基于氣吹原理的一體化防雷間隙快速滅弧方法

周慧康，楊廷方，羅屹豪，易維，謝澤龍，王潤璞，單淞譯

（1. 長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410114；2. 國網湖南省電力有限公司，長沙 410118）

0 引言

雷擊易導致架空線路絕緣子串燒壞以及線路跳閘，嚴重影響了電力系統的供電可靠性。傳統防雷措施是在絕緣子串兩端安裝并聯保護間隙，其結構簡單，安裝方便且經濟性高。雷擊時并聯間隙被先于擊穿，間隙放電釋放雷電能量［1］。在國外并聯間隙裝置被應用于66~154 kV 等級電壓的架空線路。我國也研制了不同電壓等級的并聯間隙防雷保護裝置，但其自熄弧能力較差，須配合線路自動重合閘使用，否則雷擊閃絡后所產生的工頻續流電弧易導致斷路器跳閘［2-3］。因此提高并聯間隙的熄弧能力十分必要。

為提高間隙快速熄弧的能力，降低線路跳閘率，目前國內外學者提出了不同的方法和研究。文獻［4］利用具有非線性電阻特性的氧化鋅電阻片緩沖滅弧。文獻［5-6］應用磁吹原理通過線圈改變電弧所受電磁力，拉長和旋轉電弧，減小電弧半徑，達到滅弧目的。文獻［7］設計了一種自能式空氣炮壓縮電離空氣進行橫吹滅弧。文獻［8］利用雷電能量引爆特質的滅氣丸進行噴氣滅弧。文獻［9-10］利用多斷口短間隙滅弧，將電弧分割壓縮，加快耗散電弧能量達到快速熄弧的效果。

為探究更快的間隙熄弧方法，本文提出了一種基于氣吹原理的一體化防雷間隙裝置，并且基于磁流體動力學原理（magnetohydrodynamics，MHD）對間隙電弧進行仿真，利用有限元仿真分析軟件搭建了該裝置模型分析了間隙電弧熄滅的能量消損過程。實驗結果表明，該防雷間隙裝置可以在快速響應雷擊閃絡后依靠內部的磁能氣吹裝置噴射出高速高壓氣流，主動快速地熄滅雷電擊穿后因工頻續流而引起的穩定電弧，可使整個滅弧過程在5 ms內完成。從而保護絕緣子串和輸電線路，提高電網供電可靠性。

1 間隙電弧的工況分析

電弧是一種高溫的等離子體，其內部充斥著劇烈的粒子碰撞而產生大量的帶電粒子［11］。放電氣體滿足局部熱力學平衡（local thermodynamic equilibrium， LTE）的條件，其反映放電氣體的電導率、恒壓熱容、粘性系數、導熱系數、輻射散熱、對流散熱等物理量均為溫度的單值函數［12-13］。因此，可以建立電弧在LTE條件下的電磁場以及流場的耦合方程，考慮穩定電弧的熱力平衡狀態，弧柱區域通過輻射消耗的功率與溫度直接相關［14-17］，由Navier-Stokes 方程和Maxwell 方程可得其能量平衡方程如式（1）—（2）所示。

式中：ρ為密度；v為速度矢量；T為溫度；t為時間變量；Cp為常壓熱容；k為熱傳導率；Q為等離子體熱源；kB為玻爾茲曼常數；e為電子電荷；E為電場強度；J為電流密度；Qrad為總體積輻射系數。

其控制方程為：

1）質量守恒方程

2）動量守恒方程

式中：u為速度分量；P為壓強；I為單位張量；K為波矢，K= 2π/λ（λ為波長）；μ為動力粘度；F為洛倫茲力。

3）等離子體麥克斯韋方程組

式中：A為磁矢位；μ0為真空磁導率，其值為4×10-7H/m；B為磁場強度；δ為電導率。

基于磁流體動力學原理在有限元仿真平臺中搭建傳統并聯間隙模型，在模型中將并聯間隙極間距離設置為300 mm，電極材料為內置的銅，其電導率為5.998×107S/m，相對介電常數為1 F/m；上電極為電流終端，注入工頻電流，下電極為接地端，有限元計算區域為長300 mm、寬500 mm 的空氣域，考慮電場、磁場、流體傳熱和層流4 個物理場的耦合搭建間隙電弧仿真模型。傳統并聯間隙電弧動態仿真如圖1所示。

圖1 電弧穩定燃燒Fig. 1 Stable combustion of the arc

25 ℃標準大氣壓下當t=0 ms 時發生雷擊閃絡，保護間隙先于絕緣子串被擊穿，間隙產生電弧通道將雷電流泄入大地，雷電沖擊結束后工頻續流維持電弧繼續燃燒；當t=0.3 ms左右電弧弧柱溫度可達12 000 K 左右，后續電弧難以自行快速熄滅，燃燒持續時間較長，容易引起繼電保護裝置動作、斷路器跳閘，使得線路跳閘率升高。

2 一體化防雷間隙仿真建模分析

2.1 一體化防雷間隙工作原理及滅弧原理

該一體化防雷間隙基于氣吹滅弧原理工作，在短時間內利用線圈產生的電磁能推動磁塞壓縮空氣，將電磁動能和空氣壓力能轉化為空氣射流動能，利用噴射出的高能氣流作用于間隙弧根部分，降低電弧溫度，截斷弧根，達到滅弧目的。由于磁力線具有收縮性，線圈對于處在它內部的磁塞具有強大的電磁力作用，而線圈產生的磁吸力大小與磁力線穿過磁極的總面積及氣隙中的磁感應強度的平方成正比［18-19］。假設磁感應強度沿磁極表面是均勻分布的，由麥克斯韋公式可得磁吸力的大小為：

式中：F為電磁吸力；S為磁極面積；B為磁感應強度；?δ為交變磁通量。

其中：

式中?m為交變磁通的幅值。

代入式（10）可得：

整理得：

考慮整個熄弧過程時間以毫秒計入，故上式中t在半個周期內波動。式（13）中第一項為恒定分量，第二項為交變分量，F隨t的增加而變大。

由運動學方程可知，運動的磁塞在腔體內的運動方程可描述為：

式中：M為內置磁塞質量；p為磁塞的最大位移距離；D為阻尼系數；v為磁塞運動速度；Fz磁塞所受電磁力的大小；kp為磁塞復位反制力。

雷電流釋放后，工頻續流繼續流過間隙，裝置中線圈導通，電磁力助推磁塞壓縮空氣，噴射出高速高壓氣流作用于弧根，提高了電弧區的壓力，可以快速帶走殘余的游離氣體。一方面加快了電弧的對流散熱，迅速降低弧柱的溫度；另一方面可以直接截斷弧根，切斷電弧燃燒通道［20-23］。

由于焦耳熱效應的存在，引起電弧熱等離子體溫度升高的主要因素是能量守恒式中的焦耳熱項，當電流密度增大時，焦耳熱引起的溫度變化越大。電弧能量Ps由電弧的焦耳熱提供，電弧能量的發散有輻射、對流和傳導3種途徑。

當電弧穩定燃燒時，電弧能量達到動態平衡，即：

式中Pf、Pd和Pc分別為輻射、對流和傳導的能量。當受到強氣流作用時，電弧能量因對流而消耗大幅增加，此時有：

若電弧能量失去平衡電弧則不能穩定燃燒。與此同時電弧的熄滅過程是個去游離過程，強氣流作用會增加電弧的擴散去游離，當去游離作用大于電離作用時電弧燃燒逐漸減弱，直至熄滅。因此，經分析證明，利用此方法產生的強氣流作用于電弧可以快速有效熄弧。

2.2 裝置模型仿真

傳統的并聯間隙通常安裝在絕緣子串兩端，包括高壓電極和接地電極。發生雷擊時強大的雷電沖擊電流將擊穿間隙間的空氣，此時會在并聯間隙兩電極間產生一個導電通道，短路電流流經高壓電極、導電通道、接地電極，最終流入大地。雷電流釋放后穩定的工頻電弧將繼續燃燒，易引起雷擊跳閘率升高，也會灼燒導線引起斷線事故，同時減少并聯間隙壽命。

因此本文為探究更快的滅弧方法設計了一種一體化防雷間隙防雷裝置，該裝置由磁能氣吹裝置、外間隙、內間隙組成，外間隙將裝置本體與高壓電極隔開，接地電極串聯磁能線圈同氣吹裝置連接，其與線路的安裝示意圖如圖2 所示。雷電沖擊過后，內、外間隙被同時擊穿，雷電流被釋放后，工頻電流繼續流過內、外間隙，內間隙線圈導通，磁能氣吹裝置動作，通過電磁力推動磁塞運動壓縮腔內空氣，腔內氣壓迅速增加，高壓氣體從噴口噴出直接作用于內間隙電弧，迅速增大電弧對流散熱，以截斷工頻續流。

圖2 一體化氣吹防雷間隙裝置安裝示意圖Fig.2 Sketch diagram of Installing integrated air blowing lightning clearance device

下面主要以磁能氣吹裝置動作狀態為分析對象，分析其對于間隙電弧的熄滅效果。在有限元仿真分析軟件中搭建該裝置模型，滅弧結構主要由磁能氣吹裝置組成，包括上下兩電極、產氣腔室、磁能線圈以及磁塞。在模型中設置弧隙距離為300 mm，電極材料為銅，其電導率為5.998×107S/m，相對介電常數為1，導熱系數為400 W/（m·K），腔體外保護材料為石英材料，相對磁導率為1，電導率為1×10-12S/m。磁能線圈與下電極串聯，接入電流終端，上電極為接地端，產氣腔室為高375 mm、寬150 mm 的柱形腔體，并且腔室上方開有內徑30 mm 的圓環噴氣孔，磁塞高為35 mm，寬為120 mm，嵌入柱形腔體內部，線圈匝數為20匝，每匝線圈半徑為5 mm，匝間距離為3 mm，有限元計算區域為長300 mm、寬500 mm 的空氣域，建立電場、磁場、流體傳熱和層流4 個物理場的耦合，其仿真模型如圖3所示。

圖3 磁能氣吹裝置Fig. 3 Magnetic energy air blowing device

當閃絡通道形成后間隙中形成穩定工頻電弧，此時磁能氣吹裝置導通開始動作，磁能線圈隨即流過相同大小的工頻續流。針對不同雷電流沖擊下引發后續工頻續流大小的值差異性，本文研究對象所取工頻續流為2 kA 的短路電流流過磁塞線圈。磁能線圈導通后，中間時刻t=3 ms其磁通密度模如圖4所示。

圖4 t=3 ms磁通密度模三維圖Fig. 4 Magnetic flux density modulus 3D diagram at t=3 ms

線圈通電后在磁力線強收縮性的作用下磁塞受到線圈對其的強電磁力作用，磁塞將沿著電磁力的方向做加速運動。隨著時間的變化磁塞將位移至產氣腔室頂端，位移過程中腔室內空氣被極速壓縮，當氣壓大于臨界氣壓條件時，壓縮氣體將由頂端噴口噴出。由仿真計算可得磁塞不同時刻受到的電磁力大小如圖5所示。

圖5 不同時刻磁塞所受電磁力大小Fig. 5 Magnitude of the electromagnetic force on the plug at different times

磁能氣吹裝置的噴口氣流速度是影響滅弧性能的主要因素，因此重點分析滅弧時限0~5 ms 內各個時刻噴口氣流流速的大小。由上述分析可知，當雷電通道形成后間隙流過工頻續流，磁能線圈隨即對腔體內磁塞產生電磁力作用，磁塞壓縮空氣，在導通初期磁塞速度較低，腔體內氣體逐漸被壓縮，噴口處形成的氣流流速也較小，此狀態為t=0.3 ms 時噴口處氣流形成如圖6（a）所示，此時間隙電弧也逐漸燃燒，之后氣流速度幅值不斷波動，呈上升趨勢，在t=3~4 ms 期間腔室內的氣流逐漸作用于弧柱中心，如此大的氣流速度作用于電弧，將使電弧電導率迅速下降，其氣流噴出過程如圖6（b）所示。在t=5 ms 時由圖6（c）可知，氣流已達到全速狀態，完全作用于間隙電弧弧根，氣流末端也可抵達陽極區域處，由于高速氣流與電弧弧柱的耦合作用，導致了極大的對流散熱，電弧能量驟降，此時磁塞也在電磁力的作用下，由腔室底部位移至腔室上端。

圖6 高能氣流形成過程圖Fig. 6 Diagram of high-energy airflow formation process

3 仿真結果分析

當高能氣流作用于電弧時，電弧內部溫度由于強對流散熱會急劇變小。且在高速氣流降低弧柱中心溫度的同時，弧柱寬度也會減小，電弧逐漸變細，整個過程如圖7 所示。圖7（a）所示為t=0.3 ms時間隙電弧形成圖，電弧形態穩定，且由圖6（a）可知，此時噴口處氣流處于形成初期，對弧柱影響較低，弧柱溫度可達10 000 K；由圖7（b）可知，在t=3.5 ms 時氣流已由噴口噴出并且作用于電弧下電極弧柱區域，此時近陰極弧柱區域溫度降低至5 000 K，弧柱寬度變為原來的1/2；如圖7（c）所示，t=4.6 ms時氣流已成完全態全部由噴口噴出，高速氣流進一步作用于電弧，電弧又一次變細為原來的30%，溫度更低至3 000 K；如圖7（d）所示，t=5 ms時氣流可以抵達電弧陽極區域，高速氣流全狀態作用于電弧弧柱，電弧溫度驟降至1 500 K，其后電弧在熱動力作用下迅速被截斷，陰極區域電弧弧柱脫離弧根。

圖7 強氣流作用下電弧形態變化圖Fig. 7 Diagram of arc morphology change under strong air flow

強氣流作用于內間隙弧柱，強大的氣流會使弧柱區域的空間電荷發生擴散，弧柱區游離作用減弱，去游離作用加強，空間電荷密度急劇下降［24-28］。由仿真結果分析可得，沿電弧陽極軸線方向弧柱電流密度變化曲線如圖8 所示，電弧導通初期空氣間隙由于溫度高，帶電粒子活躍，故其電導率也隨之增加；空氣間隙被擊穿后電流密度增大，電導率隨之越高。由圖8 可知，弧柱電流密度陽極區域最高達2×109A/m2，而在弧柱受強氣流作用下的陰極區域，外電流密度迅速降低。隨著對流散熱的增強，電弧能量消散加快，溫度也急劇下降，其不同時刻沿弧柱軸線方向溫度變化曲線如圖9 所示，由圖分析可知，在5 ms 內軸線X=1 dm 左右區域（近陰極區），電弧溫度從12 000 K 下降至1 500 K 左右，與上述分析強氣流作用下電弧形態的變化相符合，溫度發生驟降，電弧被截斷，因此電弧得以在5 ms內熄滅。

圖8 不同時刻間隙電弧沿軸線方向電流密度變化Fig. 8 Current density change of the gap arc along the axis at different times

圖9 不同時刻間隙電弧沿軸線方向溫度變化曲線Fig. 9 Temperature variation curves of the gap arc along the axis at different times

磁能產氣裝置的產氣效果與工頻續流的大小有關，電流越大，磁能量越大，間隙內產生的氣流速度也越大；與此同時電流越大電弧燃燒越劇烈，吹熄電弧所需要的氣流速度亦越大。因此，最終的滅弧效果取決于電流產生氣流速度的滅弧能力與熄滅大電流電弧對所需氣流速度要求之間的競爭關系。不同工頻續流狀態下磁能產氣裝置所噴出的氣流的速度以及磁塞位移情況如表1所示。

表1 不同工頻續流與氣流速度的關系Tab. 1 Relationship between different power frequency freewheeling and airflow velocity

由表1 可知，工頻續流大小與高能氣流最大速度有關，工頻續流過低時可以增加線圈匝數，以增大磁吸力的大小推動磁塞做最大位移，否則將會導致腔體內氣壓過低，氣流噴射速度太小，不足以熄滅電弧；因此充分考慮線圈匝數與工頻續流大小的配合即可產生最佳氣流，達到最好熄弧效果。

4 試驗

為驗證該一體化防雷間隙的滅弧效果，在實驗室通過模擬雷擊進行工頻續流滅弧試驗。試驗回路如圖10 所示，線路電壓水平為10 kV，將該一體化防雷間隙與絕緣子并聯安裝，由于引弧電極的存在，電弧將形成沿著磁能氣吹裝置及外間隙的電弧通道，在滅弧腔室中實現強氣流對電弧的耦合作用。其試驗裝置接線如圖11 所示，試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果Tab. 2 Test results

圖10 試驗接線圖Fig.10 Wiring diagram of the test

圖11 現場試驗裝置接線圖Fig.11 Wiring diagram of the field test device

結合試驗結果與理論仿真分析可知，傳統保護間隙的電弧持續時間較長，電弧不易自行熄滅，而安裝一體化防雷保護間隙后的滅弧時間為5 ms 左右。在理論仿真中，其完全態高速氣流全部作用于電弧的時間大致為4.6 ms左右，即電弧被截斷的時間與氣流作用時間基本相符，只有傳統保護間隙熄弧時間的6%~8%，可有效保證電力系統的供電可靠性。

5 結論

為快速熄滅雷擊過后工頻續流引起的穩定電弧，本文設計一種基于氣吹原理的一體化防雷間隙，利用磁能氣吹裝置噴射高能氣流作用于電弧，所得結論如下。

1） 電弧是一個熱等離子體的存在形式，其內部能量平衡取決于外電場提供的焦耳熱與傳導、輻射以及對流三熱的博弈。為了快速熄滅電弧，利用高能氣流縱吹電弧，加大電弧能量內部耗散，達到滅弧的目的；

2） 本文設計的一體化防雷間隙結合空氣動力學原理和電磁學原理，在短時間內利用磁塞壓縮腔內空氣，將電磁動能和空氣壓力能轉化為空氣射流動力能。瞬時作用在電弧弧柱，快速降低電弧溫度，增大電弧的耗散功率。

3） 理論仿真和試驗結果表明，該一體化防雷間隙的熄弧時間為5 ms左右，只有傳統保護間隙熄弧時間的6%~8%，極大縮短了傳統間隙自熄弧時間，保證了線路的供電可靠性。