李繼強(qiáng)，王成全，徐國(guó)強(qiáng)，劉宗杰，許 浩，王巨豐

（1．國(guó)網(wǎng)濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272111；2．南寧超伏電氣科技有限公司，廣西 南寧 530004）

0 引 言

目前，防雷存在著多重雷擊防護(hù)空白區(qū)，在發(fā)生概率高達(dá)80%多重雷擊條件下，耐雷水平有所降低，導(dǎo)致雷擊跳閘率升高[1]?，F(xiàn)有的“阻塞型”防雷和“疏導(dǎo)型”防雷對(duì)多重雷擊的防護(hù)能力有限。其中“阻塞型”防雷中的固體閥片在多重雷擊下通流能力降低，同時(shí)引發(fā)熱擊穿硬短路，引發(fā)繼發(fā)性事故[2]。而“疏導(dǎo)型”防雷中并聯(lián)間隙主要是通過(guò)斷路器來(lái)切斷事故，在多重雷擊下會(huì)引起斷路器頻繁動(dòng)作最終引發(fā)事故[3]。所以，現(xiàn)有的雷電防護(hù)措施在多重雷擊下其安全性能需要加強(qiáng)。

由于多重雷擊的疊加效應(yīng)，高土壤電阻率地區(qū)反擊耐雷水平欠賬嚴(yán)重，使得多重雷擊導(dǎo)致線路跳閘的概率長(zhǎng)期居高不下，達(dá)60%以上[4]。

針對(duì)多重雷擊防護(hù)問(wèn)題，研制了一種氣體滅弧防雷方法。該方法在傳承并聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便宜、抑制過(guò)電壓能力強(qiáng)及沒(méi)有“硬短路”安全性問(wèn)題的基礎(chǔ)上增加氣體滅弧功能，在雷電沖擊階段誘導(dǎo)觸發(fā)產(chǎn)生噴射氣流作用于工頻續(xù)流電弧的及早階段并在短時(shí)間內(nèi)熄滅工頻電弧，由于其滅弧時(shí)間遠(yuǎn)小于斷路器動(dòng)作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)雷擊不跳閘[5]。

本文首先理論分析氣體滅弧防雷間隙的安全性能；其次對(duì)氣體滅弧防雷間隙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其熄滅工頻電弧的能力；最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析氣體滅弧的防護(hù)效果和安全性。

1 安全性能分析

區(qū)別于傳統(tǒng)防雷技術(shù)，滅弧防雷間隙避開(kāi)了“阻塞型”理念中與雷電“硬碰硬”的方法，將重點(diǎn)放在了“疏導(dǎo)”雷電能量后的工頻電弧熄滅過(guò)程，其利用滅弧防雷間隙與被保護(hù)絕緣子的絕緣配合，首先將雷電能量通過(guò)間隙放電疏導(dǎo)至大地，然后在隨后的工頻續(xù)流發(fā)展過(guò)程中快速熄滅工頻電弧，抑制工頻能量的發(fā)展，并保證在線路跳之前將工頻電弧熄滅[6]。

雷電沖擊與氣體滅弧構(gòu)成因果關(guān)系，即來(lái)一個(gè)毫秒級(jí)雷電沖擊脈沖使間隙放電，便觸發(fā)一次滅弧氣體；而在微秒級(jí)的雷電沖擊中，由于一次滅弧氣體作用時(shí)間可以持續(xù)10 ms 左右，所以在多個(gè)微秒級(jí)雷電沖擊中觸發(fā)一次滅弧氣體即可。前者對(duì)應(yīng)的是“一對(duì)一”滅弧過(guò)程，后者對(duì)應(yīng)“一對(duì)多”滅弧過(guò)程[7]。

氣體滅弧防雷最嚴(yán)峻的問(wèn)題是不能正確觸發(fā)氣體動(dòng)作，但由于整體結(jié)構(gòu)并聯(lián)于絕緣子兩端，在最嚴(yán)峻條件下，氣體滅弧防護(hù)能夠充當(dāng)并聯(lián)間隙的作用，對(duì)雷電沖擊能量進(jìn)行“疏導(dǎo)”，保護(hù)絕緣子。

2 模擬仿真分析

2.1 仿真模型

電弧的開(kāi)斷由電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理場(chǎng)的相互耦合形成。本文采用描述電弧特性的麥葉爾（Mayr）模型[8]，假設(shè)：（1）電弧的主體為一直徑不變的圓柱體，其溫度由內(nèi)而外逐漸降低；（2）不考慮正反電極的散熱作用，把弧柱的電壓占比認(rèn)為電弧整體電壓；（3）忽 略熱對(duì)流作用，僅考慮弧柱的熱傳導(dǎo)和少量輻射作用，且能量散失假設(shè)為常數(shù)；（4）電弧中氣體的熱物理性質(zhì)與其溫度無(wú)關(guān)；（5）電弧主體中的熱電離過(guò)程，依據(jù)沙哈方程給出。于是，電弧模型方程為：

將Mayr 電弧模型轉(zhuǎn)化成如下形式：

其中，g 為電弧電導(dǎo)；uarc為電弧電壓；iarc為電弧電流；Ploss為單位弧長(zhǎng)的功率損失；θ 為電弧時(shí)間常數(shù)；C 為電弧電導(dǎo)g 的初始值。在電磁暫態(tài)分析軟件PSCAD 中建立電弧電壓uarc和電弧電流iarc控制可控電阻Rarc的電弧模型，如圖1 所示。

圖1 Mayr 電弧模型

通過(guò)PSCAD 的開(kāi)關(guān)元件和Mayr 模型模擬電弧開(kāi)斷過(guò)程，桿塔采用分布參數(shù)波阻抗模型[9]。

2.2 過(guò)電壓分析

應(yīng)用建立的滅弧防雷間隙模型對(duì)線路進(jìn)行仿真分析[10]，因在電弧開(kāi)斷過(guò)程中高次諧波較多，故選用其頻率相關(guān)模型，線路平均高度為10 m，土壤電阻率為1 000 Ω·m，桿塔電感為0.42 μH/m。

分別針對(duì)單相接地短路和三相短路情況進(jìn)行仿真。圖2 為線路發(fā)生單相接地短路的電壓波形，假設(shè)線路c在100 ms 時(shí)刻雷擊時(shí)間隙擊穿放電且氣體滅弧動(dòng)作無(wú)延遲，雷電沖擊能量由于間隙放電被泄放入地，單相接地電流為15.7 A，在經(jīng)過(guò)5 ms 的電壓置零時(shí)間后，短時(shí)電壓波動(dòng)且伴隨A、C 相電壓上升，其中A 相電壓最大值為45.6 kV，B 相最大值為48.5 kV，經(jīng)過(guò) 12 ms 后電壓恢復(fù)正常。

圖2 單相接地短路電壓波形

圖3 為線路在0.1 s內(nèi)發(fā)生三相短路的電壓波形，A、B、C 三相最大電流幅值分別為1.47 kA、0.814 kA 及0.834 kA，滅弧裝置三相同時(shí)動(dòng)作，在經(jīng)過(guò)11 ms 的電壓置零時(shí)間后，B、C 兩相出現(xiàn)的短時(shí)過(guò)電壓幅值分別為52.1 kV 和-44.6 kV，經(jīng)過(guò)19 ms 后電壓恢復(fù)正常。

圖3 三相短路電壓波形

在輸電線路中繼電保護(hù)系統(tǒng)反應(yīng)的時(shí)間為60 ～ 80 ms[11]，應(yīng)用氣體滅弧裝置在經(jīng)過(guò)12 ms、19 ms 后即可切除單相接地短路和三相短路故障，可有效防止線路跳閘。雷電波持續(xù)時(shí)間為2 ms，發(fā)生單相和三相故障時(shí)的電壓置零時(shí)間分別為5 ms、11 ms，確保雷電流泄放入地所需時(shí)間充足。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證氣體滅弧防雷間隙的有效性性能，建立工頻大電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖4 所示。圖4 中，AC 為工頻交流電源；TM 為調(diào)壓變壓器；T 為升壓試驗(yàn)變壓器；R0為限流電阻；R1、R2為測(cè)量電阻（1 Ω）；DSO 為數(shù)字示波器；DC 為直流電源；K 為斷路器；QX 為保護(hù)球隙；MH 為裝置；RS 為引弧熔絲；C 為攝像機(jī)；虛線框?yàn)橛|發(fā)回路。

利用引弧熔絲將氣體滅弧間隙短路，以確保工頻續(xù)流能夠順勢(shì)產(chǎn)生[12-13]。預(yù)期工頻電弧設(shè)置為 10.8 kA，繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)置為0.1 s。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

使用攝像機(jī)拍攝氣體滅弧防雷間隙裝置對(duì)工頻電弧截?cái)嗖⑾绲倪^(guò)程，如圖5 所示。

由圖5（b）可知，接通電流后，裝置迅速反應(yīng)動(dòng)作。圖5（c）電弧被裝置動(dòng)作所產(chǎn)生的高速氣流拉伸，圖5（d）高速氣流作用下產(chǎn)生截?cái)鄶嗫?，由于受到輻射?duì)流傳導(dǎo)等導(dǎo)致能量補(bǔ)給缺失，電弧無(wú)法持續(xù)增長(zhǎng)，此時(shí)的氣流充滿整個(gè)滅弧通道，電弧截?cái)鄶嗫趯⒗^續(xù)受到氣流作用。由圖5（e）可知，電弧斷口明顯，其等離子體完全失去能量補(bǔ)給，圖5（f）中電弧開(kāi)始熄滅，至圖5（g）中電弧弱化，最終圖5（h）中完全熄滅，沒(méi)有產(chǎn)生電弧重燃。實(shí)驗(yàn)表明，氣體滅弧防雷間隙能夠在繼電保護(hù)動(dòng)作前切斷10.8 kA 工頻續(xù)流電弧。

4 掛網(wǎng)運(yùn)行情況

目前，氣體滅弧防雷系列產(chǎn)品已應(yīng)用于國(guó)網(wǎng)、南網(wǎng)及中石化煉油廠的雷擊高發(fā)線路，在云南等地輸電線路，多重雷擊防護(hù)效果明顯，大幅降低雷擊事故率，保障電力系統(tǒng)及用戶用電安全。

4.1 北海某110 kV 線路應(yīng)用

北海某110 kV 線路地處臺(tái)風(fēng)登陸高發(fā)區(qū)域，伴隨多重雷擊和強(qiáng)烈雷擊，該地年平均雷暴日可達(dá)全年的1/3，由雷擊引發(fā)的輸電線路跳閘事故時(shí)常發(fā)生，該線路在改造前年均雷擊跳閘總數(shù)5 次。

圖5 普通攝像機(jī)拍攝電弧熄滅全過(guò)程

2013 年12 月對(duì)該線路進(jìn)行防雷改造，安裝了氣體滅弧防雷間隙。雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)如表1所示。自2016 年4 月初至2016 年8 月底，該線路附近供落雷1 200 余次，超過(guò)耐雷水平128 次，多重回?fù)?89 次。2016 年6 月11 日01:52:56.317 2 時(shí)，于64#-65#桿塔成功防護(hù)了雷電流幅值為-363.0 kA 的1 次回?fù)?，同?2:35:00.184 0 時(shí)，于19#-20#桿塔成功防護(hù)了雷電流幅值為-215.7 kA 的8 次回?fù)?，線路均未跳閘。

表1 北海某110 kV 線路雷電監(jiān)測(cè)信息

4.2 南寧某110 kV 線路應(yīng)用

南寧某110 kV 線路輸電走廊分布在高土壤電阻率的山區(qū)，由于土壤電阻率高的客觀因素導(dǎo)致雷擊桿塔時(shí)產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓較大而造成線路反擊，引起線路跳閘。由以往數(shù)據(jù)查詢可知，該地年平均雷暴日可達(dá)全年的1/4，并逐年增加。由于高土壤電阻率地區(qū)降低接地電阻未達(dá)設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致線路的防雷水平不達(dá)標(biāo)，雷擊跳閘事故頻發(fā)。

2014 年3 月全線安裝了氣體滅弧防雷間隙。后經(jīng)雷電定位系統(tǒng)查詢可知，在4 月1 日至8 月30 日時(shí)間范圍內(nèi)，線路附近共落雷500 余次，其中超過(guò)耐雷水平203 次，多重雷擊74 次（雷電流幅值超過(guò)100 kA 的雷擊共有4 次，其中最大雷電流幅值為-199.3 kA）。 滅弧防雷間隙安裝后至今，沒(méi)有發(fā)生跳閘情況。

2014 年8 月11 日超過(guò)實(shí)際耐雷水平的雷擊有13次，如表2 所示，雷電流幅值超過(guò)100 kA 的就有2 次，最大雷電流幅值為-199.3 kA，在滅弧防雷間隙保護(hù)下，未發(fā)生跳閘事件。

表2 南寧某110 kV 線路雷電監(jiān)測(cè)信息

5 結(jié) 論

理論分析表明，氣體滅弧防雷間隙在雷電沖擊時(shí)擊穿放電，泄放能量入地，避免絕緣子閃絡(luò)，且能夠在斷路器動(dòng)作前切斷工頻續(xù)流電弧，避免線路因雷擊跳閘。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣體滅弧防雷間隙在繼電保護(hù)動(dòng)作前能夠熄滅10.8 kA 的工頻續(xù)流電弧，避免線路不跳閘。掛網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在實(shí)際情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)多重雷擊防護(hù)，充分驗(yàn)證其有效安全，確保輸電線路不跳閘。