宋思齊,任美杰,李成鋼,賈勇勇,謝啟源*

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,南京，211103;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥，230026;3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院,合肥，230088)

0 引言

作為輸配電系統(tǒng)的重要電氣設(shè)備，高壓開(kāi)關(guān)柜承擔(dān)著開(kāi)合電力線路、控制和保護(hù)電力設(shè)備的重要任務(wù)。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，我國(guó)每年有數(shù)百萬(wàn)臺(tái)開(kāi)關(guān)柜投入運(yùn)行[1]，開(kāi)關(guān)柜的安全運(yùn)行，與廣大用戶用電的質(zhì)量和可靠性息息相關(guān)。由于開(kāi)關(guān)柜體積小，各元器件之間結(jié)構(gòu)緊湊，且開(kāi)關(guān)柜常運(yùn)行于高溫高濕等相對(duì)惡劣條件下，因此，開(kāi)關(guān)柜已成為輸配電系統(tǒng)中故障較為頻發(fā)的環(huán)節(jié)之一[2,3]。其中，各種原因?qū)е碌慕^緣件失效故障，輕則造成設(shè)備損壞與電力中斷，重則誘發(fā)火災(zāi)等事故，導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失與人員傷亡。實(shí)踐與統(tǒng)計(jì)表明，因局部放電或電弧故障導(dǎo)致的絕緣破壞是高壓開(kāi)關(guān)柜絕緣件失效的主要原因[4]。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)典型絕緣件的絕緣和阻燃綜合性能分析與設(shè)計(jì)，是提升輸配電系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性的重要一環(huán)。近年來(lái)，因電弧故障導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)柜事故屢見(jiàn)不鮮，2009年襄陽(yáng)某供電公司高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部三相短路，電弧產(chǎn)生的高溫高壓氣體沖開(kāi)柜門(mén)導(dǎo)致一名檢修人員當(dāng)場(chǎng)死亡；2011年，某港口10 kV開(kāi)關(guān)柜因常年受沿海濕氣影響而產(chǎn)生金屬腐蝕，導(dǎo)致電場(chǎng)不均勻并在柜內(nèi)絕緣薄弱處形成故障電弧，繼而使開(kāi)關(guān)柜內(nèi)絕緣件受損失效，最終造成港口中斷供電長(zhǎng)達(dá)14小時(shí)[5]。

圖1 高壓擊穿電弧模擬與材料引燃機(jī)理研究綜合模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 1 Experiment setup for simulating high-voltage breakdown arcing and studying the mechanism of material ignition by the arcing its ignition mechanism on materials

目前對(duì)于電弧引起不同材料的引燃特性的研究較少。Takenaka等[6]通過(guò)電源電壓為100 V、電流為13.5 A的短路回路，分析了故障電弧下聚氯乙烯電纜的引燃特征：樣品急速升溫、材料軟化膨脹和小孔擊穿。Zhang等[7]基于電容起弧裝置，利用視頻圖像研究了松針的電弧引燃過(guò)程，將其分為三個(gè)時(shí)期：放電加熱階段、熱反饋階段、自持火焰階段。對(duì)于絕緣材料受電弧燒蝕后的性能測(cè)試，前人開(kāi)展了一些研究。Tartakowski等[8]通過(guò)自制高電壓低電流起弧裝置，測(cè)試了不同電弧持續(xù)時(shí)間下，聚丙烯/木材復(fù)合材料的燒焦深度。Guo等[9]基于IEC 61621標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)含有不同氧化鋁填料的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣子，進(jìn)行了起弧電壓為8.5 kV、電流為14 mA的耐電弧性能測(cè)試，將樣品表面形成炭化通道的時(shí)間作為耐電弧性能的參數(shù)。Okano等[10]采用90f.tF-iokv電容器組產(chǎn)生電流呈衰減波形、持續(xù)時(shí)間為0.5 ms的電弧，并基于樣品質(zhì)量損失率，分析了絕緣子損傷程度。李仰平等[11]采用電壓為2 kV、電流為10 mA的模擬電弧，對(duì)斷路器中的復(fù)合絕緣子進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的引燃與燒蝕作用，基于樣品的燒蝕率、介電性能，得出了電弧熱量的損害規(guī)律。焦彥俊等[12,13]基于直流電弧模擬發(fā)生裝置，采用電壓0 V～400 V、電流0 A～60 A的直流電源，對(duì)聚四氟乙烯絕緣子進(jìn)行了電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)，分析了材料在電弧燒蝕過(guò)程中的質(zhì)量損失與其耐燒蝕性能的關(guān)系。

關(guān)于絕緣件等材料的電弧引燃機(jī)理，現(xiàn)有研究主要采用低壓電源或電容組模擬生成電弧，電極間距較小且往往強(qiáng)度逐漸衰減；部分采用高壓起弧裝置，所生成電弧的電流僅為毫安量級(jí)；實(shí)驗(yàn)的布置方式大多為電弧直接作用于材料表面一側(cè)，未能體現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)由于帶電導(dǎo)體相間電壓高而形成的較長(zhǎng)距離擊穿電弧的引燃過(guò)程，也未能體現(xiàn)動(dòng)態(tài)電弧與絕緣件火焰蔓延的耦合發(fā)展過(guò)程。本文圍繞高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)典型絕緣件的電弧引燃與燒蝕過(guò)程，研制了高壓擊穿電弧模擬與材料引燃機(jī)理研究綜合模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究動(dòng)態(tài)電弧與絕緣件樣品受熱引燃的復(fù)雜耦合作用機(jī)理，以及阻燃級(jí)別對(duì)該耦合作用機(jī)理的影響，為開(kāi)關(guān)柜內(nèi)絕緣件阻燃級(jí)別的選型、絕緣布局等提供參考，從而為高壓開(kāi)關(guān)柜防火安全性能的提升提供科學(xué)依據(jù)與優(yōu)化方案。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制與樣品制備

圖1(a)給出了自制高壓擊穿電弧模擬與材料引燃機(jī)理研究綜合模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖，整個(gè)裝置主要包含三個(gè)部分：高壓變壓器、起弧裝置和中控系統(tǒng)。高壓變壓器容量為80 kW，輸入電壓為380 V，輸出起弧電壓最高可達(dá)45 kV。起弧裝置包括兩個(gè)直徑為6 mm的鎢電極以及自動(dòng)控制兩個(gè)電極間距的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中，由于起弧電壓較高、電極間距較大，便于在其中放置樣品和相關(guān)傳感器。電極間距、起弧電壓、單次電弧時(shí)長(zhǎng)、間隔時(shí)長(zhǎng)及起弧次數(shù)等參數(shù)，可通過(guò)命令集預(yù)先設(shè)定，單次電弧持續(xù)時(shí)間可達(dá)幾百秒。在電弧引燃區(qū)的側(cè)方，布設(shè)紅外點(diǎn)溫儀(思捷GD-S-0010，精度±2 ℃；分辨率0.1 ℃；采集頻率10 Hz)測(cè)量樣品表面溫度。電弧模擬與材料引燃實(shí)驗(yàn)區(qū)的側(cè)上方，安裝一個(gè)高清攝像機(jī)(索尼FDR-AX700，1000 fps)。中控系統(tǒng)用于設(shè)定起弧參數(shù)與數(shù)據(jù)采集。圖1(b)給出了該電弧模擬與引燃實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物圖，平臺(tái)整體長(zhǎng)2.2 m，寬0.8 m，高1.9 m，平臺(tái)裝有一個(gè)帶有玻璃觀察窗的滑動(dòng)門(mén)，用于電弧引燃實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的腔室隔離。在該玻璃觀察窗的前方，另架設(shè)一臺(tái)同型號(hào)攝像機(jī)，從側(cè)方拍攝電弧演化與材料引燃過(guò)程。

絕緣件是高壓開(kāi)關(guān)柜防火的薄弱環(huán)節(jié)，環(huán)氧樹(shù)脂型絕緣件最為常用，包括支柱絕緣子、固封極柱、觸頭盒及穿墻套管等大多基于該類材料制成。因此，本文針對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的典型絕緣件：支柱絕緣子和固封極柱，采用相同制作工藝，制備了相應(yīng)的樣品，如圖2所示。其中，基于現(xiàn)有的絕緣件阻燃檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[14]，支柱絕緣子樣品阻燃級(jí)別為V0，而固封極柱樣品阻燃級(jí)別為V1。各環(huán)氧樹(shù)脂絕緣件樣品尺寸為75 mm×37 mm×4 mm，初始質(zhì)量為(20.2±0.3) g。

圖2 支柱絕緣子和固封極柱的樣品制備Fig. 2 Samples of post insulator and embedded pole

高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)往往采用絕緣件包覆(如觸頭盒)、導(dǎo)電金屬隔離(如絕緣隔板)等方式實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)絕緣，當(dāng)絕緣件性能劣化后，金屬之間或者金屬對(duì)地之間易形成放電，從而產(chǎn)生故障電弧。因此采用實(shí)際高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電弧引燃絕緣件的典型方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即“兩個(gè)放電點(diǎn)位于絕緣樣品的兩側(cè)面”的布局方式，如圖3所示。樣品支架采用莫來(lái)石耐火材料加工制成，中心凹槽用于夾持樣品，兩電極之間的距離為6 mm，樣品表面距離兩端電極各1 mm。如圖3(a)所示，樣品正面視圖中，電極距離樣品橫向側(cè)沿5 mm，距離豎向上方邊沿35 mm，紅外測(cè)溫點(diǎn)所測(cè)溫度位于陽(yáng)極上方5 mm處。

圖3 環(huán)氧樹(shù)脂絕緣件樣品與電極相對(duì)位置Fig. 3 Arrangement of the sample and electrodes for arcing ignition experiments

基于該模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)V0阻燃級(jí)別的支柱絕緣子和V1阻燃級(jí)別的固封極柱樣品，開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)研究，具體工況如表1所示。其中，起弧電壓為15 kV，電流為1.6 A，電弧作用時(shí)間分別為1 s、2 s、4 s、6 s、8 s、10 s、12 s、16 s和24 s，各工況進(jìn)行2次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

圖4給出了高壓擊穿電弧的典型初始起弧詳細(xì)過(guò)程：電極兩端施加15 kV電壓后，基于“最短路徑擊穿”原則，首先在水平方向形成樣品邊緣擊穿電弧(圖4(a))；隨后該電弧沿著阻燃絕緣件樣品側(cè)邊迅速上翻(圖4(b)～圖4(g))；最終電弧頂點(diǎn)穩(wěn)定于絕緣件樣品的正上方，形成一個(gè)倒“U”形弧柱，自上而下“夾持”絕緣件樣品(圖4(h))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在該初始橫向起弧與側(cè)邊上翻過(guò)程中，由于時(shí)間極短，未形成阻燃絕緣樣品側(cè)邊明顯炭化與燒蝕痕跡。

圖4 高壓電極初始橫向起弧、側(cè)沿上翻與頂部穩(wěn)定過(guò)程Fig. 4 Snapshots of the generation, rising and stabilization of arcing on top

表1 高壓擊穿電弧引燃阻燃絕緣材料實(shí)驗(yàn)工況

倒“U”形高壓擊穿電弧形成后，迅速對(duì)所“夾持”阻燃絕緣材料樣品形成強(qiáng)烈的加熱引燃作用。當(dāng)電弧作用持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，首先在樣品頂部形成燃燒火焰，隨著燃燒的進(jìn)行與高溫電弧的進(jìn)一步作用，在樣品上方逐漸形成穿透樣品的內(nèi)部擊穿電弧，且其擊穿位置不斷向下移動(dòng)，直至到達(dá)電極所在位置。

當(dāng)電弧作用時(shí)間為24 s時(shí)，圖5給出了固封極柱樣品頂部引燃、內(nèi)部擊穿與擊穿點(diǎn)向下移動(dòng)的詳細(xì)過(guò)程。支柱絕緣子的整體發(fā)展過(guò)程與之類似，電弧作為加熱源時(shí)，具有瞬時(shí)超高溫與局部強(qiáng)加熱等特性。如圖5可見(jiàn)：

(1)t=3 s時(shí)，電弧加熱作用區(qū)域內(nèi)，樣品頂端開(kāi)始出現(xiàn)火焰，靠近電弧根部的樣品區(qū)域，可分為三個(gè)區(qū)域：炭化區(qū)、部分熱解區(qū)、未分解區(qū)。

(2)t=6 s時(shí)，靠近電弧柱的樣品側(cè)方表面已深度炭化并出現(xiàn)點(diǎn)狀火焰。

(3)t=9 s時(shí)，樣品頂部劇烈燃燒，火焰逐漸沿著炭化區(qū)向下蔓延，靠近電弧柱的樣品側(cè)方表面形成連續(xù)火焰。

(4)t=12 s時(shí)，樣品頂部燒蝕形成下凹炭化層，并形成穿透樣品的內(nèi)部擊穿電弧，電弧高度下降；頂部火焰進(jìn)一步隨之向下移動(dòng)，樣品側(cè)面劇烈燃燒，并生成樹(shù)枝狀的蓬松炭化層。

(5)t=15 s時(shí)，穿透樣品的擊穿電弧進(jìn)一步下移，電弧穿透擊穿位置上方形成貫穿性裂紋，依附于高溫電弧的火焰從細(xì)小裂紋中產(chǎn)生并向外蔓延，形成多股水平噴射狀火焰。

(6)t=18 s時(shí)，火焰區(qū)主要分為兩部分：樣品上部的自由燃燒火焰和穿透擊穿區(qū)域的噴射火焰。此時(shí)，已在靠近電極位置形成樣品穿透擊穿，貫穿性裂紋從樣品頂部蔓延至弧根處。

(7)t=21 s時(shí)，倒“U”形電弧消失，電極兩端形成水平橫向擊穿電??；由于電弧的持續(xù)燒蝕，該處樣品形成較寬的孔洞，噴射火焰消失。

(8)t=24 s時(shí)，電弧熄滅，樣品繼續(xù)維持燃燒。

(9)t=50 s時(shí)，火焰燃燒面積減小，燃燒導(dǎo)致樣品膨脹而厚度增大，并形成局部開(kāi)裂。

圖5 電弧作用時(shí)間為24 s時(shí)，固封極柱樣品頂部引燃、內(nèi)部擊穿與向下移動(dòng)Fig. 5 Top ignition of the embedded pole sample, internal arcing and its downward spread for the 24 s arcing case

外部引燃熱源終止后的材料燃燒火焰維持時(shí)間，是分析材料阻燃與耐火性能的重要參數(shù)[14]，基于不同電弧作用時(shí)間的系列引燃實(shí)驗(yàn)，圖6給出了各工況下的支柱絕緣子和固封極柱樣品余焰燃燒時(shí)間。其中，V0阻燃級(jí)別的支柱絕緣子樣品在電弧持續(xù)作用6 s后才出現(xiàn)余焰燃燒，而V1阻燃級(jí)別的固封極柱樣品則在t=4 s時(shí)已出現(xiàn)余焰，可見(jiàn)，在高壓擊穿電弧引燃作用下，阻燃級(jí)別更高的支柱絕緣子相對(duì)較難引燃。當(dāng)電弧作用時(shí)間為6 s～10 s時(shí)，受電弧加熱和樣品自身燃燒的共同作用，兩種絕緣件樣品的余焰燃燒時(shí)長(zhǎng)隨電弧作用時(shí)間的增大而增長(zhǎng)，且阻燃級(jí)別更高的支柱絕緣子余焰燃燒相對(duì)更長(zhǎng)，而隨著電弧引燃作用時(shí)間的進(jìn)一步增加，由于較長(zhǎng)時(shí)間的電弧激勵(lì)下的劇烈燃燒將樣品中大量可燃有機(jī)組分燒蝕消耗，因此，其余焰時(shí)間到達(dá)峰值后反而出現(xiàn)下降，而支柱絕緣子材料中所含可燃組分比例相對(duì)較小，對(duì)應(yīng)的余焰峰值時(shí)間也更小。

圖6 電弧不同作用時(shí)長(zhǎng)后的支柱絕緣子和固封極柱樣品燃燒余焰時(shí)間Fig. 6 The residual time of post insulator and embedded pole sample for arcing ignition cases with different time

圖7(a)給出了不同電弧作用時(shí)間下的支柱絕緣子樣品受熱引燃與蔓延燃燒結(jié)束后的形態(tài)，而圖7(b)是將表層殘?zhí)咳コ蟮母鳂悠繁砻娼Y(jié)構(gòu)與形貌。當(dāng)電弧作用時(shí)間為1 s和2 s時(shí)，絕緣子樣品僅僅在電極位置附近和頂端出現(xiàn)灼燒和炭化痕跡，可見(jiàn)電弧的弧根和弧頂區(qū)域溫度相對(duì)更高，易在這些位置首先形成材料破壞和引燃。隨著電弧作用時(shí)間的增長(zhǎng)，樣品側(cè)方炭化面積不斷增大。當(dāng)電弧作用時(shí)間為6 s時(shí)，可使樣品頂部形成自維持火焰。而當(dāng)電弧作用時(shí)間為10 s時(shí)，去掉表面殘?zhí)亢?，樣品頂端出現(xiàn)凹坑，此時(shí)已在頂端區(qū)域形成穿透樣品的電弧擊穿。而由電弧作用12 s、16 s和24 s后的樣品圖片可見(jiàn)，電極位置以上的樣品區(qū)域，其內(nèi)部已明顯炭化，且形成多條豎向的裂紋。此外，對(duì)于電弧作用時(shí)間為16 s和24 s的工況，支柱絕緣子樣品在電極附近位置已形成較大深坑，表明穿透樣品的擊穿電弧，已自上而下移動(dòng)至該位置并持續(xù)在其中擊穿燒蝕。

圖7 電弧不同作用時(shí)長(zhǎng)下的支柱絕緣子樣品受熱引燃與蔓延燃燒后的形態(tài)Fig. 7 Morphology of post insulator samples after heating and burning for cases with different arcing time

圖8 電弧不同作用時(shí)長(zhǎng)下的固封極柱樣品受熱引燃與蔓延燃燒后的形態(tài)Fig. 8 Morphology of embedded pole samples after heating and burning for cases with different arcing time

類似地，對(duì)于V1阻燃級(jí)別的固封極柱，圖8給出了不同電弧作用時(shí)間下的樣品受熱引燃與蔓延燃燒結(jié)束后的形態(tài)、以及將表層殘?zhí)咳コ蟮男蚊?。與圖7相比，兩種不同阻燃級(jí)別的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣件樣品在相同電弧作用時(shí)間下的表觀特征及燒蝕趨勢(shì)較為相似，包括弧根與弧頂?shù)募彼購(gòu)?qiáng)加熱行為、樣品側(cè)方的炭化、穿透擊穿及其擊穿位置的下移等。然而，也存在一些差異：首先，在長(zhǎng)時(shí)間電弧加熱作用下，支柱絕緣子更易形成縱向裂紋，由圖7可見(jiàn)，當(dāng)電弧加熱時(shí)間為12 s、16 s和24 s時(shí)，支柱絕緣子已形成顯著的多條裂紋，而由圖8可見(jiàn)，僅當(dāng)電弧加熱時(shí)間為24 s時(shí)，固封極柱才形成一個(gè)較大的裂紋；此外，相比于支柱絕緣子，固封極柱在內(nèi)部擊穿電弧誘發(fā)的劇烈橫向噴射火焰發(fā)展過(guò)程中形成的樹(shù)枝狀蓬松炭化層相對(duì)較少。下文將通過(guò)對(duì)各階段質(zhì)量變化進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步分析兩種典型絕緣件材料的電弧引燃與燃燒特性。

由于樣品初始質(zhì)量相近，而電弧不同作用時(shí)間下樣品的電弧燒蝕區(qū)域面積差異較大，故選用絕緣材料燒蝕質(zhì)量總損失mloss作為特征參數(shù)，可由式(1)進(jìn)行計(jì)算。

mloss=m0-m1

(1)

其中，m0為實(shí)驗(yàn)前測(cè)定的樣品初始質(zhì)量，g；m1為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將樣品表面殘?zhí)咳コ蟮馁|(zhì)量，g。

而電弧作用與燃燒過(guò)程所生成的殘?zhí)苛浚捎墒?2)進(jìn)行計(jì)算。

mcarbon=m2-m1

(2)

其中，m2為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的樣品質(zhì)量，g；m1同上。

圖9給出了各工況下兩種絕緣件樣品燃燒與成炭質(zhì)量總損失，可見(jiàn)，當(dāng)電弧作用時(shí)間為6 s以內(nèi)時(shí)，樣品燒蝕與成炭引起的質(zhì)量損失較小，主要是由樣品表面和頂部的成炭導(dǎo)致。隨著電弧作用時(shí)間的增長(zhǎng)，支柱絕緣子和固封極柱兩種絕緣樣品逐漸形成頂部燃燒、內(nèi)部擊穿、橫向噴射火焰等，質(zhì)量損失不斷增大，且在橫向噴射火焰階段，樣品內(nèi)部炭化程度差異明顯，樣品總質(zhì)量損失較不穩(wěn)定。此外，對(duì)于V0阻燃級(jí)別的支柱絕緣子，電弧將其引燃后，其質(zhì)量損失總是相對(duì)更大。

圖9 電弧不同作用時(shí)長(zhǎng)下的支柱絕緣子和固封極柱樣品燃燒與成炭質(zhì)量損失Fig. 9 The total mass loss of post insulators and embedded pole samples for cases with different arcing time

圖10給出了各工況下兩種絕緣件樣品引燃與燃燒過(guò)程中所形成的蓬松炭層質(zhì)量，阻燃劑的成炭能力能夠使樣品形成致密炭層，有效阻止熱交換，提高材料的穩(wěn)定性[15]。可見(jiàn)，當(dāng)電弧作用時(shí)間為12 s以上時(shí)，V0阻燃級(jí)別的支柱絕緣子在燃燒過(guò)程中所形成的蓬松炭層質(zhì)量，是V1阻燃級(jí)別的固封極柱所生成質(zhì)量的2倍以上。因此，在超高溫電弧作用下，含有更多阻燃劑的支柱絕緣子燃燒生成更多的炭層。

圖10 電弧不同作用時(shí)長(zhǎng)下的支柱絕緣子和固封極柱樣品的成炭質(zhì)量Fig. 10 Char-forming quality of post insulators and embedded pole samples for cases with different arcing time

圖11 電弧不同作用時(shí)長(zhǎng)下的支柱絕緣子樣品表面溫度Fig. 11 The surface temperature of post insulator samples for cases with different arcing time

圖11～圖12分別為電弧不同作用時(shí)長(zhǎng)下支柱絕緣子和固封極柱樣品表面溫度變化的典型情況，所測(cè)值為電極上方5 mm處的樣品表面溫度(如圖3所示)。其中，實(shí)線部分是電弧作用期間的溫度。高壓擊穿電弧形成后，樣品表面溫度急劇升高。由圖11(a)～圖11(d)可見(jiàn)，對(duì)于支柱絕緣子樣品，當(dāng)電弧作用時(shí)間較短時(shí)，樣品表面溫度在電弧停止加熱后，依然繼續(xù)升高，其峰值溫度到達(dá)時(shí)間在電弧停止時(shí)間之后；而當(dāng)電弧作用時(shí)間為8 s、10 s和12 s時(shí)，樣品表面溫度在電弧停止作用時(shí)刻達(dá)到其峰值；隨著電弧作用時(shí)間進(jìn)一步增大到16 s和24 s，在電弧作用期間，樣品表面溫度值已開(kāi)始下降。類似的由圖12可見(jiàn)，對(duì)于固封極柱，各工況下，在電弧作用和熄弧后的樣品表面溫度變化特性與圖11大體相似。然而，由圖12(h)可見(jiàn)，與圖11(h)不同，此時(shí)，固封極柱樣品表面溫度峰值依然是在熄弧時(shí)刻到達(dá)，這與樣品側(cè)面電弧作用區(qū)域的向下蔓延進(jìn)程和電弧誘導(dǎo)的水平橫向劇烈噴射燃燒發(fā)展相關(guān)。

圖12 電弧不同作用時(shí)長(zhǎng)下的固封極柱樣品表面溫度Fig. 12 The surface temperature of embedded pole samples for cases with different arcing time

圖13給出了支柱絕緣子和固封極柱樣品在各工況下的表面峰值溫度?？梢?jiàn)，當(dāng)電弧作用時(shí)間為4 s～12 s時(shí)，支柱絕緣子樣品表面峰值溫度高于固封極柱樣品表面峰值溫度。特別是，對(duì)于電弧作用時(shí)間為4 s的工況，盡管支柱絕緣子樣品表面峰值溫度高于固封極柱樣品表面峰值溫度，此時(shí)固封極柱已形成自維持火焰燃燒，而支柱絕緣子卻未形成?？梢?jiàn)，在電弧這種瞬間急劇加熱作用下，V0阻燃級(jí)別的支柱絕緣子盡管表面更易快速達(dá)到較高溫度，卻較難形成自維持燃燒。

此外，對(duì)電弧開(kāi)始作用后的樣品表面溫度初始急劇升溫階段進(jìn)行線性擬合，得到相應(yīng)升溫速率，如圖11～圖12所示。可見(jiàn)，電弧對(duì)絕緣子表面的瞬間加熱作用很強(qiáng)烈，最大升溫速率高達(dá)260 ℃/s。圖14給出了各工況下兩種絕緣材料樣品表面典型位置初始升溫速率的統(tǒng)計(jì)分布?？梢?jiàn)，在電弧開(kāi)始作用的早期急劇升溫階段，絕緣材料表面升溫速率均值約為180 ℃/s。

圖13 電弧不同作用時(shí)間下的兩種絕緣材料樣品表面峰值溫度Fig. 13 Peak surface temperature of two insulating material samples for cases with different arcing time

圖14 電弧不同作用時(shí)間下的兩種絕緣材料樣品表面初始升溫速率Fig. 14 Initial heating rate of the sample surface for cases with different arcing time

最后，如前所述，位于樣品兩邊的正負(fù)電極從側(cè)方沿面擊穿起弧繼而上翻構(gòu)成倒“U”形穩(wěn)定電弧后，靠近弧根和弧頂位置的樣品最先炭化，隨著電弧加熱與樣品燃燒的進(jìn)行，從頂部開(kāi)始形成穿透樣品的擊穿電弧，并逐漸下移，如圖5所示。圖15給出了電弧作用時(shí)長(zhǎng)為24 s工況下，兩種絕緣材料樣品穿透擊穿位置與電極的豎直間距的變化過(guò)程?？梢?jiàn)，支柱絕緣子和固封極柱兩種樣品的穿透擊穿位置，都呈“2段式”向下移動(dòng)過(guò)程：開(kāi)始階段的慢速下移和后續(xù)的快速下移。在第1階段，受電弧和火焰的雙重作用，樣品頂部炭化程度不斷增加，電弧擊穿頂部炭化區(qū)域后不斷下移，支柱絕緣子和固封極柱樣品內(nèi)部穿透擊穿位置下移速度分別約為2.55 mm/s和1.74 mm/s；第2階段，由于弧根溫度很高，因此距離弧根較近的樣品內(nèi)部也形成一定程度的炭化，電弧在該區(qū)域向下移動(dòng)速度顯著增大，分別為78.5 mm/s和35.03 mm/s。可見(jiàn)，隨著電弧作用和材料燃燒的持續(xù)推進(jìn)，阻燃絕緣材料內(nèi)部穿透擊穿位置的向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程，具有顯著的加速特征。而支柱絕緣子樣品穿透擊穿位置下移速度更快，尤其是在第2階段。

圖15 樣品穿透擊穿位置與電極的豎直間距Fig. 15 The vertical distance between the breakdown position of the sample and the electrode

3 結(jié)論

本文圍繞高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)典型絕緣件的電弧引燃與燒蝕過(guò)程，搭建了高壓擊穿電弧模擬與材料引燃機(jī)理研究綜合模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)4 mm厚V0阻燃級(jí)別的支柱絕緣子樣品和V1阻燃級(jí)別的固封極柱樣品，在電弧不同作用時(shí)長(zhǎng)條件下，研究了15 kV電弧擊穿與材料引燃的動(dòng)態(tài)耦合發(fā)展過(guò)程。主要結(jié)論如下：

(1)高壓電極易在絕緣件樣品邊緣首先發(fā)生橫向擊穿電弧，并迅速沿樣品側(cè)邊上翻，形成倒“U”形弧柱，自上而下“夾持”樣品進(jìn)行加熱引燃。而短時(shí)電弧加熱樣品實(shí)驗(yàn)表明，弧根與弧頂是其高溫區(qū)，易在其中首先形成炭化或引燃。

(2)在電弧較長(zhǎng)時(shí)間作用下，阻燃絕緣件往往首先在頂部形成火焰，繼而在樣品側(cè)面的弧柱緊貼區(qū)發(fā)展點(diǎn)狀及連續(xù)火焰。隨著燃燒的不斷進(jìn)行，從頂部開(kāi)始逐漸形成穿透樣品的內(nèi)部擊穿電弧，且擊穿電弧不斷下移至電極位置，該電弧易誘發(fā)劇烈燃燒的水平噴射火焰。

(3)高溫電弧作用下，與固封極柱相比，支柱絕緣子在燃燒過(guò)程中所生成的樹(shù)枝狀蓬松炭層更多，對(duì)于電弧較長(zhǎng)作用時(shí)間工況，支柱絕緣子所生成炭層質(zhì)量約為固封極柱的2倍。

(4)絕緣件樣品材料表面溫度測(cè)量表明，起弧瞬間在緊鄰電極上方的材料表面，升溫速率均值約為180 ℃/s。這體現(xiàn)了高壓擊穿電弧對(duì)絕緣件材料表面的瞬時(shí)超強(qiáng)加熱作用。

(5)穿透樣品的內(nèi)部擊穿電弧位置向下移動(dòng)呈“2階段”特征：在初始階段下移速度較慢，支柱絕緣子和固封極柱樣品對(duì)應(yīng)速度分別為2.55 mm/s和1.74 mm/s；在第2階段，擊穿點(diǎn)下移速度分別增大至78.5 mm/s和35.03 mm/s。