李籽剑，王巨丰，张华驿，戴琦，丰德

（广西大学电气工程学院，南宁530004）

基于压缩电弧多点截断的灭弧防雷间隙机理研究

李籽剑，王巨丰，张华驿，戴琦，丰德

（广西大学电气工程学院，南宁530004）

配网输电线路没有避雷线的保护，因此雷击造成感应过电压幅值大、作用范围广、雷击闪络概率高。为了改善配网线路雷击跳闸频繁的现状，设计出一种能连续、多次动作并长期运行的压缩灭弧间隙，对其产生自膨胀气流灭弧机理进行研究。设计并完成了冲击电弧和工频电弧叠加作用下的灭弧实验。电弧的熄灭过程借助高速摄像机和示波器监测。结果表明，该灭弧间隙能在冲击电弧暂态发展初期对其能量分段，并于1.2 ms左右熄灭2 kA的工频电弧。该装置已应用于10 kV配网线路上，验证了该装置的实用性。

配网线路；灭弧防雷间隙；压缩电弧；自膨胀气流；灭弧实验

0 引言

随着我国经济高速发展，城市化的加快，电网的规模也越来越大，各种类型架空输电线路纵横交错，这在某种程度上使得电网结构的稳定性有所降低，无论是内部潮流的扰动，还是外界因素的影响都会引起电力系统的故障。在当前电力系统中，由雷击引发的跳闸次数占总跳闸次数的40%～70%，可见雷击事故是电网运行安全的主要威胁[1]。

基于“闪络抑制”的传统防雷理念依赖于雷电拦截、地网降阻等方法，这些方法最大的共同特征是不可控性，导致防雷效果极差。而避雷器不仅成本较高并且存在阀片时滞导致残压飙升、阀片防潮措施严重影响阀片散热性能导致热击穿高发、选择性安装点会使回射波自动复原升高等固有缺陷，也使其难以保障电网的输电安全。如果长期发生这样的情况更容易造成人力、物力和财力的浪费。所以寻找一种高性价比的防雷方式一直是防雷工作者的研究放向之一[2-6]。

目前国内外最新的输电线路防雷方法是采用“疏导型”防雷手段[7]。其基本原理：在绝缘子串两端并联装设保护间隙从而形成对雷击闪络路径的控制，使其优先经过并联间隙。这种防雷手段避免了绝缘子串发生沿面闪络导致永久性绝缘损坏，但是也存在以下缺陷：首先，这种并联间隙没有熄灭工频续流电弧的功能，在多次闪络后并联间隙两端电极会因为灼烧而导致距离增大，绝缘配合失效。其次，这种并联间隙降低了线路的绝缘强度，虽然在一定程度上降低了电网的雷击事故率，但这是以牺牲雷击跳闸率为前提的，防雷性价比并不高[8-13]。

笔者所研究的自能式压缩灭弧防雷间隙也属于“疏导型”防雷方法。但不同的是，这种防雷间隙是由一系列灭弧压缩通道按照一定的空间序列排列而成，不仅能优先吸引冲击电弧进入灭弧通道，而且每个通道内会产生自膨胀灭弧气流，在相邻灭弧单元的拐点处形成对电弧的能量分段，从而在工频电弧暂态发展初期实现电弧的多点截断，阻止其发展成为稳定的工频续流电弧[14-22]。

基于以上研究现状，本文建立了电弧在压缩通道内发展的模型，并在冲击电弧耦合工频电弧的

实验平台上对该防雷间隙的灭弧效果进行实验研究，最后分析其实际运行效果。

1 压缩电弧多点截断的灭弧机理

1.1 电弧压缩模型

电弧直径在受到外力压缩减小的现象称为弧压缩，见图1。通常情况下，电弧压缩的类型可分为以下3种形式[23]。1）机械压缩：以冷通道壁对电弧进行控制压缩；2）流体压缩：当气态或液态流体作用于电弧时，也会使其发生收缩；3）自磁压缩：电弧受到自身电流产生的磁场所形成的电磁性压缩。

图1 电弧在单元压缩管道中的模型Fig.1 The model of arc in the unit compression tube

进入灭弧通道中的电弧会在极短时间内与压缩管道的冷通道内壁形成大面积接触。由于电弧与通道内壁温差极大，弧柱外围将立即冷却，并失去导电性，也就是电弧受到了机械压缩，弧柱半径减小。同时，如此强烈的机械压缩也造成了电弧形态的巨大改变。

另一方面，如果把电弧等效分为多段电流，每段电流都会受到其他段电流与自身电流所产生的磁场而作用形成的洛伦兹力，这些洛伦兹力的方向均指向弧柱中心，电弧就会产生自磁压缩。在机械压缩和自磁压缩的叠加作用下，电弧的直径将进一步减小。

电弧受到自磁压缩时弧柱单元体力的平衡方程如下：

式中：P为弧柱径向压力；jr为电流的轴向密度；Bφ为弧柱产生的磁场强度。

根据电弧的对称性，与安培环路定律结合可得：

式中：μ0为真空磁导率；l为电弧弧柱环绕积分长度；I为电弧电流。若设定l为半径为r的圆，则式（2）可转化为

结合式（3）与式（1）可得：

将式（4）沿电弧径向从边缘至中心积分，可得下式：

式中：P0为弧柱边缘的环境压力，这里为电弧所受机械压缩力；ΔP(r)为电弧所受自磁压缩力在弧柱径向r处产生的压力差，若把弧柱电流密度表示为，则

由式（6）可看出，在r=0时，电弧中心弧轴有最大压力差：

由以上推导可知，电弧受到自磁压缩产生在电弧径向上的压力差与电弧半径的平方成反比，在电弧受到机械压缩半径减小以后，自磁压缩效果将会呈指数平方性放大，在这两种压缩方式下，电弧将形成极度压缩状态，导电横截面大幅缩小的同时，弧柱中心的温度与电流密度也将大幅增加。可见，在压缩管道中，电弧的形态与能量分布已发生巨大改变。

1.2 电弧在压缩管道中的多点自截断形成机理

1.2.1 压缩管道内的“电弧喷射”与“压缩抽吸”

在压缩管道的端口处，电弧从极度压缩态发展至自由态的过程中，原本集中在弧柱轴心的能量和电流将会以喷射的态势向管道外释放和发展，形成“电弧喷射”现象。

根据物质动态平衡原理，在管道内的电弧受到机械压缩和自磁压缩的叠加作用后，会从端口外吸入大量气体填补管道内的空间，这种现象称为电弧在压缩管道内的“压缩抽吸”现象。

如图2所示，这两种现象促使压缩电弧介质与空气介质形成对流，并在灭弧通道内积累大量气体，为自膨胀灭弧气流的产生提供了载体。

图2 单元灭弧管道内电弧喷射与压缩抽吸示意Fig 2 Schematic of arc spraying and compression in the arc extinguishing tube

1.2.2 自膨胀气流对电弧的截断效应

电弧在管道内被极度压缩，弧柱能量瞬时积累，导致弧柱中心温度急剧上升，弧柱与通道内壁形成巨大的温度差，因此通道内会出现强烈的热传导。此时，弧柱和通道内壁之间已经吸入大量气体，这些气体在强烈的对流传热下温度会快速升高，体积将迅速增大，由于受到管道内壁的压力，径向自膨胀气流发展为轴向自膨胀气流。

整体灭弧通道的空间结构见图3，单元压缩管道之间以一定空间结构排列，不仅能拉长电弧，而且每个通道内的轴向自膨胀气流会在相邻管道的电弧运动轨迹拐点处作用于处于形态不稳定的电弧，从而对电弧多点截断，阻断后续能量供给，快速有效地熄灭电弧，见图4。

设在实验室坐标下电弧弧柱中心的运动速度与电弧温度最大值的运动速度都为Va。当轴向自膨胀气流在相同坐标系下以速度V在弧柱中运动，其经历的温度可以表示为

若与轴向自膨胀气流耦合的弧柱所经历的温度梯度为∇T，则自膨胀气流所经历的温度梯度变化为

图3 灭弧通道空间结构Fig.3 Space structure of arc extinguishing channel

图4 自膨胀气流灭弧机理Fig.4 Arc extinguishing mechanism of self expanding air flow

在自膨胀气流的作用下，电弧弧柱中心温度最大值的运动速度很快到达最大值，即与自膨胀气流同步运动。故自膨胀气流所经历的就是弧柱温度最大值的温度梯度∇mT，且此温度梯度相对于时间的变化率为零，可得

此式可转化为

由上式可看出，自膨胀气流的运动速度会极大地影响突变拐点处电弧的运动速度，使其到达下一个灭弧通道的运动距离增加，而电弧的能量耗散率与其运动速度与运动距离成正比，所以在每一个突变拐点处电弧的能量将大幅耗散，最终形成能量的断点。在相邻灭弧单元处都存在能量断点，实现了对电弧的多点截断。

2 灭弧试验及结果分析

2.1 试验

为了模拟出雷击条件下冲击电弧和工频续流电弧在灭弧结构中的发展情况，本次试验分别设计出了冲击电流回路和工频续流回路，见图5和图6。

图5 冲击电流回路设计Fig.5 Design of impact current circuit

图6 工频续流回路设计Fig.6 Design of power frequency continuous current circuit

本次试验步骤如下：

1）首先接通工频电源，缓慢调节调压器和试验变压器，使绝缘子两端电压升高，观察连接在灭弧间隙的熔丝是否出现变化。当工频电压升高达到一定幅值，灭弧间隙被击穿，熔丝由于短路电流的流过出现融化迹象，表明这是工频电弧发展的起始时刻，这时立即断开记忆开关K0，保持回路其他部分不变，此时记忆电阻两端记录下了工频短路电弧的起始电压。

2）记忆开关K0断开之后，操作控制台启动冲击电流发生器并调节自耦变压器和分流器产生模拟冲击电弧所需波形和幅值的冲击电流，此时，可观察到熔丝继续融化，表示灭弧间隙两端已产生冲击电弧。

3）冲击电弧产生的同时，与记忆开关相连的感应控制器将收到冲击电流脉冲信号，并控制记忆开关K0闭合，从而使之前记录下的工频短路电压叠加在灭弧间隙两端，实现冲击电弧与工频短路电弧在时间和空间上的叠加。

虽然由于记忆开关和感应控制器的配合存在一定的时滞，使得工频电压的叠加滞后于冲击电流，但只要控制滞后时间在冲击电流的半波峰内，即可近似模拟冲击电弧与工频电弧的叠加，其中的误差不会对本次实验效果及结论产生太大影响。

2.2 试验结果分析

本次试验利用CCD高速摄像机和数字示波器记录了自膨胀气流灭弧防雷间隙的灭弧动作过程及冲击电弧电压变化波形，以此分析电弧的发展规律和灭弧间隙的动作效果。

图7为在冲击回路中测量电阻R（1mW）并联的示波器记录的不同波形和幅值的冲击电弧能量分段。波形的纵坐标为冲击电流在测量电阻R两端产生的电压，可以反映冲击电弧电流的变化规律。左侧波形为8 μs/20 μs，幅值20 kA的冲击电弧电压波形，右侧为30 μs/80 μs，幅值40 kA的冲击电弧电压波形。

图7 不同波形和幅值的分段冲击电弧波形Fig.7 Different waveforms and amplitudes of the segmented impulse arc wave

从以上波形可看出，在灭弧间隙的作用下，两种不同波形不同幅值的冲击电弧波形均产生了大幅的密集电压震荡，这时因为冲击电弧在灭弧间隙的突变拐点处发生了能量分段，导致在各个分段点产生电压波动，从而无法形成平滑连续的电压波形。这验证了自膨胀气流灭弧间隙对冲击电弧的截断效应。

图8为设置拍摄频帧为20 000 fps的CCD高速摄像机记录的压缩灭弧间隙在2 kA工频电弧条件下的灭弧动作过程。为排除外界环境的绝缘强度造成的干扰，在灭弧间隙外表面覆盖了特殊的有机绝缘材料。

从图中可看出，在冲击电弧进入灭弧间隙后的50 μs内，就完全按照灭弧间隙的空间结构进行螺旋式发展。此时的冲击电弧由于极度压缩，灭弧通道单位截面积上的能量积累密度达到峰值，因此只能在图中观察到灭弧通道附近强烈的发光现象。

在灭弧过程的150 μs，可清楚看到，由于灭弧通道产生较高的纵向压力梯度，冲击电弧在电弧喷射的作用下沿各个灭弧单元连接处向外喷射，此时的冲击电弧开始逐步被切割分段，不再连续。

灭弧过程到达300 μs时，冲击电弧已经形成了明显的能量分段，其能量也大幅耗散，此时在各灭弧单元中已积累了大量自膨胀气流，在突变拐点处的电弧被吹出到较远空间。

工频续流电弧与冲击电弧的耦合与解耦发生在300～500 μs的时段中，由于自膨胀气流对电弧发展的抑制作用，从图中未看出电弧能量有增加的趋势，工频续流电弧延续着冲击电弧的发展，形成孤立断裂的分段弧柱并被吹散至外部。

可以看出在500～1 000 μs内，自膨胀纵吹气流完全耦合工频续流电弧，使工频电弧迅速衰减，分段弧柱的数量和能量密度都大大减小。衰减过程中，工频电弧被大尺度截断，失去了能量供给的通道，避免了重燃的可能。在1 200～1 500 μs内，灭弧过程基本结束，工频电弧已衰减至熄灭。

图8 高速摄像机拍摄的灭弧过程图像Fig.8 The image of the arc extinguishing process for high speed video camera

3 挂网运行情况

由于压缩灭弧防雷间隙具有科学原理先进、安装便捷（见图9）、无易损件、维护周期长等优点，目前已在广西某市10 kV配网线路防雷工程中应用，进行了运行实践（见图10）。结果表明，压缩灭弧防雷间隙能大幅度降低雷击跳闸率、事故率，取得了良好的运行效果，很大程度上保证了线路供电的可靠性。

图9 压缩灭弧防雷间隙安装图片Fig.9 Compression arc extinguishing lightning protection gap installation picture

4 结论

1）近似理论解析表明，冲击电弧进入灭弧通道后，在通道内将产生自膨胀气流，使相邻灭弧通道拐点处的电弧加速纵向运动，能量大幅耗散，最终形成能量断点。

图10 压缩灭弧防雷间隙运行图片Fig.10 Compression arc extinguishing lightning protection gap operation picture

2）压缩灭弧防雷间隙在8 μs/20 μs与30 μs/80 μs两种冲击电弧的发展初期对它们进行多点截断，并于1.2 ms左右熄灭幅值为2 kA的后续工频电弧，不会重燃。

3）笔者研究的压缩灭弧防雷间隙能快速熄灭电弧，有效降低配网线路的跳闸率，保证了线路的正常运行，为研究适用于更高电压等级的压缩灭弧防雷间隙奠定了基础。

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Study on the Mechanism of Arc Extinguishing Lightning Protection Gap Based on the Multi Point Arc Cutting

LI Zijian，WANG Jufeng，ZHANG Huayi，DAI Qi，FENG De
（College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Without the protection of lightning conductor，once struck by lightning，the distribution network transmission lines will result in high amplitude of induced overvoltage，wide range of damage and high probability of lightning flashover.In order to improve the situation of frequent lightning trip of distribution network lines，the author designs a kind of continuous，repeated action and long-term oper⁃ating compression arc gap，and studies on the mechanism of extinguishing arc through self expanded air flow.The author designed and completed the arc extinguishing experiment under the dual function of im⁃pulse arc and power frequency arc.Monitoring the process of arc extinguishing through high speed cam⁃era and oscillograph，the author finds out that the arc gap segments on the energy in the development of early transient impulse arc，and puts out the power frequency arc 2 kA at about 1.2 ms.The device has been applied to the 10 kV distribution line，which verified the practicability of the device.

distribution line；arc extinguishing lightning protection gap；compressed arc；self ex⁃panding air current；arc extinguishing experiment

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.027

2016-09-21

李籽剑（1993—），男，硕士，研究方向为高电压与绝缘技术。