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记广西“喷射气流灭弧防雷间隙关键技术研究”

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[LV.4]偶尔看看III

发表于 2014-2-16 09:09:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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