自能式空氣炮保護間隙快速熄弧裝置

羅屹豪，楊廷方，汪新秀，宋華偉，周西杰，劉云輝

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙410114; 2. 國網湖南省電力科學研究院，長沙410007；3. 國網湖南檢修公司，長沙410004)

0 引言

防雷間隙具有安裝簡單且免維護等特點，因而被廣泛使用[1 - 6]。但其空氣間隙滅弧能力差，往往會導致線路跳閘率較高。如果其間隙電弧被拉長、變得更細，或電弧的溫度降低，則電弧能夠被較快地熄滅。

目前我國的配電線路仍面臨著電弧難以被快速熄滅導致設備損壞和人員傷亡的重大問題，雖然配置了部分滅弧裝置，但都存在著熄弧速度較慢或使用次數有限的缺陷。文獻[7 - 9]通過改變配電線路滅弧裝置的斷口結構對電弧軌跡進行控制，利用特殊的空間多斷口結構迫使電弧多點截斷并產生高速氣流抑制電弧于初始發展階段；文獻[10 - 11]提出了利用滅弧氣丸爆炸時噴射的高速氣旋熄滅電弧，并通過爆炸散布的化學物質進一步抑制電弧重燃。文獻[12 - 13]則指出電弧產生的原因主要為電磁熱，由于高溫增大了空氣的電導率，使得電弧能夠持續燃燒。而文獻[14 - 15]采用磁流體力學原理模型分別對間隙電弧及負荷開關的旋轉電弧進行了動態仿真[16 - 20]。其電弧的動態特性仿真與實驗結果都有著很好的擬合。文獻[21 - 23]則研究了氣體在高溫、強磁場等特殊場合下的電離情況。

空氣炮又名空氣助流器，是利用壓縮氣體形成壓差從而噴出的可達一馬赫的高速氣團產生的巨大沖擊波進行清淤、破拆等作業，目前已廣泛應用于冶金、防火等領域[24 - 25]，取得了極好的效果，但在電氣領域應用甚少。本文設計了一種自能式空氣炮。該裝置利用線圈產生的強磁場電離空氣，讓空氣溫度上升并形成渦流，使炮膛和外界產生超過一個大氣壓的壓強差，從而驅使氣流以約200 m/s的速度噴射而出。高速氣流會迫使電弧形變并帶走大量熱量，迫使電弧在短時間內熄滅。

本文利用空氣在強磁場下電離產生的氣壓變化設計了新型空氣炮滅弧裝置，并用COMSOL仿真軟件對其進行了仿真模擬，發現其相較傳統裝置有更好的滅弧效果。本文的研究對于快速熄滅電弧、保證電能質量以及推動空氣炮在電力領域的進一步應用具有較大意義。

1 氣吹滅弧原理

輸電線路正常運行時，保護間隙的工頻電壓不足以擊穿空氣。但當雷擊發生時，間隙擊穿產生電弧，弧心溫度可達50 000 ℃。如果間隙電弧無法在短時間內熄滅，則會產生工頻續流，維持電弧繼續燃燒。此時電弧平均溫度超過3 000 ℃，而中心的溫度可達10 000 ℃[13]。

文獻[5,13]指出電弧的燃燒不僅僅是電流過零后電壓擊穿間隙引起的，還必須考慮整個弧隙間的能量平衡，即電弧輸入的能量不小于電弧喪失的能量。在輸電線路上，電弧的主要能量來源為工頻電壓的電場能。其能量喪失主要表現為熱輻射和熱對流，其中對流散熱占喪失能量的80%以上。輻射散熱公式如式(1)所示。

(1)

式中：rh為弧柱的半徑；Th為弧柱溫度；T0為環境溫度；εS為弧柱發射率。

電弧的對流散熱公式如式(2)所示。

(2)

式中：v為周圍氣流速度；d為電弧中心寬度。

對于式(1)，由于間隙空氣的電導率會隨著溫度的增加而上升，為工頻電壓的能量輸送創造條件。研究表明，35 kV工頻電壓激勵下的電弧溫度一般為4 000 ℃～7 000 ℃，當溫度低于3 000 ℃時，空氣電導率不足，工頻電壓難以向間隙輸送能量，電弧能量平衡被打破，無法維持穩定的形態，將會很快熄滅。

高速氣流能夠在極短時間內產生巨大的對流散熱，從而迅速降低電弧的內能。隨著溫度降低，電導率銳減，進一步阻礙了工頻電壓的能量輸入，從而迫使電弧熄滅。同時高速氣流也破壞了電弧的形態，將電弧拉長、變細，有效增強電弧等離子體的去游離作用[8]。二者共同作用，使得電弧能夠在短時間內熄滅。

2 傳統保護間隙仿真模型

為對比所安裝空氣炮保護間隙的滅弧能力，根據磁流體力學原理[16 - 20]，在COMSOL中先對傳統保護間隙進行建模仿真。傳統保護間隙閃絡模擬圖如圖1所示。

圖1 傳統保護間隙閃絡模擬圖Fig.1 Traditional protective clearance flashover simulation diagram

DL/T1293—2013中指出，復合絕緣子并聯間隙的間隙距離應在絕緣子高度的0.8～0.9倍范圍內。本文中采用的復合絕緣子型號為FXBW4-35/70，其高度為640 mm。因此保護間隙距離設置為520 mm。

在傳統間隙的電弧仿真過程中，設置工頻電壓幅值為35 kV，環境溫度為20 ℃，介質為空氣，周圍氣體流速設置為0(即無風)。使用物理場為層流、傳熱模塊、電流和磁場，并設置多物理場耦合為洛倫茲力、靜態電流密度、電磁熱和非等溫流動。設雷擊閃絡為0時刻，經仿真計算，傳統保護間隙電弧的仿真結果如圖2所示，時刻為t=2 ms。由仿真結果得到此時電弧中心的溫度維持在6 000 ℃左右，外層溫度超過了3 000 ℃，電弧中心寬度為8.65 mm。電弧在工頻電壓的激勵下開始穩定燃燒，后逐漸變弱，在36 ms時刻才最終熄滅。

圖2 電弧燃燒模擬圖Fig.2 Arc combustion simulation diagram

3 空氣炮仿真模型

3.1 空氣炮原理

通電線圈周圍會產生環繞的磁場，其磁場強度H和線圈的匝數、通過線圈的電流大小成正比，即：

(3)

式中：N為線圈匝數；I為通過線圈的電流大小；Le為有效磁路長度。而有效磁路長度可以表示為：

(4)

式中：Ve為有效體積；Ae為有效截面積。因而磁場強度可以表示為：

(5)

強磁場會使空氣電離。根據空氣離子方程組，可得：

(6)

(7)

N+=N-+Ne

(8)

式中：Se為電離源；A為電子附著到中性粒子上形成負離子的附著率；G為電子雪崩率；β為正離子和電子復合成中性粒子的復合系數；Γ為正負離子互相中和形成中性粒子的中和系數；Ne為電子濃度；N+為正離子濃度；N-為負離子濃度。根據式(6)—(8)以及仿真結果，得出空氣的電離程度與所處磁場的磁場強度有關，且磁場強度越高，空氣的電離程度越高。由于線圈的磁感線在靠近線圈的位置密集，在遠離的位置稀疏，磁場強度相差可達數百倍。因此靠近線圈處的空氣電離程度要遠遠大于線圈中心的。由于氣體電離，氣體分子密度下降，故氣壓會下降，即靠近線圈的氣壓會低于線圈中心的。當數個同極性的線圈相距不遠時，線圈的磁感線會變得平緩，能夠形成連續的強磁區域，即可以形成連續的低氣壓區域。且中間線圈的磁感線將變得密集，此處磁場強度最大，空氣電離程度也最高。線圈磁感線分布圖如圖3所示。

圖3 線圈組磁感線分布圖Fig.3 Magnetic induction line distribution diagram of coil group

3.2 空氣炮仿真模型

圖4 空氣炮結構圖Fig.4 Air gun structure diagram

根據上述理論設計出新型空氣炮滅弧裝置，該裝置簡要結構圖如圖4所示。利用COMSOL軟件構建空氣炮模型進行仿真，該模型為高17 cm，半徑為8 cm的圓柱體。圓柱體內部有一高12 cm，半徑為2.5 cm的圓柱形空腔。空腔上端和外界相連，連接處為半徑1 cm的光滑圓弧。線圈每3匝為一組，每匝線圈半徑為0.25 cm，匝間距離0.75 cm。每組線圈并聯連接，互相間隔為1.5 cm，等距排列，共3組。首個線圈距空腔底部3 cm。線圈半徑為3 cm，鑲嵌于圓柱中。圓柱材料設置為石英，該材料的相對磁導率為1、電導率為1.0×10-12S/m、相對介電常數為4.2。而線圈的材料設置為銅，電導率為5.998×107S/m，相對介電常數為1。為確保仿真的準確性，圓柱外圍設置為無限元域，材料選擇無雜質的空氣。模型圖詳見圖5。并將基準氣壓設置為一個標準大氣壓。將空氣炮模型串聯于保護間隙的接地端，距離保護間隙40 cm。正常情況下，保護間隙未被擊穿，線圈兩端無電壓。當閃絡通道形成后，工頻電壓施加在保護間隙兩端，短路電流流過線圈組。

圖5 空氣炮模型Fig.5 Air gun model

線圈通電形成磁場，其瞬時磁場強度圖見圖6。強磁場將會使周圍的空氣發生電離。此時靠近線圈處的離子濃度約2.8×105個/cm3。其中大部分帶電粒子會在離開炮腔后由于復合、擴散作用迅速去游離，且遠小于電弧燃燒時的離子濃度(可達1×109個/cm3)，因此基本不會對滅弧產生負面效果。

根據仿真結果，線圈通電后，空氣電離，尤其是靠近線圈處的氣壓不斷降低，線圈中部的氣壓相對于靠近線圈處的氣壓不斷增大，在t=1 ms時刻左右形成的壓強差可達1 kPa。同時，由于腔底的磁場強度較小，空氣的電離程度不大，因此形成了局部高壓區，使吸入的空氣形成渦流。空氣不斷從低壓區吸入，并積聚在高壓區，此時在空氣炮炮口附近處氣流速度可達25 m/s。隨著磁場強度的增加，氣體電離加劇，低壓區的氣壓不斷下降，范圍不斷延伸。最終在t=2.4 ms時刻達到臨界狀態，此時最大壓強差可達60 kPa。隨著外界氣體進一步被吸入，高壓區的氣壓上升，臨界狀態被打破。當t=2.5 ms時，腔內的氣體被高速噴出，最高速度可達200 m/s。當t=7 ms時，直徑5 cm的高速氣團抵達保護間隙氣隙中，此時氣團的平均速度可達120 m/s。高速氣團猛烈沖擊電弧，使電弧被沖細變形，易于熄滅。電弧中心寬度由8.65 mm(d1)縮減至2.2 mm(d2)。電弧粗細如圖7所示。

圖6 磁場強度分布Fig.6 Magnetic field intensity distribution

圖7 電弧粗細對比Fig.7 Arc thickness comparison

圖8 電弧溫度對比Fig.8 Arc temperature comparison

同時，高速氣團還帶走了大量熱量，使電弧在1 ms時間內，溫度降低至2 200 ℃，僅為無高速氣流團時的1/3，如圖8所示。由于高速氣團噴出，間隙電弧不僅溫度降低，而且會變細，這兩方面因素，使得間隙電弧最終在高速氣團噴出后2 ms時間內熄滅。考慮電弧噴射所需時間，整個滅弧周期僅約為10 ms。

目前市面上的繼電保護裝置動作時間一般在20 ms，因而該新型保護間隙能夠很好地降低雷擊跳閘率。整個高速氣團的熄弧過程如圖9—10所示。

而當電弧熄滅后，線圈兩端的電壓消失，炮腔內的磁場強度迅速降低，氣壓也逐漸恢復，在約3 ms時間內恢復至初始狀態，完成自充。

圖9 噴射過程氣壓圖Fig.9 Pressure diagram during injection

圖10 噴射過程速度圖Fig.10 Jet process velocity diagram

3.3 影響空氣炮滅弧效率的相關因素

3.3.1 溫度

空氣炮產生的主要原因為空氣電離。而溫度在一定程度上會影響空氣的電離效果，但在正常工作情況下的影響不大(初始工作環境溫度需要超過100 ℃才會有明顯的影響)。整個工作過程中裝置的最高溫度僅為103 ℃。且主要溫升物質為空氣，因而可以通過追蹤溫度來觀察氣體的大致流向。其在t=5 ms時刻的溫度如圖11所示。由圖11可以看到，高速氣流從炮口被噴射而出，此時氣體的溫度僅為70℃，遠遠小于電弧的溫度，因而能夠依靠熱對流帶走電弧的大部分熱量，達到降低溫度的效果。

圖11 溫度圖Fig.11 Temperature figure

3.3.2 線圈

根據式(5)可知，當炮膛內徑(即線圈半徑)不變時，由于每匝線圈的半徑為0.25 cm，有效體積的增量要遠大于匝數的增量，因此隨著線圈匝數的增加，磁場強度反而會下降。這樣空氣的電離程度也會隨之降低，導致噴射氣體的初速度大幅度降低。當在一定范圍內減少線圈的匝數，則磁場強度增大，但低壓區域變得不規則，嚴重影響渦流的形成，甚至導致氣體無法噴出。

而當線圈的位置過于靠近腔底，由于氣體的主要來源為腔外，會導致吸氣效率下降，推遲噴射的時間。而當線圈的位置過于接近腔口時，則會導致腔口出現超聲速氣團。此時空氣的特性從不可壓縮流動變為可壓縮流動，會導致局部氣壓突變，嚴重影響渦流的形成。

表1為不同線圈位置和數量的空氣炮的噴氣時間和初速度的仿真結果。

表1 線圈不同位置和數量的噴氣時間和初速度Tab.1 Air injection time and initial velocity at different positions and quantities of the coil

經過測試，線圈組數量為3、線圈距腔口1.5～2 cm時滅弧效果最好。

3.3.3 外殼材料

通過測試，發現外殼材料的磁導率對空氣炮的噴射時間和氣流初速度有較大的影響。本文分別測試了相對磁導率為0.25、0.5、1、2、4的外殼材料，發現隨著磁導率的增加，炮腔內的磁場強度增大，噴射時間提前，氣流初速度提升。但磁導率超過一定值時，會在炮腔外也形成強烈磁場，導致氣壓區紊亂，反而會削弱氣流速度，甚至導致氣流無法噴出。經過測試，選擇相對磁導率為1～2的外殼材料的滅弧效果最好。

3.3.4 電壓周期

工頻電壓的周期為0.02 s，半周期為10 ms。工頻電壓的大小直接決定了線圈磁場大小。在仿真測試中，發現空氣炮的噴射周期為9 ms，基本接近工頻電壓半周期。

考慮最不利的情況：發生雷擊時，工頻電壓正好減少至噴射臨界值，此狀況下需多花費約1/6周期的時間才能正常噴射，即滅弧時間為13.33 ms，仍小于繼電器動作時間。因此，該新型保護間隙具有極高的可靠性。

4 現場實驗

為驗證仿真的正確性，進行了雷電沖擊過電壓對照實驗來進行比較，實驗接線圖如圖12所示，現場實驗裝置如圖13所示。

T—高壓試驗變壓器；Rd—變壓器串聯電阻；Rm—直流電阻分壓器；Cb—倍壓回路電容；Re—充電保護電阻；R—調波電阻；Rb1、Rb2—工頻電路保護電阻；D—整流硅堆；C—主電容器；L—調波電感。圖12 實驗接線圖Fig.12 Wiring diagram for experiment

圖13 現場實驗圖Fig.13 Field experiment diagram

實驗結果如表2所示。由表2可以看出，新型保護間隙的電弧能夠在14 ms內被熄滅，遠小于傳統保護間隙熄弧時間，最大只有傳統保護間隙熄弧時間31.8%。目前多數繼電保護裝置最快動作時間在20 ms左右。因此新型保護間隙可以大大降低線路的跳閘率，減少了停電損失。

表2 雷擊過電壓實驗結果Tab.2 Lightning overvoltage test results

5 結論

空氣炮目前僅應用于消防滅火、清污以及電站的管道疏通。本文將空氣炮原理應用于線路間隙滅弧，提出了在保護間隙旁加裝自能式空氣炮。該設計利用電離產生的氣壓變化，使空氣炮噴射出高速氣團，迅速帶走間隙電弧溫度，并使電弧變細，從而加快熄滅。

1)空氣炮噴射而出的氣團速度快，能夠沖擊間隙電弧，迅速帶走其熱量并使之拉長變細，從而加快電弧的能量喪失，迫使其熄滅。

2)實驗結果表明，該改進型保護間隙的電弧的熄滅時間遠小于傳統保護間隙熄弧時間，最大只有傳統保護間隙熄弧時間31.8%。同時類比當前市面上的滅弧方式，該裝置具有自能性、性價比高的特點。

3)新型自能式空氣炮能夠在完成滅弧后的短時間內重新完成自我充氣，為下一次滅弧做準備，一定程度上能減少維護次數，從而減少人工成本。

4)仿真模型和現場試驗是在空氣中雜質較少、濕度較低的情況下進行的，裝置運行的環境較為穩定，受到的外界干擾小。但在惡劣天氣情況下，該裝置的工作效率會受到一定影響，仍需繼續改進。且文章使用的電弧模型的輸入電壓為35 kV，若將該設備應用于10 kV或更低電壓等級的線路上，可能會由于磁場強度不夠而無法產生電離。而若應用于更高電壓等級的線路，考慮到保護間隙更寬、電弧燃燒更劇烈，該裝置單次噴射的氣體量有限，可能會難以熄滅電弧，仍需作進一步改進。