气吹弧装置仿真与试验研究

并联间隙雷击闪络后能快速疏导电弧保护绝缘子,但无法有效切除后续工频续流。因此,基于“气吹弧”思想研究设计了一种应用于高压输电线路的气吹弧装置。该装置与绝缘子串并联安装,当雷击线路时利用绝缘配合先于绝缘子击穿闪络泄放雷电流入地,并同时利用雷电脉冲信号触发灭弧气丸产生高速气流,能够在继电保护装置最快响应动作前熄灭电弧。通过仿真在理想状态下得出该装置能够在4 ms内将20 kA的工频续流熄灭;通过试验得出该装置能够在2.6 ms内将5.1 kA的续流电弧熄灭。仿真与试验结果基本一致,共同验证了所设计气吹弧装置具有良好的灭弧效果。

爆炸气流灭弧试验与灭弧温度仿真分析

采用爆炸气流灭弧是一种最新的防雷方法。为研究爆炸气流灭弧防雷间隙灭弧暂态过程，对35kV爆炸气流灭弧间隙进行10kA工频电流灭弧试验，试验表明电弧在爆炸气流的强烈扰动下迅速被拉长截断，灭弧时间约为4ms。同时根据电弧熄灭的温度判据（即当故障电弧温度降低到3000～4000K时熄灭）利用有限元计算软件FLUENT对气流和电弧耦合作用暂态过程中的电弧温度进行模拟仿真。由仿真结果可知，在高速爆炸气流的作用下，电弧能量变弱，温度呈非线性下降，在4ms时降至熄灭的临界值熄灭。为了验证试验与仿真的实际效果，进行了爆炸气流灭弧防雷间隙实地运行试验。运行试验表明：爆炸气流灭弧防雷间隙能够降低雷击跳闸率90％以上，安装灭弧间隙后的输电线路既限制了雷击过电压，又能显著降低雷击事故率，具有良好的实用性。

喷射气体灭弧防雷间隙的灭弧效果

绝缘子串两端安装喷气式灭弧防雷间隙是一种新型灭弧防雷方法。为研究喷射气体灭弧防雷间隙灭弧能力,利用ANSYS14.0软件对气流作用于电弧的过程模拟仿真,同时建立Mayr电弧数学模型,对气流与电弧竞争关系进行了深入探讨。提出"疏导型"防雷思想,结合"气吹灭弧"的方法,发明了一种基于强气流作用下的灭弧防雷间隙装置。该间隙能够吸引雷电电磁脉冲触发装置中的弹丸,触发后产生的高速气流强烈作用于暂态电弧生成的初始阶段,实现对电弧的主动、初期、高效抑制,达到保护绝缘子串、高压输电线路和降低雷击跳闸率的效果。灭弧试验表明:安装喷射气体灭弧防雷间隙装置是一种新型高效的架空输电线路防雷保护方法,能够保证供电可靠性及电网的正常运行。

高速气流作用下灭弧防雷间隙灭弧效果的研究

当架空输电线路遭受雷击而发生冲击闪络时,线路上安装的灭弧防雷间隙装置能够有效地保护绝缘子串免受工频电弧的烧蚀,同时能够在雷电冲击电流击穿间隙后深度抑制工频电弧。为了研究其灭弧效果,首先建立了该装置的气流控制方程组,运用ANSYS10.0软件对流体进行了气流场仿真;然后利用高速摄像机拍摄了电弧的发展过程,通过数字示波器记录了电弧电压波形,对灭弧防雷间隙的灭弧效果进行了试验验证;最后进一步探讨了不同故障电弧电流值下灭弧效果和气流速度的关系。仿真结果与试验结果表明:2.3 ms时刻高速气流速度最大且稳定地作用于电弧;试验得出气流熄灭电弧的时间为3.8 ms,一致说明该装置能快速熄灭电弧;气流速度越大,灭弧防雷间隙的灭弧效果就越好。

绝缘子串并联间隙的工频大电流燃弧试验

绝缘子串雷闪或污闪后,后续的工频电弧会烧伤甚至损坏绝缘子,为此研究了用于保护绝缘子的并联间隙防雷保护装置。介绍了并联间隙防雷保护在国内外的研究和应用状况,采用自己研制的样品研究了结构简单、安装方便适用于110kV和220kV等级V型悬垂绝缘子串和I型悬垂绝缘子串的并联间隙防雷保护装置;充分考虑电网未来发展需求后确定了具体的试验方案且110kV和220kV绝缘子串并联间隙试验的短路电流均为50kA,短路持续时间均为0.2s。在西安高压电器研究所大容量检测试验室对样品进行的大电流燃弧试验证明,沿绝缘子串表面产生的50kA工频电弧约0.01s的时间便可移动到招弧角端部灼烧;招弧角可耐受50kA工频电弧持续燃烧0.2s并能保护绝缘子免受电弧灼烧。因此,绝缘子并联间隙防雷方式是一种合理有效的防雷保护措施,值得在我国输电线路上推广应用。

可主动快速熄灭工频续流电弧的灭弧防雷间隙装置设计

为改善普通绝缘子串并联间隙以牺牲雷击跳闸率换取低事故率的劣势,研究了一种能够主动快速熄灭工频续流电弧的灭弧防雷间隙。该间隙适用于10～110 kV等级电力系统架空线路。制作了该间隙的样机装置,并在西安高压电器研究所大容量检测试验室进行了工频电流灭弧试验。结果表明,提出的灭弧防雷间隙能在试验回路的继电保护动作之前熄灭幅值为1、5、10 kA的工频续流电弧,且熄灭电弧的时间短于10 ms。间隙附带的气体发生装置响应雷电脉冲到喷射气流的时间约为200μs,分析认为,其快速强力地作用于早期电弧是装置熄灭工频续流电弧的主要原因。

喷射气体灭弧防雷间隙装置的研制

为解决35kV架空输电线路的雷击问题,借鉴并联间隙防雷保护原理的"疏导型"思想,研制了喷射气体灭弧防雷间隙装置。该装置能够在输电线路遭受雷击或绝缘子串工频闪络时,有效保护绝缘子串免受工频电弧的灼烧,同时在工频电弧击穿间隙后,能够迅速切断工频续流。借助高速摄像机及示波器观测电弧及间隙电压、电流的变化过程,实验结果表明在高速气体的冲击下,间隙电弧能够快速熄灭。计算显示,安装喷射气体灭弧防雷间隙装置以后,能够大幅度降低输电线路的雷击跳闸率。为进一步把该装置运用到110、220kV高压输电线路打下了基础。

架空输电线路并联间隙防雷装置电弧磁场力计算研究

在架空输电线路上安装并联间隙防雷装置,能够在线路遭遇雷击或绝缘子串工频闪络时有效地保护绝缘子串免受工频电弧的灼烧。在并联间隙或绝缘子表面上产生的工频电弧处在由流过架空线路、并联间隙装置和杆塔的电流以及电弧本身电流产生的综合磁场中,受到磁场力的作用而运动。该磁场力决定着电弧的运动方向和速度,从而决定着绝缘子是否能够避免受到电弧的灼烧而得到有效的保护。针对高压输电线路的实际情况,结合新颖实用的电弧模型,开发了计算电弧所受磁场力的实用方法和程序,并以110kV架空输电线路并联间隙防雷装置为例进行计算和分析,结果和试验现象比较吻合。文中工作为进一步优化设计并联间隙防雷装置打下了基础。

绝缘子串并联保护间隙的爆轰气流灭弧方法

输电线路绝缘子串并联保护间隙受雷击闪络后无法主动快速地熄灭后续工频电弧,不能有效地阻止雷击跳闸。研究了一种主动式、快速地爆轰气流灭弧装置,装置安装于并联间隙电极之间,当雷击并联间隙形成工频电弧时,装置受到雷电流信号触发同步产生爆轰气流,能够以远小于继保装置的最快响应时间熄灭后续工频电弧,从而避免继保装置动作,有效地阻止雷击跳闸。建立了爆轰气流灭弧的数值模型,通过仿真分析得到近似理想状态下的爆轰气流灭弧时间为0.08 ms以内;灭弧实验证明爆轰气流在0.4 ms以内熄灭电弧,两者得到的灭弧时间均远小于继保装置的最快响应时间,其误差在可接受范围内,由此验证了爆轰气流灭弧的有效性和可靠性。

爆炸冲击波作用下灭弧防雷间隙熄灭工频电弧的机理及应用

为提高输电线路的防雷性能,从灭弧防雷间隙和绝缘子配合时的伏秒特性出发,对爆炸波冲击作用下灭弧装置的灭弧机理进行了研究。基于电弧黑盒模型对暂态电弧进行建模,得出故障电流切除时电弧的电压、电流、电压变化率、电流变化率波形,并进行了试验验证。结果表明:5 k A故障短路电流在第1次过零点时被切断,在爆炸冲击波作用下电弧在5 ms内经拉伸到变形到断裂直至熄灭,且未出现重燃;仿真结果与试验结果一致。基于该原理的灭弧装置现场试运行良好,验证了灭弧间隙的实用性。

高海拔超高压绝缘子串雷电冲击伏秒特性

绝缘子串雷电冲击伏秒(V-s)特性曲线对于输电线路防雷设计和并联间隙装置设计具有十分重要的意义。为深入了解该特性,在特高压工程技术(昆明)国家工程实验室对220kV 14片XP-70瓷绝缘子串以及与其干弧距离长度相同的复合绝缘子、500kV 28片XP-70瓷绝缘子串进行了雷电冲击V-s特性试验。试验表明:绝缘子串V-s特性与其干弧距离成正比关系,和材质无关;瓷绝缘子串闪络时,电弧从绝缘子串高压端逐片向上爬升,但在接地端会短接最后2～5片绝缘子,而复合绝缘子则在高压端和接地端之间直接形成放电通道,并可能有次要发展通道存在。

110kV复合绝缘子棒形并联间隙工频电弧疏导过程的试验研究

绝缘子串加装并联间隙装置后,可以疏导工频续流从而保护绝缘子。并联间隙的导弧性能对于绝缘子串的保护至关重要,因而深入了解电弧在间隙电极上的疏导过程及电弧运动特性非常必要。基于此,该文开展了短路电流大小为500A和15.75kA的燃弧试验研究。试验中使用高速摄像仪记录下了电弧运动过程,通过观察试验拍摄的图片分析了电弧的运动特性。利用之前研究建立的长间隙交流电弧模型,仿真计算了与试验电流大小相同的电弧运动过程。通过对比仿真结果和试验结果可知,对于弧根的运动情况,二者基本一致。虽然在弧柱的运动形态上稍有差异,但弧柱的运动滞后于弧根的情况是一致的。因此,电弧运动仿真模型的精确性较高,可用于分析并联间隙装置的导弧效果。

喷射气体灭弧防雷间隙的灭弧机制

为解决架空输电线路雷击事故频发的问题,一种安装于架空输电线路上的喷射气体灭弧防雷间隙装置得到了开发和应用。当输电线路遭受雷击,雷电冲击电流击穿间隙,导致工频续流时,该装置能够迅速切断间隙两端电弧,有效保护绝缘子串免受工频电弧灼烧。依据现有电弧理论方程模型,运用ANSYS 10.0软件对高速气流和电弧进行仿真计算,同时利用高速摄像机和示波器观测电弧电流的变化过程。试验结果表明间隙电弧在高速气流作用之下能够快速熄灭。

基于热浮力–磁场力结合的并联间隙电弧运动模型

采用链式电弧模型,分析并联间隙装置之间产生的电弧所受到的磁场力、空气阻力和热浮力,获得了电弧运动速度控制方程,建立考虑热浮力作用的架空线路并联间隙电弧运动模型,并以110 kV架空输电线路并联间隙电弧进行仿真计算,与实验结果相比较。结果表明:所建电弧运动模型能有效计及热浮力对电弧运动的影响,电弧运动计算时间和实测时间基本相符;仿真发现,由于热浮力使电弧竖直向上运动,在间隙上电极会偶尔发生上弧根和电极短路而引起弧根跳跃,这能合理解释试验过程中观察到的弧根不规则跳跃现象。另外,还分析了电流大小、电极形式对电弧运动过程的影响,仿真表明:电弧运动到电极末端的时间随着电流的增大呈指数衰减;流畅的结构设计有利于电弧的疏导和转移。

35kV架空输电线路间隙灭弧的研究

为解决35 kV架空输电线路的雷击问题,研制了在35 kV架空输电线路上的防雷保护间隙喷射气流灭弧装置。该装置运用了"瞬时疏导"的防雷理念,能够在线路发生雷击闪络时有效地保护绝缘子串免受工频电弧的灼烧,在疏导雷电能量后能够迅速切断工频续流电弧,实现既可以限制绝缘子的外部过电压又可以避免断路器频繁跳闸的功能。笔者在链式电弧模型的基础上结合激波理论研究喷射气流条件下电弧的运动,对电弧的熄灭过程进行了讨论。在高压试验中借助高速摄像机和数字示波器,获取了在高速气流作用下电弧被迅速熄灭的过程图像和数据。

10kV多断点灭弧防雷间隙熄弧特性研究及应用

为了研究10 kV电压等级多断点灭弧防雷间隙的熄弧特性,采用Fluent软件对高速气流耦合电弧过程进行了仿真分析。同时搭建了试验回路并进行了灭弧试验,通过高速摄像机观察了电弧熄灭过程,并且利用示波器采集了灭弧波形。仿真结果表明:电弧在高速气流作用下被分段,切断电弧能量补给通道,电弧温度急剧下降,最终电弧熄灭。试验结果表明:10 kV电压等级多断点灭弧间隙具有良好的熄弧特性,能在0.3 ms时间内熄灭工频电弧并且在后续时间内电弧未发生重燃。实际运行结果表明:多断点灭弧防雷间隙在实际安装运行中能有效降低雷击跳闸次数以及抑制工频电弧发展。仿真结果、试验结果及实际运行结果一致证明了多断点灭弧防雷间隙能够快速、有效地熄灭电弧,抑制工频电弧重燃。

配电线路气流灭弧防雷保护间隙的研究

为解决架空配电线路的雷击问题,从电弧抑制的基本条件入手,通过理论建模分析与实验相结合的方法,研究具有快速熄灭工频续流电弧能力的新型防雷保护间隙的特性。灭弧试验和MATLAB仿真均表明在高速气体的冲击下,间隙电弧能够被高速气流快速切断而熄灭。因此,可以大幅度减少雷击跳闸率。

500kV交流输电线路绝缘子并联间隙电弧运动特性

绝缘子并联间隙是输电线路雷电防护的有效手段之一。文章对500kV线路所用并联间隙的设计参数及其对电弧运动的影响进行了全面的研究。建立了绝缘子并联间隙的电弧运动仿真模型,通过仿真计算,研究了上下并联间隙的罩入比、罩入深度、尺寸以及短路电流对并联间隙间电弧运动情况的影响,详细分析了电弧所受的间隙磁场力、同侧导线磁场力和异侧导线磁场力的特征。仿真结果表明,上间隙电极的弯折角度不应过大,采用上下罩入深度比例2:1的设计,保证起弧点远离绝缘子,同时还防止了电弧上弧根在上间隙弯折处向绝缘子方向运动,绝缘子裸露空气部分85%。推荐并联间隙上下导体水平布置且端部距离绝缘子水平距离为700mm/700mm宽度的设计尺寸。

强气流下灭弧防雷间隙的气流场仿真及灭弧试验研究

为了探讨强气流下灭弧防雷间隙灭弧效果的影响因素,基于极快速电弧截断防雷新理论,对强气流下灭弧防雷间隙抑制电弧发展的机理进行了研究。采用链式电弧模型分析电弧元的运动情况,并求解电弧元速度方程。利用ANSYS AUTODYN模拟不同入口气压下气流场形态,得到气流速度数值仿真结果,并进行了灭弧试验验证。对每次试验的灭弧时间进行数据统计,进一步研究了灭弧防雷间隙的灭弧效果。结果表明:灭弧筒入口气压为20MPa时,气流速度可达573.9 m/s,且入口气压越高则气流速度越大,电流过零后气体介质强度恢复就越快,从而越利于熄灭电弧;灭弧时间实际数值与计算值趋于一致,电弧在4.6 ms内经拉长直至熄灭,且灭弧时间与故障电弧电流值负相关,与气流速度正相关,气流速度越大则灭弧时间越短。研究结果证明了气流速度对灭弧的重要性。

爆炸气流灭弧性能及应用效果分析

为了研究爆炸气流灭弧防雷间隙的灭弧特性,通过对该灭弧防雷间隙的爆炸气流工频灭弧试验,得出了该灭弧防雷间隙的工频续流电弧在4 ms时间内即被强气流吹灭,气流维持时间大于6 ms。同时建立链式电弧模型和Mayr电弧模型分别对电弧所受气流压力和爆炸气流灭弧防雷间隙的能量散失特性进行研究,并利用力学软件ANSYS14.0对强气流干扰下的电弧能量进行仿真分析。从结果分析可知电弧在气流强压力作用下能量迅速耗散,并在极短时间内被截断熄灭。在实际运行中,降低雷击事故率97%,灭弧效果明显。