GIS隔離開關電弧放電過程的理論分析

【摘要】本文對SF6氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear， GIS）中隔離開關電弧放電過程進行理論分析，指出了其物理數學建模過程中應該注意的問題。

【關鍵詞】隔離開關；電弧放電；組合電器

1.引言

近年來，隨著我國特高壓電網的逐步建立，以SF6氣體作為絕緣介質的封閉式組合電器（Gas Insulated Switchgear， GIS），由于其結構緊湊、可靠性高、維修周期長且節省安裝空間等優點，已經得到了廣泛的應用[1]。GIS中的隔離開關在其投切空載短母線時，由于間隙電弧放電會產生特快速暫態過電壓（Very fast transient overvoltage， VFTO），嚴重影響了電力系統的穩定運行和相鄰電氣設備的安全使用。

VFTO是一個在連續多次電弧放電過程下產生的階躍電壓波[2]。GIS隔離開關電弧放電過程的研究，不僅對VFTO的仿真計算[3]具有重要的意義，而且對于隔離開關的設計、選型和結構的改進等都具有重要的工程應用價值。電弧放電是氣體放電的一種形式，由氣體擊穿至形成電弧是一個非常復雜的物理過程。GIS隔離開關間隙擊穿進而電弧放電，是VFTO產生的根源，其電弧放電過程是影響VFTO波形的根本因素，但一些相關的理論目前尚未完全統一，有關GIS隔離開關電弧放電的研究正處于不斷的發展之中。

2.GIS隔離開關電弧放電過程的理論分析

隔離開關電弧放電過程與很多因素密切相關，本文認為集中體現為2大類，即確定性因素與非確定性因素。確定性因素包括：開關線路的電壓等級，開關的型式結構，最大間隙擊穿電壓等；不確定因素包括：重復擊穿的次數、擊穿時刻和熄弧時刻，電弧電流大小及其持續時間，電弧電阻在不同階段的取值等等。數學建模與仿真已經成為研究電弧放電的重要工具。電弧是一個復雜的動態物理與化學過程。在電弧模型的研究初期，Cassie和Mayr提出了獲得普遍認可的經典黑盒模型。此后，許多學者對黑盒模型進行了演繹和推導，進而提出了一些新的模型。當前，隔離開關電弧的數學模型多以黑盒電弧放電的數學模型或Toepler電弧模型為基礎進行改進，通過對電弧實驗數據的擬合來確定模型中的物理參數。

目前，對GIS隔離開關電弧放電的研究中，多是針對臨界擊穿電壓的測量或數值計算，而對于開關間隙擊穿過程的研究很少。擊穿過程也即電弧的形成過程，根據氣體擊穿理論的流柱理論，開關開斷過程中，擊穿總是由介質最薄弱那點引起，然后貫穿動靜觸頭之間，從而形成連貫的放電通道，導致間隙擊穿產生電弧。氣體的擊穿過程對于后續電弧的發展變化過程以及VFTO的陡度具有決定性的意義。當前在描述開關間隙“擊穿過程”的電弧弧模型的研究方面，比較有代表性有指數衰減模型、雙曲線模型、Toepler擊穿模型等。其中，指數衰減模型是由麥也爾電弧模型推導簡化而來，該模型可以基本描述電弧放電時的弧阻變化，用指數函數近似表示為：

式（1）中，τ=1ns為時間常數，r0=0.5Ω為靜態電弧電阻，R0=1012Ω為隔離開關起弧前電阻。該模型的擊穿延時約為30ns，擊穿延時是影響特快速暫態過電壓VFTO波形及特性的重要因素[4]，遺憾的是當前仍沒有有效的手段對該參數進行測量或計算，對擊穿延時的研究是VFTO領域一個重要的研究方向。

此外，電弧的熄弧過程也是影響VFTO特性的一個重要因素。對于電弧的熄滅當前存在兩種理論，即弧隙介質強度恢復理論和弧隙能量平衡理論。前者認為電弧放電是由于外加電場將間隙擊穿的結果，電弧的熄弧條件為電流過零后，弧隙介質恢復強度在任何時刻始終高于弧隙上的恢復電壓。后者認為電弧放電并不是電流過零后簡單的電壓擊穿，而是電路及弧隙之間能量平衡的性質。因此，電弧的熄滅條件為弧隙的輸入能量小于弧隙的散出能量。文獻[5]從252kV GIS的試驗中采集了大量的電流波形，從電流波形來看，高頻成分過零后，電流的振蕩趨勢并沒有變化，而是一直持續下去，直到其振蕩幅值不斷減小，漸趨于零。這說明隔離開關電弧并不是高頻過零熄弧，而是幅值趨于零才熄弧，進一步驗證了弧隙的能量平衡理論中的熄弧規律。進而可以用以下數學模型近似表達整個電弧放電過程[5]

式（2）中，R1表示擊穿前電阻；R2表示燃弧時電阻；τ1表示擊穿過程時間常數，τ2表示熄弧過程時間常數。R1一般取值1012Ω，R2一般取值在幾歐姆左右，具有一定的隨機性。τ1直接影響到VFTO波形及上升時間，τ2是由熄弧時間決定的，其值會影響VFTO的熄滅速度。當前對于τ1和τ2的取值仍僅憑經驗，缺乏進一步的試驗研究和理論計算，是科研人員一個重要的研究方向。

3.結論

本文主要探討了SF6氣體絕緣組合電器中隔離開關電弧放電過程，對當前隔離開關物理數學模型中存在的問題進行了分析，指出了今后研究過程中注意的問題和研究方向。

參考文獻

[1]劉振亞.特高壓交流輸電技術研究成果專輯（2010年）[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2]陳維江，顏湘蓮，王紹武，等.氣體絕緣開關設備中特快速瞬態過電壓研究的新進展[J].中國電機工程學報，2011，31（31）：1-11.

[3]Povh D，Schmitt H，Volcker O，et al.Modeling and Analysis Guideline for Very Fast Transients[J].IEEE Trans. on Power Delivery，1996，11（4）：2028-2035.

[4]劉教民，杜巍，李永剛，等.隔離開關電弧模型及參數對特快速暫態過電壓仿真結果的影響分析[J].華北電力大學學報（自然科學版），2013，40（3）：17-24.

[5]鄭記玲.252kV GIS中隔離開關電弧模型的研究[D].北京：華北電力大學，2012.