噴射氣流滅弧防雷間隙氣流通道優化

彭斐，王巨豐，張奇星，李籽劍，徐宇恒，王國鋒，龐智毅

(1. 廣西大學電氣工程學院，南寧530004；2. 國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，武漢430061)

0 引言

一直以來，雷電災害是電網安全運行的重大威脅[1]。其中，架空輸電線路雷擊故障占電網總事故的比例居高不下，成為長期困擾電網可靠供電的普遍難題[2]。架空輸電線路桿塔高且尖，輸電走廊面積大，通常需要穿越高山、峽谷等雷電密度較高的地區，并且由于輸電導線上存在電荷庫侖力的影響，使得架空輸電線路成為巨大的引雷體，極易遭受雷擊。因此，架空輸電線路防雷工作對于保障電力系統安全穩定運行顯得尤為重要[3 - 5]。

然而，現有的傳統防雷措施都存在固有缺陷。它們大部分基于“閃絡抑制”的傳統防雷理念，如雷電攔截、地網降阻和加強絕緣等方法[6 - 8]，這類方法都存在不可控的局限性[9 - 10]。且現階段防雷產品的供給側處于一個較低水準，導致防雷效果很不理想，難以保障電網的輸電安全，長久來看，很容易造成人力和物力的浪費[11]。近年來，國內外開展了以保護間隙為基礎的開放空間“疏導式”防雷方法研究[12 - 14]。傳統并聯保護間隙能起到限制雷擊閃絡通道、保護絕緣子免受工頻電弧燒灼的作用，但由于其缺少滅弧功能，需要和自動重合閘配合使用，造成了線路跳閘率的升高，在一定程度上降低了電網的供電可靠性。

基于上述情況，廣西大學高壓課題組研制出了一種能大幅降低輸電線路雷擊跳閘率的噴射氣流滅弧防雷間隙[15 - 17]。該裝置兼顧傳統并聯間隙優點的同時，增設了氣體滅弧環節，在繼電保護動作前熄滅工頻電弧并阻止電弧重燃，有效解決了雷擊跳閘的矛盾。噴射氣流滅弧防雷間隙作用的關鍵在于噴射氣流的發展以及氣流對電弧的去電離過程。為了優化裝置性能，有必要探究氣流通道管控長度差異對其滅弧效果的影響。本文基于電弧的能量平衡方程，分析了噴射氣流滅弧防雷間隙的滅弧原理，通過COMSOL Multiphysics仿真平臺搭建了裝置滅弧通道的二維幾何模型，并對噴射氣流與電弧的耦合過程進行模擬仿真，探究了不同通道管控長度下氣流對電弧的抑制效果，以期為后續噴射氣流滅弧防雷間隙的優化改進提供理論參考。

1 噴射氣流滅弧防雷間隙原理

噴射氣流滅弧防雷間隙的結構如圖1所示。噴射氣流裝置安裝于線路桿塔的橫擔上，裝置的氣流出口處為氣流管控部件。高壓電極固定在導線端，空間上與噴射氣流裝置的氣流管控部件對齊。在實際安裝過程中，通過調整裝置與高壓電極間的間隙距離，使噴射氣流滅弧防雷間隙的絕緣擊穿電壓低于絕緣子串，從而滿足防雷裝置與絕緣子之間的絕緣配合，實現將電弧路徑管控于滅弧通道內的目的。

裝置的具體工作原理是：當雷擊線路時，噴射氣流滅弧防雷間隙優先閃絡擊穿，形成沖擊閃絡通道，雷電能量由通道泄放入地并觸發噴射氣流裝置動作，以此激活內置彈丸爆炸來釋放高速高壓的滅弧氣流。再通過對氣流通道的約束和管控，使噴射氣流直接作用于電弧通道，氣流將與后續的工頻續流電弧充分耦合，使得電弧被拉長、截斷，不斷壓制電弧的發展。由于在噴射氣流狀態下，弧隙的去游離作用和介質強度的恢復速度都得到了有效提升，電弧最終在繼電保護動作前熄滅。

2 電弧在氣流通道的發展模型

工頻電弧的燃燒是由不斷注入的工頻能量維持的，同時，此過程也伴隨著以熱量傳遞為主的能量耗散，熱量傳遞的方式分為對流、輻射和傳導3種。噴射氣流和電弧的耦合可看作能量耦合的過程，本文對電弧能量變化進行探討。

單位體積下的電弧，其工頻電流焦耳熱能量的輸入功率為：

P=JE

(1)

當電弧穩定燃燒時，輸入功率和熱量耗散功率達到平衡狀態。即：

JE=PK+Pr+Ps

(2)

式中：J為電流密度；E為電場強度；Pk為對流傳熱功率；Pr為輻射傳熱功率；Ps為傳導散熱功率。

當熱量耗散功率大于電流焦耳熱能量的輸入功率，說明外界補給能量不足以支持電弧燃燒，電弧最終熄滅。噴射氣流狀態下電弧熱量耗散的主要方式為強迫對流散熱，占總散熱功率的80%以上，故此過程只考慮對流傳熱對電弧的作用。

當電弧處于穩定狀態時，其對流散熱的功率計算表達式為：

Pk=ρcpv?T

(3)

式中：ρ為電弧密度；cp為氣體的恒壓熱容；v為氣流速度；?T為溫度梯度。

從式(3)可以看出，對流散熱功率與氣流速度呈正相關，即增大氣流速度能促進對流散熱作用，可作為熄滅電弧的主要方式。

在氣流管控部件內，基于氣體比例膨脹假設，氣流發展的連續方程寫成如式(4)所示。

(4)

式中：ρg為氣流密度；u為內部氣流流速。移項得：

(5)

與式(4)相比較，可得：

(6)

對式(6)積分，得：

u=Kx+φ(t)

(7)

式中φ(t)為與時間相關的積分常數，由邊值條件確定。將式(7)對時間進行微分，得：

(8)

(9)

即：

(10)

綜合以上公式可知，氣流通道管控長度是影響氣流速度發展的因素，故可通過調整氣流通道管控長度來提高對流散熱功率，從而改善其滅弧性能。

3 仿真分析

3.1 仿真模型及邊界條件

本文利用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立噴射氣流滅弧防雷間隙內滅弧通道的二維幾何模型，如圖2所示。其中，接地電極和高壓電極之間的距離為0.38 m，氣流管控部件的長度取0.2 m，通道內部及外部空間均為空氣介質。并采用湍流場、電磁場和流體傳熱等多物理場的耦合，主要模擬分析此區域內電弧在氣流作用下的放電傳熱特性。

圖2 滅弧通道二維幾何模型圖Fig.2 Two-dimensional geometric model of arc-quenching channel

邊界條件：氣流管控部件選用電絕緣材料，導熱系數為0.26 W/(m·K)，恒壓熱容為1 700 J/(kg·K)，密度為1 150 kg/m3，邊界設為絕熱；高壓電極和接地電極選用相同的鐵磁材料，其恒壓熱容、導熱系數、電導率和電極密度分別為900 J/(kg·K)、238 W/(m·K)、3.774 ×107S/m、2 700 kg/m3。在仿真計算中，材料的熔解被忽略，為模擬雷擊工況條件下產生工頻續流的情況，在高壓電極疊加1.2/50 μs標準雷電壓沖擊波和50 Hz工頻電壓，接地電極定義為零電勢。在物理過程中，流體的層流僅存在于空氣介質中，為不可壓縮流動。ab邊為氣流入口，cd邊為氣流出口，其余邊界設置無滑移壁，并且除絕緣材料外，所有材料都存在電流密度；傳熱過程可分為流體傳熱及固體傳熱，固體傳熱中不考慮對流和輻射項，在選定的計算區域內，初始溫度設置為293.15 K。

3.2 仿真計算及結果

仿真設計及計算的流程如圖3所示，本文仿真采用瞬態分析，步長設定為0.1 ms，仿真總時長取20 ms，并采用沖擊電流和工頻電流耦合的電弧模型，為模擬實際滅弧情況，將氣流延時沖擊電弧產生后0.3 ms噴射。

圖3 仿真流程圖Fig.3 Simulation flow chart

圖4—5分別為滅弧仿真過程的電導率云分布圖和溫度云分布圖。

圖5 溫度云分布圖Fig.5 Temperature cloud distribution diagram

當t= 0.1 ms時，在高壓電極與接地電極之間形成了沖擊電弧通道；隨后由于電弧通道不斷注入工頻能量，t= 1～3 ms時，沖擊電弧開始轉變為穩定的工頻電弧燃燒，過程如圖4(b)—(d)及圖5(b)—(d)所示。根據裝置感應雷電脈沖后觸發氣流噴射的過程，t= 0.3 ms時氣流開始作用，高速氣流持續作用于電弧，帶走熱量的同時加速弧柱中帶電離子的復合，從圖4(e)、圖5(e)中可看到明顯的電弧消散趨勢；結合圖4(f)和圖5(f)可看出，t= 10 ms時，區域內無導電通道且滅弧通道內的溫度已低于維持電弧燃燒的臨界溫度4 000 K[18]，此時可認為噴射氣流已有效熄滅電弧。

3.3 氣流通道管控長度對滅弧的影響

上述研究驗證了噴射氣流滅弧防雷間隙在雷擊閃絡后抑制工頻續流電弧發展的有效性，其中氣流發展是滅弧過程中的關鍵因素，因此，在前文的基礎上，本研究考慮氣流通道管控的長度對滅弧效果的影響。

基于圖2的幾何結構，改變氣流管控部件長度，將其分為3組，分別取0.1 m、0.2 m和0.3 m，如圖6所示。其余參數及邊界條件參照上文設置，然后對3組模型進行滅弧仿真計算。

圖6 3組滅弧通道幾何模型圖Fig.6 Geometric model diagram of three groups of arc-quenching channels

對比3組仿真結果中得出各自區域電弧溫度隨時間變化的曲線，結果如圖7所示。從圖可知，3組滅弧仿真均達到了噴射氣流作用下有效熄滅工頻電弧的目的。在t=10 ms左右，區域電弧溫度處于4 000 K附近，3組溫度都出現了上升趨勢，但在噴射氣流的持續作用下，電弧重燃被成功抑制，實現了工頻電弧過零時熄滅。通過對比分析，隨著氣流通道管控長度的增加，區域電弧溫度降低到維持電弧燃燒的臨界溫度以下所需時間減少，溫度下降趨勢也更為明顯，且最后的電弧溫度維持在更低水平，這很大程度上能夠降低電弧重燃的概率。仿真結果表明，增大氣流通道管控長度能夠促進氣流發展，更加快速有效地熄滅電弧并阻止電弧重燃，進一步改善了噴射氣流滅弧防雷間隙的熄弧性能。

圖7 3組滅弧仿真的區域電弧溫度對比Fig.7 Comparison of regional arc temperature of three groups of arc-quenching simulations

4 實驗驗證

為了驗證仿真分析的結果，本文在110 kV電壓等級下分別設置了兩組噴射氣流裝置的滅弧實驗，并使用高速攝像機對實驗的滅弧過程進行記錄。第1組的裝置氣流管控部件的長度選用0.1 m；第2組將裝置的氣流管控部件延伸至整個間隙長度，此長度是氣流作用電弧通道的最大有效長度。第1組實驗的滅弧過程如圖8(a)所示，高速攝像機記錄的第2組滅弧實驗過程如圖8(b)所示。

圖8 兩組裝置的滅弧實驗過程Fig.8 Arc-quenching experiment process of two sets of devices

從圖8可以看出，由于氣流管控部件的增長，氣流充分發展并集中作用于電弧，第2組實驗的整體滅弧時間小于第1組，滅弧性能得到了有效提升。

5 結論

本文為探究氣流通道管控長度對噴射氣流滅弧防雷間隙滅弧能力以及滅弧過程的影響，先對其進行理論推導，然后通過仿真計算模擬滅弧過程并得出對比分析，最后由滅弧實驗進行驗證，得到的結論如下。

1)從能量平衡的角度分析了噴射氣流熄滅電弧的可行性。增大氣流速度能增強對流散熱功率，從而提高滅弧效率；理論推導出氣流的速度和加速度與氣流通道管控長度成正相關，故增大氣流通道管控長度能夠改善裝置的滅弧性能。

2)利用COMSOL Multiphysics仿真軟件搭建滅弧通道模型并模擬氣流滅弧過程，表明了噴射氣流熄滅電弧的有效性。然后通過改變氣流管控部件長度，分別對其進行滅弧仿真計算后，得出的仿真結果對比與理論推導相符，證明了增大氣流通道管控長度能夠有效提升噴射氣流滅弧防雷間隙的滅弧能力。

3)通過設置2組不同裝置的滅弧實驗，發現延長氣流管控部件的裝置其整體滅弧時間更短，滅弧效果得到了優化，從而驗證了上述結論。