配网线路新型灭弧装置熄灭工频电弧的仿真与试验研究

唐佳雄，王国锋，徐宇恒，张清河，庞智毅

(广西大学 电气工程学院， 南宁 530004)

0 引 言

雷电一直是危害电网运行安全的重大因素，据不完全统计，目前因雷击导致的电网事故在我国沿海省份占了一半以上[1]。往往一次雷暴就可造成地区级电网数百次线路跳闸，严重危害当地电网运行安全，给当地社会带来巨大经济损失[2-3]。

目前配网线路主要采取降低接地电阻、安装避雷器、加强线路绝缘和耦合地线等各种传统手段将雷害最小化，但是所取得运行的效果不是很理想[4]。上个世纪60年代国外学者提出了一种基于“疏导型”思想的在绝缘子串旁安装并联间隙的防雷保护方式，但工频电弧会在保护间隙电极末端多次烧蚀会造成绝缘配合失灵和不能熄灭工频电弧等问题使其无法大面积在电网推广使用[5]。近些年国内外学者在并联间隙的基础上研发了带有主动灭弧功能的灭弧装置，主要包含有：利用电弧自身高温烘烤有机高分子材料产生高速气流熄灭电弧的多腔室防雷器[6]；利用装置内部特殊的化学材料而产生高速气流瞬时灭弧的管式避雷器[7]；利用雷电脉冲信号触发灭弧气丸而产生爆炸强气流熄灭电弧的灭弧装置[8]；利用磁场力拉长电弧并截断电弧的灭弧装置[9]。但上述灭弧方式存在受灭弧次数的限制、会产生有毒气体危害环境、结构复杂、造价昂贵等缺点。

综上所述，现目前存在的防雷手段不能够完全满足输配网线路可靠运行的要求。因此为了保证雷击线路工况下输配网线路能够正常运行，笔者研发了一种能够快速熄灭工频电弧的10 kV电压等级多断口灭弧防雷装置。此装置利用高压电极诱导电弧进入压缩管内，压缩管对雷电弧进行强制性物理压缩，电弧径向断裂形成多个折断点，实现对工频电弧发展过程中的多重截断，然后通过雷电弧自身能量产生高速喷射气流切断后续能量补给，将电弧熄灭。

文中首先对多断口灭弧防雷装置结构、灭弧原理进行了详细的分析；通过利用COMSOL Multiphysics仿真软件对高速气流灭弧过程进行仿真模拟；其次在实验室内搭建了冲击闪络和工频续流的联合试验回路，进行了灭弧试验；最后根据现场运行数据分析了该装置的防雷效果，证明了该装置的实用性和有效性。

1 多断口灭弧防雷装置防雷保护原理

1.1 多断口灭弧防雷装置结构分析

多断口灭弧防雷装置示意图如图1所示，该装置主要包括高压电极、绝缘伞裙、陶瓷压缩管(灭弧室)和接地电极。其中高压电极由石墨组成。多断口灭弧防雷装置主体长度为18 cm，绝缘伞裙长度为12 cm，接地电极尺寸可根据不同型号绝缘子的高度进行设计。陶瓷管的外径为8 mm，内径为6 mm，长度为25 mm，共有8根陶瓷管。并且每根陶瓷压缩管内部均设有导电极，导电极长度为3 mm，导电极是通过库仑力约束作用控制工频电弧运动路径，使其能够进入灭弧室内部。如图2所示，该装置内部的整体灭弧单元是由一系列陶瓷压缩管通过类似空间螺旋式结构相连接而成的，相邻陶瓷压缩管转折点与空气接触处形成断口结构，并且相邻两管角度为60°，使电弧通过两相邻陶瓷管的转折点处更易断裂。

图1 多断口灭弧防雷装置示意图

图2 灭弧单元空间示意图

1.2 电弧熄灭原理

多断口灭弧防雷装置安装图如图3所示。多断口灭弧防雷装置通过必要的金具与绝缘子并联安装，并根据不同型号绝缘子的高度通过上下调整多断口灭弧防雷装置与金具之间相连接的螺母，从而使装置与高压绝缘导线之间的空气间隙距离保持在8 cm，以满足绝缘配合需求。

图3 多断口灭弧防雷装置安装示意图

当雷击线路时，由于多断口灭弧防雷装置的绝缘水平低于绝缘子串的绝缘水平，故雷电过电压首先击穿装置与绝缘导线之间的空气间隙，电弧优先在该装置侧发生闪络。多断口灭弧防雷装置内的高压电极(由石墨组成)具有良好的导电性能，能够通过库仑力约束作用迅速诱导电弧进入其特定的约束灭弧单元内(由一系列陶瓷压缩管组成)。由于电弧在空气间隙击穿瞬间就被诱导至装置内部，并且绝缘导线外层包裹有绝缘层，所以装置能够保护绝缘导线免于电弧烧损[10]。电弧进入灭弧单元后在多断口结构的作用下将电弧分解为多个相串联的短电弧。同时短电弧在每个陶瓷压缩管的有限空间挤压下产生机械压缩效应，电弧从自由形态向压缩形态转化，电弧半径减小。同时高温电弧与陶瓷压缩管冷室壁相接触过程中，由于两者之间存在巨大的温差，从而产生冷却压缩效应，电弧能量以热传导的形式快速丧失，电弧外围大量导电粒子失去导电性，电弧表面温度急剧下降，从而弧柱半径进一步减小。

根据以上分析可知，可将灭弧单元内的电弧视为多个小电弧电流元串联而成，并通过有限元分析法对电流元进行受力分析，从而推导出影响电弧自磁压缩效应的因素[11]。

电弧弧柱单元体力的平衡方程：

(1)

式中P为电弧轴向压力；jz为轴向电弧电流密度；BΦ为电弧自身磁场强度。

由于电弧弧柱是柱对称的，根据安培环路定律得：

∮lB·dl=μ0∑I

(2)

式中μ0为真空磁导率；ΣI为闭合回路中所有单元电弧电流之和；l为弧柱回路中积分半径的长度。

又因为式(2)中B与dl为同方向，且|B| =BΦ，在回路中保持常量，所以对式(2)简化，并积分得：

(3)

将式(3)代入式(1)中，计算可得：

(4)

将式(4)右移，计算可得：

(5)

把电弧轴向压力P从弧径处向弧柱内部积分，弧柱边缘处压力应为P0，得：

(6)

将式(6)简化可得：

(7)

由电弧电流密度计算公式得：

(8)

式中ri为电弧半径。

则将式(8)代入式(7)中，经计算可得：

(9)

式中 ΔP(r)为电弧自磁压缩效应在弧柱半径r处的压力差。

由式(9)可知，电弧弧柱受到压力与弧电流的平方成正比，与弧半径的平方成反比。因此当电弧进入陶瓷压缩管后，在机械压缩效应和冷却压缩效应作用下电弧的半径减小，电弧弧柱压力增大，使电弧自磁压缩效应增强，电弧半径进一步减小，电弧形态将变得细长，这使得工频电弧更易于熄灭。

由上述分析可知，电弧进入灭弧室后在三重压缩效应作用下，电弧已经被极度压缩，但是弧柱中心温度越来越高，电弧已经发展为高温高密度热源。伴随着电弧能量通过热对流和热传导的方式向灭弧室不断释放的同时，灭弧室内的温度和压强急剧升高，空气密度不断下降，并通过磁抽吸不断从灭弧室外抽吸大量新鲜空气补充到管道剩余的空间，大量气体集聚在灭弧室内。同时灭弧室内外形成巨大的温度和压强双重梯度差，空气不断膨胀形成高速喷射气流，气流不断作用于电弧，电弧中的导电粒子复合和扩散作用大大加强，电弧中的大部分导电粒子与空气完成交换变为绝缘介质，电弧能量不断降低，最终在高速气流作用下将电弧被全部喷射出灭弧室，电弧完全熄灭。

2 仿真设计

2.1 仿真参数设定及边界条件

利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件搭建了多断口灭弧防雷装置的二维几何结构仿真模型，如图4所示。图4中：1为高压电极；2为导电极；3为陶瓷压缩管(灭弧室)；4为断口结构；5为外部空气；6为低压电极。仿真采用瞬态分析，仿真时间步长设置为0.05 ms，仿真周期为10 ms，即半个工频周期，并采用全耦合求解器运算。将电弧及空气流动区域网格划分为极细网格，边界层采用三角形网格，即用以提高了仿真收敛性。

图4 二维仿真模型

仿真参数及边界设定如下：外部空气流动设定为层流，且空气温度设置为295 K，压强设置0.1 MPa；高压电极、低压电极及导电极的恒压热容为800 J/(kg·K)，导热系数为192 W/(m·K)，边界温度设为300 K，固体电极边界设置为无滑移；箭头1(即高压电极处)为电弧入口；陶瓷压缩管管壁处于常温(295 K)；断口结构均为气流的出口，断口处温度边界为300 K，电弧热量通过传导、对流和散热三种方式散失，其中断口结构间的气流与电弧交换过程中的对流散热是电弧能量主要散失方式。

2.2 仿真结果及分析

图5为灭弧室内气流速度云图。如图5(a)～图5(b)所示，t= 0 ms～0.1 ms，线路发生雷击后多断口灭弧防雷间隙吸引早期工频续流电弧进入其装置内部，工频电弧被装置内部特殊的空间螺旋排布结构同步截断，同时电弧不断向灭弧室释放巨大焦耳热，使得灭弧室空气受热急剧膨胀而产生高速气流并同时作用于多段小电弧，气流速度在0.1 ms时刻即可达到1 400 m/s，如此强大的高速气流遏制工频续流电弧初始发展阶段，这为后续熄灭工频电弧提供了极为有利的条件；如图5(c)～图5(e)所示，t=0.3 ms～0.8 ms时灭弧室内气流速度不断下降，说明电弧在高速气流的作用下，加快了弧道中高温带电粒子向周围低温空气介质中扩散，将电弧中的大部分带电粒子吹到灭弧室之外，电弧能量不断的衰减。并且在断口处的高速气流和外界空气形成对流，使电弧与空气介质的接触面增大，改善了电弧的散热条件，从而增强了电弧中离子的复合和扩散过程，加速了电弧熄灭；t=1 ms时气流与电弧的耦合过程已经停止，但气流速度已经最高还可达60 m/s，气流维持时间越长对于彻底熄灭电弧越有利，并且存在的气流能够切除工频电弧通道能量的注入，防止电弧重燃。

图5 气流速度分布云图

图6为灭弧室内温度云图，它能更好地展示在高速气流作用下电弧能量的变化过程。如图6(a)～图6(b)所示，t=0 ms～0.1 ms时电弧进入灭弧室后在三重压缩作用下已经发展成为高温高密能量体，电弧通过以对流散热的方式将能量传导至灭弧室内，灭弧室内的空气温度从295 K迅速攀升至14 000 K，此时灭弧室内的空气受电弧对流散热的影响下体积迅速增大，并产生了径向气流，然而由于受到陶瓷压缩管内壁的压力，径向气流发展成为轴向气流，工频续流电弧此时尚处于“萌芽阶段”，强气流破坏了电弧的成长；如图6(c)～图6(f)所示，在强气流不断冲击工频电弧下，加速了电弧介质由电离导通态变为绝缘介质的游离过程，促使弧隙中正离子和自由电子大量减少，电弧温度不断下降，高速强气流携带大量电弧热等离子体向断口外喷射，带走电弧大量的热量，电弧温度在0.8 ms时已经下降至6 000 K；t=1 ms时电弧已经被气流完全的喷出灭弧室，灭弧室内温度下降至550 K，电弧已经熄灭。并根据交流电弧过零理论，电弧熄灭后由于存在热惯性，电弧温度维持在较高的数值，弧隙中还存在一定的导电性能，在外加电压下电弧仍可能重燃。所以持续存在的气流可以将灭弧室内尽可能残余的导电粒子完全置换为绝缘介质，从根部上防止其重燃。

图6 温度分布云图

3 试验验证

3.1 试验准备及步骤

为了真实模拟雷击线路工况下空气间隙被击穿闪络形成工频续流电弧后，多断口灭弧防雷装置迅速启动灭弧机制，快速熄灭电弧的过程。根据IEC 60060-1：2010标准相关规定, 搭建了冲击闪络试验与工频续流试验两者相结合的试验回路[12]，试验回路图如图7所示，图7中：L1是振荡电感；L2是限流电感；C1是电容；K1是振荡支路开关；Ug是冲击电源；H是高速摄像机；D是高压电极；M是多断口灭弧防雷间隙；J是绝缘子串。试验回路主要由工频电源回路、同步控制回路、 冲击电源支路和试品支路四个部分构成。其中工频电源回路由振荡电感L1、限流电感L2、充电电容C1和振荡支路开关K1组成，该回路利用LC串联谐振原理能产生频率为50 Hz的正弦波形工频电压和工频续流[13-14]；同步控制回路是通过采集工频电源回路输出的振荡信号，触发冲击电压发生器动作，从而实现冲击闪络试验和工频续流遮断试验在时间上的同步进行；冲击支路是由冲击电压发生器Ug组成，它可产生标准的1.2/50 μs的雷电冲击波；试品支路主要由绝缘子J、灭弧防雷装置M和高压电极D组成，其中使用电极代替高压导线。

图7 联合试验回路图

本次实验试区大气条件为：P=96.60 kPa,T=28.4 ℃，RH=74%。实验具体步骤如下：(1)调整多断口灭弧防雷装置与电极之间的空气距离，以满足绝缘配合要求；(2)对充电电容C1充电至所需放电电压；(3)冲击电压发生器充电至1.2/50 μs的峰值电压；(4)闭合工频电源回路的振荡支路开关K1，振荡电感L1和充电电容C1之间进行能量交换，产生工频电压和工频电流；(5)同步控制回路提取工频电源回路产生的振荡信号后并同步触发冲击电压发生器，冲击电源输出1.2/50 μs的冲击电压至灭弧装置与电极间的空气间隙，冲击电压瞬间击穿空气间隙后形成工频电弧，多断口灭弧防雷装置立即动作将电弧熄灭；(6)在将工频电压施加在装置两端，经检测发现电弧并未重燃。

3.2 试验结果

试验过程中使用高速摄像机记录下电弧熄灭的全过程，如图8所示。从图8(a)和图8(b)中可以看出：电弧进入装置后，在强气流作用下，装置内电弧产生压爆效应，大量电弧被喷出灭弧室，此时尚在“萌芽期”的工频续流被气流强烈抑制；从图8(c)可以看出电弧已经被其空间结构强制多点截断，电弧形态已经出现明显的变化，电弧能量大幅度削减，强气流促使电弧拉长、扩散、变形、冷却，电弧弧柱通道并被强气流摧毁；从图8(d)可以看出电弧在气流的持续作用下，由于无法得到后续工频电弧能量的补充，此时电弧的介质恢复过程加快，电弧能量已不能维持其稳定燃烧，电弧基本熄灭。

图8 高速气流熄灭电弧全过程

图9为通过装置的工频电流波形和装置两端的工频电压波形。图9中：通道CH1为装置两端的工频电压波形，通道CH2为流过装置的工频电流波形。从图9中可以看出：冲击发生在工频电压的零相位时，装置与电极间的空气间隙被瞬间击穿后，装置流过工频续流，续流持续时间大约2 ms～3 ms，续流峰值达1 kA。装置将工频续流切断后，随即将工频电压施加于多断口灭弧防雷装置两端，电弧并未重燃。

通过以上分析，工频续流遮断时间约为2 ms～3 ms，而仿真灭弧时间为1 ms，两者存在较小的时间误差，其原因为：仿真中电弧近似理想状态，忽略许多外在条件的影响，并未考虑热浮力和空气阻力的影响。而试验中会存在许多不确定的因素，电弧会受到热浮力和空气阻力的影响，还会受到试验现场各种因素的限制，所以试验中灭弧时间比仿真时间更长。但两者时间都远小于继电保护响应时间，都能够避免线路停电事故的发生。

图9 工频续流遮断波形

4 运行效果

我国沿海地区某条输电线路路径地处雷电活动频繁区域，雷击事故高居不下，大量杆塔建在高山上，接地电阻难以降低，通过常规方法很难再进一步提高线路耐雷水平，该地区的雷电活动严重威胁电网正常运行和用户生产的需要。

根据运行数据显示：该条线路于2014年落雷密度为4.75 km2·a，雷击跳闸次数为6次，2015年落雷密度为4.62 km2·a，雷击跳闸次数为8次，如表1所示。2016年初对该条线路进行防雷改造，全线安装了多断口灭弧防雷装置。根据安装装置后的运行数据显示：2016年～2018年间多断口灭弧防雷装置已经多次成功动作，该条线路雷击跳闸次数大幅度下降，装置对配网线路保护的防雷效果十分凸出。

表1 某防雷改造线路近5年来落雷密度和雷击跳闸次数

5 结束语

(1)多断口灭弧防雷装置特殊的空间螺旋结构能够将电弧同步多点截断。并通过电弧三重压缩叠加作用下使电弧能量更为集中，半径变得更小，温度更高。电弧能量释放过程中在断口处产生了高速气流迅速熄灭了电弧；

(2)利用COMSOL Multiphyscis多物理场仿真软件对高速气流耦合电弧过程中温度和气流速度参数变化进行仿真量化分析，并通过冲击闪络和工频续流联合实验论证了仿真结果。实验和仿真共同得出：在强气流持续作用于电弧下，能够将电弧熄灭且不会重燃；

(3)根据运行结果显示多断口灭弧防雷装置能够大幅度降低线路事故率和跳闸率。通过仿真、实验和装置运行效果共同表明了多断口灭弧防雷装置灭弧效果优异。