基于多重雷擊保護(hù)的滅弧機(jī)理研究

(廣州供電局有限公司，廣州 510620)

0 引言

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)加快、特高壓工程相繼投入，鋪網(wǎng)面積日益擴(kuò)大，高電壓等級線路桿塔越架越高，導(dǎo)線電壓幅值大，容易感應(yīng)迎面先導(dǎo)，落雷概率增大[1-2]。由雷擊輸、配電線路引發(fā)的高頻率跳閘、斷線等事故已然成為威脅電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的主要安全隱患之一。近年來，雷擊跳閘約占總跳閘事故的60%以上[3]，多重雷擊的頻發(fā)更是屢見不鮮，愈發(fā)引起重視。

長期以來，我國防雷的頂層設(shè)計基本集中在對單次雷擊的防護(hù)而對多重雷擊的防護(hù)措施鮮有研究。防雷效果受到雷擊種類、雷擊方式以及雷擊強(qiáng)度的復(fù)雜性與多樣性的共同制約。以至于現(xiàn)有基于綜合措施(雷電攔截技術(shù)、地網(wǎng)降阻技術(shù)與絕緣強(qiáng)化技術(shù)的綜合效果)下的絕緣閃絡(luò)抑制防雷理念難以實現(xiàn)所有雷擊工況的防雷保護(hù)。原因如下：首先在傳統(tǒng)電氣幾何模型理論下導(dǎo)線與避雷線庫侖力競爭將擴(kuò)大理想繞擊弧[4]，因此某些強(qiáng)雷擊發(fā)生時仍存在一定概率的繞擊，而且對多重小雷擊基本沒有防護(hù)作用，導(dǎo)致雷電攔截不可控。其次，地網(wǎng)電阻受到土壤電阻率的制約，沖擊接地電阻難以調(diào)和，實際降阻效果難以達(dá)到理想狀態(tài)[5]，經(jīng)常造成耐雷水平“欠賬”運行。再次，絕緣強(qiáng)化技術(shù)受到絕緣子長度限制等因素的制約，而且加強(qiáng)絕緣后的線路無意中提高了雷電入侵波的幅值，對變電站內(nèi)設(shè)備已有的絕緣配合構(gòu)成威脅。綜合來看，傳統(tǒng)防雷技術(shù)對行業(yè)既定防雷指標(biāo)在一定程度上缺乏支撐度，多重雷擊破壞已危及到國民經(jīng)濟(jì)生活的各個方面，因此，新型防雷措施的研究刻不容緩。

絕緣子并聯(lián)間隙是一種依靠絕緣配合使雷電流沿間隙泄入大地的“疏導(dǎo)型”防雷保護(hù)方法[6-9]，有效保護(hù)了絕緣子被灼燒損壞，依靠重合閘保證線路正常供電。但該措施也降低了線路的絕緣強(qiáng)度與耐雷水平，并且是一種犧牲雷擊跳閘率來減少事故率的做法[10-11]。更嚴(yán)重的是，并聯(lián)間隙沒有主動熄弧的能力，導(dǎo)致間隙電極被燒短而破壞絕緣配合，此外，在等待已形成的后續(xù)工頻電弧自動熄滅的同時若發(fā)生多重雷擊，將導(dǎo)致電弧持續(xù)燒蝕、自動重合閘失敗，引發(fā)破壞性的電網(wǎng)事故。

針對上述問題，筆者提出一種由雷電脈沖觸發(fā)爆轟反應(yīng)氣流產(chǎn)物主動吹弧的滅弧方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在多重雷擊的疊加作用下一對一多次可靠地截斷電弧，使雷擊跳閘率降到零點，是一種在所有雷擊工況下更為可靠的防雷保護(hù)。文章對多重雷擊的爆轟反應(yīng)滅弧過程進(jìn)行了理論分析和仿真研究，求得反應(yīng)沖擊波的狀態(tài)參數(shù)，建立了氣流場與重復(fù)建弧的流體耦合模型，并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證本文提出的滅弧方法能夠?qū)崿F(xiàn)在多重雷擊下防雷保護(hù)的可靠性。

1 滅弧原理

在并聯(lián)間隙與線路絕緣子的可靠絕緣配合下，通過雷電脈沖觸發(fā)滅弧裝置，利用固體裝藥的爆轟反應(yīng)在滅弧腔內(nèi)產(chǎn)生數(shù)百MPa的壓強(qiáng)，猛烈壓縮沿間隙閃絡(luò)的電弧，加速帶電粒子的去游離過程，使空氣間隙絕緣恢復(fù)進(jìn)程加快，后續(xù)工頻續(xù)流能量在滅弧腔維持的強(qiáng)壓環(huán)境下難以支撐電弧的持續(xù)燒蝕，最終電弧在短時內(nèi)迅速熄滅。絕緣配合固相滅弧裝置原理見圖1。

圖1 滅弧原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of arc-extinguishing mechanism

2 數(shù)學(xué)模型分析

建立數(shù)學(xué)模型分析的目的是研究爆轟反應(yīng)產(chǎn)生的氣流場對電弧的作用效果，以及氣流場正壓維持時間對多重雷擊建弧的抑制效果。

2.1 爆轟反應(yīng)

2.1.1 裝藥反應(yīng)過程

把密度為1 650 kg/m3的TNT裝進(jìn)直徑為2 cm的球形中。設(shè)t=0時刻開始爆炸，則當(dāng)炸藥發(fā)展到t=t1時刻將出現(xiàn)已反應(yīng)炸藥區(qū)與未反應(yīng)炸藥區(qū)，在兩個區(qū)域之間的爆轟波陣面上狀態(tài)參數(shù)將發(fā)生階躍。下面以此為臨界面建立反應(yīng)參數(shù)的求解模型。

考慮反應(yīng)氣流為一維等熵流動，取爆轟波陣面上一面積為S的微元，設(shè)其壓強(qiáng)為PD，密度為ρD，質(zhì)點速度為vD，內(nèi)能為ED，溫度為TD，爆轟波陣面速度為D。在t=t1時刻，未反應(yīng)裝藥壓強(qiáng)為PW，密度為ρW，質(zhì)點速度為vW，內(nèi)能為EW，大氣中質(zhì)點速度v0=0。

根據(jù)爆炸前后的質(zhì)量差與密度關(guān)系建立質(zhì)量守恒定律：

D·ds·dt·ρW=(D-vD)ds·dt·ρD

(1)

動量守恒定律：

(PD-PW)ds·dt=D·ds·dt·ρW(vD-vW)

(2)

且注意到未反應(yīng)區(qū)質(zhì)點速度：

vW=0

(3)

設(shè)爆轟波陣面上極薄反應(yīng)區(qū)炸藥的爆熱為QW，由能量守恒定律有

(4)

爆炸力學(xué)理論指出，密度為ρw>1 000 kg/m3的液、固態(tài)炸藥，有范德瓦爾斯?fàn)顟B(tài)方程[18]

(5)

式中：γ為廣義氣體常數(shù)，對于空氣γ=8314/M，空氣相對分子質(zhì)量M=29；v∞為在無限高壓下的最小比容；ρD為可爆氣體的密度。

又由內(nèi)能方程：

(6)

式中，Cv是等容比熱。

且認(rèn)為密度不變時，有

(7)

最后利用C-J方程確定邊界條件：

(8)

式中，cπD是可爆氣體中的聲速。

聯(lián)立式(1)—式(8)，可解得

(9)

式中，k=Cp/Cv=1.16-1.33，由裝藥種類與密度而定。對于密度為1 650 kg/m3的TNT，k取1.18，最小比容v∞=0，爆轟波陣面速度D=7 km/s[12]。PW近似為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，相較于爆轟反應(yīng)氣體產(chǎn)物劇烈膨脹所產(chǎn)生的壓強(qiáng)可忽略不計。

于是解得爆轟波向空氣沖擊的兩個初始狀態(tài)參數(shù)

(10)

2.1.2 氣流膨脹過程

當(dāng)爆轟波臨近裝藥與空氣介質(zhì)的分界面時，反應(yīng)產(chǎn)物將在短時內(nèi)釋放出大量的能量并向四周飛散，迅猛壓縮周圍介質(zhì)形成高強(qiáng)載荷的空氣沖擊波。為消納該能量并使其與電弧等離子體充分耦合，設(shè)計一剛性滅弧裝置將爆轟氣流場約束于內(nèi)，由此形成的超高壓剛性空間具有極高的介電強(qiáng)度，電弧從弧根處被截斷，滅弧結(jié)構(gòu)見圖1。

由于爆轟反應(yīng)過于迅速，其產(chǎn)物在膨脹時絕熱指數(shù)隨著壓力的降低不斷減小。直接求解較為困難，從而用朗道與斯達(dá)紐柯維奇提出的等熵式[13-14]進(jìn)行分階段近似描述。

(11)

式中：P1，P2為氣體不同狀態(tài)下的壓強(qiáng)；V1，V2為氣體不同狀態(tài)下的體積；γ為絕熱指數(shù)。

第一階段：從爆轟波接觸空氣介質(zhì)瞬間膨脹到某一臨界壓強(qiáng)PL，對于中等威力炸藥當(dāng)壓力P≥200 MPa時，絕熱指數(shù)取γ≈3[12]，即有第一個等熵式：

(12)

式中：P0為爆炸產(chǎn)物爆轟波臨近空氣介質(zhì)的初始壓強(qiáng)；V0為球形裝藥的初始體積(即此時爆炸氣體產(chǎn)物體積)；PL為在達(dá)到臨界壓強(qiáng)之前爆炸產(chǎn)物體積膨脹到VL時的壓強(qiáng)。

VL=7.427×10-4(m3)

(13)

第二階段：反應(yīng)產(chǎn)物從第一階段的臨界體積膨脹到充滿整個滅弧腔的過程，根據(jù)(11)提出的等熵式有

(14)

式中：Pm為爆炸產(chǎn)物充滿滅弧腔時的壓強(qiáng)；Vm為滅弧腔內(nèi)氣體體積；考慮滅弧腔的容積約為1 L,絕熱指數(shù)取γ=1.4[12]，聯(lián)立式(13)和式(14)可解得

Pm=131.86(MPa)

(15)

即當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物膨脹至整個滅弧腔時，其內(nèi)部壓強(qiáng)為131.86 MPa，約為1 319倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)。在此高壓下，電弧游離態(tài)是難以維持的。

2.2 空氣沖擊波的正壓作用時間

空氣沖擊波正壓作用時間是衡量爆轟反應(yīng)對目標(biāo)破壞程度的重要參數(shù)，也即反應(yīng)膨脹產(chǎn)物在滅弧腔內(nèi)對電弧的作用時間，由爆炸相似律通過實驗方法建立的經(jīng)驗公式確定[12]，忽略等離子體電弧的體積，考慮在剛性面爆炸，有

(16)

式中:W為裝藥質(zhì)量；R為離裝藥中心的距離。

帶入?yún)⒖紨?shù)據(jù)，解得t+=2.85 ms，即滅弧腔內(nèi)部壓強(qiáng)大于131.86 MPa的時間至少能持續(xù)2.85 ms，且對于時間間隔在正壓作用時間以內(nèi)的重復(fù)雷擊防護(hù)具有更高的耐雷水平，因為此時氣壓極高，滅弧腔內(nèi)部空間介電強(qiáng)度極大，間隙難以被擊穿。

3 仿真

仿真的目的是研究爆轟反應(yīng)產(chǎn)生的空氣沖擊波的沖擊載荷強(qiáng)度，即吹弧強(qiáng)度；以及對重復(fù)雷擊建弧過程的抑制效果，即滅弧效果。

3.1 仿真準(zhǔn)備

筆者采用ANSYS仿真系統(tǒng)，模擬主要要素包括：TNT，滅弧腔，電弧流體。TNT參數(shù)嚴(yán)格按照第二節(jié)中建立的數(shù)學(xué)模型取值，滅弧腔采用剛性無滑移材料，電弧使用高溫等離子流體模擬。

重復(fù)雷擊建弧頻率設(shè)定為1ms/次，選擇雷諾應(yīng)力模型作為湍流模型，考慮三系數(shù)模型的動力粘度系數(shù)，流體耦合控制方程采用N-S方程，求解器用非穩(wěn)態(tài)時間步長迭代求解。

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 爆轟反應(yīng)過程

爆轟反應(yīng)過程見圖2，反應(yīng)產(chǎn)物幾乎瞬時轉(zhuǎn)換成高壓態(tài)氣流場并劇烈壓縮周圍介質(zhì)，在0.06 ms時刻充滿滅弧腔，其真實壓強(qiáng)可達(dá)到169.2 MPa，見圖2(d)。依靠滅弧氣流場響應(yīng)時間的快速性與滅弧壓力遠(yuǎn)大于電弧維持力的不對稱性，使得電弧尚處在工頻建弧過程的極早脆弱期被迅速截斷。

圖2 爆轟波不同時刻壓力云圖Fig.2 Pressure cloud at different times of detonation wave

3.2.2 氣流場耦合多重雷擊建弧過程

圖3(a)-3(l)是在重復(fù)雷擊多次建弧過程中，爆轟反應(yīng)氣流場熄弧效果的仿真等溫圖。圖3(a)-3(d)描述了首次雷擊閃絡(luò)并觸發(fā)爆轟氣流場與電弧流體的耦合過程。以0.02 ms為時間步長迭代求解50次(即1 ms時間內(nèi))，由圖中的電弧流體變化可觀察到，由于反應(yīng)產(chǎn)物在瞬間膨脹至充滿整個滅弧腔，等離子弧柱流體在爆轟反應(yīng)初期就受到巨大沖擊載荷的猛烈壓縮，電弧去游離過程加劇，滅弧腔內(nèi)流體溫度急劇下降，電弧被粉碎，見圖3(a)-3(c)。反應(yīng)0.5 ms以后高溫等離子體幾乎全部湮滅，由于隨后滅弧腔內(nèi)氣壓仍維持著足夠高的強(qiáng)度，滅弧腔內(nèi)氣流達(dá)到的介電強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于普通空氣介質(zhì)，所以沒有發(fā)生電弧重燃現(xiàn)象，見圖3(d)。

圖3 滅弧腔內(nèi)部等溫圖Fig.3 Isothermal diagram of arc extinguishing chamber

圖3(e)-3(h)是2次雷擊閃絡(luò)后電弧與氣流場的耦合過程，同樣以0.02 ms為時間步長進(jìn)行50次迭代求解，可以從等溫圖中觀察到第2次流體耦合過程與第1次非常相似，只是此時滅弧腔內(nèi)溫度略高于第1次滅弧腔內(nèi)的溫度，這是由于經(jīng)過一次滅弧過程后，滅弧腔沒有得到足夠的時間冷卻的結(jié)果。高溫電弧等離子體依然在短時內(nèi)迅速湮滅，并沒有發(fā)生重燃。然后進(jìn)行第3次雷擊模擬，滅弧過程同樣取得了和前兩次相似的良好效果，見圖3(i)-3(l)。

圖4是滅弧腔內(nèi)平均溫度變化波形，可觀察到在每次爆轟氣流場與電弧耦合作用后滅弧腔內(nèi)平均溫度都能降低到1 000 K以下，空氣間隙逐漸恢復(fù)絕緣，工頻續(xù)流能量已無法支撐電弧燒蝕，電弧熄滅。圖中時間步長為0.01 s。

圖4 滅弧腔內(nèi)平均溫度變化曲線Fig.4 Average temperature change curve of arc extinguishing chamber

此外，仿真過程中曾嘗試在電弧未完全熄滅時進(jìn)行2次雷擊建弧過程，卻出現(xiàn)了建弧失敗導(dǎo)致仿真求解中斷的結(jié)果?？紤]因為在爆轟反應(yīng)初期，氣流場產(chǎn)生的氣壓過高，在滅弧腔內(nèi)產(chǎn)生的介電強(qiáng)度過大，所以空氣間隙無法被擊穿。

4 滅弧實驗

實驗的目的是研究滅弧裝置在多重雷擊閃絡(luò)時的滅弧效果及其耐受能力。

4.1 實驗準(zhǔn)備

實驗回路見圖5。

AC-交流電源；IVG-沖擊電壓發(fā)生器；TM-調(diào)壓器；T-實驗變壓器；J-繼電器；r-限流電阻；QP-保護(hù)球隙；R-測量電阻；DSO-數(shù)字示波器；JY-絕緣子；C-高速攝像機(jī)；K-閉合觸點。圖5 滅弧實驗原理圖Fig.5 Arc extinguishing experiment circuit

1)在事先測試好的絕緣子與間隙距離的絕緣配合比下，將工頻電源耦合沖擊電壓發(fā)生器連接同一個復(fù)合絕緣子串并聯(lián)間隙。

2)接通工頻電源使回路正常工作，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器與實驗變壓器，使變壓器二次側(cè)的電壓逐漸升高，并控制二次側(cè)回路的工頻短路電流大小，本實驗依次生成了0.5 kA、1 kA、2 kA 3種不同的工頻短路電流進(jìn)行驗證。

3)在3種工頻短路電流產(chǎn)生的同時，啟動沖擊電壓發(fā)生器放電擊穿間隙。至此，便完成了模擬雷擊輸電線路時沖擊能量與工頻能量的耦合疊加。

4)用高速攝像機(jī)與數(shù)字示波器記錄實驗結(jié)果。

4.2 實驗結(jié)果

在圖5所示實驗回路3種不同的工頻短路電流下用沖擊電壓發(fā)生器對并聯(lián)間隙的絕緣子串連續(xù)放電15次，每次放電路徑都被定位在并聯(lián)滅弧裝置的間隙通道上，滅弧裝置動作15次，且電弧均在1 ms內(nèi)被熄滅。實驗后滅弧裝置完好，電極端部觸頭沒有被電弧燒短，間隙距離依舊能保證絕緣配合。如圖6所示，上方電極為多次放電燒蝕后的石墨電極，可觀察到石墨觸頭僅有輕微灼傷痕跡；下方電極為全新未使用的石墨電極。滅弧裝置初始裝藥可以動作50次以上，實現(xiàn)5年以上的免維護(hù)。

圖6 間隙電極使用前后對比Fig.6 The contrast of gap electrodes of before and after used

高速攝像機(jī)記錄了其中一次滅弧過程，見圖7(a)-7(i)，可觀察到爆轟氣流場響應(yīng)后迅速膨脹并拉伸工頻電弧，使其幾何形態(tài)在強(qiáng)壓環(huán)境下發(fā)生劇烈變化，弧柱等離子體加速復(fù)合、湮滅，最終電弧在t=0.4 ms時刻完全熄滅。

圖7 高速攝像機(jī)拍攝的滅弧過程Fig.7 Arc extinguishing process for high-speed photography

雷電沖擊放電波形見圖8，間隙在雷電波達(dá)到波峰時刻之前被擊穿，此時數(shù)字示波器開始檢測到間隙電弧通道的電流參數(shù)變化，如圖9所示，即此時為間隙開始起弧的時刻。滅弧裝置在波尾幾乎靠近波峰處動作，并將雷電全波截斷，所以實驗中標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊放電波形尾部陡度發(fā)生明顯變化，波尾由平緩降低變?yōu)榧眲〗档?，如圖8所示，滅弧裝置響應(yīng)時間在5 μs以內(nèi)，能在電弧建立的最初始階段觸發(fā)滅弧能量作用于相對脆弱的“萌芽期”電弧，易于后續(xù)熄弧。

圖8 被截斷的雷電全波Fig.8 Truncated lightning full wave

圖9 實驗工頻續(xù)流電壓波形Fig.9 Following power frequency voltage waveforms of arc extinguishing experiment

觀察圖9可知，從電弧開始起弧到最終熄滅僅僅燒蝕了0.4 ms，與高速攝像機(jī)拍攝過程相符，同時，這對滅弧裝置以及間隙間電極的耐用性提供了保障，極短時間的高溫電弧燒蝕因能量過小而不至于破壞任何設(shè)備。

5 結(jié)論

用密度為1 650 kg/m3，直徑為2 cm的球形TNT裝藥，爆轟反應(yīng)產(chǎn)物能在體積約為1L的剛性滅弧腔內(nèi)維持131 MPa的強(qiáng)壓狀態(tài)長達(dá)2.85 ms，足以粉粹電弧。

本文仿真得到的真實沖擊壓強(qiáng)與理論計算值存在一定誤差，但在可接受范圍內(nèi)。

仿真與實驗結(jié)果一致表明，重復(fù)雷電沖擊放電后，電弧都在1 ms以內(nèi)被可靠熄滅。爆轟氣流場觸發(fā)的強(qiáng)壓環(huán)境大幅提升了空氣間隙的介電強(qiáng)度與絕緣恢復(fù)速度，重復(fù)雷擊建弧過程被深度抑制。

滅弧裝置響應(yīng)速度極快，電弧燃燒時間極短，能夠大幅降低雷擊跳閘率并且保證滅弧裝置及間隙電極的長期耐用性，具有較高的實際應(yīng)用價值。

由于在爆轟氣流場維持時間內(nèi)，空氣間隙難以被擊穿，多重雷擊放電過程都發(fā)生在正壓作用時間結(jié)束以后，由于實際多重雷擊可能同時放電，所以本團(tuán)隊今后重點將對強(qiáng)壓環(huán)境下的多重雷擊同時放電的滅弧機(jī)理進(jìn)行研究，以提升對所有雷擊工況防雷保護(hù)的可靠性。