记广西“喷射气流灭弧防雷间隙关键技术研究”
风驰电掣、雷霆万钧……雷电，在人们的印象里不亚于一个狰狞的恶魔。广西地处多雷强雷地带，雷电是经常发生的一种自然灾害。防雷治雷，事关群众的生活和生产，特别在电网系统，关乎万户千家。如何制服雷电这个“恶魔”？广西大学电气工程学院教授王巨丰博士团队历经十年科研，以一项“喷射气流灭弧防雷间隙关键技术”，成功解决了输电线路在雷击状态下易发生跳闸、断线，造成停电事故频发的难题，有效遏制了雷电这个“恶魔”的横行。这一项目技术的成功研发和创新成果的推广应用，让王巨丰博士团队夺得了2013广西科技发明奖一等奖。这也是广西科技发明奖自2010年设立以来，在空缺3年之后，首次产生一等奖项目。1 揪住了“弧”尾巴“喷射气流灭弧防雷间隙关键技术研究”应用到生产上，就是一个笔筒大小的产品——“喷射气流灭弧防雷间隙装置”，王巨丰博士把它称之为“灭弧器”。近日，在广西大学电气工程学院的实验室，王巨丰博士向记者展示了这个“灭弧器”：它的外观用耐高温陶瓷制作，看起来有的像个圆笔筒，有的像个小串子，都是针对客户需求设计制作的。“灭弧器”如何发挥功效？王巨丰说，它安装在野外线路杆塔的绝缘子串旁，雷击发生时，一方面，它能对雷电进行疏导，另一方面，则使产生的电弧在瞬间彻底熄灭。电弧，在电网线路遭遇雷击状态下常常扮演着重要角色，它是引发线路故障的“元凶”。当雷击时，绝缘子串上闪络的火花就是电弧。正常情况下，绝缘子串上不会产生电弧，但雷击时，绝缘子串上的电弧会由小变大，由弱变强，从而导致绝缘子串因高温发生爆炸。电力系统输电线路传统的防雷手段，主要是采用硬碰硬的办法，一方面通过避雷线、避雷器将雷电流引向地下的管网分流，减少产生的破坏力。但是受地形限制，很多地方的土壤电阻率无法降低到理想值，这样反而增大了“反击”的风险；另一方面通过加强线路绝缘，增大设备被击穿的难度。然而，雷电流的大小不可控，绝缘设备受限于材质和电阻极限，缺陷也十分明显。除此之外，高的绝缘强度也意味着材料需要花大价钱。总之，既花钱，防雷效果也不理想。而“灭弧器”发挥作用的原理，是通过雷电脉冲触发安装在电弧通道旁边的灭弧气丸，利用气丸喷射出的强气流在极短时间内对暂态电弧进行早期干预，并且充分考虑电荷库伦引力对雷击电弧的诱导作用，增大接地电极有效击穿位置的面积，在保证100%雷击优先闪络的同时，还能保证绝缘子串原有爬电距离与绝缘强度基本不发生改变，进而保护绝缘子串免受工频电弧和短路电流的破坏。2 科学“荒野”的独行侠“灭弧器”又是怎样发明出来？事情得追溯到十多年前。2000年，从武汉水利电力大学博士毕业后，王巨丰回到广西大学任教。在长达两年多的时间里，他没有像其他老师那样上完课就埋头实验室里搞科研、写论文，而是像个旅行者一样四处行走，足迹遍及整个广西。最常去的地方是全区各地的电网公司，他跟着一线的电网维护人员钻进深山，爬上山顶查看一些防雷设施，雷击的重灾区是他最爱去的地方。在与电网职工的交流中，他了解到，职工们最苦恼的事情，就是雷击造成的网线断电事故。每当事故发生，工人们不仅要辛苦地上山寻找事故点及时抢修，还要背负经济扣罚的压力。通过查阅国外资料，王巨丰了解到，雷击断线事故约占总雷击的96.8%。“王博士，你能不能帮我们想想解决问题的办法？”面对工人们的殷切期望，王巨丰找到了自己的科研方向。传统的防雷技术手段，在国内外已经通行了几十年，这样的技术理论体系更是存在了几十年，导师教给他的所有知识也都来自于这样的一个理论体系。一开始，因为始终绕不开传统思路，总是在里头“转圈圈”的王巨丰非常痛苦。灵感在不经意间来临。2002年，在一次与基层供电部门职工座谈的过程中，他的脑海里突然闪出一道光：既然不能避免电弧，何不请“弧”入瓮！干脆利用电弧把雷电引到一个特设的装置，既疏导雷电，又让电弧彻底熄灭。思路打开，王巨丰走进了一个科研的“荒野”。在这里，再没有人给他引路，每一步都靠他自己摸索前行。随后一年多时间里，王巨丰按照构思探索设计产品，让设想变为现实。因为需要利用雷电脉冲触发灭弧气丸，这涉及爆炸领域方面的知识。他想尽一切办法联系国内该领域的相关专家、企业，主动向他们请教，掌握了该领域的许多知识。2004年，第一代喷射气流灭弧防雷间隙装置出来了，它的外观非常简陋，是用一个小塑料桶做的。王巨丰把它拿给一家供电企业试用，人家半信半疑。3年后，他试着给企业的相关人员打电话问效果，得到的回答是装置安装至今，防雷效果明显，装置本身也没有出现问题。这时他确定：自己的技术思路成功了！
3 灭弧防雷显神威2008年，王巨丰向科技部申请国家自然科学基金项目支持。在报送材料里，需要说明项目的研究基础。因为这是一个全新的领域，王巨丰无法找到基础理论的支持，他只能用实验室的几张图片来展示。令他意外的是，项目获得了评审专家的认可，他顺利拿到了国家基金。此前，王巨丰的团队一直依靠自己的力量独立开展科研，因为资金不足，他们不得不走了很多弯路。这样的弯路包括：装置的模具找不到人制作，或制作的模具质量长时间不合要求，有时候他不得不拿出工资作为项目正常开展的经费。国家基金的支持为他打开了大门。“喷射气流灭弧防雷间隙技术”的研究工作还陆续获得了多方的关注和支持。有了充足的经费，他发明的灭弧器不断得到完善，如今的第五代、第六代产品最终接近了完美。目前，王巨丰的科研团队已研制出适用于10kV、35kV、110kV、220kV等各种电压等级输电线路的喷射气流灭弧防雷间隙装置，这些装置已在广西区内多段输电线路防雷工程中应用。运行实践表明：它能在降低雷击跳闸率90%、降低雷击事故率99%的同时，也降低线路断线率98%，运行效果良好。同时，相较于采用高成本的绝缘材料抗雷，“灭弧器”既经济又实惠。项目涉及的核心技术共申请了国内发明专利9项，已授权1项，其余8项正处于实审阶段；申请实用新型专利7项，已全部授权。向美国、俄罗斯、日本和东盟等国申请专利的工作也在顺利进行中。2012年3月，该研究项目通过了自治区科技厅组织的科技成果鉴定，来自清华大学、上海交大、武汉大学等专家鉴定结论认为，项目成果具有广阔的应用前景，其爆炸灭弧关键技术达到了国际领先水平。
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