GIS中隔離開關(guān)電源的電弧放電過程理論全解析

1.引言

近年來，隨著我國特高壓電網(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)，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、維修周期長(zhǎng)且節(jié)省安裝空間等優(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)，由于間隙電弧放電會(huì)產(chǎn)生特快速暫態(tài)過電壓(Very fast transient overvoltage, VFTO)，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和相鄰電氣設(shè)備的安全使用。

VFTO是一個(gè)在連續(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)電弧放電過程的研究，不僅對(duì)VFTO的仿真計(jì)算[3]具有重要的意義，而且對(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)非常復(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)的理論目前尚未完全統(tǒng)一，有關(guān)GIS隔離開關(guān)電弧放電的研究正處于不斷的發(fā)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)電弧放電過程與很多因素密切相關(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，電弧電流大小及其持續(xù)時(shí)間，電弧電阻在不同階段的取值等等。數(shù)學(xué)建模與仿真已經(jīng)成為研究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。在電弧模型的研究初期，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)黑盒模型進(jìn)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)進(jìn)行改進(jìn)，通過對(duì)電弧實(shí)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)電弧放電的研究中，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)間隙擊穿過程的研究很少。

擊穿過程也即電弧的形成過程，根據(jù)氣體擊穿理論的流柱理論，開關(guān)開斷過程中，擊穿總是由介質(zhì)最薄弱那點(diǎn)引起，然后貫穿動(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)電弧的發(fā)展變化過程以及VFTO的陡度具有決定性的意義。當(dāng)前在描述開關(guān)間隙“擊穿過程”的電弧弧模型的研究方面，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)的弧阻變化，用指數(shù)函數(shù)近似表示為：

式(1)中，τ=1ns為時(shí)間常數(shù)，r0=0.5Ω為靜態(tài)電弧電阻，R0=1012Ω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)是影響特快速暫態(tài)過電壓VFTO波形及特性的重要因素，遺憾的是當(dāng)前仍沒有有效的手段對(duì)該參數(shù)進(jìn)行測(cè)量或計(jì)算，對(duì)擊穿延時(shí)的研究是VFTO領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。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)度恢復(fù)理論和弧隙能量平衡理論。前者認(rèn)為電弧放電是由于外加電場(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)恢復(fù)強(qiáng)度在任何時(shí)刻始終高于弧隙上的恢復(fù)電壓。后者認(rèn)為電弧放電并不是電流過零后簡(jiǎn)單的電壓擊穿，而是電路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的試驗(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)并沒有變化，而是一直持續(xù)下去，直到其振蕩幅值不斷減小，漸趨于零。這說明隔離開關(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規(guī)律。進(jìn)而可以用以下數(shù)學(xué)模型近似表達(dá)整個(gè)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;τ1表示擊穿過程時(shí)間常數(shù)，τ2表示熄弧過程時(shí)間常數(shù)。R1一般取值1012Ω，R2一般取值在幾歐姆左右，具有一定的隨機(jī)性。

τ1直接影響到VFTO波形及上升時(shí)間，τ2是由熄弧時(shí)間決定的，其值會(huì)影響VFTO的熄滅速度。當(dāng)前對(duì)于τ1和τ2的取值仍僅憑經(jīng)驗(yàn)，缺乏進(jìn)一步的試驗(yàn)研究和理論計(jì)算，是科研人員一個(gè)重要的研究方向。

3.結(jié)論

本文主要探討了SF6氣體絕緣組合