35 kV喷射气流灭弧防雷间隙抑制电弧的理论研究

王巨丰，白鉴知，冯凯，邵攀屹，李世荣

（广西大学电气工程学院，南宁530004）

35 kV喷射气流灭弧防雷间隙抑制电弧的理论研究

王巨丰，白鉴知，冯凯，邵攀屹，李世荣

（广西大学电气工程学院，南宁530004）

输电线路采用多种雷电防护措施，其中效果最好、经济效益尤其高的当属新型喷射气流灭弧防雷间隙，其工作原理为：雷击发生时通过触发放置于其半封闭空间内顶端的灭弧能量包爆炸产生高压、高速的气流，在极短时间内完全熄灭电弧，且不发生重燃。从动量守恒和能量平衡两个方面来讨论气流与电弧的耦合情况，考虑在理想状态下，灭弧能量包爆炸产生的动量全部转化为气流作用于电弧上的冲量，足以在瞬间破坏电弧维持平衡所需的条件，使得电弧在极短时间内被熄灭。进行35 kV电压等级下喷射气流灭弧防雷间隙熄灭电弧的有效性实验，并且记录实验过程，得出在3 ms内熄灭电弧的结论。采用Fluent软件对气流与电弧的耦合过程进行仿真分析，并通过实验结果与仿真结果进行对比，验证了喷射气流灭弧防雷间隙灭弧的有效性。

喷射气流灭弧防雷间隙；半封闭空间；高速气流；电弧；35 kV

0 引言

目前，雷电灾害依然是影响输电线路稳定运行的主要因素[1]。现有的传统防雷设施主要包括避雷器、避雷线、接地电阻等[2]，它们都是基于“拦截型”防雷理念设计的，

其最大的缺陷就是不能够主动灭弧，这导致传统防雷方法并不能很好地起到防护效果，雷害事故频发，防雷效果并不理想[3-4]。面对这种情况，针对传统防雷措施存在的诸多问题，气吹灭弧的方法被提出，并被论证对于微型断路器的开断具有积极作用[5-6]。将“疏导型”防雷理念[7-8]和气吹灭弧的理念结合，新型喷射气流灭弧防雷间隙就应运而生，它能摆脱自然条件的限制，不受雷击方式、雷击强度、雷电流幅值及土壤电阻率等因素的影响，既保证了原有的绝缘水平，又能有效释放有害能量。因此，喷射气流灭弧技术近年来有很好的发展和应用，尤其是广西地区。广西部分地区落雷密度大，雷暴日多，经常有雷击跳闸事故的发生，甚至有某一地区有线路连续遭受雷击的情况发生。但是在某些运行线路上安装了新型喷射气流灭弧防雷间隙后，线路耐雷水平显著提高，不发生雷击跳闸事故。

笔者针对35 kV架空线路防雷存在的问题[9]，着重讨论适用于35 kV电压等级的喷射气流灭弧防雷间隙。架空线路绝缘子发生闪络引起喷射气流灭弧防雷间隙启动灭弧动作[10]，使得仍处于暂态发展初期的细小的电弧被高速气流熄灭。由于喷射气流灭弧防雷间隙对电弧的响应极快，工频续流还没有达到稳态[11]，高速气流足以充分截断电弧并且无重燃现象发生。

1 气流与电弧的耦合过程研究

喷射气流灭弧防雷间隙以灭弧能量包作为爆炸源在灭弧通道顶端的空气介质中爆炸，爆炸源动作后产生高速气流的过程是一个可压缩流动过程，其中气流可以看成一维的、以冲击波方式前进的流动，冲击波阵面后的流动参数是连续变化的[12]。爆炸源处于引弧电极所连接的回路中，雷击发生后，受感应电荷作用，爆炸源迅速被触发并在极短时间内产生能量极大、压力极高、速度极快的强气流。气流在灭弧通道所固定的半封闭约束空间内定向流动[13]，强气流流过的介质会发生急剧的能量、压力、速度突跃，使得原本静态介质破坏。灭弧能量包的响应速度极快，在以毫秒作为计量单位上描述可以近似于看成在雷电建弧的同时强气流产生[14]，并且在几个毫秒的时间内完成强气流与电弧之间的藕合作用。反应产物也就是冲击波能自行传播，并且忽略对边界层、体积力做功的情况下，爆炸反应所放出的能量全部集中在爆炸反应前所占据的介质体积内，当强气流流过约束空间内的介质后，这部分介质可以近似于看成真空状态，充分抑制电弧重燃。

从灭弧通道整体和灭弧通道内部分别考虑，灭弧通道的整体相当于一个体积恒定、边界光滑、刚性的稳定系统，如图1所示，选择灭弧通道内壁为整个气流流动介质的边界，这一区域相当于一个控制体，对于该控制体，气流的流动相对于控制体的坐标系是稳定的，从固定在运动气流内的坐标系来看，流体属于稳态流动。控制体内部介质为空气，当灭弧能量包爆炸后产生高速气流，从整个控制体的入口处、出口处来考虑介质流动的变化情况，在入口处、出口处两个位置气流的密度、速度有所差异。

图1 控制体中气流流动示意图Fig.1 Diagram of airflow in the control body

对于流场中的参数是不随时间变化的，他们对时间的偏导数为零[15]。可以把连续性方程的应用形式写为

式中，ρ为爆轰波波阵面的密度，A是流场截面积，v是流场中气流的速度。具体考虑上图中虚线所示的控制体，气流质量的流入与流出是相等的，即质量守恒。因为质量只是在、两个位置穿过控制表面，因此方程可写为

对于位置①质量是流入控制体，位置②处则是流出控制体，则化成标量表示形式为

对上式积分，可得：

式中A1为控制体入口截面的截面积；A2为控制体出口截面的截面积；ρ1为控制体入口处气流密度；ρ2为控制体出口处气流密度；v1是控制体入口处气流速度；v1是控制体出口处气流速度。对于本控制体，流入与流出截面积相同，即A1=A2，上式可表示为

对于控制体内部流体，根据流体力学中动量定理：

爆炸的反应区很窄，并以冲击波的形式向前传播，即从内部流动介质看，有连续方程存在：

根据物理学基本定律，在爆轰波区，距爆炸源处O点距离为R的任意点A处的状态参数可表示为

对于控制体内部流体介质，其密度、压力、速度是逐点变化的，在整个介质空间内任意选取一个微元体，对应的是唯一状态的流体介质。一个已发生爆炸的微元体的动量的改变应等于作用的冲量，根据动量守恒定律：

（R相当于未知变量x）各个变量与时间有关，而动作过程及其短暂，即灭弧能量包的动作过程具有快速性，根据质量守恒定律，对于一个已有爆炸产生的强气流流过的微元体，流入和流出该微元体的质量之差相应于密度的变化：

将式中的关系式代入上式，则有关系式：

微元体速度在爆炸源放置初始位置未发生爆炸时为零，在t=0时刻爆炸发生，则冲击波波阵面上的边界条件为[15]

式中，RD是爆炸反应发生处；pD是爆炸反应处波阵面上的压力；ρD是爆炸反应处波阵面上的密度；uD是爆轰波阵面上的质点速度。考虑在爆轰波阵面上微元体C，符号D表示波阵面的速度，D之前是爆炸已经发生区域，即爆轰波区，这部分区域内是由高温高压气体组成，D-W阶段则为爆炸未发生阶段，其中W是最末端，当爆炸没有发生到W区域时，W处的状态即为半封闭空间内介质的初始状态。

根据质量守恒定律有以下方程式

式中，ρW是未发生爆炸反应处的密度；根据动量守恒定律有

式中，pW是爆炸未发生处压力。理想情况下，爆轰波阵面速度等于强气流速度，笔者即考虑此种情况。根据式3、4可以知道在爆轰波波阵面面上，也就是在半封闭空间内强气流的压力在数值上较大，并且波阵面上的质点具有较高的速度。由于本文中研究的喷射气流灭弧防雷间隙其爆炸物的密度1000 kg/m3，故此时爆轰波阵面上根据CJ方程有如下关系式

式中，k是CJ参数。此时根据经验公式

对于TNT作为爆炸源的爆炸物，有αW=0.77，则此时k=2.54，波阵面方程可化简为

这意味着在爆炸反应阶段过程中，爆轰波的速度也就是波阵面的密度是最后流出半封闭空间出口处密度的1.39倍，气体被充分压缩聚集在截面恒定的空间内。文献[20]一文中通过计算空气中爆炸的冲击波的参数并与实验结果相比对，有如下数据合理存在：当爆炸物为TNT时，取ρW1 600 kg/m3时，D为7 000 m/s，爆炸初始瞬间飞散速度为6450m/s，冲击波速度为7 100 m/s，冲击波阵面后介质的压力为57 MPa，而在同一瞬间，电弧才刚刚开始发展，并且在初始发展阶段，电弧温度较低，能量较小，由此形成了灭弧能量巨大而电弧能量小的极不对称竞争，这意味着我们采用以强制弱的策略，利用高压、高速的气流将尚处于“萌芽期”的电弧扼杀在“摇篮”阶段，一方面既能组织电弧形成工频续流，另一方面，持续喷射的气流能够破坏电弧自持放电的条件，不会发生电弧重燃现象。由此可以保证彻底高效地熄灭电弧。

2 仿真分析

笔者采用Fluent软件用于模拟在灭弧通道所约束的半封闭空间内，以空气为传播介质情况下，喷射气流灭弧防雷间隙对电弧的响应与截断。本次仿真过程模拟的是35kV电压等级下电弧的动态特性，通过观察灭弧通道内的电弧的运动及温度的变化情况来论证喷射气流灭弧防雷间隙对电弧熄灭的有效性。

首先建立灭弧通道的几何模型，其中圆弧ABC是喷射气流灭弧防雷间隙的引弧电极，也表示电弧的入口处；线段DE表示高速气流的入口；线段FG表示高速气流的出口。在此基础上对其进行网格划分，以便于采用FLUENT对整个电弧与气流耦合的过程进行仿真。

电弧产生的瞬间位于灭弧通道上方的爆炸源就被触发，高速气流迅速产生，下图中坐标表示的是温度变化。当t=0 ms时，是电弧形成的初始状态，此时电弧仍然在发展，处于暂态初期阶段；当t=0.5 ms时，高速气流已经产生并与电弧作用，电弧的直径=开始变小，电弧的温度逐渐降低；电弧向左下方运动，延续此状态直至t=3.5 ms，此时气流处于速度最大、能量最高的截断，与电弧的耦合作用最强烈，对电弧的截断起着主导作用；到t=4.5 ms时，电弧的温度已经降至3 000-4 000 K，直至t=5 ms时，整个网格内的温度已经恢复为初始室温，意味着电弧被完全熄灭[16-18]。也就是说，对于本次模拟的35 kV电压等级情况下，喷射气流灭弧防雷间隙可以在5 ms内完全完成对电弧的熄灭，电弧的发展可以很快的被抑制，弧柱直径和温度也在极短时间内就被缩小，直至为零。由于本次仿真采用的是以能导电的流体代替电弧，所以仿真结果会与实验结果有所偏差，灭弧时间略大于实验结果。

图2 灭弧通道几何模型Fig.2 Geometric model of arc extinguishing channel

图3 气流与电弧耦合过程仿真示意图Fig.3 Schematic diagram of simulation of gas flow and arc coupling process

3 实验

为研究气流与电弧的耦合过程与效果，在实验室通过模拟雷击故障进行小电流灭弧试验[19]。试验回路如图4所示。

图4 实验回路Fig.4 Experimental circuit

将喷射气流灭弧防雷间隙与绝缘子并联安装进行实验，采用摄像机拍摄实验过程，可以得到电弧和气流的产生、电弧的发展及与气流的耦合、电弧被熄灭的过程的照片，通过摄像机进行抓拍，展示了电弧与气流相互作用的过程，如图5。图5（a）为电弧产生阶段；图5（b）为电弧发展、灭弧能量包被触发阶段，由于装置的特性，电弧被吸引进入装置的灭弧通道，而不是从绝缘子表面闪络，为后续在半封闭空间内实现强气流对电弧的作用以及释放有害能量奠定基础；图5（c）为气流开始作用于电弧的阶段，可以看到在引弧电极的下方开始出现零星的火苗，这是强气流作用于电弧所出现的现象；图5（d）时气流已经完全与电弧相接触，图5（e）中气流与电弧完全作用，此时是气流速度、能量最大阶段，对电弧的削弱最明显，此种状况持续到图5（f），在此强气流作用下，处于暂态初期发展阶段的、能量温度都较低的电弧极易被熄灭；到图5（g）时，电弧已经被熄灭，图5（h）则为电弧熄灭后的阶段，此时仍有气流持续喷射，确保电弧不发生重燃[6]。

4 结论

1）喷射气流灭弧防雷间隙利用灭弧能量包形成巨大的灭弧能量，而此时电弧尚处于发展阶段，电弧能量较小，二者之间的巨大能量差足以保证快速有效地熄灭电弧。

2）喷射气流灭弧防雷间隙利用雷电脉冲作为触发动作的信号，具有快速性，从动作到彻底灭弧的时间极短，在继电保护动作之前就将危害线路安全稳定运行的因素消除。

3）喷射气流灭弧防雷间隙在熄灭电弧之后仍然有气流持续喷射[20]，在时间和能量两方面均破坏了电弧的后续能量供给，同时等离子体在开放空间内会加速符合，由此以来保证了电弧不会重燃。

图5 气流与电弧耦合过程实验示意图Fig.5 Experimental schematic diagram of gas flow and arc coupling process

4）喷射气流灭弧防雷间隙通过改变电弧路径，吸引电弧进入装置，抑制电弧发展的同时释放破坏能量，避免电弧对绝缘子及导线的灼烧，既保证了电力设备的安全又可靠提高了线路供电稳定性。

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Theoretical Research on Arc-Quenching by 35 kV Air-Blast Arc-Quenching Device

WANG Jufeng,BAI Jianzhi,FENG Kai,SHAO Panyi,LI Shirong
（School of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China）

Among varieties of lightning protection measures on transmission line，the air-blast arcquenching device has the best effectiveness because of the good effect and especially high economic bene⁃fit.Its working principle is:when lighting occurs,by triggering the energy package placed in the top of the semi enclosed space to generate high-pressure,high-speed air flow through the explosion,completely ex⁃tinguish the arc without renewed occur in a very short period of time.This paper discusses the coupling of gas flow and arc from conservation of momentum and energy balance,in short is considered in the ideal condition,the momentum generated through the explosion will completely convert to the impulse that gas flow on the arc,it is enough to destroy the conditions that arc is needed to maintain balance instantly.The experiment of the arc extinguish effectiveness of air-blast arc-quenching device is carried out under the 35 kV voltage level,the results of the experiment are recorded and the conclusion is drawn that the arc is extinguished in the 3 ms.The Fluent software is used to simulate the coupling process of air flow and arc,the arc extinguish effectiveness of air-blast arc-quenching device is verified by comparing the experimen⁃tal results with the simulation results.

air-blast arc-quenching device;semi enclosed space;high-speed air flow;arc;35kV

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.006

2016-07-06

王巨丰（1956—），男，工学博士，教授，博士生导师，研究方向为现代防雷技术。

国家自然科学基金资助项目（编号：51467002）。