孫換春，楊 霞

(1.陜西省地方電力(集團)有限公司延安供電分公司，陜西延安716000；2.武漢克雷盾科技有限公司，湖北武漢430000)

近年來，隨著農(nóng)網(wǎng)持續(xù)加大投資，10 kV配電線路具有點多、面廣、分散的特點，遭受雷擊事故頻頻發(fā)生，線路跳閘、斷線和絕緣子閃絡(luò)事故已經(jīng)嚴(yán)重影響輸配電線路的安全穩(wěn)定運行。雖然在架空配電線路上應(yīng)用絕緣導(dǎo)線可以有效提高線路的絕緣性能，但卻無法避免絕緣導(dǎo)線遭受雷擊而斷線等事故的發(fā)生。安裝線路避雷器是配網(wǎng)線路防雷中最常見及行之有效的方法之一，但若要顯著降低雷擊跳閘率，需逐基桿塔均安裝避雷器，配電網(wǎng)供電區(qū)域大，線路避雷器成本較高，難以全線安裝，一般只在某些線路的易遭受雷擊段有選擇性的安裝，導(dǎo)致了雷擊事故還是時有發(fā)生。因氧化鋅避雷器的主要元件采用氧化鋅閥片，導(dǎo)致老化、受潮、接地、熱崩潰在電網(wǎng)運行過程中時有發(fā)生，一直是運行維護的老難題。為了擺脫對采用氧化鋅電阻片制作成的氧化鋅避雷器的依賴，近年來10 kV雷擊鉗位保護器應(yīng)用比較成功，其主要特點是不接地，損壞后不影響線路運行。鉗位保護器比起氧化鋅避雷器在工程應(yīng)用中明顯降低了整體工程造價，尤其在土壤電阻率高的地區(qū)電網(wǎng)有較為明顯的優(yōu)勢，但是鉗位保護器的脈沖電容壽命有一定期限，不可避免的存在弊端。針對氧化鋅避雷器、鉗位保護器等具有電子器件的系列防雷裝置，研究應(yīng)用一種無任何電子元器件的防雷裝置迫在眉睫[1]。

1 多腔室閃絡(luò)限制器的原理分析

10 kV多腔室閃絡(luò)限制器是一種不添加氧化鋅電阻片、脈沖電容器等電力電子器件的裝置，該裝置通過多級密封滅弧腔體的空氣絕緣擊穿建立電弧，同時應(yīng)用電弧產(chǎn)生的高溫高壓進行短暫吹弧直至電弧熄滅，在泄放雷電流的同時不會導(dǎo)致繼電保護裝置動作，供電可靠性得到很大的提高。同時該裝置具有極佳的絕緣自恢復(fù)性能，可耐受多次雷擊，相比于金屬氧化物避雷器運行壽命更長、更加的實現(xiàn)免維護[2-4]。

多腔室閃絡(luò)限制器利用短間隙電弧的基礎(chǔ)理論，結(jié)合滅弧腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)與線路絕緣子的絕緣配合，在線路遭受雷擊過電壓入侵時能夠快速動作，形成閃絡(luò)通道泄放雷電能量，同時通過腔體強烈的吹弧作用有效增強電弧等離子體去游離作用，可在半個工頻周期(10 ms)內(nèi)有效切斷工頻續(xù)流，恢復(fù)線路絕緣強度，保護線路正常運行。如圖1所示，電極A與電極B之間形成了空氣間隙時，間隙擊穿后的電弧產(chǎn)生的高溫高壓氣體向限制器薄弱的吹弧孔進行吹弧。

由于多腔室閃絡(luò)限制器由多個間隙串聯(lián)而成，多腔室閃絡(luò)限制器被雷電過電壓擊穿后，電弧在多個腔室間隙的電極間產(chǎn)生，加在多腔室間隙上的工頻電壓會沿著電弧通道產(chǎn)生工頻續(xù)流。而多腔室間隙可以看成是一個多重滅弧室系統(tǒng)，將一段長電弧切割成很多小段的電弧進行吹弧，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 多腔室閃絡(luò)限制器的熄弧過程機理

本文研究的多腔室閃絡(luò)限制器由31個腔體組成，如圖3所示，每個氣孔之間是一個完整的滅弧室，通過每個空氣腔室對小電弧進行滅弧。當(dāng)電弧開始在兩個電極間產(chǎn)生時，電弧長度很短，而且在滅弧室內(nèi)部燃燒，由此產(chǎn)生的高溫會使滅弧室底部氣體迅速膨脹，氣壓急劇增大，而滅弧室只是一端開口，氣壓會驅(qū)使電弧朝開口方向移動，而電弧起始點基本保持不變，電弧逐漸向外膨脹，直到電弧被吹到滅弧室之外，有效增強電弧等離子體去游離作用，實現(xiàn)快速熄弧，恢復(fù)線路絕緣強度。

在熄弧過程中，電弧長度的拉長使得弧道電阻增大，維持電弧燃燒的弧道壓降增加，而經(jīng)過多腔室間隙的串聯(lián)疊加使得弧道壓降增加顯著，由電弧的伏安特性可知，電弧電流迅速減小，同時由于系統(tǒng)電源電壓一定，弧道壓降的增加降低了系統(tǒng)回路中線路部分的壓降，當(dāng)線路阻抗一定時，工頻續(xù)流幅值也會減小。多腔室間隙的吹弧，既提高了弧道壓降也降低了工頻續(xù)流，使得電弧的持續(xù)燃燒變得更加困難，且弧道壓降的提高使得系統(tǒng)不會發(fā)生短路性跳閘。多腔室閃絡(luò)限制器動作放電的全過程如圖4所示。

3 多腔室閃絡(luò)限制器熄弧機理試驗

在對試驗回路中的工頻電壓源及沖擊電壓源進行試驗之前，首先設(shè)定多腔室閃絡(luò)限制器串聯(lián)間隙的最小距離為32 mm，測試試驗品遭受雷擊時的雷電沖擊放電電壓值。對試驗品逐漸增大雷電沖擊電壓直到試驗品的串聯(lián)間隙開始放電并產(chǎn)生電弧，此時試驗品的放電電壓值約為348 kV(達到峰值)。從采用工頻電壓源部分進行考慮，采用了150 kV的工頻電壓源能滿足續(xù)流切斷試驗時施加在試驗品上的工頻電壓要求。但因續(xù)流切斷試驗是由沖擊電壓源和工頻電壓源產(chǎn)生的合成電壓，施加在多腔室閃絡(luò)限制器的高壓端與地之間，因此在設(shè)計試驗回路方案時，必須考慮回路的合理性及安全性。額定電壓越高的工頻試驗變壓器，試驗回路中運行的絕緣裕度及安全性越大，因此基于絕緣配合和容量方面的考慮，選擇工頻電壓源時應(yīng)盡可能選擇額定電壓高、容量大的工頻試驗變壓器。同時對多腔室長閃絡(luò)限制器的各項指標(biāo)考核越苛刻嚴(yán)格，多腔室長閃絡(luò)限制器在實際運行中就越可靠。為了驗證續(xù)流通過期間及續(xù)流遮斷后，試驗品上施加的工頻電壓隨工頻試驗變壓器的短路阻抗變化之間的關(guān)系，本次試驗使用的工頻試驗變壓器短路阻抗較小[5-8]。綜合上述，最后確定本次工頻續(xù)流遮斷試驗回路的工頻電壓源使用150 kV/1000 kVA工頻試驗變壓器，沖擊電壓源使用400 kV/180 kJ沖擊電壓發(fā)生器，試驗回路如圖5所示。

對多腔室長閃絡(luò)限制器熄弧機理進行試驗，試驗圖如圖6所示。從試驗結(jié)果得出，10 kV多腔室長閃絡(luò)限制器在10 kV系統(tǒng)中遮斷工頻續(xù)流時間為3.0 ms；該遮斷工頻續(xù)流時間短暫，在開關(guān)未跳閘前可安全可靠的遮斷工頻續(xù)流。通過試驗驗證了利用空氣動力學(xué)原理、短間隙電弧理論基礎(chǔ)，采用多段串聯(lián)間隙將電弧切斷成若干份，通過電弧產(chǎn)生的高溫高壓進行吹弧直至電弧熄滅的原理可行。多腔室長閃絡(luò)限制器的高壓端與接地端殘壓為45.8 kV，該殘壓比傳統(tǒng)的防雷裝置殘壓值更低，對線路設(shè)備有更好的保護。

4 總結(jié)

本文通過理論分析及機理試驗，研究了多腔室閃絡(luò)限制器的關(guān)鍵工頻續(xù)流遮斷指標(biāo)。通過搭建10 kV多腔室閃絡(luò)限制器的續(xù)流遮斷電氣回路，并成功地對額定電壓10 kV多腔室閃絡(luò)限制器進行續(xù)流切斷試驗，驗證多腔室閃絡(luò)限制器在運行過程中受到雷電過電壓動作時具備快速熄弧并恢復(fù)到正常運行狀態(tài)的能力，可以在配電網(wǎng)線路中進行實際推廣應(yīng)用。