35 kV噴射氣流滅弧防雷間隙抑制電弧的理論研究

王巨豐，白鑒知，馮凱，邵攀屹，李世榮

（廣西大學電氣工程學院，南寧530004）

35 kV噴射氣流滅弧防雷間隙抑制電弧的理論研究

王巨豐，白鑒知，馮凱，邵攀屹，李世榮

（廣西大學電氣工程學院，南寧530004）

輸電線路采用多種雷電防護措施，其中效果最好、經(jīng)濟效益尤其高的當屬新型噴射氣流滅弧防雷間隙，其工作原理為：雷擊發(fā)生時通過觸發(fā)放置于其半封閉空間內(nèi)頂端的滅弧能量包爆炸產(chǎn)生高壓、高速的氣流，在極短時間內(nèi)完全熄滅電弧，且不發(fā)生重燃。從動量守恒和能量平衡兩個方面來討論氣流與電弧的耦合情況，考慮在理想狀態(tài)下，滅弧能量包爆炸產(chǎn)生的動量全部轉(zhuǎn)化為氣流作用于電弧上的沖量，足以在瞬間破壞電弧維持平衡所需的條件，使得電弧在極短時間內(nèi)被熄滅。進行35 kV電壓等級下噴射氣流滅弧防雷間隙熄滅電弧的有效性實驗，并且記錄實驗過程，得出在3 ms內(nèi)熄滅電弧的結(jié)論。采用Fluent軟件對氣流與電弧的耦合過程進行仿真分析，并通過實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，驗證了噴射氣流滅弧防雷間隙滅弧的有效性。

噴射氣流滅弧防雷間隙；半封閉空間；高速氣流；電??；35 kV

0 引言

目前，雷電災害依然是影響輸電線路穩(wěn)定運行的主要因素[1]。現(xiàn)有的傳統(tǒng)防雷設(shè)施主要包括避雷器、避雷線、接地電阻等[2]，它們都是基于“攔截型”防雷理念設(shè)計的，

其最大的缺陷就是不能夠主動滅弧，這導致傳統(tǒng)防雷方法并不能很好地起到防護效果，雷害事故頻發(fā)，防雷效果并不理想[3-4]。面對這種情況，針對傳統(tǒng)防雷措施存在的諸多問題，氣吹滅弧的方法被提出，并被論證對于微型斷路器的開斷具有積極作用[5-6]。將“疏導型”防雷理念[7-8]和氣吹滅弧的理念結(jié)合，新型噴射氣流滅弧防雷間隙就應運而生，它能擺脫自然條件的限制，不受雷擊方式、雷擊強度、雷電流幅值及土壤電阻率等因素的影響，既保證了原有的絕緣水平，又能有效釋放有害能量。因此，噴射氣流滅弧技術(shù)近年來有很好的發(fā)展和應用，尤其是廣西地區(qū)。廣西部分地區(qū)落雷密度大，雷暴日多，經(jīng)常有雷擊跳閘事故的發(fā)生，甚至有某一地區(qū)有線路連續(xù)遭受雷擊的情況發(fā)生。但是在某些運行線路上安裝了新型噴射氣流滅弧防雷間隙后，線路耐雷水平顯著提高，不發(fā)生雷擊跳閘事故。

筆者針對35 kV架空線路防雷存在的問題[9]，著重討論適用于35 kV電壓等級的噴射氣流滅弧防雷間隙。架空線路絕緣子發(fā)生閃絡引起噴射氣流滅弧防雷間隙啟動滅弧動作[10]，使得仍處于暫態(tài)發(fā)展初期的細小的電弧被高速氣流熄滅。由于噴射氣流滅弧防雷間隙對電弧的響應極快，工頻續(xù)流還沒有達到穩(wěn)態(tài)[11]，高速氣流足以充分截斷電弧并且無重燃現(xiàn)象發(fā)生。

1 氣流與電弧的耦合過程研究

噴射氣流滅弧防雷間隙以滅弧能量包作為爆炸源在滅弧通道頂端的空氣介質(zhì)中爆炸，爆炸源動作后產(chǎn)生高速氣流的過程是一個可壓縮流動過程，其中氣流可以看成一維的、以沖擊波方式前進的流動，沖擊波陣面后的流動參數(shù)是連續(xù)變化的[12]。爆炸源處于引弧電極所連接的回路中，雷擊發(fā)生后，受感應電荷作用，爆炸源迅速被觸發(fā)并在極短時間內(nèi)產(chǎn)生能量極大、壓力極高、速度極快的強氣流。氣流在滅弧通道所固定的半封閉約束空間內(nèi)定向流動[13]，強氣流流過的介質(zhì)會發(fā)生急劇的能量、壓力、速度突躍，使得原本靜態(tài)介質(zhì)破壞。滅弧能量包的響應速度極快，在以毫秒作為計量單位上描述可以近似于看成在雷電建弧的同時強氣流產(chǎn)生[14]，并且在幾個毫秒的時間內(nèi)完成強氣流與電弧之間的藕合作用。反應產(chǎn)物也就是沖擊波能自行傳播，并且忽略對邊界層、體積力做功的情況下，爆炸反應所放出的能量全部集中在爆炸反應前所占據(jù)的介質(zhì)體積內(nèi)，當強氣流流過約束空間內(nèi)的介質(zhì)后，這部分介質(zhì)可以近似于看成真空狀態(tài)，充分抑制電弧重燃。

從滅弧通道整體和滅弧通道內(nèi)部分別考慮，滅弧通道的整體相當于一個體積恒定、邊界光滑、剛性的穩(wěn)定系統(tǒng)，如圖1所示，選擇滅弧通道內(nèi)壁為整個氣流流動介質(zhì)的邊界，這一區(qū)域相當于一個控制體，對于該控制體，氣流的流動相對于控制體的坐標系是穩(wěn)定的，從固定在運動氣流內(nèi)的坐標系來看，流體屬于穩(wěn)態(tài)流動?？刂企w內(nèi)部介質(zhì)為空氣，當滅弧能量包爆炸后產(chǎn)生高速氣流，從整個控制體的入口處、出口處來考慮介質(zhì)流動的變化情況，在入口處、出口處兩個位置氣流的密度、速度有所差異。

圖1 控制體中氣流流動示意圖Fig.1 Diagram of airflow in the control body

對于流場中的參數(shù)是不隨時間變化的，他們對時間的偏導數(shù)為零[15]?？梢园堰B續(xù)性方程的應用形式寫為

式中，ρ為爆轟波波陣面的密度，A是流場截面積，v是流場中氣流的速度。具體考慮上圖中虛線所示的控制體，氣流質(zhì)量的流入與流出是相等的，即質(zhì)量守恒。因為質(zhì)量只是在、兩個位置穿過控制表面，因此方程可寫為

對于位置①質(zhì)量是流入控制體，位置②處則是流出控制體，則化成標量表示形式為

對上式積分，可得：

式中A1為控制體入口截面的截面積；A2為控制體出口截面的截面積；ρ1為控制體入口處氣流密度；ρ2為控制體出口處氣流密度；v1是控制體入口處氣流速度；v1是控制體出口處氣流速度。對于本控制體，流入與流出截面積相同，即A1=A2，上式可表示為

對于控制體內(nèi)部流體，根據(jù)流體力學中動量定理：

爆炸的反應區(qū)很窄，并以沖擊波的形式向前傳播，即從內(nèi)部流動介質(zhì)看，有連續(xù)方程存在：

根據(jù)物理學基本定律，在爆轟波區(qū)，距爆炸源處O點距離為R的任意點A處的狀態(tài)參數(shù)可表示為

對于控制體內(nèi)部流體介質(zhì)，其密度、壓力、速度是逐點變化的，在整個介質(zhì)空間內(nèi)任意選取一個微元體，對應的是唯一狀態(tài)的流體介質(zhì)。一個已發(fā)生爆炸的微元體的動量的改變應等于作用的沖量，根據(jù)動量守恒定律：

（R相當于未知變量x）各個變量與時間有關(guān)，而動作過程及其短暫，即滅弧能量包的動作過程具有快速性，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對于一個已有爆炸產(chǎn)生的強氣流流過的微元體，流入和流出該微元體的質(zhì)量之差相應于密度的變化：

將式中的關(guān)系式代入上式，則有關(guān)系式：

微元體速度在爆炸源放置初始位置未發(fā)生爆炸時為零，在t=0時刻爆炸發(fā)生，則沖擊波波陣面上的邊界條件為[15]

式中，RD是爆炸反應發(fā)生處；pD是爆炸反應處波陣面上的壓力；ρD是爆炸反應處波陣面上的密度；uD是爆轟波陣面上的質(zhì)點速度?？紤]在爆轟波陣面上微元體C，符號D表示波陣面的速度，D之前是爆炸已經(jīng)發(fā)生區(qū)域，即爆轟波區(qū)，這部分區(qū)域內(nèi)是由高溫高壓氣體組成，D-W階段則為爆炸未發(fā)生階段，其中W是最末端，當爆炸沒有發(fā)生到W區(qū)域時，W處的狀態(tài)即為半封閉空間內(nèi)介質(zhì)的初始狀態(tài)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律有以下方程式

式中，ρW是未發(fā)生爆炸反應處的密度；根據(jù)動量守恒定律有

式中，pW是爆炸未發(fā)生處壓力。理想情況下，爆轟波陣面速度等于強氣流速度，筆者即考慮此種情況。根據(jù)式3、4可以知道在爆轟波波陣面面上，也就是在半封閉空間內(nèi)強氣流的壓力在數(shù)值上較大，并且波陣面上的質(zhì)點具有較高的速度。由于本文中研究的噴射氣流滅弧防雷間隙其爆炸物的密度1000 kg/m3，故此時爆轟波陣面上根據(jù)CJ方程有如下關(guān)系式

式中，k是CJ參數(shù)。此時根據(jù)經(jīng)驗公式

對于TNT作為爆炸源的爆炸物，有αW=0.77，則此時k=2.54，波陣面方程可化簡為

這意味著在爆炸反應階段過程中，爆轟波的速度也就是波陣面的密度是最后流出半封閉空間出口處密度的1.39倍，氣體被充分壓縮聚集在截面恒定的空間內(nèi)。文獻[20]一文中通過計算空氣中爆炸的沖擊波的參數(shù)并與實驗結(jié)果相比對，有如下數(shù)據(jù)合理存在：當爆炸物為TNT時，取ρW1 600 kg/m3時，D為7 000 m/s，爆炸初始瞬間飛散速度為6450m/s，沖擊波速度為7 100 m/s，沖擊波陣面后介質(zhì)的壓力為57 MPa，而在同一瞬間，電弧才剛剛開始發(fā)展，并且在初始發(fā)展階段，電弧溫度較低，能量較小，由此形成了滅弧能量巨大而電弧能量小的極不對稱競爭，這意味著我們采用以強制弱的策略，利用高壓、高速的氣流將尚處于“萌芽期”的電弧扼殺在“搖籃”階段，一方面既能組織電弧形成工頻續(xù)流，另一方面，持續(xù)噴射的氣流能夠破壞電弧自持放電的條件，不會發(fā)生電弧重燃現(xiàn)象。由此可以保證徹底高效地熄滅電弧。

2 仿真分析

筆者采用Fluent軟件用于模擬在滅弧通道所約束的半封閉空間內(nèi)，以空氣為傳播介質(zhì)情況下，噴射氣流滅弧防雷間隙對電弧的響應與截斷。本次仿真過程模擬的是35kV電壓等級下電弧的動態(tài)特性，通過觀察滅弧通道內(nèi)的電弧的運動及溫度的變化情況來論證噴射氣流滅弧防雷間隙對電弧熄滅的有效性。

首先建立滅弧通道的幾何模型，其中圓弧ABC是噴射氣流滅弧防雷間隙的引弧電極，也表示電弧的入口處；線段DE表示高速氣流的入口；線段FG表示高速氣流的出口。在此基礎(chǔ)上對其進行網(wǎng)格劃分，以便于采用FLUENT對整個電弧與氣流耦合的過程進行仿真。

電弧產(chǎn)生的瞬間位于滅弧通道上方的爆炸源就被觸發(fā)，高速氣流迅速產(chǎn)生，下圖中坐標表示的是溫度變化。當t=0 ms時，是電弧形成的初始狀態(tài)，此時電弧仍然在發(fā)展，處于暫態(tài)初期階段；當t=0.5 ms時，高速氣流已經(jīng)產(chǎn)生并與電弧作用，電弧的直徑=開始變小，電弧的溫度逐漸降低；電弧向左下方運動，延續(xù)此狀態(tài)直至t=3.5 ms，此時氣流處于速度最大、能量最高的截斷，與電弧的耦合作用最強烈，對電弧的截斷起著主導作用；到t=4.5 ms時，電弧的溫度已經(jīng)降至3 000-4 000 K，直至t=5 ms時，整個網(wǎng)格內(nèi)的溫度已經(jīng)恢復為初始室溫，意味著電弧被完全熄滅[16-18]。也就是說，對于本次模擬的35 kV電壓等級情況下，噴射氣流滅弧防雷間隙可以在5 ms內(nèi)完全完成對電弧的熄滅，電弧的發(fā)展可以很快的被抑制，弧柱直徑和溫度也在極短時間內(nèi)就被縮小，直至為零。由于本次仿真采用的是以能導電的流體代替電弧，所以仿真結(jié)果會與實驗結(jié)果有所偏差，滅弧時間略大于實驗結(jié)果。

圖2 滅弧通道幾何模型Fig.2 Geometric model of arc extinguishing channel

圖3 氣流與電弧耦合過程仿真示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation of gas flow and arc coupling process

3 實驗

為研究氣流與電弧的耦合過程與效果，在實驗室通過模擬雷擊故障進行小電流滅弧試驗[19]。試驗回路如圖4所示。

圖4 實驗回路Fig.4 Experimental circuit

將噴射氣流滅弧防雷間隙與絕緣子并聯(lián)安裝進行實驗，采用攝像機拍攝實驗過程，可以得到電弧和氣流的產(chǎn)生、電弧的發(fā)展及與氣流的耦合、電弧被熄滅的過程的照片，通過攝像機進行抓拍，展示了電弧與氣流相互作用的過程，如圖5。圖5（a）為電弧產(chǎn)生階段；圖5（b）為電弧發(fā)展、滅弧能量包被觸發(fā)階段，由于裝置的特性，電弧被吸引進入裝置的滅弧通道，而不是從絕緣子表面閃絡，為后續(xù)在半封閉空間內(nèi)實現(xiàn)強氣流對電弧的作用以及釋放有害能量奠定基礎(chǔ)；圖5（c）為氣流開始作用于電弧的階段，可以看到在引弧電極的下方開始出現(xiàn)零星的火苗，這是強氣流作用于電弧所出現(xiàn)的現(xiàn)象；圖5（d）時氣流已經(jīng)完全與電弧相接觸，圖5（e）中氣流與電弧完全作用，此時是氣流速度、能量最大階段，對電弧的削弱最明顯，此種狀況持續(xù)到圖5（f），在此強氣流作用下，處于暫態(tài)初期發(fā)展階段的、能量溫度都較低的電弧極易被熄滅；到圖5（g）時，電弧已經(jīng)被熄滅，圖5（h）則為電弧熄滅后的階段，此時仍有氣流持續(xù)噴射，確保電弧不發(fā)生重燃[6]。

4 結(jié)論

1）噴射氣流滅弧防雷間隙利用滅弧能量包形成巨大的滅弧能量，而此時電弧尚處于發(fā)展階段，電弧能量較小，二者之間的巨大能量差足以保證快速有效地熄滅電弧。

2）噴射氣流滅弧防雷間隙利用雷電脈沖作為觸發(fā)動作的信號，具有快速性，從動作到徹底滅弧的時間極短，在繼電保護動作之前就將危害線路安全穩(wěn)定運行的因素消除。

3）噴射氣流滅弧防雷間隙在熄滅電弧之后仍然有氣流持續(xù)噴射[20]，在時間和能量兩方面均破壞了電弧的后續(xù)能量供給，同時等離子體在開放空間內(nèi)會加速符合，由此以來保證了電弧不會重燃。

圖5 氣流與電弧耦合過程實驗示意圖Fig.5 Experimental schematic diagram of gas flow and arc coupling process

4）噴射氣流滅弧防雷間隙通過改變電弧路徑，吸引電弧進入裝置，抑制電弧發(fā)展的同時釋放破壞能量，避免電弧對絕緣子及導線的灼燒，既保證了電力設(shè)備的安全又可靠提高了線路供電穩(wěn)定性。

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Theoretical Research on Arc-Quenching by 35 kV Air-Blast Arc-Quenching Device

WANG Jufeng,BAI Jianzhi,FENG Kai,SHAO Panyi,LI Shirong
（School of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China）

Among varieties of lightning protection measures on transmission line，the air-blast arcquenching device has the best effectiveness because of the good effect and especially high economic bene?fit.Its working principle is:when lighting occurs,by triggering the energy package placed in the top of the semi enclosed space to generate high-pressure,high-speed air flow through the explosion,completely ex?tinguish the arc without renewed occur in a very short period of time.This paper discusses the coupling of gas flow and arc from conservation of momentum and energy balance,in short is considered in the ideal condition,the momentum generated through the explosion will completely convert to the impulse that gas flow on the arc,it is enough to destroy the conditions that arc is needed to maintain balance instantly.The experiment of the arc extinguish effectiveness of air-blast arc-quenching device is carried out under the 35 kV voltage level,the results of the experiment are recorded and the conclusion is drawn that the arc is extinguished in the 3 ms.The Fluent software is used to simulate the coupling process of air flow and arc,the arc extinguish effectiveness of air-blast arc-quenching device is verified by comparing the experimen?tal results with the simulation results.

air-blast arc-quenching device;semi enclosed space;high-speed air flow;arc;35kV

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.006

2016-07-06

王巨豐（1956—），男，工學博士，教授，博士生導師，研究方向為現(xiàn)代防雷技術(shù)。

國家自然科學基金資助項目（編號：51467002）。