约束空间自膨胀强气流多断点截断电弧机理及试验研究

摘要

随着电网的发展以及输电线路电压等级的提升，电网遭受雷击的概率大大增加，如何有效对输配电线路雷害进行防护这个问题亟待解决。多年的实际运行数据表明:现有传统“阻塞型”防雷措施雷害防护效果并不理想，这是由于线路耐雷水平与地网电阻、雷电陡度、绝缘水平、雷击方式（绕击和反击）、雷击强度超过耐雷水平的概率有关，而这些都是不可控因素，导致绝缘冲击闪络概率高，并且对工频电弧的建立没有抑制措施，使雷击事故率、雷击跳闸率、雷击断线概率升高。因此，提出一种新型的输配电线路防雷措施迫在眉睫。
　　针对上述问题，本文研究了一种能够快速熄灭电弧并有效抑制工频电弧发展的多断点灭弧防雷间隙装置。当发生雷击时，接闪电极离导线之间的保护间隙被击穿，冲击电弧进入灭弧室中，电弧沿着特定灭弧室结构发展，电弧被分割成多个短电弧，由于电弧的瞬时导热特性，灭弧气流快速产生作用于电弧，电弧出现断点，进而电弧断点逐渐发展形成断口，从而破环电弧能量通道连贯性;同时随着电弧发展，电弧与灭弧室冷内壁接触，电弧温度迅速下降，电弧能量减弱，从而电弧熄灭。对本文提出的多断点灭弧防雷间隙装置进行熄弧机理及相关试验研究，具体研究工作如下:
　　1)研究了强气流作用下电弧等离子体的物理特性变化规律，包括电弧温度、电弧直径、电弧自磁收缩压力、电弧伏安特性、电弧运动速度、电弧近阴极效应，电弧加热效率。建立了强气流作用下正在发展电弧模型对电弧发展过程进行理论分析。对气流作用于电弧熄灭过程中的去游离过程以及电弧能量耗散过程进行理论分析。分析结果表明:在气流作用下，电弧温度会降低，复合作用会增强，电弧弧柱中的正、负电荷粒子发生中和，同时电弧弧柱中带电粒子扩散运动增强，这两者都有利于电弧熄灭。当电弧受到灭弧室约束时，电弧被压缩，此时电弧半径减小，弧柱所受压力会增大，使电弧自磁压缩作用增强，电弧会再度压缩。根据电弧能量守恒定律，电弧被二度压缩，会使电弧弧柱中心温度升高，从而灭弧室内的温度变高，产生高速气流，为电弧熄灭创造良好条件。同时短电弧存在近阴极效应，在电弧电流过零时，在阴极表面存在介质恢复强度，并且电弧被分割成多段短弧，在每一段电弧上都存在近阴极效应，整体的介质恢复强度是多个短弧介质恢复强度的叠加，强气流在电弧电流过零时进行作用，强气流的作用以及近阴极效应两者综合作用有利于电弧的熄灭，为电弧电流过零时使电弧熄灭创造绝佳条件。
　　2)对灭弧气流产生机理进行了理论分析，利用“集总参数法”对电弧传热过程进行近似计算。建立了电弧链式模型对电弧熄灭时间进行了计算，利用有限元法对气流控制方程组进行理论推导，建立了气流耦合电弧模型。利用COMSOL软件对单个灭弧室结构进行几何建模，对几何模型进行网格划分，利用求解器求解建立的微分方程组，并在灭弧室的对称轴上设置二维截点对此处的温度、电导率、速度进行分析;同时通过仿真得到的温度分布云图、电导率分布云图、速度分布云图可以得出气流耦合电弧过程中电弧物理性质的变化规律。从仿真得到的电导率分布云图中可以看出:电弧在0.01ms左右开始出现断点，此后这个断点区域逐渐增大，最后形成断口，将电弧分割为两段孤立的短电弧，此刻电弧能量不能有效输入，最终使电弧熄灭。从速度云图中可以看出:气流速度最大值可达到510m/s。
　　3)对灭弧装置进行了雷电伏秒特性试验、工频灭弧试验、冲击电流放电试验、冲击耦合工频灭弧试验以及500kV绝缘配合试验，对安装灭弧装置后线路的雷击跳闸率进行了计算，将安装灭弧装置前后线路雷击跳闸率进行对比分析。试验结果表明:在间隙距离为8.5cm时，灭弧装置对绝缘子具有一定的保护作用。在工频灭弧试验中，灭弧装置能够有效抑制电流幅值为2kA的工频电弧。在冲击电流放电试验中，当冲击电弧进入灭弧室内时，由于冲击电弧存在瞬时加热特性，在灭弧室中会形成灭弧气流对电弧进行多点截断，切断电弧能量补给通道。在0.1ms时，灭弧装置产生的灭弧气流速度增大，极大程度削弱电弧能量。在冲击耦合工频灭弧试验中，灭弧装置可以有效抑制电流幅值为3.9kA的工频电弧，并在0.3ms内将工频电弧熄灭。在雷击跳闸率计算结果对比分析中得出:安装灭弧装置后线路的雷击跳闸率比安装灭弧装置之前线路的雷击跳闸率降低了83.75％。理论和试验应用同时验证了灭弧装置对电弧截断的有效性，能够保护绝缘子免于灼烧，防止雷击事故发生。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外输配电线路防雷现状

1．2．1 我国传统输配电线路防雷措施

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内外并联间隙发展

1．3 本文主要研究内容

第二章 气流作用下电弧等离子体物理特性及电弧发展、熄灭过程分析

2．1 气流作用下电弧等离子体物理特性

2．1．1 电弧温度

2．1．2 电弧直径

2．1．3 电弧的电位梯度

2．1．4 电弧自磁收缩压力

2．1．5 交流电弧的伏安特性

2．1．6 电弧加热效率

2．1．7 电弧运动速度

2．1．8 近阴极效应

2．2．1 气流作用下电弧发展过程分析

2．2．2 电弧熄灭过程分析

2．3 本章小结

第三章 强气流作用下熄弧时间的计算及气流耦合电弧模型

3．1 灭弧气流产生机理

3．2 强气流作用下电弧熄灭时间的计算

3．2．1 考虑强气流作用下的电弧运动模型

3． 2． 2 强气流作用下电弧熄灭时间的仿真流程

3．2． 3 强气流对电弧熄灭时间影响的计算分析

3．3 气流动态模型

3．4 气流耦合电弧数学模型

3．4．1 电弧磁流体模型控制方程

3．4．2 边界层积分求解方法

3．5 本章小结

第四章 强气流耦合电弧过程仿真分析

4．1 COMSOL Multiphysics软件介绍

4． 2 仿真数学及几何建模

4． 2． 1 磁流体电弧模型控制方程

4．2． 2 仿真几何建模

4．3 仿真结果及分析

4．3．1 灭弧室内温度变化规律

4．3．2 灭弧室内电导宰变化规律

4．3．3 灭弧室内气流速度变化规律

4．4 本章小节

第五章 试验研究及应用

5．1 雷电冲击放电伏秒特性试验

5．1．1 试验场地及设备

5．1．2 试验方法及结果分析

5． 2 工频灭弧试验

5．2．2 试验结果及分析

5．3 冲击电流放电试验

5．3．1模拟冲击电弧电流的基本原理

5．3．2 试验结果及分析

5． 4 冲击耦合工频灭弧试验

5．4．1 试验方案

5．4．2 试验步骤与试验结果分析

5．5 500kV固相灭弧装置与多断点灭弧防雷间隙绝缘配合试验

5．5．1测试目的

5．5．2 试品描述及主要部件技术数据

5．5．3 试验设备

5．5．4 测试流程及试验结果分析

5．6 试验结果对比分析

5．6．1 冲击电流灭弧试验结果与冲击耦合工频灭弧试验结果对比

5．6．2 工频灭弧试验结果与冲击耦合工频灭弧试验结果对比

5．6．3 仿真结果与冲击耦合工频灭弧试验结果对比

5．7 挂网运行

5．8 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文与研究成果