架空输电线路间隙灭弧的研究

架空输电线路间隙灭弧的研究

吕文杰

（合肥东明电力有限责任公司安徽合肥231600）

摘要：输电线路绝缘子遭雷击闪络后，如果单相接地工频续流电弧不稳定燃烧，处于时熄时燃的状态，将形成遍及系统的弧光过电压，影响系统安全运行。本文提出应用灭弧防雷间隙装置，在快速疏导雷电流泄入大地的同时，灭弧防雷间隙的气体发生装置产生高速爆炸气流快速熄灭工频续流电弧，防止间歇性电弧产生，抑制弧光过电压。

关键词：架空输电线；间隙灭弧；优势；原理；绝缘配合

引言

在当前技术条件支持下，架空输电线路提高耐雷水平的技术手段类型众多，常见的包括以下几类：1）架设避雷线；2）降低杆塔接地电阻；3）提高线路绝缘性；4）架设耦合地线。以上技术措施虽然具有一定沉陷，但对于土壤电阻率较高的区域以及受雷击影响较大的杆塔所占线路而言，以上技术受到的应用有一定局限。而本文在研究架空输电线路雷击过电压方法的过程当中，引入一种基于灭弧防雷间隙抑制的技术手段，突破了传统技术手段的局限性，取得了理想的防雷效果，故对该问题做详细分析。

一、灭弧防雷间隙抑制雷击过电压的优势分析

在架空输电线路对雷击过电压问题进行抑制的过程当中，通过对灭弧防雷间隙的合理应用，能够在实现抑制雷击过电压问题的同时，避免诱发架空输电线路的频繁性跳闸动作。该技术手段的具体优势表现在以下几个方面：首先，在灭弧防雷间隙装置作用过程当中，高速气流面向电弧施加作用力是，受到多重熄弧因素的影响，使防雷间隙所对应的工频续流电弧在短时间内被熄灭，从而使得整个架空输电线路不宜出现频繁性跳闸的问题；其次，在强气流作用下，整个灭弧防雷间隙装置当中的电弧电流部件会获得极大的速度支持，由此导致电弧部件的几何形态发生一定程度上的变化，这对于加速电弧部件的熄灭而言有相当重要的意义与价值。

二、灭弧间隙动作过程及灭弧原理

当线路遭受到雷击时，由于间隙间的距离较绝缘子串的爬电距离短，因此在过压的作用下，问隙先击穿。击穿产生的电磁脉冲被灭弧装置中的雷电流信号感应器捕捉到并触发爆炸气体发生器动作，高速高压强电负性气体迅速作用于电弧，并在短时内将其熄灭。灭弧间隙灭弧原理定性分析

（1）不对称灭弧腔结构

壁采用竖直结构，利于喷口气流顺利喷出腔外，避免出现喷口阻塞现象。上电极位于灭弧装置的左侧，电极下方灭弧腔壁采用内凹的U型结构，上下电极头之间相互错开△x。不对称的灭弧腔结构使得电弧沿着腔壁被拉伸，在喷口下方同时具有横向和纵向的受力面，当装置动作强气流作用时电弧容易形成断日而熄灭。

（2）介质强度恢复过程

在灭弧间隙动作时，火弧装置能够，汉生具有极高压力和速度的爆炸气体，对电弧产生巨大的冲击作用。在冲击气流的作用卜，灭弧腔内的带电粒子被喷出腔外，同时具有电负性的气体允满腔体，大大削弱了腔内气体电离过程，复合作用加剧，使得腔内气体介质强度迅速恢复，电弧无法重燃。

（3）能量散失过程

在强气流的作用下，高温电弧等离子体被迅速吹散到周围空气中，电弧温度骤降，电弧能量迅速耗散，热电离过程被遏制，同时电弧电流回路被强制切断，电弧能量得不到补充，能量平衡被打破，电弧将熄灭。

三、架空输电线路灭弧防雷间隙绝缘配合

1、灭弧间隙和雷击过电压的绝缘配合

雷电放电主要研究的是雷云对大地放电。当雷云与大地之间形成的电场达到25~30kV/cm，就会发展成为局部放电。经过大量实测表明，雷云对地放电90%是负极性雷（即雷云流入大地电荷为负）。雷电最重要的参数就是雷电流的幅值，它不仅可以表示雷电的强度，同时它也是雷电所引起的电力系统过电压的根源。雷电流的波前时间和半峰值时间为随机变量，经实测得到，对于中等强度以上的雷电流，波前时间τf在1~5μs范围内，平均为2.6μs左右。半峰值时间τt一般在20~100μs范围内，平均为50μs上下。实测表明，雷电流的幅值大小和波头和波长的时间是带有统计性的随机数据，但都是单次单极性的脉冲波，所以雷电在电力系统引起的过电压也是一种幅值极高的冲击电压。目前国内规定雷电冲击电压的标准波形为：波前时间T1=1.2μs±30%，半峰值时间T1=50μs±20%，峰值允差±3%，简记为1.2/50。

在雷电冲击波的作用下，如果空气间隙中各部分电场强度差别很大，间隙的放电只能由强场区向弱场强区发展，并且产生击穿间隙的有效电子还需一段时间，所以空气间隙的击穿放电不仅需要足够的外加电压，同时也需要一定的放电时延。除了不均匀电场的影响，大气条件（例如湿度、气压、气温等）、间隙的形状规格都会对空气间隙的击穿电压有影响。试验也证明了，相同的空气间隙在相同波形和峰值电压作用下，每次击穿时间也不完全相同，存在一定的分散性。另外，有时候冲击电压幅值很高，但持续时间短，间隙不击穿；有时候冲击电压幅值不高，但延续时间比较长，间隙可能发生击穿。

2、灭弧间隙和操作过电压的绝缘配合

目前线路常见的操作过电压包括有：切除空载线路过电压、开断空载变压器过电压、弧光接地过电压以及空载线路合闸过电压。产生操作过电压的基本原因是电网中各类开关操作、故障和故障切除等引起电网系统参数变化的电磁暂态过程。操作过电压与系统中性点接地方式、开关性能和系统接线有着密切的关系。该过电压通常具有幅值高（可达系统最大相电压峰值的3~4）、时间短，高频振荡和强阻尼的特点。

操作冲击电压的波形参数为：波前时间Tcr=250μs，允许误差±20%：半峰值时间T2=2500μs，允许误差为±60%，峰值允许误差±3%。多年以来，长间隙在操作冲击过电压作用下的放电特性研究表明，长空气间隙的平均击穿场强与操作冲击的波前时间有关联，与波尾时间无关，场强和时间两者之间的关系也大多呈U形曲线。在操作冲击波作用下，间隙的50%击穿电压的分散性相比雷电冲击的分散性大得多，特别当棒电极比伸长电极，波前长度较长（如大于1000μs）比波前长度较短（如100μs，300μs）尤为明显，棒一板间隙50%击穿电压的相对标准偏差前者达8%左右，波前时间较短时约为5%。

另外，电场分布对操作冲击电压影响很大，接地物体越靠近放电间隙会显著降低正极性击穿电压。

3、灭弧间隙绝缘配合结果分析

根据分析，可知灭弧防雷间隙在雷电冲击电压下最长保护距离为410mm，在操作过电压下最短保护距离为272min。所以，当灭弧防雷间隙高压和接地两个电极端头之间的距离长度在最长保护距离和最短保护距离中间取值时，就可以满足绝缘配合要求。灭弧防雷间隙在工程安装应用中，它的空气间隙距离长度本课题组一般在360mm~380mm范围内选取。

结语

在整个电力系统中，架空输电线路无论是从运行，还是从自身规模的角度上来说，都占据着相当重要的地位。但由于架空输电线路走廊受雷击作用力影响的范围较大，再加上我国南方地区雷雨季节容易出现雷击事故，从而使得架空输电线路运行的安全性堪忧，若不对雷击影响进行合理的处理，则势必会导致整个架空输电线路的供电可靠性受到不良影响。因此，本文在对架空输电线路雷击过电压抑制手段进行研究的过程当中，提出了一种灭弧防雷间隙的技术手段，对其关键问题进行了分析探讨，值得重视。

参考文献

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