电磁式灭弧空气炮理论研究_杨廷方.pdf

第 50 卷 第 4 期2 0 2 3 年 4 月Vol.50，No.4Apr.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）电磁式灭弧空气炮理论研究杨廷方，罗屹豪，周西杰，刘云辉（长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114）摘 要：针对传统保护间隙的空气间隙无法快速熄弧、线路的跳闸率较高问题，研究、设计了电磁式灭弧空气炮.该装置利用电磁活塞理论，喷射出高速气团.高速气团会冲击电弧，带走电弧的热量并拉细电弧，显著增强电弧的去游离作用，迫使其在短时间内熄灭.且电磁式灭弧空气炮的活塞尾部安装有弹簧机构，能够在灭弧后自动将活塞复位，为下一次动作做准备.通过有限元法进行仿真计算，加装电磁式灭弧空气炮的保护间隙能在16 ms内将电弧拉细到原来粗细程度的1/8、弧心温度降低至1/3，显著增强去游离作用，迫使其迅速熄灭.因此电磁式灭弧空气炮具有较强的熄弧能力，且具备一定的自能性，能有效降低雷击跳闸率、提升电能质量.关键词：磁场效应；有限元法；计算机仿真；磁流体力学；电弧中图分类号：TM853 文献标志码：ATheoretical Research on Electromagnetic Arcing Air CannonYANG Tingfang，LUO Yihao，ZHOU Xijie，LIU Yunhui（School of Electrical and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，China）Abstract：Aiming at the problem that the traditional protection gap can not extinguish the electric arc quickly and the trip rate of the line is high，this paper studies and designs the electromagnetic arc extinguishing air cannon.The device uses the electromagnetic piston theory to eject high-speed air masses.The high-speed air mass can impact the arc，take away the heat of the arc and draw the arc fine，enhancing the removing-free effect of the arc and forcing it to be extinguished quickly.And the spring mechanism installed at the piston end of theelectromagnetic arc extinguishing air cannon can automatically reset the piston after the electric arc extinguishing and be ready for the next time.According to the finite element method simulation，the arc can be drawn to 1/8 of its original thickness and the electric arc center temperature can be reduced to 1/3 within 16 msdue to the installation of the protection gap of electromagnetic arcing air cannon，which significantly enhances the removing free effect and forces the arc to be extinguished quickly.Therefore，the electromagnetic arc extinguishing air cannon has a stronger extinguishing ability and certain self-reliance，which can effectively reduce the lightning trip-out rate and improve power quality.Key words：magnetic field effects；finite element method；computer simulation；magnetohydrodynamics；electric arc 收稿日期：2022-06-14基金项目：国家自然科学基金资助项目（51777015），National Natural Science Foundation of China（51777015）作者简介：杨廷方（1975），男，湖南长沙人，长沙理工大学副教授，博士，研究生导师 通信联系人，E-mail：文章编号：1674-2974（2023）04-0193-07DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023229湖南大学学报（自然科学版）2023 年传统输电线路的防雷间隙一般由相隔一定距离、弯曲成一定角度的两根金属棒构成.其中一段连接于线路高压端，另一段连接在接地端.当发生雷击，保护间隙被击穿、放电，将雷电流引入大地，达到保护线路的目的.然而其使用的空气间隙灭弧效果差，电弧往往持续燃烧，难以熄灭，严重时甚至损伤设备，造成二次损失.针对这一问题，国内外的研究人员提出了不少灭弧装置理论，但或多或少存在着维护次数高、材料昂贵、受环境影响大等问题.文献 1 提出了利用雷电冲击波引爆特质的灭气丸，从而产生爆轰气流破坏雷电通道，达到抑制电弧的目的.文献 2 提出了通过多断口压缩自灭弧结构，让电弧沿着特殊结构发展而被分割成多段，拉长电弧加速其能量损耗达到快速灭弧的功效.文献 3 则指出了电弧产生的原因主要是电磁热，高温增加了空气的电导率，使得电弧能够持续燃烧.因此，若能够快速降低电弧的温度，便能够迫使其迅速熄灭.空气炮又名空气助流器，是利用压差喷出可达1马赫的高速气团产生的巨大冲击波进行清淤、破拆等作业，目前已广泛应用于冶金、防火等领域4，取得了极好的效果，但在电气领域应用甚少.而电磁活塞是利用电磁技术来控制流体流动的工业设备，能够配合不同的电路实现对流体的速度、方向、体积等多种因素的控制5-6.本文将二者的理论结合起来，设计了电磁式灭弧空气炮.该装置利用电磁技术产生的强磁场推动金属活塞，迅速压缩容器内的空气，从而形成巨大压差以喷射气体将电弧熄灭.1 气吹灭弧原理输电线路正常运行时，保护间隙的工频电压不足以击穿空气.但当雷击发生时，间隙击穿产生电弧，弧心温度可达50 000.虽然雷电流短暂，但形成的高温通道增强了空气的电导率，产生了工频续流，从而使电弧继续燃烧.此时电弧平均温度超过 3 000，而中心的温度可达10 000 7.弧隙中，在工频电压的作用下产生电子和正离子的游离过程中，也存在着带电质点减少的去游离作用.稳定燃烧的电弧中，这两个过程处于动态平衡，若游离作用较强，则电弧维持燃烧；若去游离作用较强，则电弧逐渐衰弱，直至熄灭.若想增强电弧的去游离作用，主要有以下几种方案.1.1 降低电弧温度文献 7 指出电弧的游离作用和电弧温度有关，温度越高则游离作用越强、去游离作用越弱.其温度降低的主要表现为热辐射和热对流，且对流散热占降温作用的80%以上.其中单位长度电弧的对流散热公式为：Pk=0.41 4d2vlnTcT0（1）式中：v 为周围气流速度；Tc为弧柱温度；T0为环境温度.1.2 降低电场强度文献 8 指出电弧的稳定性和电场强度成正相关，电场强度越大，离子的运动速率越高，游离作用越强.若电弧被拉长，则电场强度会显著降低.此时离子运动速率减小，则复合的机会增加，去游离作用增强.1.3 降低电弧内部的带电粒子浓度文献 9 指出，利用高速气流吹拂电弧，带走其中的部分带电粒子，减小电弧直径，能够显著增强去游离作用.文献 10 指出，电弧的直径越小，电弧表面的带电粒子浓度相较于其内部的带电粒子浓度之比增加，去游离作用会显著增强.因此，若能将气团高速喷向电弧，便能够迅速增加电弧周围的气流速度，降低其温度，同时迫使电弧被拉长、变细，以达到迅速熄灭电弧的效果.2 电磁式灭弧空气炮原理2.1 空气炮简介空气炮利用空气动力学进行工作，即通过某种手段（一般为温差或化学反应）使炮腔和外部产生可达数十兆帕的压差，使得内部的气体以超过1马赫的速度喷出，达到摧毁目标的目的.该设备目前已经广泛应用于火灾扑灭、管道疏通、矿井清淤等领域，且取得了极好的效果.2.2 电磁活塞理论通电的线圈周围会产生环绕磁场，其磁场强度H和线圈的匝数、通过线圈的电流大小成正比，即H=N ILe（2）式中：N为线圈匝数；I为通过线圈的电流大小；Le为有效磁路长度.有效磁路长度可以表示为：Le=VeAe（3）194第 4 期杨廷方等：电磁式灭弧空气炮理论研究式中：Ve为有效体积；Ae为有效截面面积.磁场强度可表示为：H=N I AeVe（4）磁场会对放置于其中的顺磁物质产生吸引力，这个力被称为磁力.根据法拉第和麦克斯韦提出的磁力线概率，可以推导出麦克斯韦公式：F=10(B n0)B-12B2n0dA（5）式（5）可以进一步简化为：F=B2A20（6）式中：F为磁力；B为磁极表面的磁感应强度；A为磁极的极面面积；0为真空磁导率，一般取410-7 H/m.其理论简化图如图1所示.磁场对磁性物质产生的吸引力极大，一块35 mm15 mm5 mm、平均表磁为 12.1 mT的 N38钕铁硼磁体便能对磁性物质产生101.25 N的吸引力11-13.电磁活塞理论：通电线圈周围会产生磁场，以此驱动铁磁物质活塞运动、压缩一定体积内的气体或液体，从而形成较高的内外压差，其理论简化图如图1所示.根据此理论，本文提出的装置能够形成最高可达4 kPa的内外压差，使得腔体内的空气被高速喷出，以达到熄灭电弧的目的.同时在活塞后部安装弹簧，弹簧产生的弹力Ft为：Ft=k P（7）式中：k为弹簧的弹性系数；P为活塞位移.当电弧熄灭、磁场消失，被压缩的弹簧回弹，将活塞拉回到原有位置，以备下一次工作.3 电磁式灭弧空气炮仿真根据上述理论设计出空气炮模型，并利用有限元法进行仿真14-15.空气炮腔体半径为4 cm，深15 cm，底部有一个直径4 cm、高6 cm的圆柱形活塞，材料为聚异丁烯（PIB橡胶，常温下为绝缘体），且活塞未与腔内壁发生挤压.活塞内镶嵌有一半径0.75 cm、高 4 cm的圆柱形铁芯，材料为低碳钢（电导率8.41 MS/m）.空气炮炮口为一厚 1.5 cm、半径 4 cm 的空气挡板，挡板上间隔2 cm分布有3个半径0.5 cm的圆柱形气道喷嘴，材料为聚苯硫醚（PPS 塑料，常温下 为绝缘体）.炮腔外壳也为 PPS 塑料，厚 4 cm，且在 靠近炮腔处有一个半径为1.5 cm、高8 cm的石英腔，腔内镶嵌有150 匝、截面面积为1 mm2的铜线圈（电导率59.98 MS/m）.活塞后部连接有方形挡板，挡板两侧安装有弹性系数k为50 N/m、处于舒张状态的弹簧.整个装置（不包括外壳）总重 0.440 8 kg.模型图详见图2.设置基准气压为一个标准大气压.将电磁式灭弧空气炮串联在35 kV输电线路保护间隙的接地端.空气炮整体倾斜一定角度，距离间隙约20 cm，如图3所示.正常运行状态下，无电流流过空气炮.而雷击事故发生时，保护间隙将被击穿，工频电压施加