输电线路故障工频电弧灭弧调研

输电线路故障工频电弧灭弧调研电弧的产生当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于10-20伏，电流不小于 8000mA,电器的触头间便会产生电弧。电弧的形成是触头间中性质子（分子和原子）被游离的过程。开关触头分离时, 触头间距离很小,电场强度E很高（E二U/d）。当电场强度超过3Xl（T6V/ni时， 阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自山电子。这种游离方式称 为：强电场发射。从阴极表面发射出来的自由电子和触头间原有的少数电子，在电场力的作用 下向阳极作加速运动，途中不断地和中性质点相碰撞。只要电子的运动速度v足 够高，电子的动能A=l/2mv2足够大，就可能从中性质子中打出电子，形成自曲 电子和正离子。这种现象称为碰撞游离。新形成的自山电子也向阳极作加速运动， 同样地会与中性质点碰撞而发生游离。碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了 电子和正离子，具有很大的电导；在外加电压下，介质被击穿而产生电弧，电路 再次被导通。触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面的 电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。同时在高温的作用下（电弧中 心部分维持的温度可达5000C以上），气体中性质点的不规则热运动速度增加。当 具有足够动能的中性质点相互碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象 称为热游离。电弧高温下形成热游离，热游离供给弧隙大量的电子和正离子，维持放电的进 行。另一方面，由于热平衡，电弧温度达到某一数值后不在上升，电导达到某一 值后也不再上升，热游离将在一定强度下稳定下来，达到平衡状态。随着触头分 开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时电弧的燃烧主要是依幕热游 离维持的。电弧的熄灭：去游离：去游离过程是指自山电子和正离子相互吸引而中和的过程，即 带电质点的消失过程。主要方式是复合与扩散。熄灭条件：要使电弧熄灭，就必须使去游离作用大于游离。这时，弧隙中带 电质点的数H减少，电导下降，电弧越来越弱，弧温下降，使热游离下降或停止， 最终导致电弧的熄灭。交流电弧的熄灭：在交流电弧的灭弧中，应充分利用交流电流的自然过零点， 采取有效的措施，加大弧隙间削弱电场的强度，使电弧不再重燃，最终熄灭。雷击时产生的电弧应该是脉冲电弧？暂时査不到脉冲电弧的一些相关资料，文献 里面都是把其当成交流电弧来处理的。交流电弧在一个周期内会有两次电流过零 点，在第一次过零点时电弧会因为电流为零熄灭，但是由于温度及电场原因，若 不采取措施可能会重燃，因此要把握在第一次过零点时使电弧不再重燃。熄弧理论1、介质恢复理论介质强度恢复理论是山著名的美国西屋电气公司的工程师约瑟夫斯莱皮恩 (JosephSlepian)于 1928 年提出来的。当电弧在电极间燃烧时，因为电弧内发生强烈的电离过程形成大量等离子体, 因此其具有良好的导电性。电流出现零休时段内，电弧暂时熄灭，但是山于热惯 性，电离的消失不是突然的，而是一个渐变的过程。在这个过程中，电极间的区 域仍具有一定的电导率，但此时间隙间的介质具有一定的耐压能力，并且耐压能 力持续增长。在电离区域，电离和复合两个过程同时存在。离子的消失主要山于复合和扩 散作用，而电离主要有碰撞电离、热电离和光电离等。电离产生新的离子不断弥 补因复合等消失的离子才能使电离区域要保持一定的电导率。电离强度跟外加电 场有关，外加电场越大，电离程度越强，就能更快的产生新的离子弥补消失的离 子。任何时刻，都有一个特定的电场强度，使得在该电场强度下电离和复合两者 保持动态平衡，则电弧能持续燃烧。半外加的电场低于该电场强度时，电离区域 电离程度减弱，离子消散速度加快，空间电导率减小。反之，则空间电导率增加。 斯莱皮恩将电离区域保持动态平衡时对应的电压强度称为介质强度。图4-5介质强度和电压恢复过程图4-3为介质强度和电压恢复过程。图中，曲线1和2分别为两种不同的介 质强度恢复曲线，曲线3为外加电压恢复曲线。山以上分析可知，当介质强度恢 复曲线高于电压恢复曲线时，电离区域的电导率将不断增加，最后失去导电能力， 电弧将会熄灭，如图中曲线1和曲线3;当介质强度恢复曲线低于电压恢复曲线， 两者发生相交，则电弧将会发生重燃。iL=fc+=C+ L c R dt Rg “业七产厶C弊丄如1卯dthfdFR dt其解为吟十G严十s 式中G、g为积分徹数。“-需彳(烧尸说根据电流起始条件可求得积分常数为7代入式，并整理可得：1 -5由式(4-27 )可知，恢复电压包含两部分:稳定分量和自由分量，后者随时间而 发生变化，而且受到线路参数的影响。大部分单频短路电路中，R隔/2,山此 可得到恢复电压波形，如图4-8所示。从以上的资料可以看出当电流过零时电弧暂时熄灭，但是由于电离分布的不均 匀导致电场畸变，外加电场有可能超过平衡电场而导致电弧重燃。因此要在电流 过零时熄灭电弧，应该注重气体介质的恢复。灭弧方法中，基本可以分为两类， 一类是在电弧产生的时候将电弧拉长或冷却使电弧熄灭，另一种是通过改变气体 介质提高介质的去游离能力，这种方法能阻止电弧的重燃。在新型的灭弧装置中， 这两种方法都采用了。通过爆炸产生的气流吹灭电弧，爆炸后产生的气体充当了 介质，减缓了气体的游离过程，加剧了离子的复合与扩散，阻止的吹灭的电弧重 燃，提髙了熄弧的质量。（新型灭弧装置就不写进去了）灭弧的基本方法基本原理：加强去游离提高弧隙介质强度的恢复过程，或改变电路参数降低弧隙 电压的恢复过程，目前开关电器的主要灭弧方法有：1. 利用介质灭弧弧隙的去游离在很大程度上，取决于电弧周围灭弧介质的特性。六氛化硫（SF6）气 体是很好的灭弧介质，其电负性很强，能迅速吸附电子而形成稳定的负离子，有 利于复合去游离，其灭弧能力比空气约强100倍；真空（压强在0. 013Pa以下）也 是很好的灭弧介质，因真空中的中性质点很少，不易于发生碰撞游离，且真空有 利于扩散去游离，其灭弧能力比空气约强15倍。采用不同介质可以制成不同的断路器，如油断路器、六氟化硫断路器和真空断路 器。2. 利用气体或油吹动电弧吹弧使弧隙带电质点扩散和冷却复合。在高压断路器中利用各种灭弧室结构形式, 使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙。吹弧方式主要有纵吹与横吹两种。 纵吹是吹动方向与电弧平行，它促使电弧变细；横吹是吹动方向与电弧垂直，它 把电弧拉长并切断。3. 釆用特殊的金属材料作灭弧触头采用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料，可减少热电子发射 和电弧中的金属蒸气，得到抑制游离的作用；同时采用的触头材料还要求有较高 的抗电弧、抗熔焊能力。常用触头材料有铜鹄合金、银钩合金等。4. 电磁吹弧电弧在电磁力作用下产生运动的现象，叫电磁吹弧。山于电弧在周围介质中运动， 它起着与气吹的同样效果，从而达到熄弧的U的。这种灭弧的方法在低压开关电 器中应用得更为广泛。5. 使电弧在固体介质的狭缝中运动此种灭弧的方式乂叫狭缝灭弧。山于电弧在介质的狭缝中运动，一方面受到冷却， 加强了去游离作用；另一方面电弧被拉长，弧径被圧小，弧电阻增大，促使电弧 熄灭。6. 将长弧分隔成短弧当电弧经过与其垂直的一排金属栅片时，长电弧被分割成若干段短弧；而短电弧 的电压降主要降落在阴、阳极区内，如果栅片的数LI足够多，使各段维持电弧燃 烧所需的最低电压降的总和大于外加电压时，电弧就自行熄灭。另外，在交流电 流过零后，山于近阴极效应，每段弧隙介质强度骤增到150250V,采用多段弧隙 串联，可获得较高的介质强度，使电弧在过零熄灭后不再重燃。7. 釆用多断口灭弧高丿玉断路器每相山两个或多个断口吊联，使得每一断口承受的电压降低，相当于 触头分断速度成倍地提高，使电弧迅速拉长，对灭弧有利。8. 提高断路器触头的分离速度提高了拉长电弧的速度，有利于电弧冷却复合和扩散。要实现灭弧，要建立一个电弧模型，看了两三篇文献里面都是釆用麦叶尔理论来 建立电弧模型。电弧的主要物理参数主要有：温度，直径，伏安特性曲线，电位 梯度等，其中，弧柱的温度(能量)与电弧的熄灭与重燃有着很大的关系，通过 测定弧压，弧流求出电弧的功率，以此来判断电弧是否能够熄灭以及重燃。弧柱 的耗散功率主要是由辐射散热以及对流散热引起的，而对流散热起来了决定性的 作用，下面是对这一散热过程的分析，但是，好多公式真的是看不懂啊，不理解 它是什么意思。在开断电弧的能量过程中，弧柱对流散热方式占到了能量耗散的极大比重。 在通过对流散热对电弧冷却的方法中，横向气流吹弧和纵向气流吹弧是最有效的 方法。电弧单位体积对流耗散功率如公式2-16= PaCVgradT(2-16)式中：Pa气体密度：C 一气体热熔系数；V 一运动速度；首先考虑电弧未受到外界气流扰动的情况：电弧在竖直方向上自由燃炽，由于受到 重力的作用，电弧弧柱自发对流。以弧柱为研究对象，列写动量守恒方程；duPa = -P + Pag = O(2“7)式中：g一重力加速度：Vp压力梯度。改写上式为：dvPa = -Vp + pag = O(2-18)Vp = Pag(219)由于电能从招狐角葫电极不新注入电弧，弧柱气体不断被加热，气体密度降低，许 弧柱气体密度下降为，此时，可将上二式推到得：rfvPa= -Pag + PagSO)再次改写为；罟=-(专 hSI)上式等式的左边是单位电弧运动速度对时间的导数，即电弧运动的加速度。通过对等式右侧的观察，这个加速与重力的加速度方向相反，即电弧中气体有垂 直向上的加速度，可认为此时弧柱的对流是由垂直向上的气流所吹动。下面，考虑开弧受到横向气流作用的对流耗散。电弧受到横向气流作用 可分为两种J清况：第一种：电弧弧柱相对于空气介质以VA的速度横向运动，此时介质的运 动速度VM为0;即电弧自身在静止的介质中运动。例如，磁吹电弧。第二种:空气介质以速度VM相对于电弧做横向运动，初始时，电弧的绝 对速度VA为零，在横向吹弧气体的作用下，电弧的相对介质的速度与介质运动速度在数 值上相等、方向上相反，即：VAM二-VM(2-22)显然，本文研究的受到高速气体横吹作用的电弧属于第二种情况。从理论上分析，当空气介质以速度V通过直径为d的电弧，这部分空气 在通过电弧时，山常温To加热到一个很高的温度，这个温度被认为可达到电弧的平均温度T。此 时，这部分空气所吸收的热量为：(2-23)试中：C气体的热熔系数2单位时间通过单位长度电弧的气体体积热容系数c長关于温度的一个复杂函数，但在电弧高漏时空气中的氮、氧等双原子分子将分解为单原子。单原子气体热容系数公式可简化的写为:改写为:2.5pRaTo22400T(焦耳/厘米彳开)kt 0.41将上式带入到式223中.可推出:(2-24)(2-25)(2-26)则式2-16改写为:37)最后，哮虑在气流沿电弧弧柱方向对电弧纵向吹弧的对流耗散功率。在气流纵向吹弧情况下.单位时间通过电弧弧柱的空气体积为气流速度与电弧径向截而面枳的乘积。即：V =* v这部分空气体积被电弧由室温加热到电弧平均温度，所需要吸收的热量为： fTcir .严PK = V x cdT = -d2v cd T(2-28)丿T.4 丿t.带入式2-25可将上式改写为；PK0.41 x In半=0.332d2v x In辛(2-29)4Too其中电弧的平均温度为：Tc = |(15000 + 4000) = 9500K, PLoss=PK(2-30)单位体积气体通过电弧所吸收:的热量(或为所带走的电弧能量)可认为是电弧对流 的耗散系数。因此，本节给出了气体对电弧冷却的对流耗散系数的计算方法。在西安交通大学的尚振球所写的麦也尔电弧数学模型的表达形式及其参数的确 定方法一文中，对麦叶尔电弧模型的建立的假设等进行了说明，但是关于耗散 功率引起的主要原因，里面说的是辐射散热，而有的论文上写的是对流散热，对 这个存在疑问。在此文中，提出了五种测量电弧常数和散发功率的算法，其中， 假设其为i或g的单值函数的方法为较多人使用，而将其看作任意数值的函数或 任意值所得出的结果更为精确，具体用哪一种，需要从设备等情况考虑。(这篇 期刊排版略不好COPY下来就不COPY T)在一些改进的电弧模型中，能够比较好 地算出时间函数改进的Mayr电弧动态模型，具有如下假定：(1) 电弧弧柱为一直径为常数的圆柱体，在径向截面上，温度沿径向降低。(2) 适用于长弧，以弧柱压降代替弧压，不计电弧轴向及电极的能量耗散(3) 对流作用是能量损失的主要原因(4) 假定弧柱中气体物理性质不随温度变化。(5) 通过沙哈公式描述弧柱中的热电离情况。电弧模型之所以称为电弧的动态模型是首先是在模型中电弧电阻的动态变化 的。为方便后续计算，在分析过程中以电导的形式来描述。mary电弧模型建立在 能量平衡的基础上，电弧能量直接决定了弧柱中的电导大小zs,3so同时，电 弧电导也与时间有关系。因此，动态电弧模型的电导的一般表达式为：% 二扌二 F(PPLg“t)(2-31)式中：ga一单位长度电弧电导；ia电弧电流；E弧柱电压梯度：P一单位长度电弧的功率输入值，P=Eia：PLO5S一一单位长度电弧的功率耗散值： t时间。上述物理呈均为动态电弧模型各参数的瞬时值。更进一步说，电弧电导是关于电弧中所积累的能屋Q来决定的“即，电弧电导杲关于Q的函数。ga =卩(Q) = f|(P- Pgs)/电強能虽的变化可表示为电驪在殍时的能嚴输入与能量耗散即:dQ=p-Pg对静态电弧：P Eia = Ploss対静态电弧:丄J(Q)dQF(Q)= kq7(p_Ploss)将ga = ia/E带入上式得:+芽-弟二曙3-P)上述方程的特殊性取决于F(Q)和Pqs的不同形式。弧柱单位体积所贮存的能量可表示为:q =PaCp(T-Ti)式中：Pa：密度；Cp:热容系数：T：弧温；T1：电弧区域外空气温度。 沙哈公式可表示为：g = E其中，心为常数、a为系数。(2-32)(2-33)(2-34)(2-35)(2-36)(2-37)(2-38)下面将沙哈公式从电导关于温度的函数转化为电导关于电弧能童的西数，可得在给定压力p时，一个表示电弧特性的能量函数q。Phew(2-40)(2-41)(2-42)(243)(244)gMt Qo dt将上式代入式236可得到麦也尔动态电弧微分方程式：ga出區丿Qo a式245中：3二舎为动态电弧模型的时间常数，等于因为电弧能虽波动导致电 Flo”导改变2.73 所耗时间。在动态电弧模型中，Pl“s为常数，S也同时示了电弧储存能量 与耗散能量之间的比值.113(2-45)Losfi式中：e一一电子电荷:U|气体的游离电位。结合上两式，可得单位长度电导与能量的关系是:g = K3eAo电弧能量为：Q = 2n I qrdrJo式中口一一孤柱半径；r径向距离。综上，电弧电导&与电弧能虽Q的关系为1Q一二顶弍中K4常数；Qo使电弧电导变换2.73倍所霜能虽；Qo = 2n I qordr = nr?q0 丿02. 3. 2改进的mayr电弧模型参数的确定改进的mayr电弧模型能否准确的描述电弧的各项特性在于是否能精确的讣算 改进模型中的t （电弧时间常数）及氏Poss（电弧能量耗散常数）。在以往，这两个 参数必须通过大量的电弧开断实验来获得37, 38,而且无法得到这两个参数与 开断电器腔体儿何结构，喷口儿何结构，喷口气体速度初值和压力场之间的数学 关系，因此设计人员只能根据经验对开断电器进行设讣，在做出产品后进行反复 的开断试验，得到两个参数，确定改进ma模型，才能计算该开断电器的极限电 弧极限开断能力，得出该设计的灭弧性能。这样，造成了开断电器的研发周期长， 花费大。在本文研究中，提出运用流体学工具，计算确定儿何结构的灭弧空间中 的气吹气流速度场和压力场。通过前文提及的方法计算电弧的能量耗散常数。实 现对设计的灭弧儿何结构的仿真和对其灭弧能力的验证。应用麦也尔动态电弧数学模型的成功与否关键在于如何正确的确定时间常数 T和POSS两个参数对于耗散参数Poss的确定，通过前文的推导，公式2-29给定了确定的 计算方法。下文主要推导时间常数T的计算方法：时间常数的一个很好的确定方法是通过灭弧实验的波形计算，在电流过零时刻附近找到tl, t2不同的两个时间点，取I, U曲线上tl , t2两时间点上的 电压值和电流值，分别用ul, u2, il, i2表示，计算岀tl, t2时间点的电导 值和电导导数值，分别用gi g2表示可将电弧动态微分方程改写为：(旅(U36)带入各参数，可将方程整理为：j23 X 爲=- gi(2-47)rLossXg2 二占-幻Loss通过下式可计算岀时间常数的表达式:g2211g2gl22(2-48)(2-49)关于灭弧：比较短路电流给予电弧的功率与电弧自身的耗散功率来判断电弧是否 能熄灭。而电弧的耗散功率是由吹气的强弱决定的，能过对气体耗散功率的设置 可以仿真气流的强弱。电弧模型是一个动态的模型，因此要用动态进行仿真。看过的文献中，建立电弧 模型都会建立一个气体流场模型来分析吹弧过程中的动态，这个看了之后是一点 都不懂。另外，还有很多文献是对灭弧室进行一系列的优化，主要是电场与磁场 方面，以及部分涉及到了 ANSYS有限元件的仿真，看了之后也是不懂。