基于气吹原理的一体化防雷间隙快速灭弧方法

周慧康，杨廷方，罗屹豪，易维，谢泽龙，王润璞，单淞译

（1. 长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114；2. 国网湖南省电力有限公司，长沙 410118）

0 引言

雷击易导致架空线路绝缘子串烧坏以及线路跳闸，严重影响了电力系统的供电可靠性。传统防雷措施是在绝缘子串两端安装并联保护间隙，其结构简单，安装方便且经济性高。雷击时并联间隙被先于击穿，间隙放电释放雷电能量［1］。在国外并联间隙装置被应用于66~154 kV 等级电压的架空线路。我国也研制了不同电压等级的并联间隙防雷保护装置，但其自熄弧能力较差，须配合线路自动重合闸使用，否则雷击闪络后所产生的工频续流电弧易导致断路器跳闸［2-3］。因此提高并联间隙的熄弧能力十分必要。

为提高间隙快速熄弧的能力，降低线路跳闸率，目前国内外学者提出了不同的方法和研究。文献［4］利用具有非线性电阻特性的氧化锌电阻片缓冲灭弧。文献［5-6］应用磁吹原理通过线圈改变电弧所受电磁力，拉长和旋转电弧，减小电弧半径，达到灭弧目的。文献［7］设计了一种自能式空气炮压缩电离空气进行横吹灭弧。文献［8］利用雷电能量引爆特质的灭气丸进行喷气灭弧。文献［9-10］利用多断口短间隙灭弧，将电弧分割压缩，加快耗散电弧能量达到快速熄弧的效果。

为探究更快的间隙熄弧方法，本文提出了一种基于气吹原理的一体化防雷间隙装置，并且基于磁流体动力学原理（magnetohydrodynamics，MHD）对间隙电弧进行仿真，利用有限元仿真分析软件搭建了该装置模型分析了间隙电弧熄灭的能量消损过程。实验结果表明，该防雷间隙装置可以在快速响应雷击闪络后依靠内部的磁能气吹装置喷射出高速高压气流，主动快速地熄灭雷电击穿后因工频续流而引起的稳定电弧，可使整个灭弧过程在5 ms内完成。从而保护绝缘子串和输电线路，提高电网供电可靠性。

1 间隙电弧的工况分析

电弧是一种高温的等离子体，其内部充斥着剧烈的粒子碰撞而产生大量的带电粒子［11］。放电气体满足局部热力学平衡（local thermodynamic equilibrium， LTE）的条件，其反映放电气体的电导率、恒压热容、粘性系数、导热系数、辐射散热、对流散热等物理量均为温度的单值函数［12-13］。因此，可以建立电弧在LTE条件下的电磁场以及流场的耦合方程，考虑稳定电弧的热力平衡状态，弧柱区域通过辐射消耗的功率与温度直接相关［14-17］，由Navier-Stokes 方程和Maxwell 方程可得其能量平衡方程如式（1）—（2）所示。

式中：ρ为密度；v为速度矢量；T为温度；t为时间变量；Cp为常压热容；k为热传导率；Q为等离子体热源；kB为玻尔兹曼常数；e为电子电荷；E为电场强度；J为电流密度；Qrad为总体积辐射系数。

其控制方程为：

1）质量守恒方程

2）动量守恒方程

式中：u为速度分量；P为压强；I为单位张量；K为波矢，K= 2π/λ（λ为波长）；μ为动力粘度；F为洛伦兹力。

3）等离子体麦克斯韦方程组

式中：A为磁矢位；μ0为真空磁导率，其值为4×10-7H/m；B为磁场强度；δ为电导率。

基于磁流体动力学原理在有限元仿真平台中搭建传统并联间隙模型，在模型中将并联间隙极间距离设置为300 mm，电极材料为内置的铜，其电导率为5.998×107S/m，相对介电常数为1 F/m；上电极为电流终端，注入工频电流，下电极为接地端，有限元计算区域为长300 mm、宽500 mm 的空气域，考虑电场、磁场、流体传热和层流4 个物理场的耦合搭建间隙电弧仿真模型。传统并联间隙电弧动态仿真如图1所示。

图1 电弧稳定燃烧Fig. 1 Stable combustion of the arc

25 ℃标准大气压下当t=0 ms 时发生雷击闪络，保护间隙先于绝缘子串被击穿，间隙产生电弧通道将雷电流泄入大地，雷电冲击结束后工频续流维持电弧继续燃烧；当t=0.3 ms左右电弧弧柱温度可达12 000 K 左右，后续电弧难以自行快速熄灭，燃烧持续时间较长，容易引起继电保护装置动作、断路器跳闸，使得线路跳闸率升高。

2 一体化防雷间隙仿真建模分析

2.1 一体化防雷间隙工作原理及灭弧原理

该一体化防雷间隙基于气吹灭弧原理工作，在短时间内利用线圈产生的电磁能推动磁塞压缩空气，将电磁动能和空气压力能转化为空气射流动能，利用喷射出的高能气流作用于间隙弧根部分，降低电弧温度，截断弧根，达到灭弧目的。由于磁力线具有收缩性，线圈对于处在它内部的磁塞具有强大的电磁力作用，而线圈产生的磁吸力大小与磁力线穿过磁极的总面积及气隙中的磁感应强度的平方成正比［18-19］。假设磁感应强度沿磁极表面是均匀分布的，由麦克斯韦公式可得磁吸力的大小为：

式中：F为电磁吸力；S为磁极面积；B为磁感应强度；ϕδ为交变磁通量。

其中：

式中ϕm为交变磁通的幅值。

代入式（10）可得：

整理得：

考虑整个熄弧过程时间以毫秒计入，故上式中t在半个周期内波动。式（13）中第一项为恒定分量，第二项为交变分量，F随t的增加而变大。

由运动学方程可知，运动的磁塞在腔体内的运动方程可描述为：

式中：M为内置磁塞质量；p为磁塞的最大位移距离；D为阻尼系数；v为磁塞运动速度；Fz磁塞所受电磁力的大小；kp为磁塞复位反制力。

雷电流释放后，工频续流继续流过间隙，装置中线圈导通，电磁力助推磁塞压缩空气，喷射出高速高压气流作用于弧根，提高了电弧区的压力，可以快速带走残余的游离气体。一方面加快了电弧的对流散热，迅速降低弧柱的温度；另一方面可以直接截断弧根，切断电弧燃烧通道［20-23］。

由于焦耳热效应的存在，引起电弧热等离子体温度升高的主要因素是能量守恒式中的焦耳热项，当电流密度增大时，焦耳热引起的温度变化越大。电弧能量Ps由电弧的焦耳热提供，电弧能量的发散有辐射、对流和传导3种途径。

当电弧稳定燃烧时，电弧能量达到动态平衡，即：

式中Pf、Pd和Pc分别为辐射、对流和传导的能量。当受到强气流作用时，电弧能量因对流而消耗大幅增加，此时有：

若电弧能量失去平衡电弧则不能稳定燃烧。与此同时电弧的熄灭过程是个去游离过程，强气流作用会增加电弧的扩散去游离，当去游离作用大于电离作用时电弧燃烧逐渐减弱，直至熄灭。因此，经分析证明，利用此方法产生的强气流作用于电弧可以快速有效熄弧。

2.2 装置模型仿真

传统的并联间隙通常安装在绝缘子串两端，包括高压电极和接地电极。发生雷击时强大的雷电冲击电流将击穿间隙间的空气，此时会在并联间隙两电极间产生一个导电通道，短路电流流经高压电极、导电通道、接地电极，最终流入大地。雷电流释放后稳定的工频电弧将继续燃烧，易引起雷击跳闸率升高，也会灼烧导线引起断线事故，同时减少并联间隙寿命。

因此本文为探究更快的灭弧方法设计了一种一体化防雷间隙防雷装置，该装置由磁能气吹装置、外间隙、内间隙组成，外间隙将装置本体与高压电极隔开，接地电极串联磁能线圈同气吹装置连接，其与线路的安装示意图如图2 所示。雷电冲击过后，内、外间隙被同时击穿，雷电流被释放后，工频电流继续流过内、外间隙，内间隙线圈导通，磁能气吹装置动作，通过电磁力推动磁塞运动压缩腔内空气，腔内气压迅速增加，高压气体从喷口喷出直接作用于内间隙电弧，迅速增大电弧对流散热，以截断工频续流。

图2 一体化气吹防雷间隙装置安装示意图Fig.2 Sketch diagram of Installing integrated air blowing lightning clearance device

下面主要以磁能气吹装置动作状态为分析对象，分析其对于间隙电弧的熄灭效果。在有限元仿真分析软件中搭建该装置模型，灭弧结构主要由磁能气吹装置组成，包括上下两电极、产气腔室、磁能线圈以及磁塞。在模型中设置弧隙距离为300 mm，电极材料为铜，其电导率为5.998×107S/m，相对介电常数为1，导热系数为400 W/（m·K），腔体外保护材料为石英材料，相对磁导率为1，电导率为1×10-12S/m。磁能线圈与下电极串联，接入电流终端，上电极为接地端，产气腔室为高375 mm、宽150 mm 的柱形腔体，并且腔室上方开有内径30 mm 的圆环喷气孔，磁塞高为35 mm，宽为120 mm，嵌入柱形腔体内部，线圈匝数为20匝，每匝线圈半径为5 mm，匝间距离为3 mm，有限元计算区域为长300 mm、宽500 mm 的空气域，建立电场、磁场、流体传热和层流4 个物理场的耦合，其仿真模型如图3所示。

图3 磁能气吹装置Fig. 3 Magnetic energy air blowing device

当闪络通道形成后间隙中形成稳定工频电弧，此时磁能气吹装置导通开始动作，磁能线圈随即流过相同大小的工频续流。针对不同雷电流冲击下引发后续工频续流大小的值差异性，本文研究对象所取工频续流为2 kA 的短路电流流过磁塞线圈。磁能线圈导通后，中间时刻t=3 ms其磁通密度模如图4所示。

图4 t=3 ms磁通密度模三维图Fig. 4 Magnetic flux density modulus 3D diagram at t=3 ms

线圈通电后在磁力线强收缩性的作用下磁塞受到线圈对其的强电磁力作用，磁塞将沿着电磁力的方向做加速运动。随着时间的变化磁塞将位移至产气腔室顶端，位移过程中腔室内空气被极速压缩，当气压大于临界气压条件时，压缩气体将由顶端喷口喷出。由仿真计算可得磁塞不同时刻受到的电磁力大小如图5所示。

图5 不同时刻磁塞所受电磁力大小Fig. 5 Magnitude of the electromagnetic force on the plug at different times

磁能气吹装置的喷口气流速度是影响灭弧性能的主要因素，因此重点分析灭弧时限0~5 ms 内各个时刻喷口气流流速的大小。由上述分析可知，当雷电通道形成后间隙流过工频续流，磁能线圈随即对腔体内磁塞产生电磁力作用，磁塞压缩空气，在导通初期磁塞速度较低，腔体内气体逐渐被压缩，喷口处形成的气流流速也较小，此状态为t=0.3 ms 时喷口处气流形成如图6（a）所示，此时间隙电弧也逐渐燃烧，之后气流速度幅值不断波动，呈上升趋势，在t=3~4 ms 期间腔室内的气流逐渐作用于弧柱中心，如此大的气流速度作用于电弧，将使电弧电导率迅速下降，其气流喷出过程如图6（b）所示。在t=5 ms 时由图6（c）可知，气流已达到全速状态，完全作用于间隙电弧弧根，气流末端也可抵达阳极区域处，由于高速气流与电弧弧柱的耦合作用，导致了极大的对流散热，电弧能量骤降，此时磁塞也在电磁力的作用下，由腔室底部位移至腔室上端。

图6 高能气流形成过程图Fig. 6 Diagram of high-energy airflow formation process

3 仿真结果分析

当高能气流作用于电弧时，电弧内部温度由于强对流散热会急剧变小。且在高速气流降低弧柱中心温度的同时，弧柱宽度也会减小，电弧逐渐变细，整个过程如图7 所示。图7（a）所示为t=0.3 ms时间隙电弧形成图，电弧形态稳定，且由图6（a）可知，此时喷口处气流处于形成初期，对弧柱影响较低，弧柱温度可达10 000 K；由图7（b）可知，在t=3.5 ms 时气流已由喷口喷出并且作用于电弧下电极弧柱区域，此时近阴极弧柱区域温度降低至5 000 K，弧柱宽度变为原来的1/2；如图7（c）所示，t=4.6 ms时气流已成完全态全部由喷口喷出，高速气流进一步作用于电弧，电弧又一次变细为原来的30%，温度更低至3 000 K；如图7（d）所示，t=5 ms时气流可以抵达电弧阳极区域，高速气流全状态作用于电弧弧柱，电弧温度骤降至1 500 K，其后电弧在热动力作用下迅速被截断，阴极区域电弧弧柱脱离弧根。

图7 强气流作用下电弧形态变化图Fig. 7 Diagram of arc morphology change under strong air flow

强气流作用于内间隙弧柱，强大的气流会使弧柱区域的空间电荷发生扩散，弧柱区游离作用减弱，去游离作用加强，空间电荷密度急剧下降［24-28］。由仿真结果分析可得，沿电弧阳极轴线方向弧柱电流密度变化曲线如图8 所示，电弧导通初期空气间隙由于温度高，带电粒子活跃，故其电导率也随之增加；空气间隙被击穿后电流密度增大，电导率随之越高。由图8 可知，弧柱电流密度阳极区域最高达2×109A/m2，而在弧柱受强气流作用下的阴极区域，外电流密度迅速降低。随着对流散热的增强，电弧能量消散加快，温度也急剧下降，其不同时刻沿弧柱轴线方向温度变化曲线如图9 所示，由图分析可知，在5 ms 内轴线X=1 dm 左右区域（近阴极区），电弧温度从12 000 K 下降至1 500 K 左右，与上述分析强气流作用下电弧形态的变化相符合，温度发生骤降，电弧被截断，因此电弧得以在5 ms内熄灭。

图8 不同时刻间隙电弧沿轴线方向电流密度变化Fig. 8 Current density change of the gap arc along the axis at different times

图9 不同时刻间隙电弧沿轴线方向温度变化曲线Fig. 9 Temperature variation curves of the gap arc along the axis at different times

磁能产气装置的产气效果与工频续流的大小有关，电流越大，磁能量越大，间隙内产生的气流速度也越大；与此同时电流越大电弧燃烧越剧烈，吹熄电弧所需要的气流速度亦越大。因此，最终的灭弧效果取决于电流产生气流速度的灭弧能力与熄灭大电流电弧对所需气流速度要求之间的竞争关系。不同工频续流状态下磁能产气装置所喷出的气流的速度以及磁塞位移情况如表1所示。

表1 不同工频续流与气流速度的关系Tab. 1 Relationship between different power frequency freewheeling and airflow velocity

由表1 可知，工频续流大小与高能气流最大速度有关，工频续流过低时可以增加线圈匝数，以增大磁吸力的大小推动磁塞做最大位移，否则将会导致腔体内气压过低，气流喷射速度太小，不足以熄灭电弧；因此充分考虑线圈匝数与工频续流大小的配合即可产生最佳气流，达到最好熄弧效果。

4 试验

为验证该一体化防雷间隙的灭弧效果，在实验室通过模拟雷击进行工频续流灭弧试验。试验回路如图10 所示，线路电压水平为10 kV，将该一体化防雷间隙与绝缘子并联安装，由于引弧电极的存在，电弧将形成沿着磁能气吹装置及外间隙的电弧通道，在灭弧腔室中实现强气流对电弧的耦合作用。其试验装置接线如图11 所示，试验结果如表2所示。

表2 试验结果Tab. 2 Test results

图10 试验接线图Fig.10 Wiring diagram of the test

图11 现场试验装置接线图Fig.11 Wiring diagram of the field test device

结合试验结果与理论仿真分析可知，传统保护间隙的电弧持续时间较长，电弧不易自行熄灭，而安装一体化防雷保护间隙后的灭弧时间为5 ms 左右。在理论仿真中，其完全态高速气流全部作用于电弧的时间大致为4.6 ms左右，即电弧被截断的时间与气流作用时间基本相符，只有传统保护间隙熄弧时间的6%~8%，可有效保证电力系统的供电可靠性。

5 结论

为快速熄灭雷击过后工频续流引起的稳定电弧，本文设计一种基于气吹原理的一体化防雷间隙，利用磁能气吹装置喷射高能气流作用于电弧，所得结论如下。

1） 电弧是一个热等离子体的存在形式，其内部能量平衡取决于外电场提供的焦耳热与传导、辐射以及对流三热的博弈。为了快速熄灭电弧，利用高能气流纵吹电弧，加大电弧能量内部耗散，达到灭弧的目的；

2） 本文设计的一体化防雷间隙结合空气动力学原理和电磁学原理，在短时间内利用磁塞压缩腔内空气，将电磁动能和空气压力能转化为空气射流动力能。瞬时作用在电弧弧柱，快速降低电弧温度，增大电弧的耗散功率。

3） 理论仿真和试验结果表明，该一体化防雷间隙的熄弧时间为5 ms左右，只有传统保护间隙熄弧时间的6%~8%，极大缩短了传统间隙自熄弧时间，保证了线路的供电可靠性。