基于氣吹原理的一體化防雷間隙快速滅弧方法

周慧康，楊廷方，羅屹豪，易維，謝澤龍，王潤(rùn)璞，單淞譯

（1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司，長(zhǎng)沙 410118）

0 引言

雷擊易導(dǎo)致架空線路絕緣子串燒壞以及線路跳閘，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的供電可靠性。傳統(tǒng)防雷措施是在絕緣子串兩端安裝并聯(lián)保護(hù)間隙，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便且經(jīng)濟(jì)性高。雷擊時(shí)并聯(lián)間隙被先于擊穿，間隙放電釋放雷電能量［1］。在國(guó)外并聯(lián)間隙裝置被應(yīng)用于66~154 kV 等級(jí)電壓的架空線路。我國(guó)也研制了不同電壓等級(jí)的并聯(lián)間隙防雷保護(hù)裝置，但其自熄弧能力較差，須配合線路自動(dòng)重合閘使用，否則雷擊閃絡(luò)后所產(chǎn)生的工頻續(xù)流電弧易導(dǎo)致斷路器跳閘［2-3］。因此提高并聯(lián)間隙的熄弧能力十分必要。

為提高間隙快速熄弧的能力，降低線路跳閘率，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的方法和研究。文獻(xiàn)［4］利用具有非線性電阻特性的氧化鋅電阻片緩沖滅弧。文獻(xiàn)［5-6］應(yīng)用磁吹原理通過線圈改變電弧所受電磁力，拉長(zhǎng)和旋轉(zhuǎn)電弧，減小電弧半徑，達(dá)到滅弧目的。文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)了一種自能式空氣炮壓縮電離空氣進(jìn)行橫吹滅弧。文獻(xiàn)［8］利用雷電能量引爆特質(zhì)的滅氣丸進(jìn)行噴氣滅弧。文獻(xiàn)［9-10］利用多斷口短間隙滅弧，將電弧分割壓縮，加快耗散電弧能量達(dá)到快速熄弧的效果。

為探究更快的間隙熄弧方法，本文提出了一種基于氣吹原理的一體化防雷間隙裝置，并且基于磁流體動(dòng)力學(xué)原理（magnetohydrodynamics，MHD）對(duì)間隙電弧進(jìn)行仿真，利用有限元仿真分析軟件搭建了該裝置模型分析了間隙電弧熄滅的能量消損過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該防雷間隙裝置可以在快速響應(yīng)雷擊閃絡(luò)后依靠?jī)?nèi)部的磁能氣吹裝置噴射出高速高壓氣流，主動(dòng)快速地熄滅雷電擊穿后因工頻續(xù)流而引起的穩(wěn)定電弧，可使整個(gè)滅弧過程在5 ms內(nèi)完成。從而保護(hù)絕緣子串和輸電線路，提高電網(wǎng)供電可靠性。

1 間隙電弧的工況分析

電弧是一種高溫的等離子體，其內(nèi)部充斥著劇烈的粒子碰撞而產(chǎn)生大量的帶電粒子［11］。放電氣體滿足局部熱力學(xué)平衡（local thermodynamic equilibrium， LTE）的條件，其反映放電氣體的電導(dǎo)率、恒壓熱容、粘性系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、輻射散熱、對(duì)流散熱等物理量均為溫度的單值函數(shù)［12-13］。因此，可以建立電弧在LTE條件下的電磁場(chǎng)以及流場(chǎng)的耦合方程，考慮穩(wěn)定電弧的熱力平衡狀態(tài)，弧柱區(qū)域通過輻射消耗的功率與溫度直接相關(guān)［14-17］，由Navier-Stokes 方程和Maxwell 方程可得其能量平衡方程如式（1）—（2）所示。

式中：ρ為密度；v為速度矢量；T為溫度；t為時(shí)間變量；Cp為常壓熱容；k為熱傳導(dǎo)率；Q為等離子體熱源；kB為玻爾茲曼常數(shù)；e為電子電荷；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；J為電流密度；Qrad為總體積輻射系數(shù)。

其控制方程為：

1）質(zhì)量守恒方程

2）動(dòng)量守恒方程

式中：u為速度分量；P為壓強(qiáng)；I為單位張量；K為波矢，K= 2π/λ（λ為波長(zhǎng)）；μ為動(dòng)力粘度；F為洛倫茲力。

3）等離子體麥克斯韋方程組

式中：A為磁矢位；μ0為真空磁導(dǎo)率，其值為4×10-7H/m；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；δ為電導(dǎo)率。

基于磁流體動(dòng)力學(xué)原理在有限元仿真平臺(tái)中搭建傳統(tǒng)并聯(lián)間隙模型，在模型中將并聯(lián)間隙極間距離設(shè)置為300 mm，電極材料為內(nèi)置的銅，其電導(dǎo)率為5.998×107S/m，相對(duì)介電常數(shù)為1 F/m；上電極為電流終端，注入工頻電流，下電極為接地端，有限元計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)300 mm、寬500 mm 的空氣域，考慮電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流體傳熱和層流4 個(gè)物理場(chǎng)的耦合搭建間隙電弧仿真模型。傳統(tǒng)并聯(lián)間隙電弧動(dòng)態(tài)仿真如圖1所示。

圖1 電弧穩(wěn)定燃燒Fig. 1 Stable combustion of the arc

25 ℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下當(dāng)t=0 ms 時(shí)發(fā)生雷擊閃絡(luò)，保護(hù)間隙先于絕緣子串被擊穿，間隙產(chǎn)生電弧通道將雷電流泄入大地，雷電沖擊結(jié)束后工頻續(xù)流維持電弧繼續(xù)燃燒；當(dāng)t=0.3 ms左右電弧弧柱溫度可達(dá)12 000 K 左右，后續(xù)電弧難以自行快速熄滅，燃燒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，容易引起繼電保護(hù)裝置動(dòng)作、斷路器跳閘，使得線路跳閘率升高。

2 一體化防雷間隙仿真建模分析

2.1 一體化防雷間隙工作原理及滅弧原理

該一體化防雷間隙基于氣吹滅弧原理工作，在短時(shí)間內(nèi)利用線圈產(chǎn)生的電磁能推動(dòng)磁塞壓縮空氣，將電磁動(dòng)能和空氣壓力能轉(zhuǎn)化為空氣射流動(dòng)能，利用噴射出的高能氣流作用于間隙弧根部分，降低電弧溫度，截?cái)嗷「?，達(dá)到滅弧目的。由于磁力線具有收縮性，線圈對(duì)于處在它內(nèi)部的磁塞具有強(qiáng)大的電磁力作用，而線圈產(chǎn)生的磁吸力大小與磁力線穿過磁極的總面積及氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比［18-19］。假設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度沿磁極表面是均勻分布的，由麥克斯韋公式可得磁吸力的大小為：

式中：F為電磁吸力；S為磁極面積；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；?δ為交變磁通量。

其中：

式中?m為交變磁通的幅值。

代入式（10）可得：

整理得：

考慮整個(gè)熄弧過程時(shí)間以毫秒計(jì)入，故上式中t在半個(gè)周期內(nèi)波動(dòng)。式（13）中第一項(xiàng)為恒定分量，第二項(xiàng)為交變分量，F(xiàn)隨t的增加而變大。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可知，運(yùn)動(dòng)的磁塞在腔體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程可描述為：

式中：M為內(nèi)置磁塞質(zhì)量；p為磁塞的最大位移距離；D為阻尼系數(shù)；v為磁塞運(yùn)動(dòng)速度；Fz磁塞所受電磁力的大小；kp為磁塞復(fù)位反制力。

雷電流釋放后，工頻續(xù)流繼續(xù)流過間隙，裝置中線圈導(dǎo)通，電磁力助推磁塞壓縮空氣，噴射出高速高壓氣流作用于弧根，提高了電弧區(qū)的壓力，可以快速帶走殘余的游離氣體。一方面加快了電弧的對(duì)流散熱，迅速降低弧柱的溫度；另一方面可以直接截?cái)嗷「?，切斷電弧燃燒通道?0-23］。

由于焦耳熱效應(yīng)的存在，引起電弧熱等離子體溫度升高的主要因素是能量守恒式中的焦耳熱項(xiàng)，當(dāng)電流密度增大時(shí)，焦耳熱引起的溫度變化越大。電弧能量Ps由電弧的焦耳熱提供，電弧能量的發(fā)散有輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)3種途徑。

當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，電弧能量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即：

式中Pf、Pd和Pc分別為輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)的能量。當(dāng)受到強(qiáng)氣流作用時(shí)，電弧能量因?qū)α鞫拇蠓黾?，此時(shí)有：

若電弧能量失去平衡電弧則不能穩(wěn)定燃燒。與此同時(shí)電弧的熄滅過程是個(gè)去游離過程，強(qiáng)氣流作用會(huì)增加電弧的擴(kuò)散去游離，當(dāng)去游離作用大于電離作用時(shí)電弧燃燒逐漸減弱，直至熄滅。因此，經(jīng)分析證明，利用此方法產(chǎn)生的強(qiáng)氣流作用于電弧可以快速有效熄弧。

2.2 裝置模型仿真

傳統(tǒng)的并聯(lián)間隙通常安裝在絕緣子串兩端，包括高壓電極和接地電極。發(fā)生雷擊時(shí)強(qiáng)大的雷電沖擊電流將擊穿間隙間的空氣，此時(shí)會(huì)在并聯(lián)間隙兩電極間產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電通道，短路電流流經(jīng)高壓電極、導(dǎo)電通道、接地電極，最終流入大地。雷電流釋放后穩(wěn)定的工頻電弧將繼續(xù)燃燒，易引起雷擊跳閘率升高，也會(huì)灼燒導(dǎo)線引起斷線事故，同時(shí)減少并聯(lián)間隙壽命。

因此本文為探究更快的滅弧方法設(shè)計(jì)了一種一體化防雷間隙防雷裝置，該裝置由磁能氣吹裝置、外間隙、內(nèi)間隙組成，外間隙將裝置本體與高壓電極隔開，接地電極串聯(lián)磁能線圈同氣吹裝置連接，其與線路的安裝示意圖如圖2 所示。雷電沖擊過后，內(nèi)、外間隙被同時(shí)擊穿，雷電流被釋放后，工頻電流繼續(xù)流過內(nèi)、外間隙，內(nèi)間隙線圈導(dǎo)通，磁能氣吹裝置動(dòng)作，通過電磁力推動(dòng)磁塞運(yùn)動(dòng)壓縮腔內(nèi)空氣，腔內(nèi)氣壓迅速增加，高壓氣體從噴口噴出直接作用于內(nèi)間隙電弧，迅速增大電弧對(duì)流散熱，以截?cái)喙ゎl續(xù)流。

圖2 一體化氣吹防雷間隙裝置安裝示意圖Fig.2 Sketch diagram of Installing integrated air blowing lightning clearance device

下面主要以磁能氣吹裝置動(dòng)作狀態(tài)為分析對(duì)象，分析其對(duì)于間隙電弧的熄滅效果。在有限元仿真分析軟件中搭建該裝置模型，滅弧結(jié)構(gòu)主要由磁能氣吹裝置組成，包括上下兩電極、產(chǎn)氣腔室、磁能線圈以及磁塞。在模型中設(shè)置弧隙距離為300 mm，電極材料為銅，其電導(dǎo)率為5.998×107S/m，相對(duì)介電常數(shù)為1，導(dǎo)熱系數(shù)為400 W/（m·K），腔體外保護(hù)材料為石英材料，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為1×10-12S/m。磁能線圈與下電極串聯(lián)，接入電流終端，上電極為接地端，產(chǎn)氣腔室為高375 mm、寬150 mm 的柱形腔體，并且腔室上方開有內(nèi)徑30 mm 的圓環(huán)噴氣孔，磁塞高為35 mm，寬為120 mm，嵌入柱形腔體內(nèi)部，線圈匝數(shù)為20匝，每匝線圈半徑為5 mm，匝間距離為3 mm，有限元計(jì)算區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)300 mm、寬500 mm 的空氣域，建立電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流體傳熱和層流4 個(gè)物理場(chǎng)的耦合，其仿真模型如圖3所示。

圖3 磁能氣吹裝置Fig. 3 Magnetic energy air blowing device

當(dāng)閃絡(luò)通道形成后間隙中形成穩(wěn)定工頻電弧，此時(shí)磁能氣吹裝置導(dǎo)通開始動(dòng)作，磁能線圈隨即流過相同大小的工頻續(xù)流。針對(duì)不同雷電流沖擊下引發(fā)后續(xù)工頻續(xù)流大小的值差異性，本文研究對(duì)象所取工頻續(xù)流為2 kA 的短路電流流過磁塞線圈。磁能線圈導(dǎo)通后，中間時(shí)刻t=3 ms其磁通密度模如圖4所示。

圖4 t=3 ms磁通密度模三維圖Fig. 4 Magnetic flux density modulus 3D diagram at t=3 ms

線圈通電后在磁力線強(qiáng)收縮性的作用下磁塞受到線圈對(duì)其的強(qiáng)電磁力作用，磁塞將沿著電磁力的方向做加速運(yùn)動(dòng)。隨著時(shí)間的變化磁塞將位移至產(chǎn)氣腔室頂端，位移過程中腔室內(nèi)空氣被極速壓縮，當(dāng)氣壓大于臨界氣壓條件時(shí)，壓縮氣體將由頂端噴口噴出。由仿真計(jì)算可得磁塞不同時(shí)刻受到的電磁力大小如圖5所示。

圖5 不同時(shí)刻磁塞所受電磁力大小Fig. 5 Magnitude of the electromagnetic force on the plug at different times

磁能氣吹裝置的噴口氣流速度是影響滅弧性能的主要因素，因此重點(diǎn)分析滅弧時(shí)限0~5 ms 內(nèi)各個(gè)時(shí)刻噴口氣流流速的大小。由上述分析可知，當(dāng)雷電通道形成后間隙流過工頻續(xù)流，磁能線圈隨即對(duì)腔體內(nèi)磁塞產(chǎn)生電磁力作用，磁塞壓縮空氣，在導(dǎo)通初期磁塞速度較低，腔體內(nèi)氣體逐漸被壓縮，噴口處形成的氣流流速也較小，此狀態(tài)為t=0.3 ms 時(shí)噴口處氣流形成如圖6（a）所示，此時(shí)間隙電弧也逐漸燃燒，之后氣流速度幅值不斷波動(dòng)，呈上升趨勢(shì)，在t=3~4 ms 期間腔室內(nèi)的氣流逐漸作用于弧柱中心，如此大的氣流速度作用于電弧，將使電弧電導(dǎo)率迅速下降，其氣流噴出過程如圖6（b）所示。在t=5 ms 時(shí)由圖6（c）可知，氣流已達(dá)到全速狀態(tài)，完全作用于間隙電弧弧根，氣流末端也可抵達(dá)陽(yáng)極區(qū)域處，由于高速氣流與電弧弧柱的耦合作用，導(dǎo)致了極大的對(duì)流散熱，電弧能量驟降，此時(shí)磁塞也在電磁力的作用下，由腔室底部位移至腔室上端。

圖6 高能氣流形成過程圖Fig. 6 Diagram of high-energy airflow formation process

3 仿真結(jié)果分析

當(dāng)高能氣流作用于電弧時(shí)，電弧內(nèi)部溫度由于強(qiáng)對(duì)流散熱會(huì)急劇變小。且在高速氣流降低弧柱中心溫度的同時(shí)，弧柱寬度也會(huì)減小，電弧逐漸變細(xì)，整個(gè)過程如圖7 所示。圖7（a）所示為t=0.3 ms時(shí)間隙電弧形成圖，電弧形態(tài)穩(wěn)定，且由圖6（a）可知，此時(shí)噴口處氣流處于形成初期，對(duì)弧柱影響較低，弧柱溫度可達(dá)10 000 K；由圖7（b）可知，在t=3.5 ms 時(shí)氣流已由噴口噴出并且作用于電弧下電極弧柱區(qū)域，此時(shí)近陰極弧柱區(qū)域溫度降低至5 000 K，弧柱寬度變?yōu)樵瓉?lái)的1/2；如圖7（c）所示，t=4.6 ms時(shí)氣流已成完全態(tài)全部由噴口噴出，高速氣流進(jìn)一步作用于電弧，電弧又一次變細(xì)為原來(lái)的30%，溫度更低至3 000 K；如圖7（d）所示，t=5 ms時(shí)氣流可以抵達(dá)電弧陽(yáng)極區(qū)域，高速氣流全狀態(tài)作用于電弧弧柱，電弧溫度驟降至1 500 K，其后電弧在熱動(dòng)力作用下迅速被截?cái)?，陰極區(qū)域電弧弧柱脫離弧根。

圖7 強(qiáng)氣流作用下電弧形態(tài)變化圖Fig. 7 Diagram of arc morphology change under strong air flow

強(qiáng)氣流作用于內(nèi)間隙弧柱，強(qiáng)大的氣流會(huì)使弧柱區(qū)域的空間電荷發(fā)生擴(kuò)散，弧柱區(qū)游離作用減弱，去游離作用加強(qiáng)，空間電荷密度急劇下降［24-28］。由仿真結(jié)果分析可得，沿電弧陽(yáng)極軸線方向弧柱電流密度變化曲線如圖8 所示，電弧導(dǎo)通初期空氣間隙由于溫度高，帶電粒子活躍，故其電導(dǎo)率也隨之增加；空氣間隙被擊穿后電流密度增大，電導(dǎo)率隨之越高。由圖8 可知，弧柱電流密度陽(yáng)極區(qū)域最高達(dá)2×109A/m2，而在弧柱受強(qiáng)氣流作用下的陰極區(qū)域，外電流密度迅速降低。隨著對(duì)流散熱的增強(qiáng)，電弧能量消散加快，溫度也急劇下降，其不同時(shí)刻沿弧柱軸線方向溫度變化曲線如圖9 所示，由圖分析可知，在5 ms 內(nèi)軸線X=1 dm 左右區(qū)域（近陰極區(qū)），電弧溫度從12 000 K 下降至1 500 K 左右，與上述分析強(qiáng)氣流作用下電弧形態(tài)的變化相符合，溫度發(fā)生驟降，電弧被截?cái)?，因此電弧得以? ms內(nèi)熄滅。

圖8 不同時(shí)刻間隙電弧沿軸線方向電流密度變化Fig. 8 Current density change of the gap arc along the axis at different times

圖9 不同時(shí)刻間隙電弧沿軸線方向溫度變化曲線Fig. 9 Temperature variation curves of the gap arc along the axis at different times

磁能產(chǎn)氣裝置的產(chǎn)氣效果與工頻續(xù)流的大小有關(guān)，電流越大，磁能量越大，間隙內(nèi)產(chǎn)生的氣流速度也越大；與此同時(shí)電流越大電弧燃燒越劇烈，吹熄電弧所需要的氣流速度亦越大。因此，最終的滅弧效果取決于電流產(chǎn)生氣流速度的滅弧能力與熄滅大電流電弧對(duì)所需氣流速度要求之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。不同工頻續(xù)流狀態(tài)下磁能產(chǎn)氣裝置所噴出的氣流的速度以及磁塞位移情況如表1所示。

表1 不同工頻續(xù)流與氣流速度的關(guān)系Tab. 1 Relationship between different power frequency freewheeling and airflow velocity

由表1 可知，工頻續(xù)流大小與高能氣流最大速度有關(guān)，工頻續(xù)流過低時(shí)可以增加線圈匝數(shù)，以增大磁吸力的大小推動(dòng)磁塞做最大位移，否則將會(huì)導(dǎo)致腔體內(nèi)氣壓過低，氣流噴射速度太小，不足以熄滅電弧；因此充分考慮線圈匝數(shù)與工頻續(xù)流大小的配合即可產(chǎn)生最佳氣流，達(dá)到最好熄弧效果。

4 試驗(yàn)

為驗(yàn)證該一體化防雷間隙的滅弧效果，在實(shí)驗(yàn)室通過模擬雷擊進(jìn)行工頻續(xù)流滅弧試驗(yàn)。試驗(yàn)回路如圖10 所示，線路電壓水平為10 kV，將該一體化防雷間隙與絕緣子并聯(lián)安裝，由于引弧電極的存在，電弧將形成沿著磁能氣吹裝置及外間隙的電弧通道，在滅弧腔室中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)氣流對(duì)電弧的耦合作用。其試驗(yàn)裝置接線如圖11 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Test results

圖10 試驗(yàn)接線圖Fig.10 Wiring diagram of the test

圖11 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置接線圖Fig.11 Wiring diagram of the field test device

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果與理論仿真分析可知，傳統(tǒng)保護(hù)間隙的電弧持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，電弧不易自行熄滅，而安裝一體化防雷保護(hù)間隙后的滅弧時(shí)間為5 ms 左右。在理論仿真中，其完全態(tài)高速氣流全部作用于電弧的時(shí)間大致為4.6 ms左右，即電弧被截?cái)嗟臅r(shí)間與氣流作用時(shí)間基本相符，只有傳統(tǒng)保護(hù)間隙熄弧時(shí)間的6%~8%，可有效保證電力系統(tǒng)的供電可靠性。

5 結(jié)論

為快速熄滅雷擊過后工頻續(xù)流引起的穩(wěn)定電弧，本文設(shè)計(jì)一種基于氣吹原理的一體化防雷間隙，利用磁能氣吹裝置噴射高能氣流作用于電弧，所得結(jié)論如下。

1） 電弧是一個(gè)熱等離子體的存在形式，其內(nèi)部能量平衡取決于外電場(chǎng)提供的焦耳熱與傳導(dǎo)、輻射以及對(duì)流三熱的博弈。為了快速熄滅電弧，利用高能氣流縱吹電弧，加大電弧能量?jī)?nèi)部耗散，達(dá)到滅弧的目的；

2） 本文設(shè)計(jì)的一體化防雷間隙結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)原理和電磁學(xué)原理，在短時(shí)間內(nèi)利用磁塞壓縮腔內(nèi)空氣，將電磁動(dòng)能和空氣壓力能轉(zhuǎn)化為空氣射流動(dòng)力能。瞬時(shí)作用在電弧弧柱，快速降低電弧溫度，增大電弧的耗散功率。

3） 理論仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，該一體化防雷間隙的熄弧時(shí)間為5 ms左右，只有傳統(tǒng)保護(hù)間隙熄弧時(shí)間的6%~8%，極大縮短了傳統(tǒng)間隙自熄弧時(shí)間，保證了線路的供電可靠性。