（1国网新疆电力公司塔城供电公司新疆塔城834700；2广西大学电气工程学院广西南宁530004；
3广西大学电气工程学院广西南宁530004；4国网新疆电力公司塔城供电公司新疆塔城834700）
摘要：工频电弧在首次熄灭之后极易发生重燃，引发输电线路跳闸。为此，基于喷射气流灭弧理论，研发了一种通过喷射气流抑制工频电弧重燃的方法，并研制了一套装置。该方法在电弧首次熄灭之后，通过重复触发喷射气流的方式再次激活电弧能量的对流散失，持续抑制电弧重燃。为研究该方法熄灭电弧与抑制重燃的效果，运用Fluent6.3软件对其进行了仿真，并采用冲击电压与工频电压耦合的方式对其进行试验。结果表明该方法可在1.2~4.2ms内熄灭工频电弧并有效其重燃，最长有效抑制重燃时间达4.48ms，获得了较理想的抑制工频电弧重燃效果。装置经110千伏克庙线一年的安装试运行，线路雷击跳闸事故大幅减少。
关键词：输电线路；工频电弧；重燃；喷射气流；双触发
1引言
电力系统是我国社会与经济发展的重要支柱，其运行的稳定性直接关系到社会生产与居民用电的可靠性。随着输电线路分布的增长与电压等级的提升，雷击对于输电线路稳定性的威胁逐渐显露出来[1]。据国网系统统计2011年~2013年雷击引起线路跳闸次数的比例分别达51.7%、49.3%和47.6%，目前雷击仍是输电线路跳闸的主要原因之一[2]。当雷电以反击或绕击的方式在输电线路形成闪络点后，在工频电源的作用下，处于电离状态的闪络点将会产生工频电弧。工频电弧的持续燃炽将会灼烧、损坏绝缘子串表面绝缘层，严重的情况甚至可能导致绝缘子串出现破断、掉串，若无法及时熄灭将会导致线路跳闸，影响供电稳定性[3-5]。
为此，基于喷射气流灭弧理论，研发了一种通过重复触发喷射气流抑制工频电弧重燃的方法。首先，在工频电弧第一次产生的初期，利用雷电能量触发主列灭弧气丸释放喷射气流冲击电弧，迫使电弧对流散失能量，加速弧道去游离过程。当主列灭弧气丸能量消耗即将到达临界点时，电弧的能量散失大幅减少且即将小于输入能量，此时触发副列灭弧气丸再次激活电弧对流能量散失，持续抑制电弧重燃。
本文采用双触发喷射气流灭弧方法，研制了一套工频电弧重燃抑制装置，其不仅可以在工频电弧产生的初期迅速熄弧，并可在长时间内持续释放喷射气流以抑制工频电弧重燃。其次，本文仿真分析了双触发喷射气流对工频电弧的对流散热作用，并获得了双触发延时时间与有效重燃抑制时间之间关系的曲线。在高压实验室内对工频电弧重燃抑制装置进行了灭弧实验，验证了该装置能够快速熄灭电弧，且未发生重燃。
2装置原理
当发生工频电弧时，信号采集器迅速采集到流过引弧杆的工频电流，然后向主列气丸发出触发信号，并向副列气丸发出延时触发信号。主列气丸释放的喷射气流在灭弧筒的约束空间内迅速带走电弧能量，首次熄灭电弧。在主列气丸释放的气流即将消耗至临界点时，为防止电弧在下一次过零点时重燃，被延时触发的副列气丸开始释放第二次喷射气流，抑制弧道能量，防止电弧重燃。
灭弧气丸是一种高密度能量体，由一定量的炸药与灭弧材料组成。当受到电信号触发时，灭弧气丸会在极短的时间（<1ms）内释放高速喷射气流作用于工频电弧。
3建立数值模型
3.1喷射气流模型
灭弧气丸被触发时，在灭弧筒内的有限空间释放出大量的能量，生成气体的压力和温度局部迅速上升，使其周围介质受到高温、高压气体的作用。根据爆轰理论，高温、高压气体向某一介质中飞散时，该介质将产生冲击波。因此喷射气流的模型实质是一种在二维平面内流动的冲击波。冲击波是一种强压缩波，其具有以下的特点[13-14]：
（1）冲击波阵面通过前后，介质的参数阶跃变化，即冲击波阵面两侧介质的参数并不连续，而是相差一个有限量；
（2）冲击波传播的过程是绝热不可逆的，但不是等熵的；
（3）冲击波的传播速度相对于未扰动介质而言是超音速的；
（4）冲击波传过后，介质获得了与波传播方向相同的移动速度；
（5）冲击波的传播速度相对于波阵面后已受扰动的介质而言，是亚音速的；
（6）冲击波没有周期性，而是一次增密突跃式的传播。
这些参数均与冲击波峰值超压?P有关，并且都可以用?P来表示。冲击波峰值超压?P是指冲击波阵面上峰值压力Pf与空气原始压力P0之差，其值为炸药的质量W与冲击波阵面离爆炸地点的距离R的函数。J.Henrych在大量的实验基础上提出了以下公式[16]：
4仿真及分析
4.1仿真条件
为验证工频电弧重燃抑制装置的熄灭电弧能力与抑制重燃能力，采用ANSYSFluent6.3仿真软件分析喷射气流对电弧的强迫对流作用，并记录下电弧熄灭过程的图片。
对流作用的主要发生区域位于由灭弧筒构成的约束空间内，因此将灭弧筒选为仿真分析的区域。电弧模型采用10kA工频电弧，喷射气流初速度为340m/s，仿真步长为0.01ms。t=0ms时刻形成工频电弧，同时主列喷口开始喷射气流，延时td后副列开始喷射气流。仿真过程中，监测灭弧筒出口的平均温度Ta和平均轴向气流速度va。
电弧温度为衡量电弧燃烧的重要依据，因此以Ta观察电弧熄灭过程，当其小于电弧临界温度3000K时认为电弧熄灭[17-18]，记录电弧熄灭的总时间te考察装置的熄灭电弧能力。
喷射气流的速度直接影响电弧对流散热的程度，多次实验证明当气流速度低于50m/s时，其产生的对流散热功率已无法有效抑制电弧重燃[11]。因此本文引入有效抑制重燃时间tk表征整个灭弧过程中va>50m/s的总时间，以考察装置的抑制重燃能力。
4.2仿真结果及分析
图2为副列延时触发时间td设置为1.50ms时（即1.50ms时触发副列气丸），灭弧仿真过程中的温度场分布图与气流速度向量分布图。1.98ms时，灭弧筒出口的平均温度Ta首次低于3000K，电弧熄灭。之后喷射气流继续对整个通道对流散热，直至3.85ms时，灭弧筒平均轴向气流速度va低于50m/s，有效抑制重燃时间tk结束。
在保持其他条件不变的情况下，改变副列气丸触发的延时时间td，将直接影响到装置的两个核心指标：1，工频电弧的熄灭时间te；2，有效对流散热的持续时间tk。图3给出了te和tk随td变化的曲线。由图观察可知，副列气丸越早触发，工频电弧熄灭越快，当副列与主列同时触发时，在双重喷射气流的作用下工频电弧1.36ms内即可被熄灭。另一方面，为了有效的抑制电弧重燃，应尽量延长副列延时触发，以获得更长的tk。
4实验验证
4.1实验回路
为了验证工频电弧重燃抑制装置在实际运行中的熄灭工频电弧能力以及抑制重燃能力，在高压实验室内进行冲击电压与工频电弧耦合的高压实验。实验中，将工频电弧重燃抑制装置与绝缘子并联安装，利用冲击电压发生器模拟雷电能量引发装置闪络，利用单相工频实验变压器模拟工频电源产生电弧，通过冲击—工频耦合装置将冲击电压与工频电压耦合于试品处。工频电弧重燃抑制装置的副列触发延时时间td设置为1.60ms。
4.2实验结果
图3tk与te随td变化的曲线
Fig.3Curvesoftkandtealongwithtd
Fig.5Progressfollowedbyarcextinguishedbyhighspeedairflow
在实验室条件下，利用实验变压器在间隙之间产生稳定电弧，气吹灭弧间隙顺利动作，迅速熄灭工频电弧，达到预想效果：在强大气流作用下，工频电弧受到拉扯，几何形态发生显著变化，并最终熄灭。高速摄像仪记录了电弧熄灭的整个过程（如图5所示），即在高速气流的作用下，工频电弧被“炸开”，4ms之后电弧大尺度脱离间隙电极（如图5（e）所示）在间隙周围的大气中形成许多高温等离子体微团，这些高温等离子微团与含有大量电负性气体的空气混合、扩散。在传导、对流、辐射作用下，能量迅速耗散，温度下降，复合作用加速，很快蜕变成为一般的气体，失去导电性能，电弧的电流回路被强制切断。工频电弧于8ms之后完全熄灭。
5应用效果
5.1线路情况
为进一步验证工频电弧重燃抑制装置的实际运行能力，经塔城供电公司委托，于该地区克庙线路安装试运行。应用试运行图片见图7。
该线路为110kV线路。位于喀斯特地貌地区[19]，年雷暴日>30d[20]。2005年8月10日正式投入运行，全长86.467公里，由克拉玛依220kV变电所110kV构架出线，至新建庙儿沟110kV变电所止。全线共使用杆塔361基，其中直线塔330基，耐张塔31基。线路单回，转角23次，跨110kV线1次，35kV线4次，10kV线10次，通信线6次，河流1次，公路3次。地质结构复杂，1#~58#号杆塔主要以碎石类土为主，59#~361#主要以硬质基岩为主。
5.2线路历年雷击状况分析
克庙线自投入运行以来，所处地区雷电活动频繁，克庙线改造之前，从2005~2012年改造之前共发生雷击跳闸事故17次。
克庙线自投入运行以来，共发生雷击跳闸次数17次，其中2007年3次，2008年4次，2009年1次，2010年2次，2011年1次，2012年6次，如图1-1所示。17次故障中，15次重合成功，2次重合失败。可见，克庙线的雷击跳闸事故呈上升趋势，给克庙线的安全稳定运行带来的巨大的危害。
从地貌上看，17次故障中，3次发生在位于山顶的杆塔，另有14次发生在位于沿坡的杆塔；
从杆塔高度看，17次故障中，1次杆发生在高度大于22m的杆塔；
从杆塔类型看，17次故障中，3次发生在耐张塔，另有14次发生在直线塔。
从接地电阻看，17次故障中，4次发生在接地电阻大于15Ω的杆塔，其中1次发生在接地电阻大于30Ω的杆塔；
综上，对于克庙线的防护应从地貌、杆塔高度、杆塔类型、接地电阻等多方面综合考虑。
5.3线路改造情况
克庙线改造后，雷击跳闸率明显降低，自投运以来克庙线从2005年至2012年期间共发生雷击跳闸17次，雷击跳闸率2.478次/百公里?年。改造至今四年时间跳闸2次，雷击跳闸率为0.5785次/百公里?年。可见，改造后克庙线实际雷击次数减小，雷击跳闸率比之前减少了四分之三以上，改造效果显著。
6结论
1）在喷射气流对电弧的对流作用仿真中，若为了获得更快的工频电弧熄灭时间，应尽量减小副列气丸延时，在初始阶段即加强对流散热，当主副列气丸同时触发时电弧可在1.20ms内被熄灭。而若为了获得较长的工频电弧有效抑制时间，应在主列喷射气流速度不低于有效抑制重燃最低速度的前提下（2.21ms内），尽量延长副列气丸的触发，持续抑制电弧重燃，最长可获得4.48ms的有效抑制重燃时间。
2）实验室条件下，利用冲击电压与工频电源的耦合分别模拟雷电与工频电弧，考察工频电弧重燃抑制装置的熄灭电弧与抑制重燃能力。工频电弧重燃抑制装置可在1.60ms内熄灭电弧，且自熄灭之后未发生重燃。
3）工频电弧重燃抑制装置经一年的安装试运行，线路雷击跳闸事故大幅减少。
4）仿真结果与试验结果、试运行情况基本一致，可以初步验证双触发喷射气流灭弧方法对电弧重燃的抑制效果研究。
参考文献：
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