長距離輸電線路潛供電弧運動特性與動力學建模研究.pdf

1、全球能源互聯(lián)網(wǎng)的提出，使得超長距離輸電技術(shù)，尤其是半波長輸電技術(shù)，近年來在國際上受到廣泛關(guān)注。由于長距離輸電線路電壓等級高、線路距離超長、傳輸功率很大、線路結(jié)構(gòu)特殊，其潛供電弧問題較為突出，如果潛供電弧不能及時熄滅，將使斷路器重合于弧光接地故障，導致單相重合閘失敗。研究長距離輸電線路潛供電弧的內(nèi)在物理機制和運動現(xiàn)象，并在此基礎上建立潛供電弧的動力學模型，分析潛供電弧的燃弧時間和空間演化特性，為進一步發(fā)展經(jīng)濟、可靠、有效的潛供電弧抑制方法

2、，可提供重要的理論基礎和技術(shù)依據(jù)。
　　本文將實驗研究與理論探索相結(jié)合，采用先進的測試技術(shù)手段，研究長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)展的動力學行為以及與關(guān)鍵影響因素的內(nèi)在作用機理;建立長距離輸電線路的多場耦合動力學模型，準確模擬潛供電弧的運動發(fā)展軌跡;基于潛供電弧輸入與輸出能量的變化過程，提出潛供電弧燃弧時間的計算新方法，為發(fā)展適于長距離輸電線路的單相重合閘技術(shù)提供基礎依據(jù)。
　　模擬

3、實驗是研究潛供電弧物理特性的重要技術(shù)途徑?；诜植紖?shù)模型給出了長距離輸電線路潛供電弧物理模擬的單相等值電路拓撲，并據(jù)此設計了實驗平臺。研究表明，長距離線路潛供電弧的陰極和陽極弧根運動具有明顯的極性效應，陽極易發(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，對上述潛供電弧運動特性給出了微觀機制解釋?；≈倪\動情況則更為復雜，其在熱浮力作用下向上運動，常出現(xiàn)短路、部分消亡等現(xiàn)象。實驗發(fā)現(xiàn)在潛供電弧運動過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。采用不同補償方案時熄弧特性有所不同，通過適當控制補償條件，可將半波長線路潛供電弧的熄滅時間有效縮短，有利于電弧熄滅。經(jīng)過補償后的線路，電弧熄滅前的潛供電流值顯著降低，恢復電壓上升率減小，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、空氣阻力和風力作用的多物理場耦合動力學模型。分析了短路電弧向潛供電弧演變過程的物理機制，提出了潛供電弧起始位置隨機

5、性的仿真方法，通過計算得到電弧電導率和溫度的關(guān)系曲線，獲得了電弧電導率沿半徑方向的分布特性和沿每一個可能發(fā)展方向的概率。將建立的潛供電弧多場耦合動力學模型與潛供電弧起始位置的隨機分析方法相融合，可獲得具有隨機特征的潛供電弧起始位置，并與實驗結(jié)果進行了對比，驗證了所建立模型的有效性。
　　通過分析潛供電弧的能量變化過程，建立了潛供電弧輸入能量和散失能量的表征方程，進一步納入電弧實時運動的多場耦合動力學模型，提出潛供電弧燃弧時間的計算

6、新方法。同時開展了潛供電弧的低壓物理模擬實驗，將潛供電弧燃弧時間的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比驗證。結(jié)果表明，基于能量平衡的計算新方法可更準確地獲得潛供電弧的燃弧時間，特別是存在風力作用時。這為潛供電弧動態(tài)燃弧時間的仿真計算和單相自動重合閘整定提供了方法依據(jù)。
　　基于建立的動力學仿真模型闡明了潛供電弧弧根跳躍現(xiàn)象的物理機制，并通過仿真對前述實驗現(xiàn)象進行了佐證。一方面，熱浮力使得電弧不斷向上運動，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。分析了潛供電弧運動過程中的長度變化特征，其總體上不斷增加，但由于弧柱間的短路現(xiàn)象，潛供電弧在運動過程中常會出現(xiàn)暫時性長度變短的現(xiàn)象。在潛供電弧熄滅前的瞬間，通常會出現(xiàn)尖峰電流、電弧長度驟然增加等現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)，當導線布置呈垂直架構(gòu)時，電弧的運動情況更為復雜劇烈，相同時間內(nèi)電弧長度擴展更快，潛供電弧將易于熄滅。
　　進一步研究了不同潛供電流和風速情況下的潛供電弧運動特

8、征，分析了潛供電流、熱浮力、風力作用等對電弧運動特性的影響機制，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，潛供電弧的燃弧時間也呈現(xiàn)增長趨勢，兩者之間呈近似線性關(guān)系。無風時，潛供電弧受到電磁力和熱浮力的雙重作用，其弧根運動在很大程度上由電磁力決定，而弧柱在擴張的同時會有明顯向上運動的趨勢。有風時，潛供電弧的運動呈現(xiàn)不同特征:潛供電流較小時，潛供電弧弧根的運動將由電磁力和風力共同決定，而弧柱運動軌跡主要由風力作用決定