李 美 王一瑋 李 林 郭鵬程

(1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710048；2. 常熟開關(guān)制造有限公司 常熟 215500)

1 引言

電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)絡(luò)中的密閉型電力開關(guān)設(shè)備是重要的控制與保護(hù)設(shè)備。若密閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路情況，則可能引起故障電弧事故。故障電弧燃燒期間，向周圍空間釋放大量能量，加熱氣體，引起壓力驟增[1]。其產(chǎn)生的高溫和高壓效應(yīng)對(duì)開關(guān)設(shè)備、運(yùn)行人員以及建筑物的安全構(gòu)成巨大威脅[2-3]，更嚴(yán)重者甚至引起電網(wǎng)的供電中斷。

對(duì)于中高壓密閉型開關(guān)設(shè)備，內(nèi)部絕緣氣體通常為空氣和SF6。特別對(duì)于SF6，在低溫環(huán)境良好的熱導(dǎo)率、低電導(dǎo)率和高介質(zhì)強(qiáng)度使得密閉開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊。然而，由于 SF6具有較高的溫室效應(yīng)和較長(zhǎng)的分解周期，因此尋找合適的替代絕緣氣體以減少開關(guān)設(shè)備 SF6的使用量迫在眉睫。當(dāng)下，對(duì)于 CO2和 N2作為替代氣體的研究探索越來(lái)越多[4-6]。因此，研究開關(guān)設(shè)備內(nèi)不同絕緣氣體故障電弧的壓力特性對(duì)于替代氣體開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

一直以來(lái)，密閉型開關(guān)設(shè)備故障燃弧引起的壓力效應(yīng)都備受關(guān)注。文獻(xiàn)[7]根據(jù)理想氣體方程和能量守恒定律，基于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法(Standard calculation method，SCM)計(jì)算了帶有壓力釋放閥的開關(guān)設(shè)備內(nèi)部壓力變化。文獻(xiàn)[8]采用射線追蹤法研究了變電站建筑內(nèi)的壓力波傳播規(guī)律。文獻(xiàn)[9]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(Computational fluid dynamics，CFD)計(jì)算了密閉空氣腔體內(nèi)部發(fā)生故障電弧引起的壓力上升過(guò)程。文獻(xiàn)[10]基于恒定電弧輻射的假設(shè)條件測(cè)量了電極材料對(duì)密閉空氣柜內(nèi)故障燃弧壓力的變化。文獻(xiàn)[11]利用爆炸理論分析了開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧向周圍空氣推進(jìn)的速度，測(cè)試了柜體可承受的壓力強(qiáng)度。文獻(xiàn)[12]采用自由燃燒電弧的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)定性估測(cè)了電弧電流對(duì)密閉空氣腔體內(nèi)壓力上升的影響。文獻(xiàn)[13]研究了電弧電流和壓力釋放孔大小對(duì)空氣和 SF6絕緣氣體開關(guān)柜故障電弧壓力上升的影響。文獻(xiàn)[14]測(cè)試了封閉容器內(nèi)發(fā)生空氣故障電弧的燃燒特性和壓力上升的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[15]針對(duì)中壓空氣和 SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜，試驗(yàn)測(cè)量了空氣和 SF6對(duì)故障電弧壓力特性和爆破片打開時(shí)間的影響。文獻(xiàn)[16-18]測(cè)試分析了 SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障電弧的壓力特征。綜上所述，密閉型開關(guān)設(shè)備故障燃弧的研究主要聚集在空氣和SF6，而對(duì)于SF6替代氣體如CO2和N2在開關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障電弧的研究還鮮有報(bào)道。因此，研究多種不同絕緣氣體對(duì)內(nèi)部故障電弧壓力特性的影響對(duì)密閉型電力開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文通過(guò)開展試驗(yàn)研究了空氣、SF6、CO2和N2四種不同絕緣氣體情況下密閉腔體內(nèi)部短路故障燃弧引起的壓力上升變化規(guī)律，定量分析了不同絕緣氣體故障電弧引起的壓力上升、電弧電壓、電弧能量和輻射能量的差異變化，獲得了不同絕緣氣體故障電弧熱傳遞系數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果可為后續(xù)替代氣體開關(guān)柜的壓力特性評(píng)估和柜體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 故障電弧測(cè)試裝置

為了模擬實(shí)際的密閉開關(guān)柜，本文設(shè)計(jì)了如圖 1所示的簡(jiǎn)化故障電弧發(fā)生裝置。密閉裝置主體為半徑0.3 m、高1.9 m的圓柱體。兩個(gè)銅電極(直徑為0.2 cm)上下對(duì)稱分布于腔體中，電極通過(guò)螺紋與銅導(dǎo)電棒連接，進(jìn)而通過(guò)電極板與外部電源回路連接。故障電弧通過(guò)銅絲起弧方式在腔體中心點(diǎn)燃，流過(guò)電弧的電流為 1～15 kA直流，電極之間的間距為3 cm。試驗(yàn)時(shí)，腔體內(nèi)部填充SF6、空氣、CO2和 N2四種不同的氣體，初始?jí)毫?0.025～0.400 MPa。

2.2 試驗(yàn)測(cè)量方案

圖2 給出了試驗(yàn)接線原理圖。采用試驗(yàn)室的直流短路發(fā)生器(DC 2 kV，22.5 MVA)作為電源，試驗(yàn)測(cè)試電壓為1 000 V。燃弧時(shí)間設(shè)定為100 ms，通過(guò)電源回路的斷路器控制。試驗(yàn)測(cè)量的變量有電弧電壓、電弧電流、壓力上升和電弧輻射總能量。電弧電壓和電弧電流分別采用霍爾電流傳感器和高壓探頭測(cè)量。腔體內(nèi)部的壓力上升通過(guò)102B16PCS壓力傳感器測(cè)量，壓力傳感器固定在和電弧等高的腔體內(nèi)壁上。電弧輻射能量通過(guò)熱堆探頭進(jìn)行測(cè)量。熱堆探頭位于距離中心電弧4 m處，可透過(guò)腔體壁上設(shè)計(jì)的石英玻璃觀察窗測(cè)量故障燃弧后的總電弧輻射能。電弧電流、電壓及壓力信號(hào)可同步進(jìn)入示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 壓力上升測(cè)試結(jié)果

圖3給出了CO2氣體情況下測(cè)試的典型電弧電壓和電流波形。初始時(shí)刻，隨著電源回路切入導(dǎo)通，電流開始流過(guò)回路，引弧銅絲發(fā)熱并快速熔化蒸發(fā)，電弧電壓陡峭上升至點(diǎn)燃峰值。此時(shí)，銅絲完全蒸發(fā)，故障電弧完全形成。隨著電弧電流的增加，電弧強(qiáng)烈燃燒，電弧電壓平滑穩(wěn)定，幾乎維持不變。約15 ms時(shí)，電弧電流達(dá)到穩(wěn)定最大值，一直持續(xù)至85 ms。之后電弧電流開始下降，在100 ms降低至0。圖4給出了空氣、N2、CO2、SF6不同絕緣氣體介質(zhì)故障電弧引起的腔體內(nèi)壓力上升變化。可以看出，對(duì)于不同氣體，從電弧點(diǎn)燃到熄滅過(guò)程中，壓力上升一直處于增加趨勢(shì)。相比于CO2和SF6，由于空氣和 N2的比熱容在故障電弧的主導(dǎo)溫度范圍更小，因此在相同的電弧能量注入情況下，空氣和 N2故障電弧引起的壓力上升更高，兩者彼此接近，而SF6的壓力上升最小。

圖5 給出了不同氣體故障電弧引起的壓力峰值和電弧能量的關(guān)系。電弧能量arcW通過(guò)測(cè)量的電弧電壓和電流獲得

式中，Iarc是電弧電流；Uarc是電弧電壓。

根據(jù)圖5的波形，對(duì)于不同絕緣氣體，隨著電弧能量的增加，壓力峰值幾乎都呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)的速度取決于氣體種類?？諝?、N2、CO2和SF6的Pmax/Earc分別為 0.43 kPa/kJ、0.41 kPa/kJ、0.24 kPa/kJ和0.13 kPa/kJ。這意味著在相同的電弧能量下，空氣、N2、CO2和 SF6的壓力峰值比值近似為3∶3∶2∶1。

3.2 電弧能量和電弧輻射

如文獻(xiàn)[4]所述，密閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障燃弧引起的壓力變化由加熱氣體的能量決定，而加熱氣體的能量和能量輸運(yùn)過(guò)程中主導(dǎo)的電弧能量、電弧輻射過(guò)程密切相關(guān)。因此，第 3.2節(jié)重點(diǎn)分析不同絕緣氣體情況下故障燃弧的電弧能量和輻射能量的變化規(guī)律。

電弧電壓的大小直接影響注入故障電弧的焦耳熱能量，而電弧電壓也受氣體類型的影響。圖6給出了不同絕緣氣體情況下測(cè)量的故障電弧電壓和電弧電流的關(guān)系。對(duì)于四種絕緣氣體，電弧電壓幾乎和電流都呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，但增幅都很小。對(duì)于CO2，電流從1 kA增大到15 kA時(shí)，電弧電壓升高了約13%，這意味著當(dāng)電弧電流增加時(shí)，電弧電壓的增大對(duì)電弧能量的貢獻(xiàn)不明顯。此外，CO2的電弧電壓最高，SF6的最低。電流 10 kA時(shí)，CO2的電弧電壓比N2、空氣和SF6分別升高了約15 V、17 V和54 V。

圖7給出了電流10 kA不同氣體故障電弧的電弧電壓隨充氣壓的變化。電弧電壓幾乎和氣體密度(充氣壓)呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。這是因?yàn)殡S著氣體粒子密度的增加，更多需要電離的粒子存在于電極間隙之間，導(dǎo)致電弧電壓增加。與CO2、N2和空氣相比，由于SF6中S原子的電離能較低，因此，SF6電弧電壓低于其他三種氣體。此外，四種氣體的電壓增加速度也并不相同，SF6、CO2、N2和空氣的電壓增加速度分別為 0.35 V/kPa、0.71 V/kPa、0.46 V/kPa和0.45 V/kPa。當(dāng)氣壓從0.1 MPa提高到0.4 MPa時(shí)，SF6、CO2、N2和空氣對(duì)應(yīng)的電弧電壓分別從90 V增加到182 V、142 V增加到324 V、127 V增加到272 V以及125 V增加到265 V。這說(shuō)明充氣壓增大至4倍時(shí)，SF6、CO2、N2和空氣的電弧電壓分別變?yōu)樵瓉?lái)的2.02倍、2.28倍、2.14倍和2.12倍。由此可見，在相同電弧電流情況下，隨著充氣壓的增加，CO2的電弧能量增加最快，而 SF6的電弧能量增長(zhǎng)速度相對(duì)最慢。通過(guò)對(duì)比圖6和圖7，可以看到隨著電弧電流和充氣壓增加，不同絕緣氣體的電弧電壓均趨于增大，然而，充氣壓對(duì)電弧電壓的增強(qiáng)影響更顯著。

圖8 給出了電弧電流10 kA情況下不同絕緣氣體故障電弧在燃弧過(guò)程中測(cè)量的典型電弧能量變化。電弧能量是根據(jù)測(cè)量的電弧電壓、電弧電流在燃弧時(shí)間內(nèi)的積分計(jì)算獲得?？諝夂蚇2的電弧電壓相近，因此其電弧能量也幾乎相同。而SF6由于電弧電壓最小，因此導(dǎo)致其電弧能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他三種氣體。

圖9 給出了電流10 kA情況下測(cè)量的不同絕緣氣體故障電弧的輻射總能量?？諝?、CO2和N2的輻射能量比較接近，而SF6的則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他三種氣體，這是因?yàn)樵谙嗤娏髑闆r下，根據(jù)圖6可知，SF6的電弧電壓最小，導(dǎo)致其產(chǎn)生的焦耳熱非常小，因此，電弧輻射能量也相應(yīng)比較小。

圖 10 給出了不同絕緣氣體故障電弧輻射能量與和電弧電流的關(guān)系。隨著電弧電流的增加，電弧輻射以高于線性的速度增加。當(dāng)電流從 5 kA增大到 15 kA 時(shí)，SF6、CO2、N2和空氣的輻射能量分別增長(zhǎng)為原來(lái)的 5.29倍、5.09倍、5.38倍和 5.46倍，這意味著電弧輻射能量的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)超過(guò)了電弧電流的增加速度。此外，由于電弧電壓隨電流增大而緩慢增加，因此，電流增加使得電弧輻射能量的增長(zhǎng)速度要高于電弧能量的增加速度。

圖11 給出了10 kA電流情況下電弧輻射隨充氣壓的變化。隨著充氣壓增加，電弧輻射的增長(zhǎng)速度減慢。當(dāng)充氣壓從0.1 MPa提高到0.4 MPa時(shí)，SF6、CO2、N2和空氣的輻射能量分別增長(zhǎng)至 1.86倍、1.54倍、1.47倍和1.42倍，這說(shuō)明充氣壓增加導(dǎo)致電弧輻射能量的增長(zhǎng)速度低于充氣壓的增加速度。

圖 12給出了不同絕緣氣體情況下測(cè)量的故障電弧輻射能量占焦耳熱比重隨電弧電流和充氣壓的變化。對(duì)于 SF6，隨著充氣壓增大，輻射占焦耳熱比重也隨之增大，根據(jù)圖7和圖11，雖然充氣壓增加使得電弧電壓和電弧輻射趨于增加，然而和其他氣體相比，SF6的電弧電壓最低且增速緩慢，因此焦耳熱增加速度低于輻射的增大速度，進(jìn)而導(dǎo)致輻射比重增加。而對(duì)于CO2、N2和空氣，充氣壓的增大反而使得輻射比重趨于減小，這是因?yàn)殡娀‰妷旱脑鲩L(zhǎng)速度超過(guò)了電弧輻射的增大速度，導(dǎo)致焦耳熱增加得更快。然而，對(duì)于不同的氣體，在同一個(gè)充氣壓條件下，輻射比重都隨著電流的增加在一較小的范圍內(nèi)浮動(dòng)。電流從1 kA增加至15 kA，在充氣壓為0.1 MPa的情況下，SF6、CO2、N2和空氣電弧輻射占焦耳熱比重分別為 15%～30%、25%～35%、30%～40%和 30%～40%。當(dāng)電弧電流為10 kA，充氣壓從0.05 MPa增大到0.40 MPa，SF6輻射比重從22%增加到33%，而CO2、N2和空氣電弧輻射比重分別從31%降低到19%、從40%降低到28%、從39%降低到26%。

3.3 熱傳遞系數(shù)

熱傳遞系數(shù)kp代表故障燃弧過(guò)程中引起壓力上升的氣體加熱能量占輸入焦耳熱的比例，是評(píng)估開關(guān)柜內(nèi)部壓力效應(yīng)的重要參數(shù)。kp可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法(SCM)確定得到

式中，Qgas為加熱腔體氣體的能量；Qarc為注入的電弧焦耳熱能量；?p為腔體內(nèi)壓力上升；Cv為氣體介質(zhì)定容比熱；V為腔體體積；M為氣體摩爾質(zhì)量；R為氣體常數(shù)。

圖13給出了電流10 kA情況下不同絕緣氣體故障電弧kp隨充氣壓的變化。對(duì)于四種絕緣氣體，不同電極材料情況下kp的差異主要體現(xiàn)在較小氣體密度(＜0.1 MPa)情況。而在較高的氣體密度(＞0.1 MPa)下，不同氣體介質(zhì)引起的kp變化都很小，這主要是由于高氣壓使得電弧輻射占據(jù)更主導(dǎo)的作用。在這種情況下，隨著密度減小，電弧輻射和電弧電壓都發(fā)生減小。對(duì)于SF6，根據(jù)圖12可知，充氣壓減小導(dǎo)致電弧輻射占焦耳熱比重發(fā)生減小，因此，kp緩慢上升。而對(duì)于空氣、N2和CO2，充氣壓減小引起輻射占焦耳熱比重上升，因此kp緩慢減小。在更小的氣體密度(＜0.1 MPa)情況下，如果輸入相同的電弧能量，則周圍氣體可以被加熱到更高的溫度。在這種情況下，一方面，輻射依舊占據(jù)重要作用；另一方面，電極熔化蒸發(fā)以及金屬蒸汽與周圍氣體化學(xué)反應(yīng)的能量占焦耳熱的比重也會(huì)顯著提升。隨著充氣壓減小，對(duì)于 SF6，電極熔化蒸發(fā)的能量與氣體化學(xué)反應(yīng)的能量相差不明顯[17]，綜合輻射占焦耳熱比重減小的趨勢(shì)，kp發(fā)生顯著上升；而對(duì)于空氣，電極熔化蒸發(fā)的能量大于氣體化學(xué)反應(yīng)的能量[10]，綜合輻射占焦耳熱比重增大的考慮后，kp快速下降；對(duì)于CO2，在電極熔化蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)吸熱以及輻射占焦耳熱比重增大三者共同作用下，kp顯著下降；對(duì)于N2，由于其與不同的電極材料均不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，熔化蒸發(fā)在能量平衡中的影響增強(qiáng)，綜合輻射占焦耳熱比重增大的考慮后，kp趨于減小。

4 結(jié)論

以密閉腔體內(nèi)部故障電弧為研究對(duì)象，開展試驗(yàn)研究了空氣、SF6、CO2和 N2四種不同絕緣氣體對(duì)腔體內(nèi)部壓力上升、電弧能量、輻射能量和熱傳遞系數(shù)的影響，得出如下主要結(jié)論。

(1) 相同電弧能量注入情況下，SF6由于具有較高的比熱容因此引起的壓力上升最小，而空氣的則最高；最大壓力上升和注入的電弧能量幾乎成線性增長(zhǎng)關(guān)系。

(2) 隨著電弧電流和充氣壓增加，不同絕緣氣體的電弧電壓均趨于增大，然而充氣壓對(duì)電弧電壓的增強(qiáng)影響更顯著；同一電流情況下，CO2的電弧電壓最高，而SF6的則最低。

(3) 隨著充氣壓增大，對(duì)于SF6，電弧電壓增加速度低于輻射的增大速度，輻射占焦耳熱比重發(fā)生增大；而對(duì)于CO2、N2和空氣，充氣壓的增大使得電弧電壓的增長(zhǎng)速度超過(guò)了電弧輻射的增大速度，因此其輻射比重反而趨于減小。

(4) 隨著充氣壓減小，空氣、CO2和N2的熱傳遞系數(shù)都發(fā)生減?。欢鳶F6的kp則趨于上升，這主要是由故障電弧能量平衡的變化引起的。