持續(xù)性大電流直流電弧熄弧試驗(yàn)研究

鄧元實(shí)，劉鳳蓮，朱 軍，吳 馳

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都610072）

持續(xù)性大電流直流電弧熄弧試驗(yàn)研究

鄧元實(shí)，劉鳳蓮，朱 軍，吳 馳

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都610072）

特高壓接地極線路處于運(yùn)行狀態(tài)，尤其是滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)導(dǎo)線出現(xiàn)雷擊過(guò)電壓和操作過(guò)電壓時(shí)，過(guò)電壓易擊穿絕緣子串旁并聯(lián)的招弧角并建立起直流電弧。直流電弧自熄弧困難，持續(xù)燃燒的直流電弧易導(dǎo)致接地極線路絕緣子燒蝕掉串，因此需研究直流電弧熄弧特性。由于特高壓直流傳輸功率大，其產(chǎn)生的直流電弧能量巨大，難以在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有直流設(shè)備上建立持續(xù)性大電流并開(kāi)展熄弧研究。介紹了一種利用移動(dòng)直流融冰裝置作為試驗(yàn)電源，通過(guò)操作電極間隙距離可調(diào)的起弧裝置，建立持續(xù)性大電流直流電弧的試驗(yàn)方法，并在200 A續(xù)流電流下開(kāi)展了直流電弧熄弧試驗(yàn)。

直流電?。幌ɑ≡囼?yàn)；移動(dòng)直流融冰裝置

0 引言

與交流輸電線路一樣，特高壓直流輸電工程接地極線路為了避免在雷擊、操作等過(guò)電壓作用下發(fā)生閃絡(luò)燒傷絕緣子，一般采用在絕緣子串上并聯(lián)招弧角的方式保護(hù)絕緣子。由于交流存在過(guò)零點(diǎn)而直流沒(méi)有，所以交流電弧和直流電弧在熄弧能力上表現(xiàn)出完全不同的特性，絕緣等級(jí)相同的交直流線路，直流線路的熄弧電流遠(yuǎn)小于交流線路。2012年7月7日，±500 kV伊穆直流工程在進(jìn)行雙極大地回線、單極大地回線運(yùn)行方式時(shí)，出現(xiàn)了接地極線路4號(hào)塔左線絕緣子因?yàn)橹绷麟娀〕掷m(xù)燒蝕，致使絕緣子掉串、導(dǎo)線斷線，導(dǎo)線側(cè)掛點(diǎn)招弧角嚴(yán)重?zé)龘p的事故[1-4]；2015年7月13日，±800 kV賓金直流工程由于金華換流站套管故障，由雙極運(yùn)行方式切換到單極大地運(yùn)行方式時(shí)，導(dǎo)致接地極線路11號(hào)桿塔掛點(diǎn)絕緣子被直流電弧持續(xù)燒蝕，絕緣子掉串、地線斷線。

為了避免類(lèi)似事故再次發(fā)生，需開(kāi)展直流電弧熄弧試驗(yàn)，需要摸清直流電弧熄弧特性，為直流接地極線路招弧角形狀、電極距離的設(shè)計(jì)提供參考。但是，“7.13”賓金線故障時(shí)，通過(guò)11號(hào)桿并聯(lián)招弧角直流續(xù)弧電流達(dá)到了1.7 kA，續(xù)弧功率達(dá)數(shù)兆瓦。經(jīng)調(diào)研，目前實(shí)驗(yàn)室設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)“高電壓，小電流”或“低電壓，大電流”的試驗(yàn)條件，與實(shí)際運(yùn)行情況完全相同的試驗(yàn)環(huán)境大大超出了現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備能力，故以現(xiàn)有試驗(yàn)條件難以建立持續(xù)性大電流直流電弧并進(jìn)行熄弧試驗(yàn)[5-8]。

針對(duì)上述試驗(yàn)問(wèn)題，介紹了一種利用移動(dòng)直流融冰裝置作為試驗(yàn)電源，建立了連續(xù)穩(wěn)定的大電流直流電弧并進(jìn)行熄弧特性試驗(yàn)的方法，并在200 A續(xù)流條件下進(jìn)行了直流電弧熄弧試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本次試驗(yàn)利用了移動(dòng)直流融冰裝置作為直流電流源，設(shè)計(jì)了電極間隙距離精確可調(diào)的起弧試驗(yàn)裝置，能夠在持續(xù)大電流的試驗(yàn)條件下進(jìn)行直流電弧熄弧特性研究[9-12]。

持續(xù)性大電流直流電弧熄弧試驗(yàn)平臺(tái)主要由移動(dòng)直流融冰裝置、平波電抗器、電極間隙距離可調(diào)的起弧裝置、連接電纜構(gòu)成。試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖1。

圖1 持續(xù)性大電流直流電弧熄弧試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 The test platform for persistent large current DC arc-extinguishing

移動(dòng)直流融冰裝置為試驗(yàn)提供直流電源，該裝置容量25 MVA，輸出直流電流200～2 000 A連續(xù)可調(diào)。由于融冰裝置依靠晶閘管整流輸出6脈動(dòng)直流電流，為了保證直流融冰裝置輸出的直流電流連續(xù)且紋波較小，增加了25 mH電抗器用于平波。

電極間隙距離可調(diào)的起弧試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。該裝置由導(dǎo)軌、支柱絕緣子、連接銅排、連接軟銅編織線、控制箱組成。招弧角電極分別固定在固定支柱絕緣子（左）的頂端和可移動(dòng)支柱絕緣子（右）的頂端。裝置通過(guò)遙控手柄控制可移動(dòng)支柱絕緣子沿著預(yù)定的軌道向左或右移動(dòng)設(shè)定的距離，這樣電極間隙距離就跟隨縮短或擴(kuò)大相同的距離?？梢苿?dòng)支柱絕緣子移動(dòng)的速度、步長(zhǎng)可由伺服電機(jī)精確控制。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用“電極先接觸后再拉開(kāi)”的起弧方式起弧。即先將電極兩端拉近并完好接觸，再啟動(dòng)直流融冰裝置輸出穩(wěn)定直流電流，最后以一定的速度、步長(zhǎng)值拉開(kāi)電極起弧直到直流電弧熄滅，記錄在當(dāng)前續(xù)流電流值與電弧熄滅時(shí)的電極距離，隨后改變續(xù)流電流值重復(fù)試驗(yàn)[13-15]。

圖2 電極距離可調(diào)的起弧試驗(yàn)裝置Fig.2 The arc test device with adjustable electrode distance

1.3 試驗(yàn)測(cè)量

本試驗(yàn)采用日本橫河DL850E型示波錄波儀實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)中直流電弧兩端的電壓和電流波形。

采用2個(gè)分壓器（分壓器信號(hào)FRV-15 kV，變比3 000:1）差分記錄直流電弧正負(fù)兩極電壓信號(hào)，如圖2所示。分壓器輸出通過(guò)同軸電纜連接至錄波儀CH1與CH2通道，錄波儀通道CH1記錄電弧正極電壓信號(hào)，CH2記錄電弧負(fù)極電壓信號(hào)，通過(guò)CH1-CH2運(yùn)算即可得到電弧端電壓波形。

采用日置CT9693-90型電流傳感器記錄直流電弧電流信號(hào)，電流傳感器通過(guò)同軸電纜連接至錄波儀CH3通道。該電流傳感器額定一次電流為2 kA，滿足本次試驗(yàn)電流記錄量程需求。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

按照電弧的發(fā)展規(guī)律，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程分為以下幾個(gè)階段：

1）起弧階段：先將兩電極完全接觸，啟動(dòng)直流融冰裝置輸出直流電流200 A，直流電流通過(guò)電抗器、完全接觸的電極流回融冰裝置。操作起弧裝置拉開(kāi)電極，電極兩端出現(xiàn)貫穿性電弧。見(jiàn)圖3（a）、3（b）。

2）初始燃燒階段：按照速度400 mm/s，2mm的步長(zhǎng)拉開(kāi)電極。當(dāng)電極距離拉開(kāi)至50 mm時(shí)，電弧穩(wěn)定燃燒。見(jiàn)圖3（c）。

3）持續(xù)燃燒階段：繼續(xù)按照速度400 mm/s，2 mm的步長(zhǎng)拉開(kāi)電極。當(dāng)電極距離拉開(kāi)至200 mm時(shí)，電弧劇烈燃燒，見(jiàn)圖3（d）。當(dāng)電極距離達(dá)到287 mm時(shí)，電弧仍劇烈燃燒，見(jiàn)圖3（e）。隨后試驗(yàn)人員操作融冰裝置停止輸出直流電流，發(fā)現(xiàn)電極已幾乎燒蝕殆盡。

由于試驗(yàn)是采用普通攝影設(shè)備錄像，尚無(wú)法觀察到電弧起弧瞬間的過(guò)程以及電弧隨電極距離改變的精細(xì)形態(tài)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 直流電弧電流波形

錄波儀CH1、CH2通道記錄了電弧正極、負(fù)極電壓波形，見(jiàn)圖4。

圖3 直流電弧隨電極間隙距離變化發(fā)展過(guò)程Fig.3 The developing process of DC arc with the change of electrode distance

圖4 直流電弧弧道維持電壓Fig.4 The hold voltage of DC arc

在電弧發(fā)展過(guò)程中，電弧長(zhǎng)度拉伸至287 mm，而電弧的電壓變化卻不明顯。從錄波波形可看出，電弧的正極電壓波形和負(fù)極電壓波形二者幅值、相位幾乎一致，波形幾乎重疊。在電弧發(fā)展過(guò)程中，弧道維持電壓在50 V左右，弧道維持電壓未跟隨電極距離的變化而改變。

2.2.2 直流電弧電流波形

錄波儀CH3通道記錄了電弧電流波形，見(jiàn)圖5。

圖5 直流電弧電流Fig.5 The current of DC arc

從錄波波形看出，電弧發(fā)展過(guò)程中，直流電弧的電流平均值始終穩(wěn)定在200 A，未跟隨電極距離的變化而變化。

正是由于直流電弧弧道維持電壓和續(xù)流電流在整個(gè)試驗(yàn)中始終保持穩(wěn)定，才使得200 A的直流電弧在電極距離為287 mm的時(shí)候仍未熄滅。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)本試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

1）利用移動(dòng)直流融冰裝置和平波電抗器作為試驗(yàn)電源，采用“電極先接觸后再拉開(kāi)”的直流電弧起弧方法可以產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的大電流直流電弧。

2）電弧續(xù)流電流穩(wěn)定時(shí)，弧道維持電壓不隨電極距離變化而變化。直流電弧續(xù)流電流為200 A，電弧長(zhǎng)度達(dá)到287 mm時(shí)，直流電弧仍劇烈燃燒。

后續(xù)，試驗(yàn)將在選取耐高溫電極材料以減慢電極燒蝕速度、在起弧裝置中模擬風(fēng)速等自然環(huán)境、增加導(dǎo)軌長(zhǎng)度和加強(qiáng)融冰裝置保護(hù)措施等方面進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步開(kāi)展直流電弧熄弧特性研究。

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Research on Arc-Extinguishing Test of Persistent Large Current DC Arc

DENG Yuanshi，LIU Fenglian，ZHU Jun，WU Chi
（State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China）

The DC arc is established on the arcing horn which is parallel to the insulator when light?ing overvoltage and switching surge are arised in UHVDC earthing line.This is more easily happened when the UHVDC earthing line is operating at full load.It’s necessary to study the DC arc-extinguishing characteristics because the persistent DC arc can lead to the UHVDC earthing line falling off.Due to the high power possessed by the DC arc，the existing laboratory equipments don’t have enough power to es?tablish the persistent DC arc.This paper propose a way to establish the persistent DC arc using mobile DC ice-melting device and an arcing test device，and the DC Arc-extinguishing test is carried out under 200 A persistent current.

DC arc；test of DC arc-extinguishing；mobile DC ice-melting device

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.024

2017-03-15

鄧元實(shí)（1985—），男，工程師，主要從事輸電線路專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理工作。