雙觸發(fā)噴射氣流滅弧防雷間隙的滅弧效果研究

馮 凱，邵攀屹，白鑒知

（廣西大學電氣工程學院，南寧530004）

0 引言

電力系統(tǒng)是我國社會與經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，其運行的穩(wěn)定性直接關系到社會生產(chǎn)與居民用電的可靠性。隨著輸電線路分布的增長與電壓等級的提升，雷擊對于輸電線路穩(wěn)定性的威脅逐漸顯露出來[1-4]。當雷電以反擊或繞擊的方式在輸電線路形成閃絡點后，在工頻電源的作用下，處于電離狀態(tài)的閃絡點將會產(chǎn)生工頻電弧。工頻電弧的持續(xù)燃熾將會灼燒、損壞絕緣子串表面絕緣層，嚴重的情況甚至可能導致絕緣子串出現(xiàn)破斷、掉串[5-7]。輸電線路并聯(lián)間隙通過對工頻電弧的定向牽引能夠很好的保護絕緣子串，但會造成輸電線路一定的跳閘率，影響供電穩(wěn)定性[8]。

輸電線路并聯(lián)間隙兩端的工頻電弧屬于空氣長間隙中自由燃熾電弧[9-10]，對于其熄滅目前主要采取兩種方法：一是采用電磁力拉長電?。ù糯担瑥亩黾踊〉离娮?、加速電弧去游離過程，谷山強等對電弧在磁場力下的運動速度、方向及熄滅過程進行了詳細的計算研究[11-12]。二是采用高速運動的氣流吹熄電?。獯担?，作用于電弧的噴射氣流在短時間內(nèi)迅速增強電弧的對流散熱，促使電弧熄滅[13-14]。

然而，由于剩余電流的作用，工頻電弧在首次熄滅以后仍可繼續(xù)從工頻電源獲取能量，極易發(fā)生重燃[15]。另一方面，自然界中75%以上的雷擊具有多次回擊[16]，同一點的多次閃擊將會造成閃絡點并聯(lián)間隙兩端重復擊穿，重復產(chǎn)生工頻電弧。重燃電弧若不能及時熄滅，將會繼續(xù)對輸電線路造成危害[17]。

針對工頻電源及多次回擊造成的工頻電弧重燃難題，基于氣吹熄弧理論，研發(fā)了一種雙觸發(fā)噴射氣流滅弧防雷間隙。該裝置通過高速噴射氣流在滅弧筒內(nèi)的約束空間內(nèi)強迫電弧通道對流散熱，以促使工頻電弧熄滅。分兩個通道觸發(fā)的噴射氣流一方面可保證電弧的快速熄滅，另一方面通過長時間的對流散熱，防止電弧重燃。此外，對于多次回擊引起的電弧重燃，通過兩個通道的無縫交替觸發(fā)噴射氣流，做到對重燃電弧的一對一有效熄滅。該裝置可應用于110kV以下的輸電線路。

筆者基于電弧的能量平衡模型，利用ANSYS Fluent 6.3仿真軟件仿真分析電弧在噴射氣流作用下的熄滅過程，并在實驗室內(nèi)實際模擬裝置熄滅工頻電弧的能力。此外，通過對裝置的連續(xù)觸發(fā)實驗測試裝置應對多次回擊造成電弧重燃的能力。

1 裝置結構與原理

1.1 裝置熄弧原理

裝置結構示意圖如圖1所示。當并聯(lián)間隙上下電極發(fā)生閃絡時，信號采集器采集到電流信號并觸發(fā)主列滅弧能量團。滅弧能量團由一定量的TNT與滅弧材料組成，在觸發(fā)狀態(tài)下可迅速釋放高速噴射氣流。通過滅弧筒對噴射氣流的引導與約束，噴射氣流直接作用于電弧通道，強迫電弧對流散失能量，從而熄滅電弧。

1.2 防止因工頻電源導致的重燃

利用滅弧能量體觸發(fā)的噴射氣流，其優(yōu)點在于可以在短時間使氣體速度達到峰值，使電弧的對流散失能量達到最強。然而這種方法存在一個問題，即噴射氣流的速度會隨著時間衰減，導致熄弧能力下降。當熄弧能力較弱時，電弧通道在熄滅后仍存一定的剩余電流，在工頻電壓的作用下容易發(fā)生重燃。

圖1 裝置結構示意圖Fig.1 Schematic drawing of the device

因此，本裝置采用雙通道觸發(fā)噴射氣流的設計，當主列噴射氣流衰減至無法有效迫使電弧對流散熱時，觸發(fā)副列噴射氣流以再次激活滅弧能量抑制電弧重燃。這樣的方式既保證了工頻電弧在其早期較脆弱的時被熄滅，同時又避免了滅弧能量衰減后因而工頻電源導致的電弧重燃。

1.3 防止因多次回擊導致的重燃

自然界中的一次雷擊過程通常由2～4次閃擊組成，個別雷擊的閃擊數(shù)可達26次之多[16]。重復流過的回擊電流將會在裝置兩端產(chǎn)生的過電壓將會重復擊穿電弧通道，引發(fā)電弧重燃。

國內(nèi)外研究者對多地的同一次雷擊下兩次閃擊之間的間隔時間進行了研究[16-18]。結果顯示，多次回擊間隔時間不存在顯著的地理差異，其平均值在40 ms以上。

表1 多項研究觀測到的回擊時間間隔Table 1 Interstroke time intervals observed in different studies

與工頻電源導致的重燃相比，多次回擊導致重燃的時間間隔更長，僅靠一次主副列的組合噴射氣流無法覆蓋重燃過程。因此本裝置采用“一對一”的熄弧策略，即對于每一次因多次回擊引發(fā)的重燃，均觸發(fā)一組噴射氣流將其熄滅。這樣的熄弧策略要求裝置任一通道中滅弧能量體的切換時間應小于兩次閃擊之間的間隔時間，因此下文通過連續(xù)觸發(fā)實驗測量裝置切換滅弧能量體的具體時間。

2 建立數(shù)值模型

2.1 噴射氣流模型

噴射氣流在滅弧筒約束空間內(nèi)的流動是關于縱剖面對稱的，因此可建立二維不定常流動模型。

當滅弧能量體被觸發(fā)時，在滅弧筒內(nèi)的有限空間釋放出大量的能量，生成氣體的壓力和溫度局部迅速上升，使其周圍介質(zhì)受到高溫、高壓氣體的作用。根據(jù)爆轟理論，高溫、高壓氣體向某一介質(zhì)中飛散時，該介質(zhì)將產(chǎn)生沖擊波。因此噴射氣流的模型實質(zhì)是一種在二維平面內(nèi)流動的沖擊波。沖擊波是一種強壓縮波，其具有以下的特點[19-20]：

1）沖擊波陣面通過前后，介質(zhì)的參數(shù)階躍變化，即沖擊波陣面兩側(cè)介質(zhì)的參數(shù)并不連續(xù)，而是相差一個有限量。

2）沖擊波傳播的過程是絕熱不可逆的，但不是等熵的。

3）沖擊波的傳播速度相對于未擾動介質(zhì)而言是超音速的。

4）沖擊波傳過后，介質(zhì)獲得了與波傳播方向相同的移動速度。

5）沖擊波的傳播速度相對于波陣面后已受擾動的介質(zhì)而言，是亞音速的。

6）沖擊波沒有周期性，而是一次增密突躍式的傳播。

沖擊波模型的主要參數(shù)有：波陣面的傳播速度D，波陣面上空氣質(zhì)點的速度v，波陣面上的空氣密度r，波陣面的絕對溫度T：

式中：ΔP為沖擊波峰值超壓；k為沖擊波絕熱系數(shù)；c0為未擾動下空氣中的聲速；ρ0為未擾動下的空氣密度；P0為未擾動下的空氣壓力。

這些參數(shù)均與沖擊波峰值超壓ΔP有關，并且都可以用ΔP來表示。沖擊波峰值超壓ΔP是指沖擊波陣面上峰值壓力Pf與空氣原始壓力P0之差，其值為炸藥的質(zhì)量W與沖擊波陣面離爆炸地點的距離R的函數(shù)。J.Henrych在大量的實驗基礎上提出了以下公式[16]：

2.2 噴射氣流耦合電弧模型

經(jīng)典的電弧模型有Cassie模型、Mayr模型、Habedank模型、Modified-Mayr模型、Schavemaker模型、Schwarz模型和KEMA模型等。由于噴射氣流與電弧的耦合實際上是能量耦合，因此本文采用電弧的能量平衡模型。

在穩(wěn)定的電弧中，單位體積電弧的輸入功率P通過對周圍空氣的熱傳導PT、熱輻射PS以及對流PK散出：

式中：P為電弧輸入功率；PT為熱傳導散出功率；PS為熱輻射散出功率；PK為對流散出功率。

當電弧的輸入功率大于所有散出的功率時電弧發(fā)展，反之電弧熄滅。在噴射氣流作用下的電弧，對流散出功率占散出功率的80%以上[15]，對電弧的功率散出起主要作用，與其相比熱傳導散出功率與輻射散出功率的作用可不考慮。

為了便于研究，可將電弧看做圓柱體，由于其長度遠大于橫截面尺寸，因此弧根部分的作用可以忽略。高速噴射氣流以速度v相對于電弧運動，如電弧半徑為r，則單位時間內(nèi)通過電弧的空氣體積為πr2v，這空氣將從溫度T0被加熱到電弧平均溫度Tc，電弧的對流散出功率PK為，

式中：r為電弧半徑；v為噴射氣流流動速度；kc為氣體熱容系數(shù)；T為噴射氣流溫度；T0為噴射氣流原溫度；Tc為經(jīng)電弧加熱的噴射氣流溫度。

氣體熱容系數(shù)kc是關于溫度非常復雜的函數(shù)，在以空氣為計算對象時，可用近似的公式表示：

將式(8)帶入(7)中可得：

3 仿真及分析

3.1 仿真條件

為驗證雙觸發(fā)噴射氣流滅弧防雷間隙的熄滅工頻電弧能力，采用ANSYS Fluent 6.3仿真軟件分析噴射氣流對電弧的強迫對流作用，并記錄下電弧熄滅過程的圖片。

對流作用的主要發(fā)生區(qū)域位于由滅弧筒構成的約束空間內(nèi)，因此將滅弧筒選為仿真分析的區(qū)域。電弧模型采用1 kA工頻電弧，噴射氣流初速度為340 m/s，仿真步長為0.01 ms。t=0 ms時刻形成工頻電弧，同時主列噴口開始噴射氣流，延時td后副列開始噴射氣流。仿真過程中，監(jiān)測電弧徑向的平均溫度Ta和滅弧筒出口平均軸向氣流速度va。

電弧溫度為衡量電弧燃燒的重要依據(jù)，因此以Ta觀察電弧熄滅過程，當其小于電弧臨界溫度3000 K時認為電弧熄滅[21-23]。

3.2 仿真結果及分析

圖2為副列延時觸發(fā)時間td設置為5.0 ms時（即主列觸發(fā)5.00 ms后觸發(fā)副列氣丸），滅弧仿真過程中的溫度場分布圖與氣流速度向量分布圖。圖2（a）中，t=0 ms時電弧模型形成同時觸發(fā)主列（左側(cè)）滅弧能量體；圖2（b）至圖2（f）中，t=1～5 ms主列噴射氣流持續(xù)作用于電弧通道，電弧溫度大幅下降；圖2（f）中，t=5 ms時電弧通道出現(xiàn)斷口，此時裝置觸發(fā)副列（右側(cè)）滅弧能量體；圖2（g）與圖2（h）中，t=6～7.1 ms電弧在噴射氣流的作用下溫度不斷降低，7.1 ms時，電弧通道的平均溫度Ta首次低于3000 K，電弧熄滅。之后噴射氣流繼續(xù)對整個通道對流散熱，抑制電弧重燃。

圖2 溫度場分布圖及氣流速度向量分布圖Fig.2 Temperature field distribution and stream velocity vector distribution

圖3為觸發(fā)噴射氣流后的電弧薄層溫度分布。電弧軸心在噴射氣流的作用下逐漸偏移，溫度迅速下降，電弧半徑隨之減小。10.0 ms時電弧溫度分布已接近直線。高速流動的噴射氣流通過對流作用在短時間大幅散失電弧能量，破壞電弧燃燒狀態(tài)的能量平衡。

圖3 電弧溫度徑向分布Fig.3 Arc radial temperature distribution

圖4給出了電弧散失能量與輸入能量的對比，實線部分為電弧因噴射氣流造成的對流能量散失，虛線部分為1kA電弧穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下的輸入功率。實際中隨著電弧半徑的減小，電弧電導率大幅下降，電弧輸入功率也將隨之減小。值得注意的是，在觸發(fā)噴射氣流8 ms以后，電弧對流散失功率的逐漸趨零主要是由于電弧半徑的下降而非氣流速度的衰減。在8 ms時滅弧筒出口處的氣流平均速度為230 m/s，仍具有極強的熄弧能力。

圖4 電弧對流散失功率Fig.4 Arc convection dissipation power

4 實驗驗證

為了驗證雙觸發(fā)噴射氣流滅弧防雷間隙在實際條件下的熄滅工頻電弧能力以及抑制重燃能力，本文在實驗室條件下進行了兩次模擬實驗。

4.1 單次熄弧實驗

首先驗證裝置的熄滅單次工頻電弧能力。實驗中，將雙觸發(fā)噴射氣流滅弧防雷間隙與絕緣子并聯(lián)安裝。上下兩電極與變壓器二次側(cè)相連，之間用細銅絲連接，當電弧產(chǎn)生時細銅絲將瞬間融化。實驗中使用的電弧為標準正弦波，頻率為50 Hz，持續(xù)時間為200 ms，電流有效值為1 kA。裝置的副列觸發(fā)延時時間td設置為5.0 ms，利用數(shù)字示波器采集電弧電流波形。

圖5為單次熄弧實驗波形，7.5 ms時1 kA工頻電弧被熄滅，且未發(fā)生重燃。

圖5 1kA電弧快速熄滅波形Fig.5 Current waveform in 1kA arc-extinguishing test

4.2 連續(xù)觸發(fā)實驗

4.1的實驗已驗證了裝置可以有效熄滅單次工頻電弧并防止其因工頻電源引發(fā)重燃。為進一步驗證裝置應對因多次回擊導致電弧重燃的能力，本文對裝置進行了進一步的實驗。

為可靠的應對因多次回擊導致的電弧重燃，裝置切換滅弧氣丸的時間應盡量短，并小于兩次閃擊之間的時間間隔。將裝置的滅弧能量體與觸發(fā)器相連，通過保持裝置的觸發(fā)狀態(tài)進行單列連續(xù)觸發(fā)實驗，利用數(shù)字示波器采集裝置的觸發(fā)器兩端電平，通過電平的變化測量裝置切換滅弧氣丸的時間。

圖6為連續(xù)觸發(fā)試驗的波形，實驗測得裝置切換滅弧氣丸的時間為20.7 ms。因此對于間隔時間大于20.7 ms的兩次閃擊，裝置均可通過對滅弧氣丸的重復觸發(fā)以熄滅重燃的工頻電弧。圖7為實驗過程照片。

圖6 連續(xù)觸發(fā)實驗波形Fig.6 Waveform of continuous trigging test

5 結論

1）基于能量平衡理論，利用ANSYS Fluent 6.3對雙觸發(fā)噴射氣流方法的滅弧效果進行仿真，結果表明，噴射氣流對電弧強烈的對流散熱效果可使其在8 ms以內(nèi)被熄滅，10 ms時可使滅弧筒基本恢復常溫。在電弧熄滅以后，二次噴射的滅弧氣流可使得滅弧筒仍保持一定時間的對流散熱過程，抑制電弧因工頻電源重燃。

圖7 裝置動作瞬間照片F(xiàn)ig.7 Photo of the device action instant

2）實驗室條件下，對雙觸發(fā)噴射氣流滅弧防雷間隙的單次滅弧實驗表明：實際電弧產(chǎn)生時，裝置可迅速釋放高速噴射氣流，在7.5 ms時將電弧切斷，且未發(fā)生因工頻電源導致的復燃。

3）對裝置進行的連續(xù)觸發(fā)實驗表明，裝置可在21ms內(nèi)完成一組滅弧能量體（包含主列副列各一次觸發(fā)）的切換，對于間隔時間21 ms以上的多次回擊造成的電弧重燃均可進行抑制。

4）仿真結果與實驗結果基本一致，可以初步驗證雙觸發(fā)噴射氣流滅弧方法對電弧重燃的抑制效果研究。

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