基于磁流体动力学的35 kV自脱离防雷装置灭弧仿真

为研究影响基于气吹灭弧原理的自脱离防雷装置灭弧的影响因素,文中基于磁流体动力学理论建立装置灭弧过程的数值仿真模型,研究电流初始相角与装置气流速度峰值对装置熄弧性能的影响,并结合大电流燃弧试验验证模型有效性。研究结果表明,自脱离防雷装置灭弧时间与工频电流初始相角密切相关,在0°～180°电角度区间内,电弧熄灭所需时间随工频电流初始相角的增大而减小。装置气流速度峰值对电弧熄灭具有决定性作用。当灭弧气流速度峰值高于243 m/s时,装置可在半个工频周期内有效熄灭电弧并防止重燃;灭弧气流速度峰值低于243 m/s时,在装置产气灭弧筒出口处将出现“电弧堵塞”现象导致电弧重燃。研究结论可为气吹防雷装置灭弧性能优化提供理论依据。     

气吹灭弧防雷间隙电弧机理分析

根据输电线路气吹灭弧防雷间隙的工作原理和现象,提出一种气吹灭弧模型,该模型由气体爆炸波模型、灭弧气体流动模型、电弧等离子体模型构成.在流体力学软件(CFD)的基础上,通过Fluent建模,对气吹灭弧装置作用于电弧情况进行仿真.仿真结果表明,电弧能够在极短的时间内被高速气流吹离间隙,且电弧表面温度下降极快.气吹灭弧试验的...     

压缩灭弧防雷装置灭弧效果的研究

为解决输电线路防雷问题,提出一种压缩灭弧防雷方法,发明了一种与绝缘子并联的压缩灭弧防雷装置。为验证其灭弧的有效性,首先利用Ansys Fluent有限元分析软件对纵向气流熄灭电弧的作用过程进行了仿真分析,表明装置触发后会产生速度峰值为500 m/s的有效膨胀灭弧气流迅速作用于电弧,从而加速电弧对流散热破坏电弧等离子体动态平衡,使电弧在0.2 ms内极快速熄灭。然后通过试验对仿真结果进行了验证,证明压缩灭弧防雷装置能在冲击电弧的起点就快速响应,并迅速产生高速气流作用于冲击电弧,使冲击电弧迅速熄灭,破坏后续工频电弧通道,实现"建弧无通道"的灭弧效果。并结合实际应用效果与试验和仿真,三者共同佐证了装置的灭弧效果。     

高铁接触网的自能式组合间隙结构有效性研究

为了解决高铁接触网雷害问题,目前研制了一种应用于高铁接触网的组合型多断点灭弧防雷间隙装置(CMALPGD)。为了验证灭弧装置的可行性,论述了装置的产气及熄弧原理,建立了灭弧室电弧三维动态磁流体动力学(MHD)模型,并通过COMSOL Multiphysics仿真软件分析了CMALPGD动作时,灭弧室断口处电弧的温度、电导率及产生的高速气流速度(最高速度达1 000 m/s)的变化情况,验证了高速气流能够作用于电弧并熄灭电弧,同时抑制电弧发展,整个熄弧时间约为2. 5 ms。同时构建试验电路进行灭弧试验,得出试验条件下的灭弧时间为3. 0 ms,且一段时间内电弧未发生重燃。仿真和实验结果几乎相同,充分验证了CMALPGD应用于高铁接触网的可能性。     

半密闭灭弧腔室内电弧运动特性的三维仿真和实验

在配网线路防雷中,利用多个半密闭灭弧腔室串联将长空气间隙电弧分段淬灭的多腔室灭弧结构因其优异的灭弧性能,受到学者的广泛关注.在应用于配网线路雷电防护时,多腔室灭弧结构中的气体间隙被击穿后,冲击电弧在半密闭灭弧腔室内的运动特性直接影响该结构的灭弧性能.为了研究冲击电弧在灭弧腔室内的运动特性,该文将气流场、流体传热场、电磁场多场全耦合,建立单个半密闭灭弧腔室内冲击电弧的三维数值仿真模型,分析电弧从腔室内运动到腔室外的动态演变过程;搭建冲击电流试验平台,利用高速摄像机拍摄了电弧从腔室内运动到腔室外的图像,分析电弧运动图像的特征.结果表明,仿真得到的电弧完全运动到腔室外的时刻和电弧完全熄灭的时刻与试验图像特征吻合,验证了仿真模型的准确性;得到了腔室内电弧温度、腔室内压强和气流速度随时间整体呈现先急剧增加后缓慢减小的趋势;当电弧电流为波形8/20μs、幅值2kA时,腔室内的电弧温度最高可达41000K,压强最大达2MPa,气流速度最大达3000m/s.     

SF_6/N_2混合气体灭弧室中电弧阻塞效应的分析研究

分析研究了SF_6/N_2混合气体电弧阻塞现象。结果显示,相同电弧电流下,SF_6/N_2混合气体弧柱和热边界区直径分别大于SF_6气体,在电流半波中阻塞时间延长。此外,混合气体电弧能量密度高于SF_6,而弧柱焓流率则低于SF_6的相应值,因而在电流峰值附近更易造成能量在上游的聚积,使电弧对喷口的阻塞作用加强,影响灭弧与介质恢复过程。为了提高混合气体灭弧室的气吹灭弧能力,应对灭弧室结构参数和其他工作条件重新予以调整和确定。     

C_4F_7N/CO_2混合气体熄弧特性试验研究

为研究全氟异丁腈(C_4F_7N)与二氧化碳(CO_2)混合气体的熄弧特性,利用LC振荡回路搭建电弧试验平台,对六氟化硫(SF_6)、5%C_4F_7N/95%CO_2以及9%C_4F_7N/91%CO_2混合气体在0.6、0.8MPa下进行20kA短路电流开断试验,利用测量得到的电弧电压、电弧电流,计算电弧电导,进而研究C_4F_7N/CO_2混合气体的熄弧性能。研究结果表明,随着C_4F_7N含量的增加,电弧电压熄弧峰值以及电弧电导与SF_6气体逐渐接近,表现出优良的灭弧性能。     

新型灭弧防雷间隙的研究与应用分析

针对配电网架空输电线路的雷击事故,防雷专家参照并联间隙防雷保护原理的"疏导型"思想,研制了气吹灭弧防雷间隙。该间隙在输电线路遭受雷击或绝缘子串工频闪络时,防止绝缘子串遭受工频续流电弧的灼烧;同时能够在电弧击穿间隙后,快速切断工频续流。笔者使用Mayr电弧模型模拟仿真气吹灭弧,结果表明,高速气体对间隙电弧的快速熄灭有明显效果。同时,通过安装气吹灭弧防雷间隙在雷击跳闸率高的输电线路上运行,获取运行数据,进行对比得出安装气吹灭弧防雷间隙后,雷击跳闸率能够大幅度下降。     

C_4F_7N/CO_2混合气体在中压负荷开关中的开断性能实验研究

SF_6气体因介电强度高、灭弧能力强等特点被广泛应用于中压气体绝缘环网柜中。然而SF_6气体具有高的温室效应,为减少SF_6气体的使用量,采用环保混合气体来达到与SF6相近的绝缘与灭弧性能,同时满足高压电器在可靠性和小型化等方面的要求是一项非常重要的研究内容。文中采用压气式负荷开关搭建开断实验平台,按照GB/T 3804—2017标准中有功负载开断要求对混合比例20%C_4F_7N+80%CO2、12%C_4F_7N+8%O_2+80%CO_2的混合气体和不同分闸速度的情况在实验平台上进行了开断实验,根据实验结果对这两种混合气体的开断性能进行了分析。开断实验后,发现电弧在C_4F_7N/CO_2混合气体中燃烧产生了黑色固体分解物,并用X射线衍射(X-ray diffraction)方法对分解物进行了检测和分析,验证了其成分和导电性。     

热态CO_2及其与O_2混合气体热动属性及电击穿特性的计算分析

CO2是一种有潜力的SF6的替代气体,研究纯CO2以及CO2/O2混合气体的临界击穿场强对于进一步研究其绝缘和灭弧性能有重要意义。为此,给出了不同压力下,纯CO2以及不同混合比例CO2/O2混合气体电弧等离子体的平衡态化学组成及体积分数90%CO2-10%O2混合气体的热动属性。通过求解两项近似的Boltzmann方程,得到0.4 MPa下,不同混合比例的CO2/O2混合气体,300~3500K温度范围内的折合临界击穿场强(E/N)cr。结果表明:体积分数50%CO2-50%O2混合气体的(E/N)cr在2 000 K以下远高于体积分数90%CO2-10%O2混合气体;50%CO2-50%O2的混合气体(E/N)cr受温度影响较小;当温度高于2 000 K时,90%CO2-10%O2混合气体的(E/N)cr随温度升高迅速增大。     

高速气流作用下灭弧防雷间隙灭弧效果的研究EI北大核心CSCD

当架空输电线路遭受雷击而发生冲击闪络时,线路上安装的灭弧防雷间隙装置能够有效地保护绝缘子串免受工频电弧的烧蚀,同时能够在雷电冲击电流击穿间隙后深度抑制工频电弧。为了研究其灭弧效果,首先建立了该装置的气流控制方程组,运用ANSYS10.0软件对流体进行了气流场仿真;然后利用高速摄像机拍摄了电弧的发展过程,通过数字示波器记录了电弧电压波形,对灭弧防雷间隙的灭弧效果进行了试验验证;最后进一步探讨了不同故障电弧电流值下灭弧效果和气流速度的关系。仿真结果与试验结果表明:2.3 ms时刻高速气流速度最大且稳定地作用于电弧;试验得出气流熄灭电弧的时间为3.8 ms,一致说明该装置能快速熄灭电弧;气流速度越大,灭弧防雷间隙的灭弧效果就越好。     

基于气吹灭弧模型研究工频电弧发展及抑制机理

文中基于MHD理论,利用Comsol Mutiphysic仿真平台对110 kV输配网气吹灭弧装置所产生的高速气流与电弧耦合进行研究,发现装置气吹起始灭弧时间点控制在电弧暂态发展的早期,即雷电脉冲波峰过后至第一个工频周期的时间范围内为熄弧的最佳时机,期间电弧具有电导率处于低值状态、弧柱半径小及能量较孱弱的特点,所以设置在此阶段内吹弧能保证彻底熄灭电弧恢复绝缘.     

炸气流灭弧性能及应用效果分析

为了研究爆炸气流灭弧防雷间隙的灭弧特性,通过对该灭弧防雷间隙的爆炸气流工频灭弧试验,得出了该灭弧防雷间隙的工频续流电弧在4 ms时间内即被强气流吹灭,气流维持时间大于6 ms。同时建立链式电弧模型和Mayr电弧模型分别对电弧所受气流压力和爆炸气流灭弧防雷间隙的能量散失特性进行研究,并利用力学软件ANSYS14.0对强气流干扰下的电弧能量进行仿真分析。从结果分析可知电弧在气流强压力作用下能量迅速耗散,并在极短时间内被截断熄灭。在实际运行中,降低雷击事故率97%,灭弧效果明显。     

基于一维电弧模型的SF6混合气体灭弧性能评价

SF₆混合气体是广受关注的SF₆替代气体方案之一。为定量评估SF₆混合气体的灭弧性能,文中采用一维衰减电弧模型和玻尔兹曼方程相结合的方法,将电弧熄灭过程划分为热恢复阶段、弧前介质恢复阶段和弧后介质恢复阶段,分别引入热恢复率、弧前介质恢复率和弧后介质恢复率作为各阶段的评价参数,并计算三者的调和平均数作为综合评价参数,以此来评估SF₆-N₂、SF₆-CO₂、SF₆-CF₄以及SF₆-Air混合气体的灭弧性能。基于上述方法,文中初步探讨SF₆含量、背景气体种类和压强大小对SF₆混合气体灭弧性能的影响。结果表明,随着SF₆含量的减少,混合气体的灭弧性能整体上呈现下降趋势;当SF₆含量为10%～50%时,4种混合气体中SF₆-N₂的灭弧性能最优,其次...     

多断口灭弧防雷间隙仿真与试验研究

为了解决雷击产生的工频电弧引起输电线路跳闸难题,研究了一种能快速熄灭工频电弧的多断口灭弧防雷间隙.简述了多断口灭弧防雷间隙灭弧原理,建立了气流耦合电弧的磁流体方程,确定了电弧二维仿真模型,并用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对高速气流耦合电弧过程仿真,在实验室内进行了灭弧实验,在实际运行中验证了其灭弧防雷效果.仿真、实验结果共同表明:多断口灭弧防雷间隙能够在0.3 ms内完全熄灭电弧,并且气流能够切断后续工频电弧通道能量补给,阻止电弧重燃.实际运行结果表明:多断口灭弧防雷间隙已经成功防护多次巨大雷击,线路正常运行未发生跳闸事故.     

爆炸气流灭弧试验与灭弧温度仿真分析

采用爆炸气流灭弧是一种最新的防雷方法。为研究爆炸气流灭弧防雷间隙灭弧暂态过程,对35 kV爆炸气流灭弧间隙进行10 k A工频电流灭弧试验,试验表明电弧在爆炸气流的强烈扰动下迅速被拉长截断,灭弧时间约为4 ms。同时根据电弧熄灭的温度判据(即当故障电弧温度降低到3 000~4 000 K时熄灭)利用有限元计算软件FLUENT对气流和电弧耦合作用暂态过程中的电弧温度进行模拟仿真。由仿真结果可知,在高速爆炸气流的作用下,电弧能量变弱,温度呈非线性下降,在4 ms时降至熄灭的临界值熄灭。为了验证试验与仿真的实际效果,进行了爆炸气流灭弧防雷间隙实地运行试验。运行试验表明:爆炸气流灭弧防雷间隙能够降低雷击跳闸率90%以上,安装灭弧间隙后的输电线路既限制了雷击过电压,又能显著降低雷击事故率,具有良好的实用性。     

C4F7O-CO2混合气体自由燃弧电弧特性实验研究

C_4F_7N-CO_2混合气体有可能替代SF_6作为绝缘和灭弧介质,研究其燃弧特性具有重要意义。文中通过棒-棒电极下的自由燃弧实验,研究了CO_2、体积分数40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体的电弧特性。实验中测量了电弧电压、电流、零区特性以及光谱分布等众多参量,基于Mayr电弧模型分析了电弧能量累积和耗散过程,结合Abel逆变换和玻耳兹曼斜率法得到电弧径向温度分布。实验发现:CO_2气体电弧稳定性极差,燃弧期间电弧电压高于SF_6电弧且多次剧烈波动,加入C_4F_7N后,电弧稳定性得到改善,电弧电压降低;加入C_4F_7N后,自由燃弧期间其电弧能量累积量减小,电流过零前的能量耗散系数降低;电流峰值时刻CO_2、40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体电弧弧芯温度分别为20 000、18 900、14 900 K,电弧直径分别为13、17、23 mm,C_4F_7N对降低CO_2电弧弧芯温度有明显作用。     

不同灭弧方式C4F7N混合气体负荷开关的开断实验研究

近年来,随着温室效应日益严重,以及相关环保标准要求越来越严格,人们的环保观念不断提升,寻求替代SF_6气体作为绝缘和灭弧介质在气体绝缘开关设备中应用成为一项非常重要的研究内容。文中介绍了采用3种灭弧方式(磁吹式、金属去离子栅式和压气式)的负荷开关,应用C_4F_7N混合气体按照GB/T 3804—2017标准中有功负载开断试验的要求进行气体开断性能的实验研究。实验结果表明,3种灭弧方式中,压气式负荷开关的开断性能最好,能够成功开断/关合12 kV 650 A有功负载电流10次;金属去离子栅式负荷开关充入C_4F_7N的混合气体能够成功开断12 kV 240 A有功负载电流;磁吹式负荷开关充入C_4F_7N的混合气体未成功开断12 kV 586 A有功负载电流,且在整个开断过程中未有明显的开断迹象;通过开断实验结果可以得出增加C_4F_7N的混合比例可以提升混合气体的开断性能。     

环保型C_4F_7N/CO_2混合气体试验平台搭建及绝缘特性分析

环保型C_4F_7N/CO_2混合气体是目前最有潜力替代SF6的绝缘介质。基于如何进行C_4F_7N/CO_2混气和工程应用问题,文中结合72.5kV GIS产品中典型隔离断口结构下的试验样机,搭建了混合气体绝缘试验研究平台,研究了雷电冲击电压下,不同充气压力、不同断口开距对气体绝缘性能的影响,并对比分析了20%C4F7N+80%CO2混合气体与相同试验条件下,纯SF6、纯CO2气体的绝缘特性差异。试验及分析结果表明,C_4F_7N/CO_2混合气体的介质恢复需要一定的时间;纯SF6、CO2及C_4F_7N/CO_23种气体的击穿特性与开距、充气压力近似呈线性变化且均呈升高趋势,但C_4F_7N/CO_2混合气体的上升斜率最大;当开距从5 mm增加至15 mm时,0.2 MPa充气压力下,C_4F_7N/CO_2混合气体50%击穿电压值从65.75kV上升至179.88kV;当充气压力为0.15 MPa时,15 mm电极开距下,C_4F_7N/CO_2混合气体50%击穿电压的比纯SF6高35.45kV。     

一种新型灭弧防雷装置的原理及试验研究

雷电是电力系统安全的杀手之一。因架空输电线路线路长度长、分布广、面积大,所以易遭受雷击,致使输电线路的绝缘性能遭到破坏。传统防雷措施存在很多缺陷、效果不理想,所以文中采用"疏导型"和气吹灭弧理论,研制了可应用于35~500 k V架空输电线的新型灭弧防雷装置。首先研究爆炸灭弧防雷间隙所产生的爆炸冲击波与电弧相互耦合、熄灭的特性,建立电弧与爆炸冲击波相互耦合的模型;其次,利用AUTODYN仿真软件建立冲击波和电弧相互作用耦合的模型,对半封闭空间的电弧受到冲击后的形态、运动、压力、以及破坏的程度进行模拟仿真分析;最后,对新型灭弧装置进行灭弧能力试验,根据普通摄像机、高速摄像机所拍摄的图片和录波器所录的波形可以清晰的显示电弧熄灭的过程。通过建模、软件仿真以及灭弧试验检验了新型灭弧装置的有效性,装置在7 ms左右将电弧熄灭,且电弧不重燃。