長(zhǎng)距離輸電線路潛供電弧運(yùn)動(dòng)特性與動(dòng)力學(xué)建模研究.pdf

1、全球能源互聯(lián)網(wǎng)的提出，使得超長(zhǎng)距離輸電技術(shù)，尤其是半波長(zhǎng)輸電技術(shù)，近年來(lái)在國(guó)際上受到廣泛關(guān)注。由于長(zhǎng)距離輸電線路電壓等級(jí)高、線路距離超長(zhǎng)、傳輸功率很大、線路結(jié)構(gòu)特殊，其潛供電弧問(wèn)題較為突出，如果潛供電弧不能及時(shí)熄滅，將使斷路器重合于弧光接地故障，導(dǎo)致單相重合閘失敗。研究長(zhǎng)距離輸電線路潛供電弧的內(nèi)在物理機(jī)制和運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，并在此基礎(chǔ)上建立潛供電弧的動(dòng)力學(xué)模型，分析潛供電弧的燃弧時(shí)間和空間演化特性，為進(jìn)一步發(fā)展經(jīng)濟(jì)、可靠、有效的潛供電弧抑制方法

2、，可提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。
　　本文將實(shí)驗(yàn)研究與理論探索相結(jié)合，采用先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)手段，研究長(zhǎng)距離輸電線路潛供電弧的宏觀演化特征與微觀物理本質(zhì)，探索潛供電弧發(fā)生、發(fā)展的動(dòng)力學(xué)行為以及與關(guān)鍵影響因素的內(nèi)在作用機(jī)理;建立長(zhǎng)距離輸電線路的多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，準(zhǔn)確模擬潛供電弧的運(yùn)動(dòng)發(fā)展軌跡;基于潛供電弧輸入與輸出能量的變化過(guò)程，提出潛供電弧燃弧時(shí)間的計(jì)算新方法，為發(fā)展適于長(zhǎng)距離輸電線路的單相重合閘技術(shù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。
　　模擬

3、實(shí)驗(yàn)是研究潛供電弧物理特性的重要技術(shù)途徑。基于分布參數(shù)模型給出了長(zhǎng)距離輸電線路潛供電弧物理模擬的單相等值電路拓?fù)?，并?jù)此設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。研究表明，長(zhǎng)距離線路潛供電弧的陰極和陽(yáng)極弧根運(yùn)動(dòng)具有明顯的極性效應(yīng)，陽(yáng)極易發(fā)生弧根跳躍現(xiàn)象，而陰極可能發(fā)生二次激發(fā)現(xiàn)象，對(duì)上述潛供電弧運(yùn)動(dòng)特性給出了微觀機(jī)制解釋?；≈倪\(yùn)動(dòng)情況則更為復(fù)雜，其在熱浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)，常出現(xiàn)短路、部分消亡等現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在潛供電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中弧柱存在兩種典型的短路現(xiàn)象，即弧柱

4、與電極間的短路以及弧柱各部分之間的自身短路現(xiàn)象。采用不同補(bǔ)償方案時(shí)熄弧特性有所不同，通過(guò)適當(dāng)控制補(bǔ)償條件，可將半波長(zhǎng)線路潛供電弧的熄滅時(shí)間有效縮短，有利于電弧熄滅。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的線路，電弧熄滅前的潛供電流值顯著降低，恢復(fù)電壓上升率減小，電弧重燃次數(shù)明顯變少。
　　納入潛供電弧弧根模型的定量表征，建立了考慮電磁力、熱浮力、空氣阻力和風(fēng)力作用的多物理場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型。分析了短路電弧向潛供電弧演變過(guò)程的物理機(jī)制，提出了潛供電弧起始位置隨機(jī)

5、性的仿真方法，通過(guò)計(jì)算得到電弧電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系曲線，獲得了電弧電導(dǎo)率沿半徑方向的分布特性和沿每一個(gè)可能發(fā)展方向的概率。將建立的潛供電弧多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型與潛供電弧起始位置的隨機(jī)分析方法相融合，可獲得具有隨機(jī)特征的潛供電弧起始位置，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了所建立模型的有效性。
　　通過(guò)分析潛供電弧的能量變化過(guò)程，建立了潛供電弧輸入能量和散失能量的表征方程，進(jìn)一步納入電弧實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，提出潛供電弧燃弧時(shí)間的計(jì)算

6、新方法。同時(shí)開(kāi)展了潛供電弧的低壓物理模擬實(shí)驗(yàn)，將潛供電弧燃弧時(shí)間的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，基于能量平衡的計(jì)算新方法可更準(zhǔn)確地獲得潛供電弧的燃弧時(shí)間，特別是存在風(fēng)力作用時(shí)。這為潛供電弧動(dòng)態(tài)燃弧時(shí)間的仿真計(jì)算和單相自動(dòng)重合閘整定提供了方法依據(jù)。
　　基于建立的動(dòng)力學(xué)仿真模型闡明了潛供電弧弧根跳躍現(xiàn)象的物理機(jī)制，并通過(guò)仿真對(duì)前述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了佐證。一方面，熱浮力使得電弧不斷向上運(yùn)動(dòng)，引起電弧通道與電極間發(fā)生短路;另一方

7、面，斜向下方向的電極結(jié)構(gòu)也會(huì)使電弧與上電極間的短路次數(shù)明顯增加。分析了潛供電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的長(zhǎng)度變化特征，其總體上不斷增加，但由于弧柱間的短路現(xiàn)象，潛供電弧在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)性長(zhǎng)度變短的現(xiàn)象。在潛供電弧熄滅前的瞬間，通常會(huì)出現(xiàn)尖峰電流、電弧長(zhǎng)度驟然增加等現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)線布置呈垂直架構(gòu)時(shí)，電弧的運(yùn)動(dòng)情況更為復(fù)雜劇烈，相同時(shí)間內(nèi)電弧長(zhǎng)度擴(kuò)展更快，潛供電弧將易于熄滅。
　　進(jìn)一步研究了不同潛供電流和風(fēng)速情況下的潛供電弧運(yùn)動(dòng)特

8、征，分析了潛供電流、熱浮力、風(fēng)力作用等對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)特性的影響機(jī)制，結(jié)果表明，潛供電流越大，電弧的自旋現(xiàn)象越明顯。隨著潛供電流的增加，潛供電弧的燃弧時(shí)間也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，兩者之間呈近似線性關(guān)系。無(wú)風(fēng)時(shí)，潛供電弧受到電磁力和熱浮力的雙重作用，其弧根運(yùn)動(dòng)在很大程度上由電磁力決定，而弧柱在擴(kuò)張的同時(shí)會(huì)有明顯向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。有風(fēng)時(shí)，潛供電弧的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)不同特征:潛供電流較小時(shí)，潛供電弧弧根的運(yùn)動(dòng)將由電磁力和風(fēng)力共同決定，而弧柱運(yùn)動(dòng)軌跡主要由風(fēng)力作用決定