GIS中隔離開(kāi)關(guān)電弧放電過(guò)程的理論分析

1.引言

近年來(lái)，隨著(zhù)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)，由于其結構緊湊、可靠性高、維修周期長(cháng)且節省安裝空間等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣泛的應用。

GIS中的隔離開(kāi)關(guān)在其投切空載短母線(xiàn)時(shí)，由于間隙電弧放電會(huì )產(chǎn)生特快速暫態(tài)過(guò)電壓(Very fast transient overvoltage, VFTO)，嚴重影響了電力系統的穩定運行和相鄰電氣設備的安全使用。

VFTO是一個(gè)在連續多次電弧放電過(guò)程下產(chǎn)生的階躍電壓波。GIS隔離開(kāi)關(guān)電弧放電過(guò)程的研究，不僅對VFTO的仿真計算[3]具有重要的意義，而且對于隔離開(kāi)關(guān)的設計、選型和結構的改進(jìn)等都具有重要的工程應用價(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)非常復雜的物理過(guò)程。GIS隔離開(kāi)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(guò)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一，有關(guān)GIS隔離開(kāi)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(kāi)關(guān)電弧放電過(guò)程的理論分析

隔離開(kāi)關(guān)電弧放電過(guò)程與很多因素密切相關(guān)，本文認為集中體現為2大類(lèi)，即確定性因素與非確定性因素。確定性因素包括：開(kāi)關(guān)線(xiàn)路的電壓等級，開(kāi)關(guān)的型式結構，最大間隙擊穿電壓等;不確定因素包括：重復擊穿的次數、擊穿時(shí)刻和熄弧時(shí)刻，電弧電流大小及其持續時(shí)間，電弧電阻在不同階段的取值等等。數學(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)復雜的動(dòng)態(tài)物理與化學(xué)過(guò)程。在電弧模型的研究初期，Cassie和Mayr提出了獲得普遍認可的經(jīng)典黑盒模型。此后，許多學(xué)者對黑盒模型進(jìn)行了演繹和推導，進(jìn)而提出了一些新的模型。當前，隔離開(kāi)關(guān)電弧的數學(xué)模型多以黑盒電弧放電的數學(xué)模型或Toepler電弧模型為基礎進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)對電弧實(shí)驗數據的擬合來(lái)確定模型中的物理參數。

目前，對GIS隔離開(kāi)關(guān)電弧放電的研究中，多是針對臨界擊穿電壓的測量或數值計算，而對于開(kāi)關(guān)間隙擊穿過(guò)程的研究很少。

擊穿過(guò)程也即電弧的形成過(guò)程，根據氣體擊穿理論的流柱理論，開(kāi)關(guān)開(kāi)斷過(guò)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，導致間隙擊穿產(chǎn)生電弧。氣體的擊穿過(guò)程對于后續電弧的發(fā)展變化過(guò)程以及VFTO的陡度具有決定性的意義。當前在描述開(kāi)關(guān)間隙“擊穿過(guò)程”的電弧弧模型的研究方面，比較有代表性有指數衰減模型、雙曲線(xiàn)模型、Toepler擊穿模型等。其中，指數衰減模型是由麥也爾電弧模型推導簡(jiǎn)化而來(lái)，該模型可以基本描述電弧放電時(shí)的弧阻變化，用指數函數近似表示為：

式(1)中，τ=1ns為時(shí)間常數，r0=0.5Ω為靜態(tài)電弧電阻，R0=1012Ω為隔離開(kāi)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(guò)電壓VFTO波形及特性的重要因素，遺憾的是當前仍沒(méi)有有效的手段對該參數進(jìn)行測量或計算，對擊穿延時(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(guò)程也是影響VFTO特性的一個(gè)重要因素。對于電弧的熄滅當前存在兩種理論，即弧隙介質(zhì)強度恢復理論和弧隙能量平衡理論。前者認為電弧放電是由于外加電場(chǎng)將間隙擊穿的結果，電弧的熄弧條件為電流過(guò)零后，弧隙介質(zhì)恢復強度在任何時(shí)刻始終高于弧隙上的恢復電壓。后者認為電弧放電并不是電流過(guò)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的試驗中采集了大量的電流波形，從電流波形來(lái)看，高頻成分過(guò)零后，電流的振蕩趨勢并沒(méi)有變化，而是一直持續下去，直到其振蕩幅值不斷減小，漸趨于零。這說(shuō)明隔離開(kāi)關(guān)電弧并不是高頻過(guò)零熄弧，而是幅值趨于零才熄弧，進(jìn)一步驗證了弧隙的能量平衡理論中的熄弧規律。進(jìn)而可以用以下數學(xué)模型近似表達整個(gè)電弧放電過(guò)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(guò)程時(shí)間常數，τ2表示熄弧過(guò)程時(shí)間常數。R1一般取值1012Ω，R2一般取值在幾歐姆左右，具有一定的隨機性。

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。當前對于τ1和τ2的取值仍?xún)H憑經(jīng)驗，缺乏進(jìn)一步的試驗研究和理論計算，是科研人員一個(gè)重要的研究方向。

3.結論

本文主要探討了SF6氣體絕緣組合電器中隔離開(kāi)關(guān)電弧放電過(guò)程，對當前隔離開(kāi)關(guān)物理數學(xué)模型中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，指出了今后研究過(guò)程中注意的問(wèn)題和研究方向。