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        對吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置熄弧效果研究

        2018-02-08 01:04:44王巨豐
        電瓷避雷器 2018年1期
        關(guān)鍵詞:滅弧電弧絕緣子

        吳 東,王巨豐

        (廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,南寧530004)

        0 引言

        輸電線路防雷是世界級難題。國家電網(wǎng)公司的2003年生產(chǎn)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)分析表明,全國500 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的46%,330 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的29%,220 kV輸電線路中雷擊跳閘占線路跳閘的33.4%,110 kV輸電線路中雷擊閃絡(luò)占線路跳閘的35.3%[1-2]。因此研究新型防雷方法迫在眉睫。

        目前我國采用的是傳統(tǒng)的架空輸電線路防雷措施,如架設(shè)避雷線、降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)絕緣、加裝耦合地線等[3-4]。但是傳統(tǒng)措施防雷效果不佳且存在一定問題:1)避雷線在冰凍狀態(tài)下會導(dǎo)致斷線及桿塔彎曲、倒塌,以及避雷線無法有效防護(hù)繞擊(出現(xiàn)概率高);2)由于輸電走廊土壤電阻率普遍較高,降低桿塔接地電阻較為困難;3)目前有利用絕緣桿塔加強(qiáng)絕緣,但其成本較高。

        現(xiàn)有防雷保護(hù)方式分為“疏導(dǎo)型”與“堵塞型”?!笆鑼?dǎo)型”思想的防雷保護(hù)方式,其核心理念是允許線路雷擊閃絡(luò),閃絡(luò)后經(jīng)自動重合閘排除閃絡(luò)故障[5-11]。這種方式在國內(nèi)應(yīng)用表現(xiàn)就是在絕緣子串兩端并聯(lián)一對金屬電極(又稱招弧角/引弧角),構(gòu)成保護(hù)間隙,通常保護(hù)間隙的距離小于絕緣子串的串長[12-20]。該防雷保護(hù)方式?jīng)]有熄弧功能,電弧會在兩電極間持續(xù)燃燒,使得電極被電弧嚴(yán)重?zé)?,從而影響絕緣配合?!岸氯毙头览妆Wo(hù)目的在于提高線路的耐雷水平,減少雷擊跳閘率。但是其成本高,得到的效果也不理想。

        為了解決電網(wǎng)雷害問題,王巨豐教授的團(tuán)隊(duì)研制出了對吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置。當(dāng)輸電線路遭受雷擊時(shí),該裝置能夠迅速截?cái)嚅g隙兩端電弧,有效保護(hù)絕緣子串免受工頻電弧灼燒。從而保護(hù)絕緣子,并防止跳閘和事故發(fā)生。

        筆者通過mayr電弧動態(tài)模型以及滅弧試驗(yàn)對氣流耦合電弧過程進(jìn)行研究分析,驗(yàn)證了對吹式滅弧防雷裝置的有效性。

        1 對吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置滅弧原理

        1.1 滅弧裝置結(jié)構(gòu)

        如圖1所示,對吹式爆炸氣流滅弧裝置并聯(lián)安裝在絕緣子串兩端。該裝置主要由1-低壓電極,2-高壓電極,3-信號采集器,4-滅弧室,5-滅弧能量團(tuán)組成。滅弧室采用能夠耐受高溫的絕緣材料。

        圖1 氣吹滅弧裝置安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of blowing arc-extinguishing device

        1.2 熄滅電弧過程

        當(dāng)雷擊桿塔或輸電線路時(shí),雷電過電壓優(yōu)先擊穿上下對吹滅弧裝置內(nèi)電極間間隙,同時(shí)信號采集器接受到雷電流脈沖信號觸發(fā)滅弧裝置內(nèi)部的滅弧能量團(tuán)產(chǎn)生爆炸氣流,上下滅弧室的半封閉空間結(jié)構(gòu)使得爆炸氣流沿著滅弧室出口方向運(yùn)動,使速度極快的爆炸氣流更加集中作用于后續(xù)工頻電弧,將整個(gè)電弧上下同時(shí)截?cái)啻偈蛊淅旌团で?,擴(kuò)散和冷卻,增強(qiáng)了去游離作用以至熄滅。由于電弧在上下兩個(gè)滅弧室中被截?cái)?,增大了電弧持續(xù)存在的弧壓,使得電弧難以重燃。

        圖2所示為上下對吹滅弧室氣流對沖示意圖。從圖2中可以看出,由于上下對吹滅弧室的空間位置設(shè)置,因此將會形成如圖2所示的氣流對沖區(qū)域。在對沖區(qū)域內(nèi)使得電弧形成突變拐點(diǎn),此處電弧易于截?cái)唷K詫?shí)際在裝置間產(chǎn)生電弧時(shí),電弧在爆炸氣流作用下,被拉伸形成突變拐點(diǎn),從而截?cái)嚯娀 M瑫r(shí)氣流耦合電弧過程發(fā)生強(qiáng)烈熱交換,滅弧室內(nèi)極高的電弧溫度使得氣體受熱膨脹吹出滅弧室,此時(shí)滅弧室內(nèi)溫度下降,起到冷卻電弧效果,該過程有效增強(qiáng)去游離作用使得上下兩滅弧室中的導(dǎo)電離子減少,促進(jìn)電弧熄滅。

        圖2 上下對吹滅弧室氣流對沖示意圖Fig.2 Diagram of up and down arc-extinguishing chamber blowing

        2 氣流耦合電弧過程仿真分析

        2.1 建立mayr電弧模型

        為得出電弧方程,對電弧模型進(jìn)行如下假設(shè)[20]:1)弧柱形狀為圓柱體,弧柱溫度隨著徑向的距離增加而降低。2)只考慮長電弧的情況。3)弧柱的能量耗散主要因?qū)α饕稹?)假定溫度變化時(shí)弧柱中氣體物理性質(zhì)不變。5)弧柱中的熱電離情況可通過沙哈公式表述。

        動態(tài)電弧模型電導(dǎo)的一般表達(dá)式:

        式中,g為電弧電導(dǎo);i為電弧電流;u為電弧電壓;P為電弧的功率輸入值;PL為電弧的功率耗散值;t為時(shí)間。

        電弧電導(dǎo)是關(guān)于電弧中所積累的能量Q來決定的,即電弧電導(dǎo)是關(guān)于Q的函數(shù)。

        電弧能量的變化可表示:

        對式(2)進(jìn)行變換得到:

        其中,τ為時(shí)間常數(shù)。Q0為單位體積能量。

        由式(6)得到:

        2.2 仿真分析

        仿真試驗(yàn)回路如圖3所示。圖中AC代表交流電壓源,L0表示雷擊閃絡(luò)點(diǎn)到電源之間的電感值。L1,R1,C1是接地電感、接地電阻和閃絡(luò)位置的電容,L2,R2,C2是模擬線路的相關(guān)參數(shù)。電弧電流和電壓波形是由示波器測量得到。

        筆者設(shè)定的初始參數(shù)為

        L0=5.8 mH,L1=6.64 mH,L2=5.4 mH,R1=30 W,R2=20 W,C1=6.42 mF,C2=3.25 mF。設(shè)定工頻電壓源頻率為50 Hz。

        圖3 仿真試驗(yàn)回路Fig.3 Simulation test loop

        圖4和圖5分別為仿真時(shí)示波器測量得到的電弧電流和電壓波形。從圖中可以看出,電弧電流幅值為1 kA,在t=10.8 ms時(shí),電弧電流波形第一次過零點(diǎn),間隙間的電壓恢復(fù)至峰值80 kV,電弧電流下降至零值,說明電弧已經(jīng)被截?cái)?,電弧熄滅?/p>

        電弧熄滅過程實(shí)質(zhì)是電弧電流值減小、電弧能量被削弱、整體溫度下降的過程,該過程增加去游離作用,促使滅弧室內(nèi)的正負(fù)離子迅速復(fù)合,使得滅弧室內(nèi)帶電粒子減少,在一段時(shí)間內(nèi),由于爆炸氣流的作用使得滅弧室內(nèi)氣體幾乎處于絕緣狀態(tài),加速滅弧室內(nèi)了介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度,促進(jìn)電弧熄滅。

        圖4 電弧熄滅過程的電流波形Fig.4 Current waveform of arc quenching process

        圖5 電弧熄滅過程的電壓波形Fig.5 Voltage waveform of arc quenching process

        3 試驗(yàn)

        3.1 試驗(yàn)方案

        為了研究對吹式爆炸氣流滅弧裝置的熄弧效果,搭建滅弧試驗(yàn)回路如圖6所示。試驗(yàn)回路包括工頻交流電源(AC),斷路器(K),電壓調(diào)節(jié)器(TM),變壓器(T),電流限流電阻(R0),測量電阻(R1)和示波器(DSO)。該試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的工頻電弧電流值為1 kA,維持時(shí)間為200 ms,頻率為50 Hz。在圖6中,對吹式爆炸氣流滅弧裝置并聯(lián)安裝在絕緣子兩端,上下滅弧室與豎直方向夾角為30°,滅弧室與絕緣子串水平距離60 cm。為了確保電弧控制在上下對吹式爆炸氣流滅弧裝置的間隙上燃燒,在上下滅弧裝置中的兩個(gè)電極之間連接了一個(gè)短路熔絲。

        對吹式爆炸氣流滅弧裝置觸發(fā)回路如圖7所示。觸發(fā)回路包括9 V電源,控制開關(guān)(K1),測量電阻(R2)和示波器(DSO)。

        試驗(yàn)過程簡述如下:

        1)搭建試驗(yàn)電路,架設(shè)攝像機(jī)記錄熄滅電弧過程。同時(shí)用示波器采集滅弧波形。

        圖6 滅弧試驗(yàn)回路Fig.6 Arc-extinguishing test circuit

        圖7 對吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置觸發(fā)回路Fig.7 Trigger circuit of blowing explosion airflow

        2)調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器,使滅弧裝置所處回路產(chǎn)生短路電流,此時(shí)熔絲迅速被熔斷,在對吹式爆炸氣流滅弧防雷裝置間的間隙產(chǎn)生電弧燃燒現(xiàn)象。

        3)間隙間的電弧燃燒穩(wěn)定時(shí)(示波器中測到R1的波形穩(wěn)定),合上開關(guān)K1,此時(shí)對吹式爆炸氣流滅弧裝置動作產(chǎn)生強(qiáng)氣流熄滅電弧。

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        文中試驗(yàn)結(jié)果都是通過多次重復(fù)性試驗(yàn)得到的。圖8為普通攝像機(jī)拍攝的熄弧圖像。

        圖8 攝像機(jī)拍攝的熄弧過程Fig.8 Arc-extinguishing process recorded by camera

        圖8(a)顯示t=0時(shí)刻的滅弧圖像,此時(shí)滅弧裝置還未動作,處于等待觸發(fā)狀態(tài)。從圖8(b)中可以看出對吹式爆炸氣流滅弧裝置的兩個(gè)信號采集器接收到觸發(fā)電流信號觸發(fā)裝置動作。由于上下滅弧裝置的空間設(shè)置,使得對吹效果明顯如圖8(c)所示。此時(shí)電弧被拉長形成突變拐點(diǎn)。從圖8(d)至(f)看出電弧開始出現(xiàn)斷口,在高速氣流與電弧高度耦合過程中,電弧發(fā)展被深度抑制。期間滅弧室中充滿電負(fù)性氣體,使得電弧形成上下兩個(gè)斷口,充分抑制電弧重燃。從圖8(g)可知,高速氣流依然持續(xù)作用于電弧,說明高速氣流存在時(shí)間足以抑制電弧發(fā)展。然后電弧能量經(jīng)過削弱、再度削弱,使得電弧迅速熄滅。由圖8(h)至(j)可以得出此結(jié)論。

        4 結(jié)論

        1)在仿真分析中,電弧電流波形t=10.8 ms時(shí)第一次過零點(diǎn),此后間隙間的電壓恢復(fù)至峰值80 kV,此時(shí)電弧電流下降至零值,電弧熄滅。

        2)試驗(yàn)驗(yàn)證了對吹式滅弧防雷裝置能迅速熄滅工頻電弧,深度抑制電弧發(fā)展。

        3)仿真與試驗(yàn)一致說明對吹式滅弧防雷裝置具有良好的熄弧效果。

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