1、固相气流防雷装置熄灭工频大电流的仿真分析和试验研究谭思源1，李籽剑2，王巨丰1，黄萍1，黄上师3（1.广西大学电气工程学院，南宁530004；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，武汉430000；3.桂林电子科技大学电气工程及自动化系，广西 桂林541004）摘要：为验证固相气流灭弧装置在110 kV系统中熄灭工频大电流的能力，文中首先在Comsol Mutiphysics软件中将电场、流体及传热模块耦合，对高速气流与电弧的耦合发展过程进行仿真，以电导率确定电弧熄灭；其次到高压试验室开展固相气流下的40 kA工频大电流灭弧试验。仿真结果表明，固相气流熄灭工频大电流电弧的时间约为4 ms；
2、试验结果证明在固相气流下6.7 ms左右熄灭40 kA的工频大电流电弧。由于仿真不能完全模拟实际灭弧条件，且电弧熄灭时间都小于继电保护装置动作时间，所以误差仍在可接受范围内。实际运行状况证明，该装置在实际运行中拥有熄灭工频大电流电弧的能力，且工况良好，性质稳定，能够有效降低线路的雷击跳闸率。关键词：固相气流；气流灭弧；工频大电流；线路防雷；雷击跳闸Simulation Analysis and Experimental Research of Power Frequency High Current ArcExtinguishing for Solidphase Airflow Lightni
3、ng Protection DeviceTAN Siyuan1，LI Zijian2，WANG Jufeng1，HUANG Ping1，HUANG Shangshi3（1.School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.State Grid Electric Power Research Institute，State Grid Hubei Electric Power Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China；3.Department of Electrical Enginee
4、ring&Automation GuilinUniversity of Electronic and Technology，Guangxi Guilin 541004，China）Abstract:In order to verify the ability of the solidphase airflow lightning protection device to extinguish the powerfrequency and large current in 110 kV system，the electric field，fluid and heat transfer modul
5、e are coupled firstly inComsol Mutiphysics software，and the coupling development process of the highspeed flow and the arc is simulatedso to determine the arc extinguishing with the electrical conductivity.Secondly，the 40 kA power frequency highcurrent arc extinguishing test under the solid phase ai
6、rflow is developed in high voltage test laboratory.The simulationresults show that the arc to extinguish power frequency and large current of solid phase airflow is about 4 ms.Thetest results prove that the power frequency high current arc of 40 kA is extinguished at about 6.7 ms under the solidphas
7、e airflow.Since the simulation can not completely simulate the actual arc extinguishing conditions，and the arcextinguishing time is less than the operation time of relay protection device，the error is therefore still within the acceptable range.The actual operation condition shows that the device ha
8、s the capability of extinguishing power frequency and large current arc in actual operation with good condition and performance，which can effectively reducethe lightning strike trip rate of the line.Key words:solidphase airflow；airflow arcextinguishing；power frequency high current；line lightning pro
9、tection；lightning trip out第59卷第2期：013301392023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01330139Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.018_收稿日期：20220819；修回日期：20221021基金项目：国家自然科学基金资助项目(51467002)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51467002).2023年2月第59卷第2期0引言雷击事故是电网
10、安全稳定运行的主要威胁1，据国家电网公司统计：20102015年间330 kV及以上交流线路雷击跳闸次数占总跳闸次数的39.4%50.8%2。2012年南方电网110 kV及以上电压等级输电线路雷击跳闸次数占全部跳闸总数的65.4%3。据20062014年间南方电网雷电定位系统记录的数据显示，雷电流平均幅值高达26 kA4。雷击闪络造成线路跳闸，轻则引起电能质量的波动，影响工业产品质量，重则可以产生爆炸，酿成火灾，威胁财产甚至生命安全。现有的防雷理念根据雷击后是否发生闪络将防雷措施分为两种：“疏导型”防雷与“阻塞型”防雷5。“阻塞型”防雷措施主要有：降低接地杆塔电阻、装设避雷线以及安装避雷器等
11、。由于接地电阻与输电走廊主要受地形地貌制约，在大石山区降低接地电阻需要投入大量财力与精力；在峡谷地区易发生绕击，避雷线的防雷效果并不理想；避雷器防雷效果明显，但经济投入较大，维护量繁重。并联间隙保护装置是目前广泛使用的“疏导型”防雷措施，此方法虽然取得一定的效果，但是是以“牺牲雷击跳闸率换取低事故率”的做法6-8，且因缺乏主动灭弧能力，在面对大电流时，电弧自熄时间可能会超过重合闸动作时间，从而导致重合闸失败，使供电中断。为了解决上述问题，广西大学电气工程学院高压试验团队在“疏导型”防雷装置的基础上提出一种固相气流灭弧防雷装置，该装置此前已提出相关理论9-12，并在西安高压电器研究院进行了1、5
12、、10 kA的工频电弧快速熄灭试验13-16。但上述试验研究中熄灭工频电弧的幅值远小于110 kV系统可能出现的最大短路电流。当受到特大雷击时，安装固相灭弧装置的110 kV及以上电压等级线路能否熄灭工频大电流电弧仍未得到试验验证。为此文中从理论分析、模拟仿真、试验验证和实际运行等方面开展固相气流熄灭工频大电流的相关研究，还进行了40 kA工频大电流灭弧试验，验证固相气流能在110 kV任意系统容量下快速熄灭工频大电流电弧的能力。1固相气流灭弧防雷装置1.1固相气流灭弧防雷装置结构及改进“固相气流”是指由固相材料制成的灭弧气丸经雷电流触发后瞬间转化为气相，从而形成高速高压气流作用于工频电弧17
13、。装置的安装示意图见图1，其内部结构见图2。该装置主要由信号采集装置、接地电极、灭弧筒(内置三硝基甲苯炸药)和高压电极组成。灭弧装置与接地电极相连。装置与高压电极间的空气间隙长度为绝缘子串长度的 80%90%18，通过调整绝缘配合，使雷电流优先在空气间隙闪络。为加强灭弧效果，缩短气丸换位时间以应对多重雷击，该装置的气丸换位方式更改为在发条与推动板的双重作用力下进行，使气丸能在更短时间内完成换位动作；同时，装置缩小了喷气口的半径以提高气流喷射时的压强。为提高实际运行中的稳定性、降低维护成本，该装置重新设计了储弹仓的排列方式，缩短装置高度，不仅能储存更多弹药，同时也减少了气流喷射时引起装置震动的幅
14、度。图 1固相气流灭弧防雷装置安装示意图Fig.1Installation diagram of SAAE图 2固相气流灭弧防雷装置结构图Fig.2Diagram of SAAE structure1.2固相气流灭弧防雷装置的灭弧原理雷击发生时，雷电波沿着线路传导至装置附近，由于空气间隙与绝缘子的绝缘配合经过调整，雷电流先通过空气间隙泄入大地，减少绝缘子串两 134端过电压。当雷电冲击电流经过接地电极时，信号采集装置立即感应到雷电流脉冲，同时触发灭弧筒中的炸药，大量高压气流(50 MPa)沿着灭弧筒方向“纵吹”，在工频电弧电流稳定建立前喷向雷电流所击穿的通道19。高压气流加速电弧通道中等离子体
15、热对流、热辐射和热传导的过程。在此暂态过程中，空气中的等离子体温度迅速下降，压强迅速上升。高温带电粒子被高压气流吹散，不断与外界低温空气中的带电粒子复合，使电弧燃烧无法维持，最终熄灭。此时工频电流还处于“萌芽期”，电流往往只有几十到几百安，防雷装置抓住电弧能量较弱时期快速将其熄灭。电弧被吹灭的同时空气介质绝缘强度也在不断恢复，当空气介质恢复速度大于击穿电压的恢复时，便成功阻断工频电弧发展，防止跳闸事故发生。2大电流灭弧试验仿真分析2.1仿真的原理及模型文中利用Comsol Mutiphysics仿真平台，建立耦合电场、流体及传热3个模块的模型，在基于以下假设下完成仿真：将电弧视为满足局部热力学
16、平衡条件的高温等离子体。电弧的热导系数、电导率、辐射散热、恒压热容及粘性系数为温度的单值函数，且满足气体状态方程20-22。忽略电弧流体受粘性耗散及洛伦磁力的影响。电导率与温度是判断空气介质是否击穿的决定因素，而电导率又是温度的单值函数23，所以在文章的仿真中，将电导率作为空气介质是否发展为电弧的判据。根据上述假设，电弧模型应被视为可压缩气流，同时满足NavierStokes方程和电流守恒方程，其控制方程如下。质量守恒方程为ft+f=0(1)式(1)中：f为流体密度；为速度矢量。动量守恒方程式为(f)t+f()=-pI+f(+()T-23f()I(2)式(2)中：为压强；I为二阶单位张量；f为层流粘性耗散。能量守恒方程为CPTt+CPT-(kT)=Q(3)式(3)中：k 为导热系数；Q 为热源；CP为恒压热容。气体状态方程为p=fRT(4)式(4)中，R为比气体常数。根据麦克斯韦安培环路定理的推广J=QjJ=E+Dt+E=-UJe(5)式(5)中：J为电流密度；Qjv为单位体积电荷量变化率；E 为电场强度；为电导率；D 为电位移；Je为外电流密度；U为电势。文中模拟110 kV输电线路