(shù)對比如表1。

132kV線路單聯(lián)懸垂串前后工頻電弧試驗的球頭掛環(huán)和招弧角如圖3、圖4。

132kV的工頻電弧試驗僅改變了試驗參數(shù)，球頭和招弧角的型式及尺寸沒有改變，試驗通過。工頻電弧試驗時由于短路引起的電流及熱量的公式如下：

其中公式左邊為短路電流時長內(nèi)產(chǎn)生的熱量，公式右邊為導(dǎo)體本身吸收的熱量，兩者為相等的關(guān)系。

式中：

—— 短路電流;

——電阻率;

——短路電流時長;

——電阻溫升系數(shù);

——導(dǎo)體橫截面積;

——導(dǎo)體密度;

——導(dǎo)體比熱容;

——溫升。

根據(jù)公式可以得出以下結(jié)論，在不考慮溫升電阻引起的改變，在系統(tǒng)試驗短路電流值確定的情況下，產(chǎn)生的熱量與短路時長約成正比關(guān)系，在短路時長一定的情況下，產(chǎn)生的熱量與系統(tǒng)輸入短路電流平方約成正比。132kV單聯(lián)懸垂串試驗參數(shù)由25kA-0.2s-0.2s-1s改為31.5kA-0.2s-0.2s-0.5s后，每種參數(shù)三次試驗產(chǎn)生的能量對比如表2 。

參數(shù)修改前后，第一次和第二次的電弧短路時長均為0.2s，未對串型連接金具造成熔融破壞，因此第一次和第二次試驗不作為研究對象。第三次試驗參數(shù)為25kA-1s時，球頭掛環(huán)熔融破壞。當(dāng)輸入短路電流當(dāng)參數(shù)改為31.5kA-0.5s時，試驗通過。在不考慮電阻溫升的情況下，后者產(chǎn)生的熱量與前者比值約為0.79，產(chǎn)生的熱量降低，球頭掛環(huán)未被熔融破壞。

在試驗參數(shù)為25kA-1s和31.5kA-0.5s的情況下，第三次試驗實際產(chǎn)生的熱量分別為65.61MJ、55.87MJ，后者與前者的比值約為0.85。在不考慮電阻溫升以及環(huán)境的情況下，理論計算比值與實際比值十分接近。試驗驗證了公式的正確性，

4基于試驗結(jié)果的金具招弧角桿徑校核

在試驗過程中，招弧角的端部是引弧部位，電流通過招弧角流向鐵塔部位，招弧角在電流通過的過程中由于自身電阻的存在，而產(chǎn)生大量的熱，招弧角桿徑越細(xì)，則電阻越大。在規(guī)定電流和試驗時長（即電流通過時長）的情況下，產(chǎn)生的熱量越大，溫度會在此過程中極速升高，一旦溫升超過鋼鐵制件的熔點，則招弧角桿徑就會斷裂。

以400kV單聯(lián)懸垂串為例，失敗試驗與試驗通過的參數(shù)及產(chǎn)生的熱量分別為：25kA-1s-132.18MJ，40kA-0.5s-97.3MJ。

根據(jù)熱量公式，

式中

m——單位長度鋼制件的重量;

c——鋼制件的比熱容;

——溫升。

失敗試驗招弧角的桿徑φ=17mm，單位長度招弧角重量為1.769547kg，鋼制件比熱容460J/（kg.℃）。

試驗通過招弧角的桿徑φ=20mm，單位長度招弧角重量為2.4492 kg，鋼制件比熱容460J/（kg.℃）。

根據(jù)公式計算兩者溫升如表4。

Q235鋼制件的熔點為1495℃，根據(jù)兩次試驗結(jié)果，失敗試驗的溫升超出了鋼制件的熔點，試驗通過的試驗溫升遠(yuǎn)未達(dá)到熔點值，因此桿徑為17mm的招弧角試驗失敗，而桿徑為20mm的招弧角試驗通過。

綜上，在設(shè)計招弧角的過程中，招弧角桿徑是一個較大影響因素。在試驗參數(shù)（輸入電流、通過電流時長）確定的情況下，桿徑越小，產(chǎn)生熱量越大，溫升越高，而一旦溫升超過了鋼鐵制件的熔點，則會出現(xiàn)桿徑熔斷現(xiàn)象，則招弧角引弧作用失效，雷擊或短路電流通過球頭掛環(huán)傳遞給低壓端鐵塔，此時，球頭掛環(huán)產(chǎn)生了引弧通道，一旦溫升超過了球頭掛環(huán)的熔點，球頭掛環(huán)也會出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象，從而導(dǎo)致試驗失敗。

由于球頭掛環(huán)的設(shè)計都是符合IEC 61120標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在無法確保增加球頭掛環(huán)桿徑的情況下，只能確保電流全部通過招弧角而非球頭掛環(huán)，試驗才能通過。

5結(jié)論

在系統(tǒng)短路或者雷擊情況下，招弧角的引弧作用對保護(hù)絕緣子和金具有重要意義。本文基于工頻電弧試驗數(shù)據(jù)總結(jié)分析了招弧角具體的引弧產(chǎn)生通道，分析了招弧角桿徑與產(chǎn)生熱量的之間的關(guān)系，從而得出校核招弧角桿徑的重要性。

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