姜 輝，劉寶全，畢曉蕾，高 劍，張長(zhǎng)秀

(中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎn)的特殊性，對(duì)連續(xù)供電的可靠性和質(zhì)量要求較高，雷擊跳閘事故可能引起較為嚴(yán)重的二次事故。因此，開展針對(duì)石化企業(yè)的線路防雷理論和技術(shù)研究很有必要。

常規(guī)的線路防雷措施，例如架設(shè)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(shè)計(jì)，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(shí)滯導(dǎo)致殘壓飆升、閥片散熱性能較差導(dǎo)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(guó)際上經(jīng)常采用的“疏導(dǎo)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(huì)因灼燒變大進(jìn)而導(dǎo)致絕緣配合失效、降低線路整體絕緣強(qiáng)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(dǎo)型”防雷間隙。當(dāng)雷電流擊穿滅弧裝置時(shí)，滅弧室內(nèi)溫度迅速上升，產(chǎn)生高壓氣流將電弧噴射出去，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧的多點(diǎn)截?cái)唷?/p>

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(jié)構(gòu)示意，該結(jié)構(gòu)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(jí)的不同由一個(gè)或多個(gè)單元串聯(lián)而成，每個(gè)單元由一個(gè)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(nèi)的多個(gè)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(jié)構(gòu)并聯(lián)于輸電線路絕緣子兩端，當(dāng)架空高壓線遭到雷擊時(shí)，在絕緣子兩端產(chǎn)生高電壓，當(dāng)高電壓大于盤式串聯(lián)滅弧防雷間隙電壓保護(hù)水平值而低于絕緣子的放電電壓時(shí)，間隙串中間隙擊穿，形成導(dǎo)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(jié)構(gòu)的滅弧室，電弧高溫使滅弧室氣體溫度急劇上升，進(jìn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)架空高壓線與地之間的工頻續(xù)流電弧進(jìn)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(nèi)部微結(jié)構(gòu)

圖2 滅弧間隙吹弧示意

2 數(shù)學(xué)模型

基于磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)理論，假設(shè)電弧間隙內(nèi)部離子遵守Navier-Stokes方程表述的質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒，建立了電弧間隙的數(shù)學(xué)模型[14-18]。

2.1 假設(shè)條件

關(guān)于內(nèi)部離子狀態(tài)設(shè)幾條假設(shè)[19-20]：①等離子體處于局部熱力學(xué)平衡(LTE)狀態(tài)；②空氣的熱物性參數(shù)僅僅與溫度有關(guān)；③電弧等離子體的流動(dòng)方式為層流；④電弧等離子體起始于兩個(gè)固定間距的電極間；⑤假定當(dāng)空氣電導(dǎo)率小于1時(shí)恒為1。

2.2 控制方程

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

a)質(zhì)量守恒方程

(1)

b)能量守恒方程

(2)

c)動(dòng)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=-▽?duì)?/p>

(6)

式中：ρ——密度，kg/m3；

v——速度矢量，m/s；

T——溫度，K；

t——時(shí)間，s；

Cp——常壓熱容，J/(kg·K)；

k——熱傳導(dǎo)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(qiáng)，Pa；

I——為單位矩陣；

μ——?jiǎng)討B(tài)黏度，Pa·s；

B——自感應(yīng)磁場(chǎng)的磁通密度，T；

R——理想氣體常數(shù)；

σ——電導(dǎo)率，S/m；

φ——電勢(shì)，V；

E——電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m。

2.3 耦合關(guān)系

圖3表達(dá)了多物理場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，其中，等離子體參數(shù)(電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、氣體密度)隨溫度以及壓強(qiáng)變化而變化。

圖3 物理場(chǎng)的耦合關(guān)系

該過程可簡(jiǎn)述為：電流產(chǎn)生的熱量和磁場(chǎng)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(dǎo)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(chǎng)仿真分析軟件建立了耦合多物理場(chǎng)的磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)模型，建模參數(shù)與仿真設(shè)置如下。

3.1 滅弧結(jié)構(gòu)

計(jì)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?yàn)閮蓚€(gè)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(chǎng)設(shè)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(chǎng)、電流場(chǎng)、流體傳熱和層流。

多物理場(chǎng)耦合設(shè)置：①整個(gè)計(jì)算域?yàn)槠胶夥烹妳^(qū)域即滿足LTE假設(shè)；②AB以及CD邊為電極；③電流場(chǎng)與熱場(chǎng)溫度耦合；④磁場(chǎng)與流場(chǎng)洛倫茲力耦合；⑤流場(chǎng)與熱場(chǎng)流動(dòng)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(shè)置如下。

圖5 仿真邊界示意

a)電流場(chǎng)。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(shè)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(qiáng)邊界；CD：層流出口，出口壓強(qiáng)1個(gè)大氣壓；其余邊界設(shè)置為無滑移壁。

c)熱場(chǎng)。CD：熱量流出邊界。

4 計(jì)算結(jié)果

基于上述模型，計(jì)算了電弧間隙電導(dǎo)率的分布情況，及調(diào)整電極半徑、間距時(shí)溫度與電導(dǎo)率的變化情況。

4.1 電導(dǎo)率分布

圖6為電弧間隙電導(dǎo)率在不同時(shí)刻的分布情況。

串聯(lián)間隙通入電流后，t=5×10-5s時(shí)，由于電弧能量使間隙內(nèi)空氣電離，并且受熱膨脹，腔體內(nèi)氣體離子開始向腔體出口處移動(dòng)，這個(gè)過程中，腔體離子體電導(dǎo)率由小變大，電弧路徑拉伸變長(zhǎng)。t=1.5×10-4s后續(xù)幾個(gè)時(shí)刻仿真結(jié)果顯示，腔體內(nèi)溫度逐漸升高，活躍離子區(qū)域逐漸變大，這個(gè)過程中，在離子體電導(dǎo)率變大、電弧路徑變長(zhǎng)、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(dǎo)率分布

4.2 電極半徑、間距變化

繪制了將電極半徑調(diào)整為4 mm、間距為3 mm時(shí)，圖7中心軸線上溫度及電導(dǎo)率幅值隨時(shí)間變化的曲線，并與調(diào)整前的結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shí)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(diào)整前后溫度及電導(dǎo)率均存在1個(gè)下降階段，體現(xiàn)了腔體內(nèi)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(huì)使吹弧時(shí)刻延后，滅弧性能降低。

5 滅弧試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)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?cái)嘣囼?yàn)回路如圖10所示，對(duì)35 kV串聯(lián)滅弧防雷間隙的滅弧性能進(jìn)行測(cè)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?zèng)_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(jìn)行電流調(diào)節(jié)；③架設(shè)相機(jī)，選擇慢門模式；④開展沖擊耐受試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖9 中心軸線上不同電極半徑下電導(dǎo)率幅值隨時(shí)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?cái)嘣囼?yàn)回路

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

拍攝到的串聯(lián)滅弧防雷間隙電弧截?cái)噙^程見圖11。從圖中可以看出試驗(yàn)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的橫向沖擊電弧，這是由于電弧進(jìn)入滅弧室時(shí)使得滅弧室中的空氣膨脹而產(chǎn)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?cái)噙^程

圖12、圖13分別為試驗(yàn)前后效果對(duì)比，可以看出試驗(yàn)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(chǎn)生的燒蝕痕跡。從而驗(yàn)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(yàn)后情形

電弧電流波形如圖14所示，電弧熄滅時(shí)間為t=0.16 ms，且沒有重燃。

6 結(jié)論

a)利用多物理場(chǎng)仿真分析軟件建立了耦合多物理場(chǎng)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(chǎng)、電流場(chǎng)、流體傳熱和層流等模塊。計(jì)算了電弧間隙電導(dǎo)率的分布情況，及調(diào)整電極半徑、間距時(shí)溫度與電導(dǎo)率的變化情況。

圖14 電弧電流擊穿波形

b)串聯(lián)腔體結(jié)構(gòu)具有自行滅弧能力。仿真結(jié)果驗(yàn)證了腔內(nèi)離子體電導(dǎo)率由小變大，電弧路徑拉伸變長(zhǎng)的過程，反映了電弧的建立、發(fā)展、熄滅過程。電弧截?cái)嘣囼?yàn)驗(yàn)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(jié)構(gòu)能夠保證電弧快速熄滅且不再重燃。仿真結(jié)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(shí)間為10 ms；電弧截?cái)嘣囼?yàn)結(jié)果顯示電弧熄滅時(shí)間為0.16 ms。仿真和試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異，仿真計(jì)算條件的設(shè)置有待后續(xù)完善。