噴射氣流滅弧防雷間隙氣流通道優(yōu)化

彭斐，王巨豐，張奇星，李籽劍，徐宇恒，王國(guó)鋒，龐智毅

(1. 廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧530004；2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，武漢430061)

0 引言

一直以來(lái)，雷電災(zāi)害是電網(wǎng)安全運(yùn)行的重大威脅[1]。其中，架空輸電線(xiàn)路雷擊故障占電網(wǎng)總事故的比例居高不下，成為長(zhǎng)期困擾電網(wǎng)可靠供電的普遍難題[2]。架空輸電線(xiàn)路桿塔高且尖，輸電走廊面積大，通常需要穿越高山、峽谷等雷電密度較高的地區(qū)，并且由于輸電導(dǎo)線(xiàn)上存在電荷庫(kù)侖力的影響，使得架空輸電線(xiàn)路成為巨大的引雷體，極易遭受雷擊。因此，架空輸電線(xiàn)路防雷工作對(duì)于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要[3 - 5]。

然而，現(xiàn)有的傳統(tǒng)防雷措施都存在固有缺陷。它們大部分基于“閃絡(luò)抑制”的傳統(tǒng)防雷理念，如雷電攔截、地網(wǎng)降阻和加強(qiáng)絕緣等方法[6 - 8]，這類(lèi)方法都存在不可控的局限性[9 - 10]。且現(xiàn)階段防雷產(chǎn)品的供給側(cè)處于一個(gè)較低水準(zhǔn)，導(dǎo)致防雷效果很不理想，難以保障電網(wǎng)的輸電安全，長(zhǎng)久來(lái)看，很容易造成人力和物力的浪費(fèi)[11]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了以保護(hù)間隙為基礎(chǔ)的開(kāi)放空間“疏導(dǎo)式”防雷方法研究[12 - 14]。傳統(tǒng)并聯(lián)保護(hù)間隙能起到限制雷擊閃絡(luò)通道、保護(hù)絕緣子免受工頻電弧燒灼的作用，但由于其缺少滅弧功能，需要和自動(dòng)重合閘配合使用，造成了線(xiàn)路跳閘率的升高，在一定程度上降低了電網(wǎng)的供電可靠性。

基于上述情況，廣西大學(xué)高壓課題組研制出了一種能大幅降低輸電線(xiàn)路雷擊跳閘率的噴射氣流滅弧防雷間隙[15 - 17]。該裝置兼顧傳統(tǒng)并聯(lián)間隙優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增設(shè)了氣體滅弧環(huán)節(jié)，在繼電保護(hù)動(dòng)作前熄滅工頻電弧并阻止電弧重燃，有效解決了雷擊跳閘的矛盾。噴射氣流滅弧防雷間隙作用的關(guān)鍵在于噴射氣流的發(fā)展以及氣流對(duì)電弧的去電離過(guò)程。為了優(yōu)化裝置性能，有必要探究氣流通道管控長(zhǎng)度差異對(duì)其滅弧效果的影響。本文基于電弧的能量平衡方程，分析了噴射氣流滅弧防雷間隙的滅弧原理，通過(guò)COMSOL Multiphysics仿真平臺(tái)搭建了裝置滅弧通道的二維幾何模型，并對(duì)噴射氣流與電弧的耦合過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，探究了不同通道管控長(zhǎng)度下氣流對(duì)電弧的抑制效果，以期為后續(xù)噴射氣流滅弧防雷間隙的優(yōu)化改進(jìn)提供理論參考。

1 噴射氣流滅弧防雷間隙原理

噴射氣流滅弧防雷間隙的結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴射氣流裝置安裝于線(xiàn)路桿塔的橫擔(dān)上，裝置的氣流出口處為氣流管控部件。高壓電極固定在導(dǎo)線(xiàn)端，空間上與噴射氣流裝置的氣流管控部件對(duì)齊。在實(shí)際安裝過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整裝置與高壓電極間的間隙距離，使噴射氣流滅弧防雷間隙的絕緣擊穿電壓低于絕緣子串，從而滿(mǎn)足防雷裝置與絕緣子之間的絕緣配合，實(shí)現(xiàn)將電弧路徑管控于滅弧通道內(nèi)的目的。

裝置的具體工作原理是：當(dāng)雷擊線(xiàn)路時(shí)，噴射氣流滅弧防雷間隙優(yōu)先閃絡(luò)擊穿，形成沖擊閃絡(luò)通道，雷電能量由通道泄放入地并觸發(fā)噴射氣流裝置動(dòng)作，以此激活內(nèi)置彈丸爆炸來(lái)釋放高速高壓的滅弧氣流。再通過(guò)對(duì)氣流通道的約束和管控，使噴射氣流直接作用于電弧通道，氣流將與后續(xù)的工頻續(xù)流電弧充分耦合，使得電弧被拉長(zhǎng)、截?cái)?，不斷壓制電弧的發(fā)展。由于在噴射氣流狀態(tài)下，弧隙的去游離作用和介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度都得到了有效提升，電弧最終在繼電保護(hù)動(dòng)作前熄滅。

2 電弧在氣流通道的發(fā)展模型

工頻電弧的燃燒是由不斷注入的工頻能量維持的，同時(shí)，此過(guò)程也伴隨著以熱量傳遞為主的能量耗散，熱量傳遞的方式分為對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)3種。噴射氣流和電弧的耦合可看作能量耦合的過(guò)程，本文對(duì)電弧能量變化進(jìn)行探討。

單位體積下的電弧，其工頻電流焦耳熱能量的輸入功率為：

P=JE

(1)

當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，輸入功率和熱量耗散功率達(dá)到平衡狀態(tài)。即：

JE=PK+Pr+Ps

(2)

式中：J為電流密度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；Pk為對(duì)流傳熱功率；Pr為輻射傳熱功率；Ps為傳導(dǎo)散熱功率。

當(dāng)熱量耗散功率大于電流焦耳熱能量的輸入功率，說(shuō)明外界補(bǔ)給能量不足以支持電弧燃燒，電弧最終熄滅。噴射氣流狀態(tài)下電弧熱量耗散的主要方式為強(qiáng)迫對(duì)流散熱，占總散熱功率的80%以上，故此過(guò)程只考慮對(duì)流傳熱對(duì)電弧的作用。

當(dāng)電弧處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其對(duì)流散熱的功率計(jì)算表達(dá)式為：

Pk=ρcpv?T

(3)

式中：ρ為電弧密度；cp為氣體的恒壓熱容；v為氣流速度；?T為溫度梯度。

從式(3)可以看出，對(duì)流散熱功率與氣流速度呈正相關(guān)，即增大氣流速度能促進(jìn)對(duì)流散熱作用，可作為熄滅電弧的主要方式。

在氣流管控部件內(nèi)，基于氣體比例膨脹假設(shè)，氣流發(fā)展的連續(xù)方程寫(xiě)成如式(4)所示。

(4)

式中：ρg為氣流密度；u為內(nèi)部氣流流速。移項(xiàng)得：

(5)

與式(4)相比較，可得：

(6)

對(duì)式(6)積分，得：

u=Kx+φ(t)

(7)

式中φ(t)為與時(shí)間相關(guān)的積分常數(shù)，由邊值條件確定。將式(7)對(duì)時(shí)間進(jìn)行微分，得：

(8)

(9)

即：

(10)

綜合以上公式可知，氣流通道管控長(zhǎng)度是影響氣流速度發(fā)展的因素，故可通過(guò)調(diào)整氣流通道管控長(zhǎng)度來(lái)提高對(duì)流散熱功率，從而改善其滅弧性能。

3 仿真分析

3.1 仿真模型及邊界條件

本文利用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立噴射氣流滅弧防雷間隙內(nèi)滅弧通道的二維幾何模型，如圖2所示。其中，接地電極和高壓電極之間的距離為0.38 m，氣流管控部件的長(zhǎng)度取0.2 m，通道內(nèi)部及外部空間均為空氣介質(zhì)。并采用湍流場(chǎng)、電磁場(chǎng)和流體傳熱等多物理場(chǎng)的耦合，主要模擬分析此區(qū)域內(nèi)電弧在氣流作用下的放電傳熱特性。

圖2 滅弧通道二維幾何模型圖Fig.2 Two-dimensional geometric model of arc-quenching channel

邊界條件：氣流管控部件選用電絕緣材料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.26 W/(m·K)，恒壓熱容為1 700 J/(kg·K)，密度為1 150 kg/m3，邊界設(shè)為絕熱；高壓電極和接地電極選用相同的鐵磁材料，其恒壓熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、電導(dǎo)率和電極密度分別為900 J/(kg·K)、238 W/(m·K)、3.774 ×107S/m、2 700 kg/m3。在仿真計(jì)算中，材料的熔解被忽略，為模擬雷擊工況條件下產(chǎn)生工頻續(xù)流的情況，在高壓電極疊加1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電壓沖擊波和50 Hz工頻電壓，接地電極定義為零電勢(shì)。在物理過(guò)程中，流體的層流僅存在于空氣介質(zhì)中，為不可壓縮流動(dòng)。ab邊為氣流入口，cd邊為氣流出口，其余邊界設(shè)置無(wú)滑移壁，并且除絕緣材料外，所有材料都存在電流密度；傳熱過(guò)程可分為流體傳熱及固體傳熱，固體傳熱中不考慮對(duì)流和輻射項(xiàng)，在選定的計(jì)算區(qū)域內(nèi)，初始溫度設(shè)置為293.15 K。

3.2 仿真計(jì)算及結(jié)果

仿真設(shè)計(jì)及計(jì)算的流程如圖3所示，本文仿真采用瞬態(tài)分析，步長(zhǎng)設(shè)定為0.1 ms，仿真總時(shí)長(zhǎng)取20 ms，并采用沖擊電流和工頻電流耦合的電弧模型，為模擬實(shí)際滅弧情況，將氣流延時(shí)沖擊電弧產(chǎn)生后0.3 ms噴射。

圖3 仿真流程圖Fig.3 Simulation flow chart

圖4—5分別為滅弧仿真過(guò)程的電導(dǎo)率云分布圖和溫度云分布圖。

圖5 溫度云分布圖Fig.5 Temperature cloud distribution diagram

當(dāng)t= 0.1 ms時(shí)，在高壓電極與接地電極之間形成了沖擊電弧通道；隨后由于電弧通道不斷注入工頻能量，t= 1～3 ms時(shí)，沖擊電弧開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧燃燒，過(guò)程如圖4(b)—(d)及圖5(b)—(d)所示。根據(jù)裝置感應(yīng)雷電脈沖后觸發(fā)氣流噴射的過(guò)程，t= 0.3 ms時(shí)氣流開(kāi)始作用，高速氣流持續(xù)作用于電弧，帶走熱量的同時(shí)加速弧柱中帶電離子的復(fù)合，從圖4(e)、圖5(e)中可看到明顯的電弧消散趨勢(shì)；結(jié)合圖4(f)和圖5(f)可看出，t= 10 ms時(shí)，區(qū)域內(nèi)無(wú)導(dǎo)電通道且滅弧通道內(nèi)的溫度已低于維持電弧燃燒的臨界溫度4 000 K[18]，此時(shí)可認(rèn)為噴射氣流已有效熄滅電弧。

3.3 氣流通道管控長(zhǎng)度對(duì)滅弧的影響

上述研究驗(yàn)證了噴射氣流滅弧防雷間隙在雷擊閃絡(luò)后抑制工頻續(xù)流電弧發(fā)展的有效性，其中氣流發(fā)展是滅弧過(guò)程中的關(guān)鍵因素，因此，在前文的基礎(chǔ)上，本研究考慮氣流通道管控的長(zhǎng)度對(duì)滅弧效果的影響。

基于圖2的幾何結(jié)構(gòu)，改變氣流管控部件長(zhǎng)度，將其分為3組，分別取0.1 m、0.2 m和0.3 m，如圖6所示。其余參數(shù)及邊界條件參照上文設(shè)置，然后對(duì)3組模型進(jìn)行滅弧仿真計(jì)算。

圖6 3組滅弧通道幾何模型圖Fig.6 Geometric model diagram of three groups of arc-quenching channels

對(duì)比3組仿真結(jié)果中得出各自區(qū)域電弧溫度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，結(jié)果如圖7所示。從圖可知，3組滅弧仿真均達(dá)到了噴射氣流作用下有效熄滅工頻電弧的目的。在t=10 ms左右，區(qū)域電弧溫度處于4 000 K附近，3組溫度都出現(xiàn)了上升趨勢(shì)，但在噴射氣流的持續(xù)作用下，電弧重燃被成功抑制，實(shí)現(xiàn)了工頻電弧過(guò)零時(shí)熄滅。通過(guò)對(duì)比分析，隨著氣流通道管控長(zhǎng)度的增加，區(qū)域電弧溫度降低到維持電弧燃燒的臨界溫度以下所需時(shí)間減少，溫度下降趨勢(shì)也更為明顯，且最后的電弧溫度維持在更低水平，這很大程度上能夠降低電弧重燃的概率。仿真結(jié)果表明，增大氣流通道管控長(zhǎng)度能夠促進(jìn)氣流發(fā)展，更加快速有效地熄滅電弧并阻止電弧重燃，進(jìn)一步改善了噴射氣流滅弧防雷間隙的熄弧性能。

圖7 3組滅弧仿真的區(qū)域電弧溫度對(duì)比Fig.7 Comparison of regional arc temperature of three groups of arc-quenching simulations

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析的結(jié)果，本文在110 kV電壓等級(jí)下分別設(shè)置了兩組噴射氣流裝置的滅弧實(shí)驗(yàn)，并使用高速攝像機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)的滅弧過(guò)程進(jìn)行記錄。第1組的裝置氣流管控部件的長(zhǎng)度選用0.1 m；第2組將裝置的氣流管控部件延伸至整個(gè)間隙長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度是氣流作用電弧通道的最大有效長(zhǎng)度。第1組實(shí)驗(yàn)的滅弧過(guò)程如圖8(a)所示，高速攝像機(jī)記錄的第2組滅弧實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖8(b)所示。

圖8 兩組裝置的滅弧實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.8 Arc-quenching experiment process of two sets of devices

從圖8可以看出，由于氣流管控部件的增長(zhǎng)，氣流充分發(fā)展并集中作用于電弧，第2組實(shí)驗(yàn)的整體滅弧時(shí)間小于第1組，滅弧性能得到了有效提升。

5 結(jié)論

本文為探究氣流通道管控長(zhǎng)度對(duì)噴射氣流滅弧防雷間隙滅弧能力以及滅弧過(guò)程的影響，先對(duì)其進(jìn)行理論推導(dǎo)，然后通過(guò)仿真計(jì)算模擬滅弧過(guò)程并得出對(duì)比分析，最后由滅弧實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到的結(jié)論如下。

1)從能量平衡的角度分析了噴射氣流熄滅電弧的可行性。增大氣流速度能增強(qiáng)對(duì)流散熱功率，從而提高滅弧效率；理論推導(dǎo)出氣流的速度和加速度與氣流通道管控長(zhǎng)度成正相關(guān)，故增大氣流通道管控長(zhǎng)度能夠改善裝置的滅弧性能。

2)利用COMSOL Multiphysics仿真軟件搭建滅弧通道模型并模擬氣流滅弧過(guò)程，表明了噴射氣流熄滅電弧的有效性。然后通過(guò)改變氣流管控部件長(zhǎng)度，分別對(duì)其進(jìn)行滅弧仿真計(jì)算后，得出的仿真結(jié)果對(duì)比與理論推導(dǎo)相符，證明了增大氣流通道管控長(zhǎng)度能夠有效提升噴射氣流滅弧防雷間隙的滅弧能力。

3)通過(guò)設(shè)置2組不同裝置的滅弧實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)氣流管控部件的裝置其整體滅弧時(shí)間更短，滅弧效果得到了優(yōu)化，從而驗(yàn)證了上述結(jié)論。