配網線路新型滅弧裝置熄滅工頻電弧的仿真與試驗研究

2022-08-16 01:58:22唐佳雄王國鋒徐宇恒張清河龐智毅

電測與儀表 2022年8期

唐佳雄，王國鋒，徐宇恒，張清河，龐智毅

(廣西大學電氣工程學院，南寧 530004)

0 引言

雷電一直是危害電網運行安全的重大因素，據不完全統計，目前因雷擊導致的電網事故在我國沿海省份占了一半以上[1]。往往一次雷暴就可造成地區級電網數百次線路跳閘，嚴重危害當地電網運行安全，給當地社會帶來巨大經濟損失[2-3]。

目前配網線路主要采取降低接地電阻、安裝避雷器、加強線路絕緣和耦合地線等各種傳統手段將雷害最小化，但是所取得運行的效果不是很理想[4]。上個世紀60年代國外學者提出了一種基于“疏導型”思想的在絕緣子串旁安裝并聯間隙的防雷保護方式，但工頻電弧會在保護間隙電極末端多次燒蝕會造成絕緣配合失靈和不能熄滅工頻電弧等問題使其無法大面積在電網推廣使用[5]。近些年國內外學者在并聯間隙的基礎上研發了帶有主動滅弧功能的滅弧裝置，主要包含有：利用電弧自身高溫烘烤有機高分子材料產生高速氣流熄滅電弧的多腔室防雷器[6]；利用裝置內部特殊的化學材料而產生高速氣流瞬時滅弧的管式避雷器[7]；利用雷電脈沖信號觸發滅弧氣丸而產生爆炸強氣流熄滅電弧的滅弧裝置[8]；利用磁場力拉長電弧并截斷電弧的滅弧裝置[9]。但上述滅弧方式存在受滅弧次數的限制、會產生有毒氣體危害環境、結構復雜、造價昂貴等缺點。

綜上所述，現目前存在的防雷手段不能夠完全滿足輸配網線路可靠運行的要求。因此為了保證雷擊線路工況下輸配網線路能夠正常運行，筆者研發了一種能夠快速熄滅工頻電弧的10 kV電壓等級多斷口滅弧防雷裝置。此裝置利用高壓電極誘導電弧進入壓縮管內，壓縮管對雷電弧進行強制性物理壓縮，電弧徑向斷裂形成多個折斷點，實現對工頻電弧發展過程中的多重截斷，然后通過雷電弧自身能量產生高速噴射氣流切斷后續能量補給，將電弧熄滅。

文中首先對多斷口滅弧防雷裝置結構、滅弧原理進行了詳細的分析；通過利用COMSOL Multiphysics仿真軟件對高速氣流滅弧過程進行仿真模擬；其次在實驗室內搭建了沖擊閃絡和工頻續流的聯合試驗回路，進行了滅弧試驗；最后根據現場運行數據分析了該裝置的防雷效果，證明了該裝置的實用性和有效性。

1 多斷口滅弧防雷裝置防雷保護原理

1.1 多斷口滅弧防雷裝置結構分析

多斷口滅弧防雷裝置示意圖如圖1所示，該裝置主要包括高壓電極、絕緣傘裙、陶瓷壓縮管(滅弧室)和接地電極。其中高壓電極由石墨組成。多斷口滅弧防雷裝置主體長度為18 cm，絕緣傘裙長度為12 cm，接地電極尺寸可根據不同型號絕緣子的高度進行設計。陶瓷管的外徑為8 mm，內徑為6 mm，長度為25 mm，共有8根陶瓷管。并且每根陶瓷壓縮管內部均設有導電極，導電極長度為3 mm，導電極是通過庫侖力約束作用控制工頻電弧運動路徑，使其能夠進入滅弧室內部。如圖2所示，該裝置內部的整體滅弧單元是由一系列陶瓷壓縮管通過類似空間螺旋式結構相連接而成的，相鄰陶瓷壓縮管轉折點與空氣接觸處形成斷口結構，并且相鄰兩管角度為60°，使電弧通過兩相鄰陶瓷管的轉折點處更易斷裂。

圖1 多斷口滅弧防雷裝置示意圖

圖2 滅弧單元空間示意圖

1.2 電弧熄滅原理

多斷口滅弧防雷裝置安裝圖如圖3所示。多斷口滅弧防雷裝置通過必要的金具與絕緣子并聯安裝，并根據不同型號絕緣子的高度通過上下調整多斷口滅弧防雷裝置與金具之間相連接的螺母，從而使裝置與高壓絕緣導線之間的空氣間隙距離保持在8 cm，以滿足絕緣配合需求。

圖3 多斷口滅弧防雷裝置安裝示意圖

當雷擊線路時，由于多斷口滅弧防雷裝置的絕緣水平低于絕緣子串的絕緣水平，故雷電過電壓首先擊穿裝置與絕緣導線之間的空氣間隙，電弧優先在該裝置側發生閃絡。多斷口滅弧防雷裝置內的高壓電極(由石墨組成)具有良好的導電性能，能夠通過庫侖力約束作用迅速誘導電弧進入其特定的約束滅弧單元內(由一系列陶瓷壓縮管組成)。由于電弧在空氣間隙擊穿瞬間就被誘導至裝置內部，并且絕緣導線外層包裹有絕緣層，所以裝置能夠保護絕緣導線免于電弧燒損[10]。電弧進入滅弧單元后在多斷口結構的作用下將電弧分解為多個相串聯的短電弧。同時短電弧在每個陶瓷壓縮管的有限空間擠壓下產生機械壓縮效應，電弧從自由形態向壓縮形態轉化，電弧半徑減小。同時高溫電弧與陶瓷壓縮管冷室壁相接觸過程中，由于兩者之間存在巨大的溫差，從而產生冷卻壓縮效應，電弧能量以熱傳導的形式快速喪失，電弧外圍大量導電粒子失去導電性，電弧表面溫度急劇下降，從而弧柱半徑進一步減小。

根據以上分析可知，可將滅弧單元內的電弧視為多個小電弧電流元串聯而成，并通過有限元分析法對電流元進行受力分析，從而推導出影響電弧自磁壓縮效應的因素[11]。

電弧弧柱單元體力的平衡方程：

(1)

式中P為電弧軸向壓力；jz為軸向電弧電流密度；BΦ為電弧自身磁場強度。

由于電弧弧柱是柱對稱的，根據安培環路定律得：

∮lB·dl=μ0∑I

(2)

式中μ0為真空磁導率；ΣI為閉合回路中所有單元電弧電流之和；l為弧柱回路中積分半徑的長度。

又因為式(2)中B與dl為同方向，且|B| =BΦ，在回路中保持常量，所以對式(2)簡化，并積分得：

(3)

將式(3)代入式(1)中，計算可得：

(4)

將式(4)右移，計算可得：

(5)

把電弧軸向壓力P從弧徑處向弧柱內部積分，弧柱邊緣處壓力應為P0，得：

(6)

將式(6)簡化可得：

(7)

由電弧電流密度計算公式得：

(8)

式中ri為電弧半徑。

則將式(8)代入式(7)中，經計算可得：

(9)

式中 ΔP(r)為電弧自磁壓縮效應在弧柱半徑r處的壓力差。

由式(9)可知，電弧弧柱受到壓力與弧電流的平方成正比，與弧半徑的平方成反比。因此當電弧進入陶瓷壓縮管后，在機械壓縮效應和冷卻壓縮效應作用下電弧的半徑減小，電弧弧柱壓力增大，使電弧自磁壓縮效應增強，電弧半徑進一步減小，電弧形態將變得細長，這使得工頻電弧更易于熄滅。

由上述分析可知，電弧進入滅弧室后在三重壓縮效應作用下，電弧已經被極度壓縮，但是弧柱中心溫度越來越高，電弧已經發展為高溫高密度熱源。伴隨著電弧能量通過熱對流和熱傳導的方式向滅弧室不斷釋放的同時，滅弧室內的溫度和壓強急劇升高，空氣密度不斷下降，并通過磁抽吸不斷從滅弧室外抽吸大量新鮮空氣補充到管道剩余的空間，大量氣體集聚在滅弧室內。同時滅弧室內外形成巨大的溫度和壓強雙重梯度差，空氣不斷膨脹形成高速噴射氣流，氣流不斷作用于電弧，電弧中的導電粒子復合和擴散作用大大加強，電弧中的大部分導電粒子與空氣完成交換變為絕緣介質，電弧能量不斷降低，最終在高速氣流作用下將電弧被全部噴射出滅弧室，電弧完全熄滅。

2 仿真設計

2.1 仿真參數設定及邊界條件

利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件搭建了多斷口滅弧防雷裝置的二維幾何結構仿真模型，如圖4所示。圖4中：1為高壓電極；2為導電極；3為陶瓷壓縮管(滅弧室)；4為斷口結構；5為外部空氣；6為低壓電極。仿真采用瞬態分析，仿真時間步長設置為0.05 ms，仿真周期為10 ms，即半個工頻周期，并采用全耦合求解器運算。將電弧及空氣流動區域網格劃分為極細網格，邊界層采用三角形網格，即用以提高了仿真收斂性。

圖4 二維仿真模型

仿真參數及邊界設定如下：外部空氣流動設定為層流，且空氣溫度設置為295 K，壓強設置0.1 MPa；高壓電極、低壓電極及導電極的恒壓熱容為800 J/(kg·K)，導熱系數為192 W/(m·K)，邊界溫度設為300 K，固體電極邊界設置為無滑移；箭頭1(即高壓電極處)為電弧入口；陶瓷壓縮管管壁處于常溫(295 K)；斷口結構均為氣流的出口，斷口處溫度邊界為300 K，電弧熱量通過傳導、對流和散熱三種方式散失，其中斷口結構間的氣流與電弧交換過程中的對流散熱是電弧能量主要散失方式。

2.2 仿真結果及分析

圖5為滅弧室內氣流速度云圖。如圖5(a)～圖5(b)所示，t= 0 ms～0.1 ms，線路發生雷擊后多斷口滅弧防雷間隙吸引早期工頻續流電弧進入其裝置內部，工頻電弧被裝置內部特殊的空間螺旋排布結構同步截斷，同時電弧不斷向滅弧室釋放巨大焦耳熱，使得滅弧室空氣受熱急劇膨脹而產生高速氣流并同時作用于多段小電弧，氣流速度在0.1 ms時刻即可達到1 400 m/s，如此強大的高速氣流遏制工頻續流電弧初始發展階段，這為后續熄滅工頻電弧提供了極為有利的條件；如圖5(c)～圖5(e)所示，t=0.3 ms～0.8 ms時滅弧室內氣流速度不斷下降，說明電弧在高速氣流的作用下，加快了弧道中高溫帶電粒子向周圍低溫空氣介質中擴散，將電弧中的大部分帶電粒子吹到滅弧室之外，電弧能量不斷的衰減。并且在斷口處的高速氣流和外界空氣形成對流，使電弧與空氣介質的接觸面增大，改善了電弧的散熱條件，從而增強了電弧中離子的復合和擴散過程，加速了電弧熄滅；t=1 ms時氣流與電弧的耦合過程已經停止，但氣流速度已經最高還可達60 m/s，氣流維持時間越長對于徹底熄滅電弧越有利，并且存在的氣流能夠切除工頻電弧通道能量的注入，防止電弧重燃。

圖5 氣流速度分布云圖

圖6為滅弧室內溫度云圖，它能更好地展示在高速氣流作用下電弧能量的變化過程。如圖6(a)～圖6(b)所示，t=0 ms～0.1 ms時電弧進入滅弧室后在三重壓縮作用下已經發展成為高溫高密能量體，電弧通過以對流散熱的方式將能量傳導至滅弧室內，滅弧室內的空氣溫度從295 K迅速攀升至14 000 K，此時滅弧室內的空氣受電弧對流散熱的影響下體積迅速增大，并產生了徑向氣流，然而由于受到陶瓷壓縮管內壁的壓力，徑向氣流發展成為軸向氣流，工頻續流電弧此時尚處于“萌芽階段”，強氣流破壞了電弧的成長；如圖6(c)～圖6(f)所示，在強氣流不斷沖擊工頻電弧下，加速了電弧介質由電離導通態變為絕緣介質的游離過程，促使弧隙中正離子和自由電子大量減少，電弧溫度不斷下降，高速強氣流攜帶大量電弧熱等離子體向斷口外噴射，帶走電弧大量的熱量，電弧溫度在0.8 ms時已經下降至6 000 K；t=1 ms時電弧已經被氣流完全的噴出滅弧室，滅弧室內溫度下降至550 K，電弧已經熄滅。并根據交流電弧過零理論，電弧熄滅后由于存在熱慣性，電弧溫度維持在較高的數值，弧隙中還存在一定的導電性能，在外加電壓下電弧仍可能重燃。所以持續存在的氣流可以將滅弧室內盡可能殘余的導電粒子完全置換為絕緣介質，從根部上防止其重燃。

圖6 溫度分布云圖

3 試驗驗證

3.1 試驗準備及步驟

為了真實模擬雷擊線路工況下空氣間隙被擊穿閃絡形成工頻續流電弧后，多斷口滅弧防雷裝置迅速啟動滅弧機制，快速熄滅電弧的過程。根據IEC 60060-1：2010標準相關規定, 搭建了沖擊閃絡試驗與工頻續流試驗兩者相結合的試驗回路[12]，試驗回路圖如圖7所示，圖7中：L1是振蕩電感；L2是限流電感；C1是電容；K1是振蕩支路開關；Ug是沖擊電源；H是高速攝像機；D是高壓電極；M是多斷口滅弧防雷間隙；J是絕緣子串。試驗回路主要由工頻電源回路、同步控制回路、沖擊電源支路和試品支路四個部分構成。其中工頻電源回路由振蕩電感L1、限流電感L2、充電電容C1和振蕩支路開關K1組成，該回路利用LC串聯諧振原理能產生頻率為50 Hz的正弦波形工頻電壓和工頻續流[13-14]；同步控制回路是通過采集工頻電源回路輸出的振蕩信號，觸發沖擊電壓發生器動作，從而實現沖擊閃絡試驗和工頻續流遮斷試驗在時間上的同步進行；沖擊支路是由沖擊電壓發生器Ug組成，它可產生標準的1.2/50 μs的雷電沖擊波；試品支路主要由絕緣子J、滅弧防雷裝置M和高壓電極D組成，其中使用電極代替高壓導線。

圖7 聯合試驗回路圖

本次實驗試區大氣條件為：P=96.60 kPa,T=28.4 ℃，RH=74%。實驗具體步驟如下：(1)調整多斷口滅弧防雷裝置與電極之間的空氣距離，以滿足絕緣配合要求；(2)對充電電容C1充電至所需放電電壓；(3)沖擊電壓發生器充電至1.2/50 μs的峰值電壓；(4)閉合工頻電源回路的振蕩支路開關K1，振蕩電感L1和充電電容C1之間進行能量交換，產生工頻電壓和工頻電流；(5)同步控制回路提取工頻電源回路產生的振蕩信號后并同步觸發沖擊電壓發生器，沖擊電源輸出1.2/50 μs的沖擊電壓至滅弧裝置與電極間的空氣間隙，沖擊電壓瞬間擊穿空氣間隙后形成工頻電弧，多斷口滅弧防雷裝置立即動作將電弧熄滅；(6)在將工頻電壓施加在裝置兩端，經檢測發現電弧并未重燃。

3.2 試驗結果

試驗過程中使用高速攝像機記錄下電弧熄滅的全過程，如圖8所示。從圖8(a)和圖8(b)中可以看出：電弧進入裝置后，在強氣流作用下，裝置內電弧產生壓爆效應，大量電弧被噴出滅弧室，此時尚在“萌芽期”的工頻續流被氣流強烈抑制；從圖8(c)可以看出電弧已經被其空間結構強制多點截斷，電弧形態已經出現明顯的變化，電弧能量大幅度削減，強氣流促使電弧拉長、擴散、變形、冷卻，電弧弧柱通道并被強氣流摧毀；從圖8(d)可以看出電弧在氣流的持續作用下，由于無法得到后續工頻電弧能量的補充，此時電弧的介質恢復過程加快，電弧能量已不能維持其穩定燃燒，電弧基本熄滅。

圖8 高速氣流熄滅電弧全過程

圖9為通過裝置的工頻電流波形和裝置兩端的工頻電壓波形。圖9中：通道CH1為裝置兩端的工頻電壓波形，通道CH2為流過裝置的工頻電流波形。從圖9中可以看出：沖擊發生在工頻電壓的零相位時，裝置與電極間的空氣間隙被瞬間擊穿后，裝置流過工頻續流，續流持續時間大約2 ms～3 ms，續流峰值達1 kA。裝置將工頻續流切斷后，隨即將工頻電壓施加于多斷口滅弧防雷裝置兩端，電弧并未重燃。

通過以上分析，工頻續流遮斷時間約為2 ms～3 ms，而仿真滅弧時間為1 ms，兩者存在較小的時間誤差，其原因為：仿真中電弧近似理想狀態，忽略許多外在條件的影響，并未考慮熱浮力和空氣阻力的影響。而試驗中會存在許多不確定的因素，電弧會受到熱浮力和空氣阻力的影響，還會受到試驗現場各種因素的限制，所以試驗中滅弧時間比仿真時間更長。但兩者時間都遠小于繼電保護響應時間，都能夠避免線路停電事故的發生。

圖9 工頻續流遮斷波形

4 運行效果

我國沿海地區某條輸電線路路徑地處雷電活動頻繁區域，雷擊事故高居不下，大量桿塔建在高山上，接地電阻難以降低，通過常規方法很難再進一步提高線路耐雷水平，該地區的雷電活動嚴重威脅電網正常運行和用戶生產的需要。

根據運行數據顯示：該條線路于2014年落雷密度為4.75 km2·a，雷擊跳閘次數為6次，2015年落雷密度為4.62 km2·a，雷擊跳閘次數為8次，如表1所示。2016年初對該條線路進行防雷改造，全線安裝了多斷口滅弧防雷裝置。根據安裝裝置后的運行數據顯示：2016年～2018年間多斷口滅弧防雷裝置已經多次成功動作，該條線路雷擊跳閘次數大幅度下降，裝置對配網線路保護的防雷效果十分凸出。