自能式空气炮保护间隙快速熄弧装置

罗屹豪，杨廷方，汪新秀，宋华伟，周西杰，刘云辉

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙410114; 2. 国网湖南省电力科学研究院，长沙410007；3. 国网湖南检修公司，长沙410004)

0 引言

防雷间隙具有安装简单且免维护等特点，因而被广泛使用[1 - 6]。但其空气间隙灭弧能力差，往往会导致线路跳闸率较高。如果其间隙电弧被拉长、变得更细，或电弧的温度降低，则电弧能够被较快地熄灭。

目前我国的配电线路仍面临着电弧难以被快速熄灭导致设备损坏和人员伤亡的重大问题，虽然配置了部分灭弧装置，但都存在着熄弧速度较慢或使用次数有限的缺陷。文献[7 - 9]通过改变配电线路灭弧装置的断口结构对电弧轨迹进行控制，利用特殊的空间多断口结构迫使电弧多点截断并产生高速气流抑制电弧于初始发展阶段；文献[10 - 11]提出了利用灭弧气丸爆炸时喷射的高速气旋熄灭电弧，并通过爆炸散布的化学物质进一步抑制电弧重燃。文献[12 - 13]则指出电弧产生的原因主要为电磁热，由于高温增大了空气的电导率，使得电弧能够持续燃烧。而文献[14 - 15]采用磁流体力学原理模型分别对间隙电弧及负荷开关的旋转电弧进行了动态仿真[16 - 20]。其电弧的动态特性仿真与实验结果都有着很好的拟合。文献[21 - 23]则研究了气体在高温、强磁场等特殊场合下的电离情况。

空气炮又名空气助流器，是利用压缩气体形成压差从而喷出的可达一马赫的高速气团产生的巨大冲击波进行清淤、破拆等作业，目前已广泛应用于冶金、防火等领域[24 - 25]，取得了极好的效果，但在电气领域应用甚少。本文设计了一种自能式空气炮。该装置利用线圈产生的强磁场电离空气，让空气温度上升并形成涡流，使炮膛和外界产生超过一个大气压的压强差，从而驱使气流以约200 m/s的速度喷射而出。高速气流会迫使电弧形变并带走大量热量，迫使电弧在短时间内熄灭。

本文利用空气在强磁场下电离产生的气压变化设计了新型空气炮灭弧装置，并用COMSOL仿真软件对其进行了仿真模拟，发现其相较传统装置有更好的灭弧效果。本文的研究对于快速熄灭电弧、保证电能质量以及推动空气炮在电力领域的进一步应用具有较大意义。

1 气吹灭弧原理

输电线路正常运行时，保护间隙的工频电压不足以击穿空气。但当雷击发生时，间隙击穿产生电弧，弧心温度可达50 000 ℃。如果间隙电弧无法在短时间内熄灭，则会产生工频续流，维持电弧继续燃烧。此时电弧平均温度超过3 000 ℃，而中心的温度可达10 000 ℃[13]。

文献[5,13]指出电弧的燃烧不仅仅是电流过零后电压击穿间隙引起的，还必须考虑整个弧隙间的能量平衡，即电弧输入的能量不小于电弧丧失的能量。在输电线路上，电弧的主要能量来源为工频电压的电场能。其能量丧失主要表现为热辐射和热对流，其中对流散热占丧失能量的80%以上。辐射散热公式如式(1)所示。

(1)

式中：rh为弧柱的半径；Th为弧柱温度；T0为环境温度；εS为弧柱发射率。

电弧的对流散热公式如式(2)所示。

(2)

式中：v为周围气流速度；d为电弧中心宽度。

对于式(1)，由于间隙空气的电导率会随着温度的增加而上升，为工频电压的能量输送创造条件。研究表明，35 kV工频电压激励下的电弧温度一般为4 000 ℃～7 000 ℃，当温度低于3 000 ℃时，空气电导率不足，工频电压难以向间隙输送能量，电弧能量平衡被打破，无法维持稳定的形态，将会很快熄灭。

高速气流能够在极短时间内产生巨大的对流散热，从而迅速降低电弧的内能。随着温度降低，电导率锐减，进一步阻碍了工频电压的能量输入，从而迫使电弧熄灭。同时高速气流也破坏了电弧的形态，将电弧拉长、变细，有效增强电弧等离子体的去游离作用[8]。二者共同作用，使得电弧能够在短时间内熄灭。

2 传统保护间隙仿真模型

为对比所安装空气炮保护间隙的灭弧能力，根据磁流体力学原理[16 - 20]，在COMSOL中先对传统保护间隙进行建模仿真。传统保护间隙闪络模拟图如图1所示。

图1 传统保护间隙闪络模拟图Fig.1 Traditional protective clearance flashover simulation diagram

DL/T1293—2013中指出，复合绝缘子并联间隙的间隙距离应在绝缘子高度的0.8～0.9倍范围内。本文中采用的复合绝缘子型号为FXBW4-35/70，其高度为640 mm。因此保护间隙距离设置为520 mm。

在传统间隙的电弧仿真过程中，设置工频电压幅值为35 kV，环境温度为20 ℃，介质为空气，周围气体流速设置为0(即无风)。使用物理场为层流、传热模块、电流和磁场，并设置多物理场耦合为洛伦兹力、静态电流密度、电磁热和非等温流动。设雷击闪络为0时刻，经仿真计算，传统保护间隙电弧的仿真结果如图2所示，时刻为t=2 ms。由仿真结果得到此时电弧中心的温度维持在6 000 ℃左右，外层温度超过了3 000 ℃，电弧中心宽度为8.65 mm。电弧在工频电压的激励下开始稳定燃烧，后逐渐变弱，在36 ms时刻才最终熄灭。

图2 电弧燃烧模拟图Fig.2 Arc combustion simulation diagram

3 空气炮仿真模型

3.1 空气炮原理

通电线圈周围会产生环绕的磁场，其磁场强度H和线圈的匝数、通过线圈的电流大小成正比，即：

(3)

式中：N为线圈匝数；I为通过线圈的电流大小；Le为有效磁路长度。而有效磁路长度可以表示为：

(4)

式中：Ve为有效体积；Ae为有效截面积。因而磁场强度可以表示为：

(5)

强磁场会使空气电离。根据空气离子方程组，可得：

(6)

(7)

N+=N-+Ne

(8)

式中：Se为电离源；A为电子附着到中性粒子上形成负离子的附着率；G为电子雪崩率；β为正离子和电子复合成中性粒子的复合系数；Γ为正负离子互相中和形成中性粒子的中和系数；Ne为电子浓度；N+为正离子浓度；N-为负离子浓度。根据式(6)—(8)以及仿真结果，得出空气的电离程度与所处磁场的磁场强度有关，且磁场强度越高，空气的电离程度越高。由于线圈的磁感线在靠近线圈的位置密集，在远离的位置稀疏，磁场强度相差可达数百倍。因此靠近线圈处的空气电离程度要远远大于线圈中心的。由于气体电离，气体分子密度下降，故气压会下降，即靠近线圈的气压会低于线圈中心的。当数个同极性的线圈相距不远时，线圈的磁感线会变得平缓，能够形成连续的强磁区域，即可以形成连续的低气压区域。且中间线圈的磁感线将变得密集，此处磁场强度最大，空气电离程度也最高。线圈磁感线分布图如图3所示。

图3 线圈组磁感线分布图Fig.3 Magnetic induction line distribution diagram of coil group

3.2 空气炮仿真模型

图4 空气炮结构图Fig.4 Air gun structure diagram

根据上述理论设计出新型空气炮灭弧装置，该装置简要结构图如图4所示。利用COMSOL软件构建空气炮模型进行仿真，该模型为高17 cm，半径为8 cm的圆柱体。圆柱体内部有一高12 cm，半径为2.5 cm的圆柱形空腔。空腔上端和外界相连，连接处为半径1 cm的光滑圆弧。线圈每3匝为一组，每匝线圈半径为0.25 cm，匝间距离0.75 cm。每组线圈并联连接，互相间隔为1.5 cm，等距排列，共3组。首个线圈距空腔底部3 cm。线圈半径为3 cm，镶嵌于圆柱中。圆柱材料设置为石英，该材料的相对磁导率为1、电导率为1.0×10-12S/m、相对介电常数为4.2。而线圈的材料设置为铜，电导率为5.998×107S/m，相对介电常数为1。为确保仿真的准确性，圆柱外围设置为无限元域，材料选择无杂质的空气。模型图详见图5。并将基准气压设置为一个标准大气压。将空气炮模型串联于保护间隙的接地端，距离保护间隙40 cm。正常情况下，保护间隙未被击穿，线圈两端无电压。当闪络通道形成后，工频电压施加在保护间隙两端，短路电流流过线圈组。

图5 空气炮模型Fig.5 Air gun model

线圈通电形成磁场，其瞬时磁场强度图见图6。强磁场将会使周围的空气发生电离。此时靠近线圈处的离子浓度约2.8×105个/cm3。其中大部分带电粒子会在离开炮腔后由于复合、扩散作用迅速去游离，且远小于电弧燃烧时的离子浓度(可达1×109个/cm3)，因此基本不会对灭弧产生负面效果。

根据仿真结果，线圈通电后，空气电离，尤其是靠近线圈处的气压不断降低，线圈中部的气压相对于靠近线圈处的气压不断增大，在t=1 ms时刻左右形成的压强差可达1 kPa。同时，由于腔底的磁场强度较小，空气的电离程度不大，因此形成了局部高压区，使吸入的空气形成涡流。空气不断从低压区吸入，并积聚在高压区，此时在空气炮炮口附近处气流速度可达25 m/s。随着磁场强度的增加，气体电离加剧，低压区的气压不断下降，范围不断延伸。最终在t=2.4 ms时刻达到临界状态，此时最大压强差可达60 kPa。随着外界气体进一步被吸入，高压区的气压上升，临界状态被打破。当t=2.5 ms时，腔内的气体被高速喷出，最高速度可达200 m/s。当t=7 ms时，直径5 cm的高速气团抵达保护间隙气隙中，此时气团的平均速度可达120 m/s。高速气团猛烈冲击电弧，使电弧被冲细变形，易于熄灭。电弧中心宽度由8.65 mm(d1)缩减至2.2 mm(d2)。电弧粗细如图7所示。

图6 磁场强度分布Fig.6 Magnetic field intensity distribution

图7 电弧粗细对比Fig.7 Arc thickness comparison

图8 电弧温度对比Fig.8 Arc temperature comparison

同时，高速气团还带走了大量热量，使电弧在1 ms时间内，温度降低至2 200 ℃，仅为无高速气流团时的1/3，如图8所示。由于高速气团喷出，间隙电弧不仅温度降低，而且会变细，这两方面因素，使得间隙电弧最终在高速气团喷出后2 ms时间内熄灭。考虑电弧喷射所需时间，整个灭弧周期仅约为10 ms。

目前市面上的继电保护装置动作时间一般在20 ms，因而该新型保护间隙能够很好地降低雷击跳闸率。整个高速气团的熄弧过程如图9—10所示。

而当电弧熄灭后，线圈两端的电压消失，炮腔内的磁场强度迅速降低，气压也逐渐恢复，在约3 ms时间内恢复至初始状态，完成自充。

图9 喷射过程气压图Fig.9 Pressure diagram during injection

图10 喷射过程速度图Fig.10 Jet process velocity diagram

3.3 影响空气炮灭弧效率的相关因素

3.3.1 温度

空气炮产生的主要原因为空气电离。而温度在一定程度上会影响空气的电离效果，但在正常工作情况下的影响不大(初始工作环境温度需要超过100 ℃才会有明显的影响)。整个工作过程中装置的最高温度仅为103 ℃。且主要温升物质为空气，因而可以通过追踪温度来观察气体的大致流向。其在t=5 ms时刻的温度如图11所示。由图11可以看到，高速气流从炮口被喷射而出，此时气体的温度仅为70℃，远远小于电弧的温度，因而能够依靠热对流带走电弧的大部分热量，达到降低温度的效果。

图11 温度图Fig.11 Temperature figure

3.3.2 线圈

根据式(5)可知，当炮膛内径(即线圈半径)不变时，由于每匝线圈的半径为0.25 cm，有效体积的增量要远大于匝数的增量，因此随着线圈匝数的增加，磁场强度反而会下降。这样空气的电离程度也会随之降低，导致喷射气体的初速度大幅度降低。当在一定范围内减少线圈的匝数，则磁场强度增大，但低压区域变得不规则，严重影响涡流的形成，甚至导致气体无法喷出。

而当线圈的位置过于靠近腔底，由于气体的主要来源为腔外，会导致吸气效率下降，推迟喷射的时间。而当线圈的位置过于接近腔口时，则会导致腔口出现超声速气团。此时空气的特性从不可压缩流动变为可压缩流动，会导致局部气压突变，严重影响涡流的形成。

表1为不同线圈位置和数量的空气炮的喷气时间和初速度的仿真结果。

表1 线圈不同位置和数量的喷气时间和初速度Tab.1 Air injection time and initial velocity at different positions and quantities of the coil

经过测试，线圈组数量为3、线圈距腔口1.5～2 cm时灭弧效果最好。

3.3.3 外壳材料

通过测试，发现外壳材料的磁导率对空气炮的喷射时间和气流初速度有较大的影响。本文分别测试了相对磁导率为0.25、0.5、1、2、4的外壳材料，发现随着磁导率的增加，炮腔内的磁场强度增大，喷射时间提前，气流初速度提升。但磁导率超过一定值时，会在炮腔外也形成强烈磁场，导致气压区紊乱，反而会削弱气流速度，甚至导致气流无法喷出。经过测试，选择相对磁导率为1～2的外壳材料的灭弧效果最好。

3.3.4 电压周期

工频电压的周期为0.02 s，半周期为10 ms。工频电压的大小直接决定了线圈磁场大小。在仿真测试中，发现空气炮的喷射周期为9 ms，基本接近工频电压半周期。

考虑最不利的情况：发生雷击时，工频电压正好减少至喷射临界值，此状况下需多花费约1/6周期的时间才能正常喷射，即灭弧时间为13.33 ms，仍小于继电器动作时间。因此，该新型保护间隙具有极高的可靠性。

4 现场实验

为验证仿真的正确性，进行了雷电冲击过电压对照实验来进行比较，实验接线图如图12所示，现场实验装置如图13所示。

T—高压试验变压器；Rd—变压器串联电阻；Rm—直流电阻分压器；Cb—倍压回路电容；Re—充电保护电阻；R—调波电阻；Rb1、Rb2—工频电路保护电阻；D—整流硅堆；C—主电容器；L—调波电感。图12 实验接线图Fig.12 Wiring diagram for experiment

图13 现场实验图Fig.13 Field experiment diagram

实验结果如表2所示。由表2可以看出，新型保护间隙的电弧能够在14 ms内被熄灭，远小于传统保护间隙熄弧时间，最大只有传统保护间隙熄弧时间31.8%。目前多数继电保护装置最快动作时间在20 ms左右。因此新型保护间隙可以大大降低线路的跳闸率，减少了停电损失。

表2 雷击过电压实验结果Tab.2 Lightning overvoltage test results

5 结论

空气炮目前仅应用于消防灭火、清污以及电站的管道疏通。本文将空气炮原理应用于线路间隙灭弧，提出了在保护间隙旁加装自能式空气炮。该设计利用电离产生的气压变化，使空气炮喷射出高速气团，迅速带走间隙电弧温度，并使电弧变细，从而加快熄灭。

1)空气炮喷射而出的气团速度快，能够冲击间隙电弧，迅速带走其热量并使之拉长变细，从而加快电弧的能量丧失，迫使其熄灭。

2)实验结果表明，该改进型保护间隙的电弧的熄灭时间远小于传统保护间隙熄弧时间，最大只有传统保护间隙熄弧时间31.8%。同时类比当前市面上的灭弧方式，该装置具有自能性、性价比高的特点。

3)新型自能式空气炮能够在完成灭弧后的短时间内重新完成自我充气，为下一次灭弧做准备，一定程度上能减少维护次数，从而减少人工成本。

4)仿真模型和现场试验是在空气中杂质较少、湿度较低的情况下进行的，装置运行的环境较为稳定，受到的外界干扰小。但在恶劣天气情况下，该装置的工作效率会受到一定影响，仍需继续改进。且文章使用的电弧模型的输入电压为35 kV，若将该设备应用于10 kV或更低电压等级的线路上，可能会由于磁场强度不够而无法产生电离。而若应用于更高电压等级的线路，考虑到保护间隙更宽、电弧燃烧更剧烈，该装置单次喷射的气体量有限，可能会难以熄灭电弧，仍需作进一步改进。