双触发喷射气流灭弧防雷间隙的灭弧效果研究

冯 凯，邵攀屹，白鉴知

（广西大学电气工程学院，南宁530004）

0 引言

电力系统是我国社会与经济发展的重要支柱，其运行的稳定性直接关系到社会生产与居民用电的可靠性。随着输电线路分布的增长与电压等级的提升，雷击对于输电线路稳定性的威胁逐渐显露出来[1-4]。当雷电以反击或绕击的方式在输电线路形成闪络点后，在工频电源的作用下，处于电离状态的闪络点将会产生工频电弧。工频电弧的持续燃炽将会灼烧、损坏绝缘子串表面绝缘层，严重的情况甚至可能导致绝缘子串出现破断、掉串[5-7]。输电线路并联间隙通过对工频电弧的定向牵引能够很好的保护绝缘子串，但会造成输电线路一定的跳闸率，影响供电稳定性[8]。

输电线路并联间隙两端的工频电弧属于空气长间隙中自由燃炽电弧[9-10]，对于其熄灭目前主要采取两种方法：一是采用电磁力拉长电弧（磁吹），从而增加弧道电阻、加速电弧去游离过程，谷山强等对电弧在磁场力下的运动速度、方向及熄灭过程进行了详细的计算研究[11-12]。二是采用高速运动的气流吹熄电弧（气吹），作用于电弧的喷射气流在短时间内迅速增强电弧的对流散热，促使电弧熄灭[13-14]。

然而，由于剩余电流的作用，工频电弧在首次熄灭以后仍可继续从工频电源获取能量，极易发生重燃[15]。另一方面，自然界中75%以上的雷击具有多次回击[16]，同一点的多次闪击将会造成闪络点并联间隙两端重复击穿，重复产生工频电弧。重燃电弧若不能及时熄灭，将会继续对输电线路造成危害[17]。

针对工频电源及多次回击造成的工频电弧重燃难题，基于气吹熄弧理论，研发了一种双触发喷射气流灭弧防雷间隙。该装置通过高速喷射气流在灭弧筒内的约束空间内强迫电弧通道对流散热，以促使工频电弧熄灭。分两个通道触发的喷射气流一方面可保证电弧的快速熄灭，另一方面通过长时间的对流散热，防止电弧重燃。此外，对于多次回击引起的电弧重燃，通过两个通道的无缝交替触发喷射气流，做到对重燃电弧的一对一有效熄灭。该装置可应用于110kV以下的输电线路。

笔者基于电弧的能量平衡模型，利用ANSYS Fluent 6.3仿真软件仿真分析电弧在喷射气流作用下的熄灭过程，并在实验室内实际模拟装置熄灭工频电弧的能力。此外，通过对装置的连续触发实验测试装置应对多次回击造成电弧重燃的能力。

1 装置结构与原理

1.1 装置熄弧原理

装置结构示意图如图1所示。当并联间隙上下电极发生闪络时，信号采集器采集到电流信号并触发主列灭弧能量团。灭弧能量团由一定量的TNT与灭弧材料组成，在触发状态下可迅速释放高速喷射气流。通过灭弧筒对喷射气流的引导与约束，喷射气流直接作用于电弧通道，强迫电弧对流散失能量，从而熄灭电弧。

1.2 防止因工频电源导致的重燃

利用灭弧能量体触发的喷射气流，其优点在于可以在短时间使气体速度达到峰值，使电弧的对流散失能量达到最强。然而这种方法存在一个问题，即喷射气流的速度会随着时间衰减，导致熄弧能力下降。当熄弧能力较弱时，电弧通道在熄灭后仍存一定的剩余电流，在工频电压的作用下容易发生重燃。

图1 装置结构示意图Fig.1 Schematic drawing of the device

因此，本装置采用双通道触发喷射气流的设计，当主列喷射气流衰减至无法有效迫使电弧对流散热时，触发副列喷射气流以再次激活灭弧能量抑制电弧重燃。这样的方式既保证了工频电弧在其早期较脆弱的时被熄灭，同时又避免了灭弧能量衰减后因而工频电源导致的电弧重燃。

1.3 防止因多次回击导致的重燃

自然界中的一次雷击过程通常由2～4次闪击组成，个别雷击的闪击数可达26次之多[16]。重复流过的回击电流将会在装置两端产生的过电压将会重复击穿电弧通道，引发电弧重燃。

国内外研究者对多地的同一次雷击下两次闪击之间的间隔时间进行了研究[16-18]。结果显示，多次回击间隔时间不存在显著的地理差异，其平均值在40 ms以上。

表1 多项研究观测到的回击时间间隔Table 1 Interstroke time intervals observed in different studies

与工频电源导致的重燃相比，多次回击导致重燃的时间间隔更长，仅靠一次主副列的组合喷射气流无法覆盖重燃过程。因此本装置采用“一对一”的熄弧策略，即对于每一次因多次回击引发的重燃，均触发一组喷射气流将其熄灭。这样的熄弧策略要求装置任一通道中灭弧能量体的切换时间应小于两次闪击之间的间隔时间，因此下文通过连续触发实验测量装置切换灭弧能量体的具体时间。

2 建立数值模型

2.1 喷射气流模型

喷射气流在灭弧筒约束空间内的流动是关于纵剖面对称的，因此可建立二维不定常流动模型。

当灭弧能量体被触发时，在灭弧筒内的有限空间释放出大量的能量，生成气体的压力和温度局部迅速上升，使其周围介质受到高温、高压气体的作用。根据爆轰理论，高温、高压气体向某一介质中飞散时，该介质将产生冲击波。因此喷射气流的模型实质是一种在二维平面内流动的冲击波。冲击波是一种强压缩波，其具有以下的特点[19-20]：

1）冲击波阵面通过前后，介质的参数阶跃变化，即冲击波阵面两侧介质的参数并不连续，而是相差一个有限量。

2）冲击波传播的过程是绝热不可逆的，但不是等熵的。

3）冲击波的传播速度相对于未扰动介质而言是超音速的。

4）冲击波传过后，介质获得了与波传播方向相同的移动速度。

5）冲击波的传播速度相对于波阵面后已受扰动的介质而言，是亚音速的。

6）冲击波没有周期性，而是一次增密突跃式的传播。

冲击波模型的主要参数有：波阵面的传播速度D，波阵面上空气质点的速度v，波阵面上的空气密度r，波阵面的绝对温度T：

式中：ΔP为冲击波峰值超压；k为冲击波绝热系数；c0为未扰动下空气中的声速；ρ0为未扰动下的空气密度；P0为未扰动下的空气压力。

这些参数均与冲击波峰值超压ΔP有关，并且都可以用ΔP来表示。冲击波峰值超压ΔP是指冲击波阵面上峰值压力Pf与空气原始压力P0之差，其值为炸药的质量W与冲击波阵面离爆炸地点的距离R的函数。J.Henrych在大量的实验基础上提出了以下公式[16]：

2.2 喷射气流耦合电弧模型

经典的电弧模型有Cassie模型、Mayr模型、Habedank模型、Modified-Mayr模型、Schavemaker模型、Schwarz模型和KEMA模型等。由于喷射气流与电弧的耦合实际上是能量耦合，因此本文采用电弧的能量平衡模型。

在稳定的电弧中，单位体积电弧的输入功率P通过对周围空气的热传导PT、热辐射PS以及对流PK散出：

式中：P为电弧输入功率；PT为热传导散出功率；PS为热辐射散出功率；PK为对流散出功率。

当电弧的输入功率大于所有散出的功率时电弧发展，反之电弧熄灭。在喷射气流作用下的电弧，对流散出功率占散出功率的80%以上[15]，对电弧的功率散出起主要作用，与其相比热传导散出功率与辐射散出功率的作用可不考虑。

为了便于研究，可将电弧看做圆柱体，由于其长度远大于横截面尺寸，因此弧根部分的作用可以忽略。高速喷射气流以速度v相对于电弧运动，如电弧半径为r，则单位时间内通过电弧的空气体积为πr2v，这空气将从温度T0被加热到电弧平均温度Tc，电弧的对流散出功率PK为，

式中：r为电弧半径；v为喷射气流流动速度；kc为气体热容系数；T为喷射气流温度；T0为喷射气流原温度；Tc为经电弧加热的喷射气流温度。

气体热容系数kc是关于温度非常复杂的函数，在以空气为计算对象时，可用近似的公式表示：

将式(8)带入(7)中可得：

3 仿真及分析

3.1 仿真条件

为验证双触发喷射气流灭弧防雷间隙的熄灭工频电弧能力，采用ANSYS Fluent 6.3仿真软件分析喷射气流对电弧的强迫对流作用，并记录下电弧熄灭过程的图片。

对流作用的主要发生区域位于由灭弧筒构成的约束空间内，因此将灭弧筒选为仿真分析的区域。电弧模型采用1 kA工频电弧，喷射气流初速度为340 m/s，仿真步长为0.01 ms。t=0 ms时刻形成工频电弧，同时主列喷口开始喷射气流，延时td后副列开始喷射气流。仿真过程中，监测电弧径向的平均温度Ta和灭弧筒出口平均轴向气流速度va。

电弧温度为衡量电弧燃烧的重要依据，因此以Ta观察电弧熄灭过程，当其小于电弧临界温度3000 K时认为电弧熄灭[21-23]。

3.2 仿真结果及分析

图2为副列延时触发时间td设置为5.0 ms时（即主列触发5.00 ms后触发副列气丸），灭弧仿真过程中的温度场分布图与气流速度向量分布图。图2（a）中，t=0 ms时电弧模型形成同时触发主列（左侧）灭弧能量体；图2（b）至图2（f）中，t=1～5 ms主列喷射气流持续作用于电弧通道，电弧温度大幅下降；图2（f）中，t=5 ms时电弧通道出现断口，此时装置触发副列（右侧）灭弧能量体；图2（g）与图2（h）中，t=6～7.1 ms电弧在喷射气流的作用下温度不断降低，7.1 ms时，电弧通道的平均温度Ta首次低于3000 K，电弧熄灭。之后喷射气流继续对整个通道对流散热，抑制电弧重燃。

图2 温度场分布图及气流速度向量分布图Fig.2 Temperature field distribution and stream velocity vector distribution

图3为触发喷射气流后的电弧薄层温度分布。电弧轴心在喷射气流的作用下逐渐偏移，温度迅速下降，电弧半径随之减小。10.0 ms时电弧温度分布已接近直线。高速流动的喷射气流通过对流作用在短时间大幅散失电弧能量，破坏电弧燃烧状态的能量平衡。

图3 电弧温度径向分布Fig.3 Arc radial temperature distribution

图4给出了电弧散失能量与输入能量的对比，实线部分为电弧因喷射气流造成的对流能量散失，虚线部分为1kA电弧稳定燃烧状态下的输入功率。实际中随着电弧半径的减小，电弧电导率大幅下降，电弧输入功率也将随之减小。值得注意的是，在触发喷射气流8 ms以后，电弧对流散失功率的逐渐趋零主要是由于电弧半径的下降而非气流速度的衰减。在8 ms时灭弧筒出口处的气流平均速度为230 m/s，仍具有极强的熄弧能力。

图4 电弧对流散失功率Fig.4 Arc convection dissipation power

4 实验验证

为了验证双触发喷射气流灭弧防雷间隙在实际条件下的熄灭工频电弧能力以及抑制重燃能力，本文在实验室条件下进行了两次模拟实验。

4.1 单次熄弧实验

首先验证装置的熄灭单次工频电弧能力。实验中，将双触发喷射气流灭弧防雷间隙与绝缘子并联安装。上下两电极与变压器二次侧相连，之间用细铜丝连接，当电弧产生时细铜丝将瞬间融化。实验中使用的电弧为标准正弦波，频率为50 Hz，持续时间为200 ms，电流有效值为1 kA。装置的副列触发延时时间td设置为5.0 ms，利用数字示波器采集电弧电流波形。

图5为单次熄弧实验波形，7.5 ms时1 kA工频电弧被熄灭，且未发生重燃。

图5 1kA电弧快速熄灭波形Fig.5 Current waveform in 1kA arc-extinguishing test

4.2 连续触发实验

4.1的实验已验证了装置可以有效熄灭单次工频电弧并防止其因工频电源引发重燃。为进一步验证装置应对因多次回击导致电弧重燃的能力，本文对装置进行了进一步的实验。

为可靠的应对因多次回击导致的电弧重燃，装置切换灭弧气丸的时间应尽量短，并小于两次闪击之间的时间间隔。将装置的灭弧能量体与触发器相连，通过保持装置的触发状态进行单列连续触发实验，利用数字示波器采集装置的触发器两端电平，通过电平的变化测量装置切换灭弧气丸的时间。

图6为连续触发试验的波形，实验测得装置切换灭弧气丸的时间为20.7 ms。因此对于间隔时间大于20.7 ms的两次闪击，装置均可通过对灭弧气丸的重复触发以熄灭重燃的工频电弧。图7为实验过程照片。

图6 连续触发实验波形Fig.6 Waveform of continuous trigging test

5 结论

1）基于能量平衡理论，利用ANSYS Fluent 6.3对双触发喷射气流方法的灭弧效果进行仿真，结果表明，喷射气流对电弧强烈的对流散热效果可使其在8 ms以内被熄灭，10 ms时可使灭弧筒基本恢复常温。在电弧熄灭以后，二次喷射的灭弧气流可使得灭弧筒仍保持一定时间的对流散热过程，抑制电弧因工频电源重燃。

图7 装置动作瞬间照片Fig.7 Photo of the device action instant

2）实验室条件下，对双触发喷射气流灭弧防雷间隙的单次灭弧实验表明：实际电弧产生时，装置可迅速释放高速喷射气流，在7.5 ms时将电弧切断，且未发生因工频电源导致的复燃。

3）对装置进行的连续触发实验表明，装置可在21ms内完成一组灭弧能量体（包含主列副列各一次触发）的切换，对于间隔时间21 ms以上的多次回击造成的电弧重燃均可进行抑制。

4）仿真结果与实验结果基本一致，可以初步验证双触发喷射气流灭弧方法对电弧重燃的抑制效果研究。

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