基于新型防雷理念保护间隙的研究

基于气吹灭弧的输电线路防雷保护间隙的研究吴国强1，刘津濂21.广西大学电气工程学院2.广西大学电气工程学院Email:[e-mail],[e-mail]摘要：传统输电线路防雷措施以抑制绝缘闪络为目的，由于受雷击强度、雷击类型、土壤电阻率、线路类型等多种不可控因素的限制，其防雷效果较差，性价比较低。基于气吹灭弧的新型输电线路防雷间隙以抑制绝缘建弧率为根本目的，放弃抑制绝缘闪络，能够利用雷电流触发形成高速气流并在极短时间内熄灭工频续流电弧，从而大大降低雷击跳闸率。本文建立了气吹灭弧的数学模型，并进行了仿真分析和实验验证，以此验证了气吹灭弧防雷间隙的有效性。关键词：气吹灭弧防雷间隙；建弧率；高速气流；雷击跳闸率Researchoflightningprotectiongapoftransmissionlinebasedonairflowblowingarc-quechingWuGuoqiang1,LiuJinlian21.GuangxiUniversity2.GuangxiUniversityEmail:[e-mail],[e-mail]:ThisTraditionallightningprotectionmeasuresaimstosuppressinsulatorflashovering,butundertheconstraintofvariousfactorsincludinglightningstrength,lightningpattern,soilresistancerate,andlinetype,itshasgotapoorereffectandlowercostperformance.Thenovellightningprotectiongapbasesonairflowblowingarc-quenchingaimsatsuppressinginsulatorarc-buildingrate,whichabandonssuppressinginsulatorflashovering,bututilizeshigh-speedairflowtriggeredbylightningcurrenttointerruptthepowerfrequencyarcwithinultrashorttime,thusreducelightningtrip-outrate.Thisarticleperformthenumericalmodelofairflowarc-quenching,andconductsimulationanalysisandexperimentalverification,provingthevalidatityofairflowblowingarc-quenchinglightningprotectiongap.Keywords:thairflowblowingarc-quenchinglightningprotectiongap;arc-buildingrate;high-speedairflow;lightningtrip-outrate1引言在当前电网中，雷击输电线路造成的跳闸事故高达总跳闸事故的40%以上[1,2]，可见对输电线路的防雷保护具有重要意义，同时也是当前电网保护的难点。传统的抑制闪络防雷措施主要包括安装线路避雷器、架设避雷线或耦合地线以及降低杆塔接地电阻等[3]。避雷线通过对杆塔和分流、耦合和屏蔽作用来实现对雷电先导的拦截。但是避雷线的保护角受雷电类型、线路类型、杆塔高度、地形地貌等多种因素的限制，难以实现有效合理的设计，导致避雷线的拦截有效率仅有30%左右[4~6]。避雷器对相邻杆塔不起保护作用而只能保护本基杆塔，因此避雷器的保护范围较小。线路避雷器承受过电压能力差、受潮老化较快而寿命短，运行故障率较高，因此维护更新工作量较大。避雷器的防雷效果受杆塔和线路类型、地形地貌的影响较大，加之雷电活动的复杂性和分散性，避雷器的运行参数难以适应以上多种不可控因素[7,8]。降低杆塔冲击接地电阻是为了有效地降低杆塔反击电位。但是杆塔冲击接地电阻与接地装置的几何尺寸及埋深度,冲击电流的幅值大小以及土壤电阻率等多种因素有关。接地装置的尺寸设计受地形限制而不可能大幅度增加，几何尺寸较大时,冲击接地电阻随雷电流幅值增加而降低呈饱和趋势。在气候炎热干燥地区或特殊地质地貌的山区，土壤电阻率往往居高不下，难以实施有效措施以降低接地电阻，并且消耗大量的财力物力[9,10]。雷电先导末端放电的分散性，多条上行先导的相互竞争，使雷击点具有很大的不确定性，以及线路绕击具有很大的分散性，大大降低了雷电屏蔽效果[11,12]。综上所述，传统防雷措施均是以抑制绝缘闪络为目的，受多种不可控因素的限制而使其防雷效果较差。而基于气吹灭弧的防雷间隙以抑制绝缘建弧率为目的，在并联间隙被雷电流击穿的同时，瞬时疏导雷电流入地。与此同时，雷电流同步触发灭弧装置产生高速气流，强烈地吹拂后续工频电弧，在数毫秒内完成灭弧，避免断路器跳闸，从而使雷击跳闸率大大降低。本文建立了高速气流吹拂工频电弧的数学模型，进行了仿真分析和实验验证，以此论证了气吹灭弧防雷间隙的有效性。2气吹灭弧间隙结构图1为气吹灭弧防雷间隙的结构示意图。其中，空气间隙的长度大约为绝缘子串干弧距离的3/4左右，以实现间隙优先闪络的不平衡绝缘配合方式。灭弧筒装设于上电极末端，其中还装设了感应和收集雷电流脉冲的模块，以触发灭弧气流发生器。灭弧筒上端封闭，下端开口，形成一种半封闭灭弧区域。绝缘子串灭弧筒上电极下电极并联间隙图1气吹灭弧防雷间隙结构示意3气吹灭弧模型3.1数学模型高速气流作用下电弧的瞬态发展过程可看作为可压缩的粘性流体变化过程，电弧等离子体中的离子和电子受电磁体积力的冲量作用将急剧地无规则的扩散、复合和去游离。因此本文将不考虑电弧粒子的微观运动，以宏观的运动和能量关系基础，建立高速气流耦合电弧电磁场的数学模型。其假设前提为：灭弧场满足局部热力学平衡（LTE）、呈现宏观电中性、场中的介质均是连续的。由此可建立其控制方程组：质量守恒方程：()()0uvvtxyy（1）轴向动量守恒方程：1)()12()()xpuuuuuvytxyxyyyuvyFxyyyx（（2）径向动量守恒方程：)()12()()ypvvvvuvtxyyxxvuyFyyyxx（（3）能量守恒方程:1)()()pTTTTcuvytxytyyyppTxyQxxxy（（4）由于灭弧场中的气体状态不断地发生变化，因此必须引入气体修正系数β，则修正后的气体状态方程为：pRT（5）灭弧场的电磁力为：FjB（6）工频电弧的电流连续方程为：(ejEvBjBP）（7）其中，ρ为灭弧气流密度；u,v分别为灭弧气流的轴向和径向速度；x,y分别为灭弧区域的轴向和径向距离；p为灭弧气流压力；T为工频电弧温度；λ、μ分别为电弧热导率及分子粘性系数；C为定压比热；R为气体常数；Q为能量源项；Fx、Fy分别为轴向和径向洛伦兹力；E、B分别为电场强度和磁感应强度；γ为电导率；η、pe分别为霍尔因子和电子分压。3.2仿真分析Fluent软件基于CFD理念，采用离散格式及数值计算对各种复杂流体过程进行高效的求解。它能够提供复杂的三角形、四边形及三维四面体、六面体网格，并基于计算结果进行自适应的网格调整，由此大大地提高了对大梯度流场的求解精度。图2为建立的灭弧场区域的几何模型。灭弧区域为半封闭的长方体，高速气流喷口位于封闭端的右下角，其开口平行与灭弧场轴向。工频电弧位于灭弧场的中间偏后位置，呈轴对称的圆柱体。基金项目：国家自然科学基金项目（50867002）。灭弧区域气流喷口工频电弧图2灭弧仿真几何模型图3气吹灭弧过程由灭弧过程看出，高速气流在0.8ms左右开始作用于电弧，电弧弧柱下部首先形成断口，断口沿径向迅速扩散，由此加速了电弧等离子体的去游离和复合，加剧了弧柱的能量散失；在2ms时，电弧已完全变形并且温度距离降低，最终在3ms时被完全熄灭。由图4看出，灭弧气流在出口处的轴线速度会有小幅度上升，但气流的最高速度出现在灭弧场的12cm左右处，此处正是工频电弧的发展区域，而此时气流速度高达3400m/s以上，气流达到了最高效的灭弧作用。048121620242.42.62.83.03.23.43.6轴向速度/(km/s)轴向距离/cm图4灭弧气流轴线速度波形-4-20241234温度/103K径向距离/cm图5灭弧近结束时的电弧径向温度分布图5反映了灭弧接近结束时工频电弧在气流作用下的径向温度分布。可以看出，即使是电弧轴心处的最高温度也小于4000k，而电弧在轴心径向的温度降急剧衰减，此温度已非常接近电弧熄灭的温度并且已无法维持电弧的燃烧，电弧将很快被熄灭。4实验验证为了验证仿真分析的准确性，本文进行了模拟雷击导线时的气吹灭弧实验。试验利用冲击电压发生器模拟产生2.6/40us的工程标准雷电流波形，具有普遍代表性，利用短路发电机产生幅值1kA的工频短路电流，并维持20ms。电压实验回路冲击电流实验回路工频电流实验回路图6为高速摄像机采集到的灭弧图像。图6高速摄像机记录的灭弧图像由灭弧图像看出，气流在0.2ms内完成触发，并开始高速增长。气流在大约0.8ms时开始耦合电弧，并在1.4ms左右达到速度峰值，随后电弧将迅速变形冷却。图7示波器采集的灭弧电压波形图7为示波器采集的灭弧电压波形。其中，红线为电弧电压波形，蓝线为灭弧气流触发波形。由图看出气流能够在3ms左右时熄灭电弧，使灭弧过程作用于工频建弧的极早期,灭弧时间小于继电保护的信号采集响应时间，由此有效地阻止雷击跳闸，降低雷击跳闸率。4结论1）气吹灭弧防雷间隙以抑制绝缘建弧率为目的，能够利用雷电流触发产生高速灭弧气流，并在3ms内熄灭工频续流电弧，灭弧时间小于继电保护响应时间，从而降低雷击跳闸率；2）灭弧气流的轴向速度峰值出现在工频电弧发展区域附近，出现时刻约为1.4ms左右，能够实现最高效地作用于电弧。参考文献[1]赵淳，陈家宏，谷山强,等。山区复杂地形条件下输电线路雷击跳闸故障分析方法[J].电网技术，2011,35（12）：136-141..[2]周华敏,彭向阳.广东输电线路防雷运行分析[J].广东电力，2009,22（5）：19-22.[3]詹铭,刘捷,曹宁,等.高压架空输电线路防雷措施与应用[J].广东电力，2012,25（4）：95-102.[4]王建亮;刘晓倩;董新伟.避雷线作用的仿真分析[J].电磁避雷器，2012,5：105-109.[5]梁方建，管珊莲，张回力，等.单避雷线在输电线路防雷中的应用探讨[J].电磁避雷器，2012,3（）：[6]莫付江，陈允平，阮江军.输电线路杆塔模型与防雷性能计算研究[J].电网技术，2004,28(21)：80-84.[7]葛栋,焦飞,张翠霞,等.输电线路避雷器的应用及其安装方案[J].华北电力技术,2009,8:38-41.[8]彭向阳，广东线路避雷器防雷效果及运行分析[J].电磁避雷器，2010,2：21-26.[9]何金良,曾嵘,陈水明,等。输电线路杆塔冲击接地电阻特性的模拟试验研究[J].清华大学学报（自然科学版），1999,39（5）：5-8.[10]张波，余绍峰，孔维政，等.接地装置雷电冲击特性的大电流试验分析，高电压技术，2011，37（3）：548-553.[11]钱冠军,王晓瑜,徐先芝.输电线路绕击分散性的试验研究[J].高电压技术，1998,24（3）：17-20.[12]钱冠军,王晓瑜,汪雁,等.输电线路雷击仿真模型[J].中国电机工程学报,1999,19(8):39-44作者：吴