姜 輝，劉寶全，畢曉蕾，高 劍，張長秀

(中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

0 前言

石化企業(yè)架空線路的雷擊跳閘率占全部跳閘事故的40%～70%。石化企業(yè)分布廣泛，多分布在山區(qū)及沿江沿海地區(qū)，且污穢程度高。石化裝置具有連續(xù)生產的特殊性，對連續(xù)供電的可靠性和質量要求較高，雷擊跳閘事故可能引起較為嚴重的二次事故。因此，開展針對石化企業(yè)的線路防雷理論和技術研究很有必要。

常規(guī)的線路防雷措施，例如架設避雷線，降低桿塔接地電阻、提高線路絕緣水平等[2-4]，均是基于“攔截型”防雷理念設計，成本高，難度大，可靠性低。而傳統(tǒng)避雷器不僅成本較高，而且存在閥片時滯導致殘壓飆升、閥片散熱性能較差導致熱擊穿高發(fā)、通流容量小等固有缺陷，也使其難以保障電網(wǎng)的輸電安全。國際上經常采用的“疏導型”并聯(lián)間隙，也存在缺乏熄滅工頻續(xù)流電弧能力、電極間距會因灼燒變大進而導致絕緣配合失效、降低線路整體絕緣強度等缺陷[5-13]。

為解決上述難題，提出一種多間隙自熄弧避雷器，通過滅弧間隙串聯(lián)組成的一種新型“疏導型”防雷間隙。當雷電流擊穿滅弧裝置時，滅弧室內溫度迅速上升，產生高壓氣流將電弧噴射出去，實現(xiàn)對電弧的多點截斷。

1 串聯(lián)滅弧防雷間隙的工作原理

圖1是串聯(lián)滅弧防雷間隙結構示意，該結構主要由硅橡膠、球形電極、滅弧室、電弧噴口組成。串聯(lián)滅弧防雷間隙根據(jù)電壓等級的不同由一個或多個單元串聯(lián)而成，每個單元由一個純空氣主間隙和滅弧間隙串串聯(lián)組成。滅弧間隙串是由硅橡膠內的多個金屬球電極組成的，兩電極之間為滅弧室。串聯(lián)滅弧防雷間隙結構并聯(lián)于輸電線路絕緣子兩端，當架空高壓線遭到雷擊時，在絕緣子兩端產生高電壓，當高電壓大于盤式串聯(lián)滅弧防雷間隙電壓保護水平值而低于絕緣子的放電電壓時，間隙串中間隙擊穿，形成導通回路，將雷電流引入地下。隨后，工頻續(xù)流電弧流過間隙串結構的滅弧室，電弧高溫使滅弧室氣體溫度急劇上升，進而向電弧噴口涌出，最終通過橫吹方式使電弧熄滅，見圖2。這種串聯(lián)滅弧防雷間隙實現(xiàn)了對架空高壓線與地之間的工頻續(xù)流電弧進行熄滅，保證供電安全可靠性。

1.硅橡膠;2.球形電極;3.滅弧室;4.電弧噴口圖1 35 kV串聯(lián)滅弧防雷間隙內部微結構

圖2 滅弧間隙吹弧示意

2 數(shù)學模型

基于磁流體動力學(MHD)理論，假設電弧間隙內部離子遵守Navier-Stokes方程表述的質量、動量、能量守恒，建立了電弧間隙的數(shù)學模型[14-18]。

2.1 假設條件

關于內部離子狀態(tài)設幾條假設[19-20]：①等離子體處于局部熱力學平衡(LTE)狀態(tài)；②空氣的熱物性參數(shù)僅僅與溫度有關；③電弧等離子體的流動方式為層流；④電弧等離子體起始于兩個固定間距的電極間；⑤假定當空氣電導率小于1時恒為1。

2.2 控制方程

根據(jù)以上假設，電弧間隙的等離子體電磁場與流場完全耦合，可同時求解Navier-Stokes方程和Maxwell方程?？刂品匠倘缦拢?/p>

a)質量守恒方程

(1)

b)能量守恒方程

(2)

c)動量守恒方程

(3)

d)理想氣體狀態(tài)方程

p=ρRT

(4)

e)歐姆定律

J=σE

(5)

f)泊松方程

E=-▽φ

(6)

式中：ρ——密度，kg/m3；

v——速度矢量，m/s；

T——溫度，K；

t——時間，s；

Cp——常壓熱容，J/(kg·K)；

k——熱傳導率，W/(m·K)；

kB——玻爾茲曼常數(shù)，J/K；

e——電子電荷，C；

J——電流密度，A/m2；

Qrad——總體積輻射系數(shù)；

p——壓強，Pa；

I——為單位矩陣；

μ——動態(tài)黏度，Pa·s；

B——自感應磁場的磁通密度，T；

R——理想氣體常數(shù)；

σ——電導率，S/m；

φ——電勢，V；

E——電場強度，V/m。

2.3 耦合關系

圖3表達了多物理場之間的耦合關系，其中，等離子體參數(shù)(電導率、熱導率、氣體密度)隨溫度以及壓強變化而變化。

圖3 物理場的耦合關系

該過程可簡述為：電流產生的熱量和磁場作用于等離子體，使得電弧間隙的溫度和壓力發(fā)生變化，從而導致等離子體的參數(shù)發(fā)生變化，反作用于電流密度。

3 仿真建模

利用多物理場仿真分析軟件建立了耦合多物理場的磁流體動力學(MHD)模型，建模參數(shù)與仿真設置如下。

3.1 滅弧結構

計算區(qū)域選取圖1中的滅弧出口區(qū)域，具體尺寸如圖4所示，仿真區(qū)域為兩個球形電極中間的放電區(qū)域，球形電極間距2 mm，圓弧為球形電極表面，半徑為5 mm，電弧噴出口徑4 mm。

圖4 仿真區(qū)域示意

3.2 多物理場設置

使用平衡放電熱源模塊建立電弧間隙的二維磁流體仿真模型，包括以下子模塊：磁場、電流場、流體傳熱和層流。

多物理場耦合設置：①整個計算域為平衡放電區(qū)域即滿足LTE假設；②AB以及CD邊為電極；③電流場與熱場溫度耦合；④磁場與流場洛倫茲力耦合；⑤流場與熱場流動耦合。

3.3 邊界條件

圖5中AB邊是高壓電極；EF邊為接地極；BC、DE、FA邊為絕緣絕熱壁；CD邊為電弧出口，在COMSOL各模塊中邊界設置如下。

圖5 仿真邊界示意

a)電流場。AB：電流密度

(7)

式中：I——電流的幅值，A；

r——電極半徑，m；

e——初始電流密度，A/m2；

Br——根據(jù)不同電流值設定的常數(shù)；

Rc——電弧可能在極板間燃燒的最大半徑，m。

FE：接地。

b)層流。AB：層流入口，壓強邊界；CD：層流出口，出口壓強1個大氣壓；其余邊界設置為無滑移壁。

c)熱場。CD：熱量流出邊界。

4 計算結果

基于上述模型，計算了電弧間隙電導率的分布情況，及調整電極半徑、間距時溫度與電導率的變化情況。

4.1 電導率分布

圖6為電弧間隙電導率在不同時刻的分布情況。

串聯(lián)間隙通入電流后，t=5×10-5s時，由于電弧能量使間隙內空氣電離，并且受熱膨脹，腔體內氣體離子開始向腔體出口處移動，這個過程中，腔體離子體電導率由小變大，電弧路徑拉伸變長。t=1.5×10-4s后續(xù)幾個時刻仿真結果顯示，腔體內溫度逐漸升高，活躍離子區(qū)域逐漸變大，這個過程中，在離子體電導率變大、電弧路徑變長、電弧通道電阻變大等因素的共同作用下，電弧能量由腔體出口噴出，電弧最終難以維持燃燒狀態(tài)，最終熄滅。

圖6 電弧間隙電導率分布

4.2 電極半徑、間距變化

繪制了將電極半徑調整為4 mm、間距為3 mm時，圖7中心軸線上溫度及電導率幅值隨時間變化的曲線，并與調整前的結果進行對比，見圖8、圖9。

圖7 中心軸線示意

圖8 中心軸線上不同電極半徑下溫度幅值隨時間的變化曲線

從圖8、圖9中可見，在0.001～0.002 s附近，電極半徑調整前后溫度及電導率均存在1個下降階段，體現(xiàn)了腔體內電弧的建立、發(fā)展、熄滅過程。另外，電極半徑減小、極間距增大，會使吹弧時刻延后，滅弧性能降低。

5 滅弧試驗

5.1 試驗過程

試驗所用電流波形為8/20 μs，最大允許幅值為40 kA。搭建的35 kV防雷間隙電弧截斷試驗回路如圖10所示，對35 kV串聯(lián)滅弧防雷間隙的滅弧性能進行測試。具體步驟如下：①充電電壓選擇80 kV，保證沖擊電流能夠擊穿間隙串；②減少沖擊電流發(fā)生器并聯(lián)回路電容數(shù)量，以便可在40 kA及以下范圍進行電流調節(jié)；③架設相機，選擇慢門模式；④開展沖擊耐受試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)。

圖9 中心軸線上不同電極半徑下電導率幅值隨時間的變化曲線

G—隔離間隙；Rf—波前電阻；Rt—半峰值電阻圖10 串聯(lián)滅弧防雷間隙電弧截斷試驗回路

5.2 試驗結果

拍攝到的串聯(lián)滅弧防雷間隙電弧截斷過程見圖11。從圖中可以看出試驗產生了強烈的橫向沖擊電弧，這是由于電弧進入滅弧室時使得滅弧室中的空氣膨脹而產生高速氣流作用于電弧，將電弧噴出滅弧室。

圖11 串聯(lián)滅弧防雷間隙電弧截斷過程

圖12、圖13分別為試驗前后效果對比，可以看出試驗前纏繞在間隙串滅弧口外的膠紙由于電弧沖擊而完全解體，放置于下方的紙巾留有明顯電弧噴射產生的燒蝕痕跡。從而驗證了串聯(lián)滅弧防雷間隙噴射電弧具有一定物理沖擊能量。

圖12 沖擊電流放電前布置

圖13 放電試驗后情形

電弧電流波形如圖14所示，電弧熄滅時間為t=0.16 ms，且沒有重燃。

6 結論

a)利用多物理場仿真分析軟件建立了耦合多物理場的MHD模型，使用其中的平衡放電熱源模塊建立電弧間隙的二維磁流體仿真模型，包括磁場、電流場、流體傳熱和層流等模塊。計算了電弧間隙電導率的分布情況，及調整電極半徑、間距時溫度與電導率的變化情況。

圖14 電弧電流擊穿波形

b)串聯(lián)腔體結構具有自行滅弧能力。仿真結果驗證了腔內離子體電導率由小變大，電弧路徑拉伸變長的過程，反映了電弧的建立、發(fā)展、熄滅過程。電弧截斷試驗驗證了串聯(lián)滅弧防雷間隙電弧噴射過程具有物理沖擊能量。

c)串聯(lián)腔體結構能夠保證電弧快速熄滅且不再重燃。仿真結果顯示電弧主要燃燒階段為電流輸入之后0.05～6 ms之間，電弧完全熄滅時間為10 ms；電弧截斷試驗結果顯示電弧熄滅時間為0.16 ms。仿真和試驗結果存在較大差異，仿真計算條件的設置有待后續(xù)完善。