自能式多断口灭弧装置熄灭直流电弧试验研究.pdf

第6 0 卷第6 期2023年6 月15日电测与仪表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.6Jun.15,2023自能式多断口灭弧装置熄灭直流电弧试验研究王巨丰12,卢幸12,韩力1-2,毛成程1.2（1.广西大学电气工程学院，南宁530 0 0 4；2.广西电力输配网防雷工程技术研究中心，南宁530 0 0 4）摘要：直流配网是未来电网的发展方向，但是直流配网防雷形势依旧严峻，不容乐观。文章研究了一种自能式多断口灭弧装置，简述了装置的灭弧原理,分析了自能式多断口灭弧装置熄灭直流电弧机理，论证了“冲击疏导-快速灭弧-阻断重燃的自能式熄弧方法可快速熄灭闪络后的直流电弧。在直流电弧灭弧试验中,灭弧装置可在3ms时间内全概率熄灭幅值为0.8 kA直流电弧,并阻断电弧重燃,达到良好的灭弧效果。研究验证了自能式多断口灭弧装置熄灭直流电弧的可行性，为未来装置实际挂网运行提供了重要研究基础。关键词：直流配网；自能式；灭弧；雷击跳闸D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.06.008中图分类号：TM721.1Experimental study on DC arc extinction by self-energy multi-fracture(1.School of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China.2.Guangxi Power Transmissionand Distribution Network Lightning Protection Engineering Technology Research Center,Nanning 530004,China)Abstract:DC distribution network is the development direction of power grid in the future,but the lightning protection situa-tion of DC distribution network is still grim and not optimistic.This paper studies a kind of self-energy multi-fracture arc extin-guishing device,describes the arc extinguishing principle of the device,analyzes the DC arc extinguishing mechanism of theself-energy multi-fracture arc extinguishing device,and demonstrates that the self-energy arc extinguishing method of shockconduction-quick arc extinguishing-block reignition can quickly extinguish the DC arc after flashover.In the DC arc extinctiontest,the arc extinguishing device can extinguish the DC arc with the amplitude of 0.8kA within 3ms,and block the reignition ofthe arc to achieve a good arc extinction effect.The feasibility of DC arc extinguishing by self energy multi-fracture arc extinguis-hing device is verified,which provides an important research basis for the actual operation of the device in the future.Keywords:DC distribution network,self-energy,arc extinction,lightning trip0引言国内外文献资料表明，与传统交流配网相比，直流配网拥有诸多优势1-3。近年来，负荷密集地区的用电量越来越大，用户对电能质量的要求也越来越严格，现有的交流配电系统已难以满足用户的用电需求。而在直流配电网中，交流侧有功功率和无功功率的控制是独立的,并且在直流网中不存在频率偏移和三相不对称等问题，电能质量更好，直流配电系统逐渐走人了人们的视野45。中、低压直流配电系统迎来了一个快速基金项目：国家自然科学基金资助项目（5146 7 0 0 2）一52 一文献标识码：Aarc extinguishing deviceWang Jufeng,Lu Xing,Han Li,Mao Chengcheng*?文章编号：10 0 1-139 0(2 0 2 3)0 6-0 0 52-0 5发展的黄金时期,相应的各类直流开关电器也成为了一个新的研究热点0 。直流配电网作为未来配电网的模式7 ，同样也会带来很多挑战，历史的经验告诉我们直流配网的安全运行势必会遭受雷击的威胁。配电网具有分布广、设备多、绝缘水平低的特点，容易因过电压造成绝缘事故。在配网故障中，雷击造成的故障占总数的30%40%，严重威胁到电网的安全可靠运行，因此，对配电线路应采取必要的防雷措施8 。现有配网防雷措施主要包括：改造地网、安装避雷器、加强线路绝缘水平、架设避雷线等,其目的均是抑制雷击绝缘子闪络，然而这第6 0 卷第6 期2023年6 月15日些防雷措施所取得的效果不是很理想，并且各种防雷措施都在一定程度上存在缺陷名9-12 针对上述问题，文中研究一种多断口自能式灭弧防雷装置以熄灭直流电弧，该装置在交流配网系统中已有投运,其依靠电弧在极度压缩的状态下形成的压缩气体在突变拐点处吹灭电弧，利用电弧内能产生的压缩效应达到灭弧效果，属于“自能式”的防雷灭弧方法13。但直流配网中,该方法的相关研究与应用还相对较少,文中对该方法熄灭直流电弧做出试验分析，以指导实际工程应用。1自能式多断口灭弧装置图1展示了自能式多断口灭弧装置的结构示意图，装置主要由引弧电极、喷气口、裙边、灭弧主体及接地电极构成,其中多断口结构是灭弧主体的关键部分，其内部由多个具有断口的灭弧细管呈螺旋状排布组成。引弧电极喷气断口图1灭弧装置结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of arc extinguishing device当雷击线路闪络时，依靠绝缘配合与库仑力牵引，闪络后的高温电弧轨迹将被约束在多断口螺旋状灭弧管内，瞬间产生由细管结构限定的机械压缩效应14151。电弧轨迹经过多个灭弧细管,并在管道断口处暴露且被引导,产生弯折形变,高压高热的管道内部与喷口处的常温常压态形成极端不平衡,致使弧柱沿断口喷射,阻断电弧能量的连续,同时使其内能急剧耗散。装置在继电保护动作之前截断电弧，使线路绝缘迅速恢复，避免雷击跳闸。图2 展示了灭弧装置和绝缘子的安装连接状态支柱绝缘子配网输电线路灭弧主体电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation2灭弧装置熄灭直流电弧机理2.1自能式多断口结构灭弧原理电弧进人灭弧细管后，由于空间约束及自身物理特性,将会在管道内被压缩,电弧越强，压强越大，从而在狭小空间由断口喷射电弧至周围空气中,在弧柱形成断口的同时加快了其冷却和能量散耗。下面将针对“喷射电弧”的过程进行数学理论分析。运用微元法，将电弧看作无数电流元组成的整体，任意两个电流元之间的洛伦兹力都指向弧柱中心，因此电弧整体承受向内的力而产生自磁压缩，洛伦兹力越大，则压缩的作用越明显。弧柱中心压强满足：dP+j.B。=0dr根据安培定律可知：B。=.jardrRJ。而电弧电流密度和电弧半径关系为：一裙边1ja=-元R000灭弧主体接地电极Vol.60 No.6Jun.15,2023(1)(2)(3)式中P为弧柱的轴向压强;R、I 为弧柱半径和电流；jVavuo、B。分别为电弧轴向电流密度、电弧电流密度、真空磁导率以及弧柱的磁感应强度。由式（1）式(3)可知电弧所受向内的最大收缩压力：APo_P4元R2max观察式（4）,明确了弧柱自磁最大收缩压力与电流平方成正比,与其半径成反比。如图3所示，自由电弧从外部进入灭弧细管时,其体积受到约束,产生压缩，弧柱半径变小,致使自磁收缩压力大幅上升,再度受到自身压力的压缩。另一方面,电弧燃炽规律遵从能量守恒定律，二度压缩的电弧会产生极大温升，管内高温高压态和管外常温常压形成巨大尺度差，必然使得电弧沿断口由内向外冲击而出。自由电弧压缩电弧拐点电弧喷射电弧口一(4)连接金具图2 灭弧装置安装参考图Fig.2 Installation reference drawing of arc exting-uishing device图3电弧在管道的路径Fig.3Path of the arc in the pipelines进一步地,在能量守恒定律下,燃烧电弧在dt时间一53一第6 0 卷第6 期2023年6 月15日内温度和压力的上升所需能量为：d(m C,T+PV)=dE-dQ式中m为气体质量；C,为气体定容比热容；T为电弧温度；P为压力；V为体积;E为电弧能量；Q为断口处耗散的能量。其中有：dE=K,Uacridtk,PgApau.dtJdQ=k-1p式中K,为电弧能量转化为压力上升部分比例系数；Uarc为电弧电压;i为电弧电流；K为气体绝热指数；p为气体密度;A为端口面积；为气体摩擦和收缩系数；pm、U，分别为端口出气孔处的气体密度和速度。整理式(5)、式(6)得：KLoA p.d)(7)dPRK,Uareidt-dtc+R(Parc由式(7)可知电弧能量(P=UI)和端口出气孔的面积决定管中气体压强。两个求解压强的式(4)和式（7)解释了电弧由管道往外喷射的原因,狭窄的管道内径和口径压缩了电弧半径出口面积，致使电弧本身和气体都急剧压缩，从而向外喷出电弧，破坏电弧能量达到快速冷却的目的。多管道多断口结构形成对大电弧的反复喷射、冷却作用,同时,相邻断口的折叠交点进一步加强了喷射冷却效果,利用电弧自身能量进行“自能式”灭弧。2.2直流电弧燃炽的充要条件和灭弧原理对于一般的弧隙直流电路,电源电压U。、电阻R、电感L和电弧电压Uh呈串联关系，各分量满足基本电压平衡方程：U。=U h +iR +L将式(8)移项,令电感L两端电压U=LdtdiAU=L=U。-U -i Rdt当电弧稳定燃炽时，电流i为常数，时有：U=Uh+iR因电弧电阻的非线性特点,如图4所示,将式（8）式(10)绘制于同一坐标系下，直线1表达式为U。R，曲线2 为电弧的静伏安特性,此时A点和B点存在U=L岁=0 的情况，电弧能稳定燃炽。直线1与曲线2dt产生交点,即为直流电弧稳定燃炽的充要条件,此时有：一54一电测与仪表Electrical Measurement&InstrumentationU U。-iR(5)可见，破坏式（11）中不等式关系，直流电弧即实现熄弧结果，也即令曲线2 移至虚线3或更高的位置即可。文献16 通过试验证明：(1)电弧的伏安特性曲线与其长度相关,长度越长,电弧冷却条件越优,对应电弧伏安特性曲线相对位置越高；（2)单位长度的电弧阻值不变，(6)弧柱长度越长,单位阻值越大,其伏安特性曲线的相对位置也越高。多断口结构对弧柱的急剧压缩效果在极大增加了电弧长度的同时,客观破坏了电弧的连续性，使直流电弧难以维持燃炽,达到良好灭弧效果。UtL0dtEK-1 pU0图4直流电弧稳定性示意图Fig.4Schematic diagram of DC arc stability3灭弧装置的直流熄弧试验3.1 试验前准备本次试验绝缘子为PS-15/300柱式瓷绝缘子，有效绝缘长度37 0 mm。灭弧装置高150 mm,通过预调引弧电极,将间隙长度调整为7 0 mm。灭弧装置在灭弧之前,必先在间隙形成电弧,进而才能发挥其灭弧的主(8)要作用。因此需测得装置的伏秒特性曲线，确定绝缘dt配合距离，利用GB/T16927.1中规定的升降法17 求di，得：(9)di0,此dt10)Vol.60 No.6Jun.15,2023(11)1BRdidtUh取50%冲击放电电压U50%，如图5所示。130120110100908070600102030405060708090100t/us图5伏秒特性曲线对比图Fig.5 Comparison diagram of volt-secondcharacteristic curve31ALdi0U.Fdt绝缘子灭弧设备第6 0 卷第6 期2023年6 月15日此间隙长度下绝缘子和装置伏秒特性曲线参照文献18-19 测得。根据结果,灭弧装置优先于绝缘子被击穿。根据伏秒特性曲线及本次试验的气隙长度，根据GB/T16927.1规定的的升降法，测得试品的50%冲击放电电压U50%=66.4kV,试验中冲击电压发生器的设定值需大于该值，以保证试验过程中间隙被击穿。试验等效电路图如图6 所示。开关调压器RTTAACCC灰弧高速摄调压器装置像机试品数字示波器图6 试验等效回路图Fig.6Experimental equivalent circuit diagram3.2试验步骤及结果3.2.1 试验步骤试验平台依据上述回路搭建完成，试验步骤如下：（1)检查设备接线和接地，打开操作台开关等；(2)预先绝缘子两端加载直流电压5kV,设定冲击电压发生器参数为7 0 kV,波形1.2/50 s的冲击电压；（3)冲击电压将间隙击穿后，闪络电流为后续直流电弧建立通道，直流电弧由引弧电极进人灭弧装置，在装置作用下经多断口结构灭弧迅速熄灭，利用高速摄像机拍摄了灭弧装置动作过程；（4）在相同条件下重复试验2 0 次，并分析试验结果。3.2.2试验结果分析图7 展示了高速摄像机拍摄的电弧产生至熄灭过程，文中选取6 个典型阶段展示。图7(a)阶段为试验开始前未接通电源;图7(b)阶段冲击电压已击穿间隙，直流电弧开始建立，装置上部开始产生火花，部分电流已进入灭弧细管，由断口向外喷出;图7(c)和图7(d)阶段是直流电流与灭弧装置强烈耦合过程，电弧通道明亮，装置动作剧烈，电流被多断口结构迅速压缩、折断;图7（e)阶段由断口喷出的电弧火花逐渐辱弱，且仅在装置下部出现，此时直流电弧通道已被截断，弧柱能量无法补给；图7(f)为单次试验周期的结束阶段，此时绝缘子两端仍加载5kV直流电压，但电弧已充分熄灭，空气间隙恢复绝缘，灭弧过电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation程结束。在2 0 次重复试验中,灭弧成功率达10 0%，重燃概率为零。(a)IG冲击电压发生器Vol.60 No.6Jun.15,2023(b)(c)(d)(e)()图7 电弧产生-熄灭过程Fig.7Arc generation-extinguishing process图8 展示示波器记录试品两端的直流幅值。图8中 CH1 为未安装灭弧装置的波形,10 ms 时刻开始,电流升至A点的1.5kA，并稳定燃炽，直至B点时刻电源断开;CH2为安装灭弧装置后的波形,10 ms 时刻直流通道建立，电流升至约0.8 kA,C点为灭弧动作起始点，电弧幅值迅速降低,至13ms时刻D点,电流为零，表明灭弧过程结束，空气间隙恢复绝缘，且后续长时间未产生重燃。无干预稳定燃炽专C动作起始D灭弧完成2ms/div图8 电流波形图Fig.8Arc current waveform4结束语（1)通过理论研究，自能式多断口灭弧方法可适用一55一112第6 0 卷第6 期2023年6 月15日于直流配网线路，其灭弧机理符合直流电弧熄灭规律，依靠电弧自身产生的压缩效应进行“自能式”灭弧，是一种行之有效的直流线路灭弧防雷方法；(2)通过试验研究，论证了此灭弧方法的可行性，自能式多断口灭弧装置可在3ms时间段内熄灭幅值0.8kA直流电弧，早于继电保护动作时间，提升了直流线路防雷的有效性和安全性。该试验为将来直流配网的防雷工程实际应用提供重要参考。参考文献1江道灼，郑欢直流配电网研究现状与展望J电力系统自动化，2012,36(8):98-104.Jiang Daozhuo,Zheng Huan.Research Status and Prospect of DC Dis-tribution NetworkJ.Automation of Electric Power Systems,2012,36(8):98-104.2王新刚微电网中变流器控制策略的多目标优化D.上海：上海交通大学，2 0 0 9.Wang Xingang.Multi-objective optimization of converter control strategyin microgrid D.Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2009.3焦建立，向新宇，薛阳，等。基于改进下垂控制的直流微电网功率均衡策略J.浙江电力，2 0 2 2，41（6）：32-36.4杜翼，江道灼，尹瑞，等.直流配电网拓扑结构及控制策略J.电力自动化设备，2 0 15，35（1）：139-145.Du Yi,Jiang Daozhuo,Yin Rui,et al.Topological structure and con-trol strategy of DC distribution network J.Electric Power AutomationEquipment,2015,35(1):139-145.5】赵奇，吕洋，王毅，等考虑微电网灵活调节潜力的主动配电网鲁棒优化J.浙江电力，2 0 2 2，41（1)：55-6 3.6郑志宇，李石东，凌毓畅，等中低压直流配电网线损计算与分析J电测与仪表，2 0 19，56（3）：2 3-2 8.Zheng Zhiyu,Li Shidong,Ling Yuchang,et al.Calculation and 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