GIS中隔離開關(guān)電弧放電過程的理論分析

1、gis中隔離開關(guān)電弧放電過程的理論分析 近年來，隨著我國(guó)特高壓電網(wǎng)的逐步建立，以sf6氣體作為絕緣介質(zhì)的封閉式組合電器(gas insulated switchgear, gis)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)緊湊、牢靠性高、修理周期長(zhǎng)且節(jié)約安裝空間等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。gis中的隔離開關(guān)在其投切空載短母線時(shí)，因?yàn)殚g隙電弧放電會(huì)產(chǎn)生特迅速暫態(tài)過(very fast transient overvoltage, vfto)，嚴(yán)峻影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和相鄰電氣設(shè)備的平安用法。vfto是一個(gè)在延續(xù)多次電弧放電過程下產(chǎn)生的階躍電壓波。gis隔離開關(guān)電弧放電過程的討論，不僅對(duì)vfto的計(jì)算3具有重要的意義，而

2、且對(duì)于隔離開關(guān)的設(shè)計(jì)、選型和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等都具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。電弧放電是氣體放電的一種形式，由氣體擊穿至形成電弧是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過程。gis隔離開關(guān)間隙擊穿進(jìn)而電弧放電，是vfto產(chǎn)生的根源，其電弧放電過程是影響vfto波形的根本因素，但一些相關(guān)的理論目前尚未徹低統(tǒng)一，有關(guān)gis隔離開關(guān)電弧放電的討論正處于不斷的進(jìn)展之中。2.gis隔離開關(guān)電弧放電過程的理論分析隔離開關(guān)電弧放電過程與無數(shù)因素疏遠(yuǎn)相關(guān)，本文認(rèn)為集中體現(xiàn)為2大類，即確定性因素與非確定性因素。確定性因素包括：開關(guān)線路的電壓等級(jí)，開關(guān)的型式結(jié)構(gòu)，最大間隙擊穿電壓等;不確定因素包括：重復(fù)擊穿的次數(shù)、擊穿時(shí)刻和熄弧時(shí)刻，電弧大小及

3、其持續(xù)時(shí)光，電弧在不同階段的取值等等。數(shù)學(xué)建模與仿真已經(jīng)成為討論電弧放電的重要工具。電弧是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)物理與化學(xué)過程。在電弧模型的討論初期，cassie和mayr提出了獲得普遍認(rèn)可的經(jīng)典黑盒模型。此后，許多學(xué)者對(duì)黑盒模型舉行了演繹和推導(dǎo)，進(jìn)而提出了一些新的模型。當(dāng)前，隔離開關(guān)電弧的數(shù)學(xué)模型多以黑盒電弧放電的數(shù)學(xué)模型或toepler電弧模型為基礎(chǔ)舉行改進(jìn)，通過對(duì)電弧試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合來確定模型中的物理參數(shù)。目前，對(duì)gis隔離開關(guān)電弧放電的討論中，多是針對(duì)臨界擊穿電壓的測(cè)量或數(shù)值計(jì)算，而對(duì)于開關(guān)間隙擊穿過程的討論很少。擊穿過程也即電弧的形成過程，按照氣體擊穿理論的流柱理論，開關(guān)開斷過程中，擊穿總是由

4、介質(zhì)最薄弱那點(diǎn)引起，然后貫通動(dòng)靜觸頭之間，從而形成連貫的放電通道，導(dǎo)致間隙擊穿產(chǎn)生電弧。氣體的擊穿過程對(duì)于后續(xù)電弧的進(jìn)展變幻過程以及vfto的陡度具有打算性的意義。當(dāng)前在描述開關(guān)間隙“擊穿過程”的電弧弧模型的討論方面，比較有代表性有指數(shù)衰減模型、雙曲線模型、toepler擊穿模型等。其中，指數(shù)衰減模型是由麥也爾電弧模型推導(dǎo)簡(jiǎn)化而來，該模型可以基本描述電弧放電時(shí)的弧阻變幻，用指數(shù)函數(shù)近似表示為：式(1)中，=1ns為時(shí)光常數(shù)，r0=0.5為靜態(tài)電弧電阻，r0=1012為隔離開關(guān)起弧前電阻。該模型的擊穿延時(shí)約為30ns,擊穿延時(shí)是影響特迅速暫態(tài)過電壓vfto波形及特性的重要因素，圓滿的是當(dāng)前仍沒有

5、有效的手段對(duì)該參數(shù)舉行測(cè)量或計(jì)算，對(duì)擊穿延時(shí)的討論是vfto領(lǐng)域一個(gè)重要的討論方向。此外，電弧的熄弧過程也是影響vfto特性的一個(gè)重要因素。對(duì)于電弧的熄滅當(dāng)前存在兩種理論，即弧隙介質(zhì)強(qiáng)度復(fù)原理論和弧隙能量平衡理論。前者認(rèn)為電弧放電是因?yàn)橥饧与妶?chǎng)將間隙擊穿的結(jié)果，電弧的熄弧條件為電流過零后，弧隙介質(zhì)復(fù)原強(qiáng)度在任何時(shí)刻始終高于弧隙上的復(fù)原電壓。后者認(rèn)為電弧放電并不是電流過零后容易的電壓擊穿，而是及弧隙之間能量平衡的性質(zhì)。因此，電弧的熄滅條件為弧隙的輸入能量小于弧隙的散出能量。從252kv gis的實(shí)驗(yàn)中采集了大量的電流波形，從電流波形來看，高頻成分過零后，電流的振蕩趨勢(shì)并沒有變幻，而是向來持續(xù)下去，直到其振蕩幅值不斷減小，漸趨于零。這解釋隔離開關(guān)電弧并不是高頻過零熄弧，而是幅值趨于零才熄弧，進(jìn)一步驗(yàn)證了弧隙的能量平衡理論中的熄弧邏輯。進(jìn)而可以用以下數(shù)學(xué)模型近似表達(dá)囫圇電弧放電過程：式(2)中，r1表示擊穿前電阻;r2表示燃弧時(shí)電阻;1表示擊穿過程時(shí)光常數(shù)，2表示熄弧過程時(shí)光常數(shù)。r1普通取值1012，r2普通取值在幾歐姆左右，具有一定的隨機(jī)性。1挺直影響到vfto波形及升高時(shí)光，2是由熄弧時(shí)光打算的，其值會(huì)影響vfto的熄滅速度。當(dāng)前對(duì)于1和2的取值仍僅憑閱歷，缺乏進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)討論和理論計(jì)算，是科研人員一個(gè)重要的討論方向