Protective effect of compressing arc extinguishing lightning protection device on superimposed lightning strikes

Traditional lightning protection measures can not solve the problem of superimposed lightning strikes.This paper presents a compressing arc extinguishing lightning protection device,which can solve the problem of superimposed lightning strikes.This device can extinguish the power frequency continuous current arc quickly in 1-2 ms.It is far less than the response time of relay protection,which can avoid lightning trips and improve the reliability of power supply.The computer simulation and engineering practice show that the compressing arc extinguishing device has good protection effect on superimposed lightning strikes.

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。

固相气流防雷装置熄灭工频大电流的仿真分析和试验研究

为验证固相气流灭弧装置在110 kV系统中熄灭工频大电流的能力,文中首先在Comsol Mutiphysics软件中将电场、流体及传热模块耦合,对高速气流与电弧的耦合发展过程进行仿真,以电导率确定电弧熄灭;其次到高压试验室开展固相气流下的40 kA工频大电流灭弧试验。仿真结果表明,固相气流熄灭工频大电流电弧的时间约为4 ms;试验结果证明在固相气流下6.7 ms左右熄灭40 k A的工频大电流电弧。由于仿真不能完全模拟实际灭弧条件,且电弧熄灭时间都小于继电保护装置动作时间,所以误差仍在可接受范围内。实际运行状况证明,该装置在实际运行中拥有熄灭工频大电流电弧的能力,且工况良好,性质稳定,能够有效降低线路的雷击跳闸率。

基于磁流体动力学的35 kV自脱离防雷装置灭弧仿真

为研究影响基于气吹灭弧原理的自脱离防雷装置灭弧的影响因素,文中基于磁流体动力学理论建立装置灭弧过程的数值仿真模型,研究电流初始相角与装置气流速度峰值对装置熄弧性能的影响,并结合大电流燃弧试验验证模型有效性。研究结果表明,自脱离防雷装置灭弧时间与工频电流初始相角密切相关,在0°~180°电角度区间内,电弧熄灭所需时间随工频电流初始相角的增大而减小。装置气流速度峰值对电弧熄灭具有决定性作用。当灭弧气流速度峰值高于243 m/s时,装置可在半个工频周期内有效熄灭电弧并防止重燃;灭弧气流速度峰值低于243 m/s时,在装置产气灭弧筒出口处将出现“电弧堵塞”现象导致电弧重燃。研究结论可为气吹防雷装置灭弧性能优化提供理论依据。

基于气吹原理的一体化防雷间隙快速灭弧方法

并联间隙结构简单,但雷击过后,由工频续流导致的电弧无法快速熄灭,故使得线路的跳闸率上升。提出了一种新型一体化防雷间隙,利用磁能气吹装置喷射高能气流作用于间隙电弧致使其快速熄弧的方法,加快电弧能量消散,同时使间隙电弧能迅速变细,截断工频续流,从而达到快速熄弧的目的。基于磁流体力学(magnetohydrodynamic,MHD)理论,利用有限元仿真分析软件搭建了该理论模型,并进行了交流电弧灭弧实验。研究结果表明:该基于气吹原理的一体化防雷间隙能使电弧的弧柱温度在短时间降低至原来的1/5,电弧吹细至原来的30%,使电弧熄灭时间最长不超过5 ms,只有传统保护间隙熄弧时间的6%~8%。所提方法极大地缩短了间隙工频续流电弧的熄灭时间,保证了电力系统的供电可靠性。

爆炸气流灭弧防雷装置试验研究与应用

为了提高高压架空线路的耐雷水平,解决电网防雷难题,基于“疏导式”防雷技术基础上研制了一种利用高速气流熄灭电弧的爆炸气流灭弧防雷装置。该装置允许空气间隙击穿形成电弧通道,并同时利用雷电脉冲信号在电弧形成瞬间同步触发灭弧气丸,以产生高速气流在工频电弧建弧初期就将其完全熄灭,并且强气流能快速恢复空气介质强度,防止电弧重燃。文中对该装置的灭弧原理进行了详细论述;通过雷电冲击试验、测试装置触发响应时间试验和工频大电流灭弧试验,检验了该装置的电气性能和灭弧效果,经试验发现其均满足试验要求;根据实际运行效果发现该装置在线路上运行工况良好,防雷效果十分优异。

10kV多间隙强气流灭弧防雷装置的仿真分析与试验研究

为了解决输配电线路的雷击问题,目前研制了1种主要应用于10 kV配电线路的多间隙强气流灭弧防雷装置。采用电弧3维动态磁流体动力学(MHD)模型描述了电弧的特性,对高速气流作用下的灭弧过程进行了仿真分析,得出熄弧时间为0.16 ms。同时进行了灭弧试验,通过高速摄像机和示波器观测了电弧熄灭过程。试验结果表明从装置触发到灭弧结束历时0.3 ms,其中从产生气流到气流接触电弧时间小于0.01 ms。验证了仿真得出的熄弧时间与试验中的熄弧时间基本相符,证明该装置能将电弧熄灭在"萌芽期",深度抑制后续工频电弧发展。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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架空输电线路并联间隙防雷装置单相接地故障电弧自熄特性研究

35kV架空线路并联间隙防雷装置能有效保护绝缘子串和导线免于雷击引起的工频续流电弧的烧蚀,但该装置的安装是否会影响架空线路单相接地故障电弧的自熄特性尚需探讨。设计了2组模拟试验,分别研究了系统中性点不接地、单相接地故障电容电流为10A和系统中性点经消弧线圈接地、单相接地故障电容电流为15A、消弧线圈过补偿、故障点残流为10A的试验条件下,架空线路安装并联间隙防雷装置后,单相接地故障电弧的自熄情况。结果表明,在这2种试验条件下,单相接地故障电弧均具有较高的自熄概率;并联间隙防雷装置的安装并不影响单相接地故障电弧的自熄特性。

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。

半密闭灭弧腔室内电弧运动特性的三维仿真和实验

在配网线路防雷中,利用多个半密闭灭弧腔室串联将长空气间隙电弧分段淬灭的多腔室灭弧结构因其优异的灭弧性能,受到学者的广泛关注。在应用于配网线路雷电防护时,多腔室灭弧结构中的气体间隙被击穿后,冲击电弧在半密闭灭弧腔室内的运动特性直接影响该结构的灭弧性能。为了研究冲击电弧在灭弧腔室内的运动特性,该文将气流场、流体传热场、电磁场多场全耦合,建立单个半密闭灭弧腔室内冲击电弧的三维数值仿真模型,分析电弧从腔室内运动到腔室外的动态演变过程;搭建冲击电流试验平台,利用高速摄像机拍摄了电弧从腔室内运动到腔室外的图像,分析电弧运动图像的特征。结果表明,仿真得到的电弧完全运动到腔室外的时刻和电弧完全熄灭的时刻与试验图像特征吻合,验证了仿真模型的准确性;得到了腔室内电弧温度、腔室内压强和气流速度随时间整体呈现先急剧增加后缓慢减小的趋势;当电弧电流为波形8/20μs、幅值2kA时,腔室内的电弧温度最高可达41000K,压强最大达2MPa,气流速度最大达3000m/s。