，，，

(1.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧 530004; 2.新疆塔城市供電局，新疆 塔城 834700)

0 引言

由雷擊過(guò)電壓而造成的輸電線路故障占總故障的70%左右[1]，傳統(tǒng)的防雷方式基于“堵塞型”的防雷理念[2-3]，包括架設(shè)避雷線、安裝避雷器、加強(qiáng)線路絕緣配合、降低沖擊接地電阻等，雖然在一定程度上限制了雷擊過(guò)電壓，但難以從根本上降低雷擊跳閘率，本文所研究的強(qiáng)氣流氣流滅弧裝置，基于“疏導(dǎo)型”的防雷理念，允許線路絕緣有一定的閃絡(luò)次數(shù)，在疏導(dǎo)雷電流入地的同時(shí)，能夠在工頻續(xù)流形成暫態(tài)電弧的最初階段進(jìn)行可靠深度的抑制，完全避免了工頻暫態(tài)電弧向穩(wěn)態(tài)電弧的轉(zhuǎn)變，通過(guò)定向疏導(dǎo)，以快制強(qiáng)，從根本上降低了線路“建弧率”，使得線路雷擊跳閘率大幅降低[4-12]。

1 強(qiáng)氣吹擾動(dòng)下滅弧原理及結(jié)構(gòu)

1.1 強(qiáng)氣吹擾動(dòng)下滅弧原理

強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用的滅弧防雷分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為引弧；第二個(gè)階段為滅弧。

在引弧階段，引弧電極通過(guò)與線路絕緣子串形成絕緣配合，使得引弧電極兩端的臨界擊穿電壓始終低于絕緣子串的閃絡(luò)電壓。存在引弧電極的情況下，兩極之間優(yōu)先發(fā)生沖擊閃絡(luò)，在并聯(lián)間隙上形成沖擊閃絡(luò)通道。如果絕緣子串污穢或者受潮很?chē)?yán)重，在其表面發(fā)生沿面閃絡(luò)時(shí)，引弧電極通過(guò)積聚的感應(yīng)電荷與電弧之間庫(kù)倫力的作用，將電弧拉離絕緣子表面，吸引到并聯(lián)間隙之間。

在滅弧階段，沖擊閃絡(luò)電流流經(jīng)引弧通道會(huì)引發(fā)氣吹發(fā)生器的動(dòng)作，在半封閉滅弧室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流氣流。滅弧室內(nèi)的強(qiáng)迫對(duì)流方式有橫吹和縱吹，但是在本文提出的方案中，縱吹作用占主導(dǎo)地位。強(qiáng)氣流的存在使得滅弧室內(nèi)壓強(qiáng)增大，溫度降低，改變滅弧室內(nèi)的條件。強(qiáng)氣吹擾動(dòng)下交流電弧的熄滅過(guò)程可以結(jié)合上述兩種理論進(jìn)行解釋。介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)理論指出氣隙兩端的交流電弧在電流過(guò)零點(diǎn)之后如果不滿足熄滅條件，就會(huì)發(fā)生重燃。強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用的介入會(huì)使氣隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度發(fā)生改變。弧隙內(nèi)因?yàn)檫^(guò)零點(diǎn)前電弧的燃燒而嚴(yán)重下滑的氣體介質(zhì)強(qiáng)度在強(qiáng)氣吹作用下會(huì)發(fā)生徹底改變。強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用下的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度應(yīng)該為原有值與擾動(dòng)影響值之和。強(qiáng)氣吹擾動(dòng)下的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度見(jiàn)圖1。

圖1 強(qiáng)氣吹擾動(dòng)下的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度Fig.1 Dielectric recovery strength under the disturbance of strong air blowing

1.2 強(qiáng)氣吹擾動(dòng)下的滅弧結(jié)構(gòu)

滅弧器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 滅弧器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of arc extinguishing device

強(qiáng)氣吹工頻電弧的熄滅示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 強(qiáng)氣吹工頻電弧的熄滅示意圖Fig.3 Extinction of arc by strong blowing

2 滅弧試驗(yàn)

本文在實(shí)驗(yàn)室多次模擬了雷擊過(guò)程，對(duì)強(qiáng)氣吹擾動(dòng)滅弧器試品進(jìn)行沖擊電流試驗(yàn)與工頻滅弧試驗(yàn)。通過(guò)進(jìn)行多次重復(fù)性試驗(yàn)，求出氣吹的速度，收集滅弧擾動(dòng)作用時(shí)間以及該次作用對(duì)應(yīng)的滅弧狀況等數(shù)據(jù)。每做一次工頻滅弧試驗(yàn)就收集一次擾動(dòng)時(shí)間的數(shù)據(jù)。用這些數(shù)據(jù)來(lái)分析滅弧率函數(shù)，以及建弧率的計(jì)算公式。

在對(duì)滅弧試驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明之前，對(duì)幾個(gè)術(shù)語(yǔ)的定義作出解釋。

1)把從沖擊閃絡(luò)發(fā)生時(shí)刻起到氣吹發(fā)生器產(chǎn)生出氣體的這段時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間，用符號(hào)tx表示。

2)把從沖擊閃絡(luò)發(fā)生時(shí)刻起到氣流抵達(dá)滅弧室最下端的這段時(shí)間稱為抵達(dá)時(shí)間，用符號(hào)td表示。

3)在一次滅弧事件中，強(qiáng)氣吹氣流干擾電弧形成的時(shí)間，稱為擾動(dòng)作用時(shí)間，用tr表示。試驗(yàn)中tr為工頻續(xù)流電弧從氣吹擾動(dòng)作用開(kāi)始(電流發(fā)生突變的點(diǎn))到熄滅(滅弧成功)或者發(fā)生重燃(滅弧失敗)的時(shí)間。

4)從沖擊閃絡(luò)開(kāi)始到電弧成功熄滅的時(shí)間稱為滅弧時(shí)間，用tm表示。

5)把擾動(dòng)作用時(shí)間tr內(nèi)成功熄滅電弧的概率稱為tr時(shí)間內(nèi)的滅弧率，用符號(hào)ε表示。在實(shí)驗(yàn)條件下，把單次擾動(dòng)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的滅弧成功次數(shù)與總出現(xiàn)次數(shù)的比值稱作該時(shí)刻的滅弧率，用ω表示。

2.1 氣吹速度測(cè)量試驗(yàn)

一次氣吹速度的測(cè)量需要進(jìn)行兩個(gè)沖擊電流實(shí)驗(yàn)。該試品在到西安高壓電器研究院試驗(yàn)前已經(jīng)做過(guò)其氣體發(fā)生裝置的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。該測(cè)試中僅利用小電弧作為觸發(fā)電源，一個(gè)用來(lái)測(cè)量氣吹氣流達(dá)到滅弧筒底部的時(shí)間。試驗(yàn)回路示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 響應(yīng)時(shí)間的試驗(yàn)回路示意圖Fig. 4 Test circuit diagram of response time

圖5 抵達(dá)時(shí)間的試驗(yàn)回路示意圖Fig.5 Test circuit diagram of arrival time

示波器測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間結(jié)果和抵達(dá)時(shí)間結(jié)果分別見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 響應(yīng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measurement results of response time

圖7 抵達(dá)時(shí)間測(cè)量結(jié)果Fig.7 Measurement results of arrival time

圖中位于下方的曲線是R1上的電壓信號(hào)CH1，代表沖擊電流脈沖信號(hào)。位于上方的曲線是R2上的電壓信號(hào)CH2，代表著沖斷連接導(dǎo)線的強(qiáng)氣吹氣流信號(hào)。圖6每格的時(shí)間為200 μs，圖7每格時(shí)間為500 μs。從圖6可知，響應(yīng)時(shí)間tx約為0.2 ms。從圖7中可讀出，抵達(dá)時(shí)間td約為1.2 ms。兩者間的時(shí)間差為1 ms。于是滅弧室內(nèi)的縱吹平均速度

2.2 擾動(dòng)作用時(shí)間測(cè)量試驗(yàn)

為驗(yàn)證強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用下滅弧防雷方案的可行性，得出擾動(dòng)作用時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬雷擊條件，進(jìn)行工頻滅弧試驗(yàn)。在進(jìn)行工頻試驗(yàn)時(shí)，先是電弧在施加電壓的作用下穩(wěn)定燃燒，然后再通過(guò)觸發(fā)回路引起氣吹發(fā)生器產(chǎn)生擾動(dòng)因子來(lái)進(jìn)行滅弧。而實(shí)際運(yùn)行線路上的強(qiáng)氣吹擾動(dòng)滅弧器是在沖擊閃絡(luò)之后就開(kāi)始產(chǎn)生強(qiáng)氣吹氣流干擾放電過(guò)程，在放電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定電弧之前進(jìn)行滅弧，如果一次滅弧失敗，再由交流電弧觸發(fā)強(qiáng)氣吹擾動(dòng)滅弧器，實(shí)現(xiàn)二次滅弧過(guò)程。模擬試驗(yàn)與實(shí)際情況有所不同，工頻滅弧試驗(yàn)產(chǎn)生的電弧電流比實(shí)際情況大很多，但是兩者擾動(dòng)作用時(shí)間的差異很小，因此可以用來(lái)測(cè)量擾動(dòng)作用時(shí)間。工頻滅弧試驗(yàn)的滅弧回路和觸發(fā)回路見(jiàn)圖8。

圖8 工頻試驗(yàn)回路和觸發(fā)回路試驗(yàn)原理圖Fig.8 Schematic diagram of AC voltage test circuit and trigger circuit

電弧電流為100 A時(shí)的一次滅弧成功的試驗(yàn)結(jié)果和滅弧失敗的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 一次工頻滅弧實(shí)驗(yàn)的結(jié)果(Ih=100 A)Fig.9 An arc extinction test result(Ih=100 A)

從圖9可看出，電弧在氣吹作用下并不是立即熄滅，而是等到電弧電流到達(dá)過(guò)零點(diǎn)時(shí)才沒(méi)有繼續(xù)重燃。也就是說(shuō)電弧電流是在氣吹擾動(dòng)作用后的第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)熄滅的。當(dāng)然，在強(qiáng)氣吹擾動(dòng)的作用下，電弧電流不再沿著原來(lái)的趨勢(shì)變化，其陡度變大，達(dá)到電流過(guò)零的時(shí)間更快。在該種情況下滅弧時(shí)間tm就是從A點(diǎn)到B點(diǎn)的時(shí)間。從示波器上可以讀出tm=4.5 ms。這就說(shuō)明強(qiáng)氣吹擾動(dòng)滅弧的速度很快，能夠在自動(dòng)重合閘發(fā)生前消滅電弧。此時(shí)，由于響應(yīng)時(shí)間tx的存在，使得滅弧時(shí)間Tm略大于擾動(dòng)作用時(shí)間tr。由前面試驗(yàn)結(jié)果知，響應(yīng)時(shí)間tx約為0.2 ms，相對(duì)比較小，tx/tm=1/22.5<5%。因此可以近似的認(rèn)為擾動(dòng)作用時(shí)間tr等于滅弧時(shí)間tm。對(duì)后面的結(jié)果也將進(jìn)行此種近似處理，不考慮響應(yīng)時(shí)間的影響。

如果是滅弧失敗的情況下，則不會(huì)存在滅弧時(shí)間，即滅弧時(shí)間tm無(wú)窮大。滅弧失敗情況下的電弧電流變化情況見(jiàn)圖10。

圖10 一次滅弧試驗(yàn)的結(jié)果(Ih=100 A)Fig. 10 Another arc extinction test result(Ih=100 A)

圖10中，示波器上的電弧電流(CH3)在過(guò)零點(diǎn)后于B點(diǎn)又發(fā)生了重燃。從A點(diǎn)到B點(diǎn)的時(shí)間近似為此時(shí)的擾動(dòng)作用時(shí)間tr。從示波器上可以讀出此時(shí)的擾動(dòng)作用時(shí)間tr=7.0 ms。電弧重燃后，其電流的變化曲線因?yàn)閿_動(dòng)作用會(huì)有所改變。

高速攝像機(jī)記錄的強(qiáng)氣吹擾動(dòng)滅弧宏觀過(guò)程見(jiàn)圖11。

圖11 高速攝像儀拍攝的電弧發(fā)展過(guò)程Fig.11 Arc development process shot by high speed camera

從圖11(a)可看出，剛產(chǎn)生放電時(shí)，電弧的溫度比較低、直徑比較小，因此表現(xiàn)細(xì)小的較暗光線。由于溫度低，直徑小，所以散熱功率Ps較小。而電弧輸入功率Ph卻較大。此時(shí)dWQ/dt=Ph-Ps>0，電弧將會(huì)有多余的能量用來(lái)發(fā)展壯大。所以隨著時(shí)間延長(zhǎng)，電弧變粗變亮。

從圖11(b)可看出，電弧穩(wěn)定燃燒的階段時(shí)電弧的能量輸入與耗散平衡，直徑、溫度、亮度基本不發(fā)生變化。

2.3 多次重復(fù)性試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)多次重復(fù)性試驗(yàn)，測(cè)量電弧電流為10 A、50 A和100 A時(shí)的擾動(dòng)作用時(shí)間，記錄各個(gè)擾動(dòng)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的滅弧情況，統(tǒng)計(jì)各個(gè)時(shí)間下滅弧成功次數(shù)，失敗次數(shù)以及總的出現(xiàn)次數(shù)。見(jiàn)表1至表3。

表1 擾動(dòng)作用時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(Ih=10 A)Table 1 Statistical data of the disturbance action time(Ih=10 A)

表2 擾動(dòng)作用時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(Ih=50 A)Table 2 Statistical data of the disturbance action time(Ih=50 A)

表3 擾動(dòng)作用時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(Ih=100 A)Table 3 Statistical data of the disturbance action time(Ih=100 A)

把電弧電流Ih=10 A、50 A、100 A時(shí)，擾動(dòng)作用時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)分別輸入到一個(gè)坐標(biāo)上，可以得到擾動(dòng)作用時(shí)間與對(duì)應(yīng)事件次數(shù)的統(tǒng)計(jì)曲線，見(jiàn)圖12。

(a)Ih=10 A

(b)Ih=50 A

(c)Ih=100 A

從出現(xiàn)總次數(shù)曲線上可看到，擾動(dòng)作用時(shí)間分布很集中，電弧電流Ih=10 A時(shí)，擾動(dòng)作用時(shí)間tr集中分布在3～5 ms范圍內(nèi)；電弧電流Ih=50 A時(shí)，擾動(dòng)作用時(shí)間tr集中分布在4.5～7 ms范圍內(nèi)；電弧電流Ih=100 A時(shí)，擾動(dòng)作用時(shí)間tr集中分布在5.5～9.5 ms范圍內(nèi)；隨著電弧電流增大，擾動(dòng)作用時(shí)間分布范圍變廣；隨著電弧電流增大，擾動(dòng)出現(xiàn)次數(shù)曲線右移，擾動(dòng)作用時(shí)間增大。

從滅弧成功次數(shù)曲線上可看到，滅弧成功次數(shù)曲線略低于總出現(xiàn)次數(shù)曲線。滅弧成功的擾動(dòng)作用時(shí)間(即滅弧時(shí)間)分布也很集中。隨著電弧電流的變化，該曲線的變化趨勢(shì)與總出現(xiàn)次數(shù)曲線的變化趨勢(shì)相同。隨著電流增大，成功次數(shù)曲線分布時(shí)間范圍變廣，滅弧時(shí)間延長(zhǎng)。

從滅弧失敗次數(shù)曲線可看出，滅弧失敗次數(shù)曲線一直比較低緩，遠(yuǎn)低于其他兩條曲線，這說(shuō)明了強(qiáng)氣吹滅弧防雷方案在滅弧成功率上具有相當(dāng)高的水平；當(dāng)出現(xiàn)的擾動(dòng)作用時(shí)間極小時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)滅弧失敗次數(shù)；隨著擾動(dòng)時(shí)間的增大，滅弧失敗次數(shù)占的比例增大。

3 數(shù)據(jù)擬合與建弧率求導(dǎo)

3.1 數(shù)據(jù)擬合

表1至表 3中的數(shù)據(jù)是直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的記錄，必須對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出各個(gè)擾動(dòng)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)概率P以及對(duì)應(yīng)的該時(shí)刻的滅弧率ω。P用單次出現(xiàn)次數(shù)除以總的次數(shù)來(lái)計(jì)算。ω為該次時(shí)間的滅弧成功次數(shù)與該時(shí)間出現(xiàn)次數(shù)的比值。根據(jù)表1，可得到Ih=10 A時(shí)各個(gè)擾動(dòng)作用時(shí)間tr的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 各個(gè)擾動(dòng)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)(Ih=10 A)Table 4 Data corresponding to the disturbance action time(Ih=10 A)

Ih=50 A時(shí)，各個(gè)擾動(dòng)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 各個(gè)擾動(dòng)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的參數(shù)(Ih=50 A)Table 5 Data corresponding to the disturbance action time(Ih=50 A)

Ih=100 A時(shí)，各個(gè)擾動(dòng)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表6 。

表6 各個(gè)擾動(dòng)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)(Ih=100 A)Table 6 Data corresponding to the disturbance action time(Ih=100 A)

上述數(shù)據(jù)處理完之后，就能將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入OriginPro軟件進(jìn)行擬合。OriginPro軟件是OriginLab公司研發(fā)的專(zhuān)業(yè)制圖和數(shù)據(jù)分析軟件，具有很強(qiáng)大的繪圖與數(shù)據(jù)分析功能。將上述數(shù)據(jù)導(dǎo)入OriginPro之后，選擇多項(xiàng)式擬合工具，通過(guò)不斷嘗試，尋找合適的擬合模型函數(shù)，逼近測(cè)量數(shù)據(jù)，得到符合的擬合結(jié)果。

在擬合過(guò)程中，對(duì)滅弧率進(jìn)行擬合時(shí)，采用4階擬合模型函數(shù)，表達(dá)式為

y=A0+A1x+A2x2+A3x3+A4x4

(1)

而對(duì)出現(xiàn)概率進(jìn)行擬合時(shí)，選用的模型函數(shù)為

(2)

在A>0、W>0的情況下，最大概率將會(huì)在xc處取得。

電弧電流Ih=10 A時(shí)的擬合曲線見(jiàn)圖13。

(a)出現(xiàn)概率的擬合曲線與擬合殘差

(b)滅弧率(%)的擬合曲線與擬合殘差

在擾動(dòng)作用時(shí)間tr較大時(shí)，由于采集到的樣品數(shù)據(jù)少，而數(shù)據(jù)采集具有偶然因素，因此增加或減少一次數(shù)據(jù)會(huì)造成很大誤差，因此導(dǎo)致擬合殘差大。而擾動(dòng)作用時(shí)間tr比較小的前段時(shí)間，擬合比較真實(shí)。

此時(shí)得出的概率函數(shù)的系數(shù)：y0=0，A=34.404 74，W=1.233 03，xc=4.276 3，最大概率H=17.763 35。滅弧率函數(shù)的系數(shù)(將滅弧率轉(zhuǎn)換成百分制之后的大小)：A0=6.1265×10-3，A1=93.99，A2=-29.819，A3=3.719，A4=-0.168

電弧電流Ih=50 A時(shí)的擬合曲線見(jiàn)圖14。

電弧電流Ih=50 A時(shí)的概率與滅弧率的擬合曲線，其擬合度比Ih=10 A時(shí)高，曲線的擬合殘差比較小，曲線更加逼近真實(shí)的情況。同時(shí)由于測(cè)量結(jié)果誤差小了許多，所以殘差也較小。

Ih=50 A的概率函數(shù)的系數(shù)：y0=-0.5，A=58.969 43，W=2.175 03，xc=5.761 37，最大概率H=17.260 04。其滅弧率函數(shù)的系數(shù)：A0=0.004 96，A1=73.606 87，A2=-18.358 89，A3=1.815 29，A4=-0.066 38

(a)出現(xiàn)概率的擬合曲線與擬合殘差

(b)滅弧率的擬合曲線與擬合殘差

電弧電流Ih=100 A時(shí)的擬合曲線見(jiàn)圖15。

電弧電流Ih=100 A時(shí)的擾動(dòng)作用時(shí)間對(duì)應(yīng)的概率擬合曲線比較平緩，在中間位置擾動(dòng)作用時(shí)間分布密集的時(shí)間段，曲線的擬合殘差近似為零；其滅弧率的擬合曲線殘差也較小，而且由于測(cè)量到的數(shù)據(jù)誤差小，所以曲線與真實(shí)情況十分接近，曲線十分平滑。

(a) 出現(xiàn)概率的擬合曲線與擬合殘差

(b)滅弧率的擬合曲線與擬合殘差

Ih=100 A的概率函數(shù)的系數(shù)：y0=-0.7，A=83.592 53，W=3.79635，xc=7.586 19，最大概率H=14.017 85。其滅弧率函數(shù)的系數(shù)：A0=0.286 65，A1=46.943 6，A2=-7.437 19，A3=0.450 18，A4=-0.010 49。

將不同電弧電流值對(duì)應(yīng)的概率擬合函數(shù)系數(shù)與滅弧率擬合函數(shù)系數(shù)分別列于一個(gè)表格，可以方便對(duì)其進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表6和表7。

表6 概率擬合函數(shù)系數(shù)Table 6 Coefficient of probability fitting function

表7 滅弧率擬合函數(shù)系數(shù)Table 7 The coefficient of Quenching rate fitting function

由此，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了擾動(dòng)作用時(shí)間的概率函數(shù)：

(3)

函數(shù)的系數(shù)見(jiàn)表6。實(shí)際當(dāng)中可以取擬合的平均值，也可以取最佳擬合值。

擾動(dòng)作用時(shí)間tr與滅弧率ω的函數(shù)表達(dá)式為

(4)

不同電弧電流下的ω(tr)函數(shù)的系數(shù)見(jiàn)表7。實(shí)際當(dāng)中可以取擬合的平均值，也可以取最佳擬合值。

某擾動(dòng)作用時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的概率乘以該點(diǎn)的滅弧率就是成功滅弧事件發(fā)生在該擾動(dòng)時(shí)間的概率。概率函數(shù)P(tr)與滅弧率函數(shù)ω(tr)相乘，其物理意義就是擾動(dòng)時(shí)間是在tr點(diǎn)而且在該點(diǎn)滅弧成功的概率。

3.2 強(qiáng)氣吹擾動(dòng)下建弧率的求導(dǎo)

本文對(duì)建弧率新算法的推導(dǎo)是在原有規(guī)程法上進(jìn)行的。強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用下的建弧率不再是規(guī)程法當(dāng)中的關(guān)于氣隙平均電壓梯度的一元函數(shù)，此種條件下，建弧率的計(jì)算應(yīng)該充分考慮強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用時(shí)間內(nèi)的滅弧率的大小，只有在強(qiáng)氣吹擾動(dòng)滅弧失敗的情況下才會(huì)回到原來(lái)規(guī)程法中的建弧過(guò)程。因此建弧率計(jì)算應(yīng)該在原有值基礎(chǔ)上乘以一個(gè)抑制系數(shù)，這個(gè)抑制系數(shù)就是1/[1-ε(tr)]，它是一個(gè)小于1～0范圍內(nèi)的值。

上面我們通過(guò)擬合得出了擾動(dòng)作用時(shí)間的概率函數(shù)P(tr)以及擾動(dòng)作用時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的滅弧函數(shù)ω(tr)，因此我們就可以知道某個(gè)擾動(dòng)時(shí)間出現(xiàn)，并且在該時(shí)間點(diǎn)能成功滅弧的概率函數(shù)為概率函數(shù)P(tr)與滅弧函數(shù)ω(tr)的乘積。

擾動(dòng)作用時(shí)間tr內(nèi)的滅弧率ε(tr)是關(guān)于擾動(dòng)作用時(shí)間的分布函數(shù)。ε(tr)的求法是P(t)·ω(t)在0到tr內(nèi)的積分，是個(gè)關(guān)于擾動(dòng)作用時(shí)間的函數(shù)。即

(5)

強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用對(duì)建弧率抑制系數(shù)的倒數(shù)[1-ε(tr)]就可以求出。

(6)

因此，強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用時(shí)間下，建弧率η′的計(jì)算公式為

(7)

式中,P(tr)與ω(tr)的函數(shù)已經(jīng)在3.1節(jié)中進(jìn)行了擬合求取，見(jiàn)式(3)和式(4)，函數(shù)系數(shù)可以從表6和表7中選取。而原有建弧率的計(jì)算式為

η=(4.5E0.75-14)×10-2

(8)

(9)

(10)

式中：Lj表示絕緣子串的放電距離，m；Lm是木橫擔(dān)線路的線間距離，m；Ue為線路額定電壓，kV。因此強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用時(shí)間tr內(nèi)建弧率η′計(jì)算為

(11)

式(11)就是強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用時(shí)間tr內(nèi)建弧率關(guān)于擾動(dòng)作用時(shí)間與平均電壓梯度的計(jì)算公式，它是個(gè)二元函數(shù)η′(tr,E)。

在氣隙的電壓平均梯度不變的情況下，擾動(dòng)作用時(shí)間tr在一定的范圍內(nèi)其值越大，代表強(qiáng)氣吹擾動(dòng)的時(shí)間越久，擾動(dòng)作用時(shí)間tr內(nèi)的滅弧率ε將會(huì)越大，強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用對(duì)建弧率的促進(jìn)系數(shù)1-ε(tr)將會(huì)越小，導(dǎo)致強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用下的建弧率η′也越小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)范圍上限為25 ms，超過(guò)這個(gè)上限繼續(xù)增加擾動(dòng)作用時(shí)間，滅弧率幾乎不會(huì)增大。也就是說(shuō)在一定時(shí)間范圍內(nèi)(經(jīng)驗(yàn)值為25 ms)強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用下建弧率η′是個(gè)與擾動(dòng)作用時(shí)間tr成反向變化的參數(shù)。當(dāng)擾動(dòng)作用時(shí)間tr大于一定值時(shí)，滅弧率ε(tr)將會(huì)等于1，促進(jìn)系數(shù)1-ε(tr)=0，建弧率直接會(huì)變?yōu)榱恪?/p>

假設(shè)擾動(dòng)時(shí)間取10 ms，通過(guò)Matlab可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的滅弧率為94.78%，于是1-(tr)就為5.22%，所以強(qiáng)擾動(dòng)下建弧率降低到原來(lái)值的5.22%，這個(gè)值非常低，證明強(qiáng)氣吹滅弧方案抑制建弧的效果良好。

4 強(qiáng)氣吹擾動(dòng)下的防雷計(jì)算

在進(jìn)行強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用下的防雷計(jì)算時(shí)，需要計(jì)算新條件下的雷擊跳閘率。架空線路的雷擊跳閘率應(yīng)該是雷擊桿塔跳閘率n1和繞擊跳閘率n2之和。將強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用下的的建弧率替換掉原有的建弧率，代入雷擊跳閘率的計(jì)算式中，可得強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用下的雷擊跳閘率計(jì)算公式：

(12)

式中：N為雷擊次數(shù)，g為擊桿率；Pα為繞擊率；PI1為大于或等于雷擊塔頂耐雷水平的概率；PI2為大于或等于繞擊導(dǎo)線耐雷水平的概率。新的雷擊跳閘率n′為原來(lái)值n的1-ε(tr)倍。其中擊桿率g規(guī)程法中給出了具體參數(shù)，見(jiàn)表8。

繞擊率可以通過(guò)規(guī)程法給出的算法計(jì)算，繞擊率與保護(hù)角和桿塔高度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖16。ε(tr)則能采用前面章節(jié)中擬合的函數(shù)來(lái)求取。

表8 擊桿率Table 8 Lightning striking rate against poles

圖16 繞擊率與保護(hù)角和桿塔高度的關(guān)系曲線Fig.16 Relation curve between shielding failure rate and protection angle and height of tower.

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)強(qiáng)氣吹擾動(dòng)滅弧方法由于存在氣吹發(fā)生器不僅能主動(dòng)吸引沖擊閃絡(luò)電流，而且具有主動(dòng)滅弧的功能，在工頻電流轉(zhuǎn)向穩(wěn)定電弧之前就能實(shí)現(xiàn)滅弧。

2)強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用會(huì)使氣體介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度發(fā)生變化，在原有值上增加擾動(dòng)因素恢復(fù)強(qiáng)度，使得電弧電流過(guò)零后，交流電弧滿足熄滅條件。同時(shí)強(qiáng)氣吹擾動(dòng)會(huì)增加對(duì)流散熱功率，破壞電弧平衡狀態(tài)，使得電弧能量逐漸流失，最終熄滅。增加氣吹速度能夠加大電弧能量散失速度，保證電弧熄滅有效性，加快熄滅速度。

3)本文中的強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用主要是縱吹作用，它的速度可以通過(guò)沖擊電流試驗(yàn)測(cè)量。而工頻滅弧試驗(yàn)的結(jié)果看來(lái)擾動(dòng)作用時(shí)間與滅弧時(shí)間分布比較集中，實(shí)現(xiàn)滅弧的時(shí)間一般在10 ms以內(nèi)，能夠快速實(shí)現(xiàn)滅弧。

4)強(qiáng)氣吹擾動(dòng)作用下的建弧率是個(gè)與擾動(dòng)作用時(shí)間相關(guān)的量，擾動(dòng)作用時(shí)間越長(zhǎng)，建弧率越低。強(qiáng)氣吹擾動(dòng)對(duì)電弧的抑制因子為1/[1-ε(tr)]，強(qiáng)氣吹作用下的建弧率和雷擊跳閘率就是其原來(lái)的值乘以抑制因子的倒數(shù)。