GIS中隔离开关电源的电弧放电过程理论全解析

1.引言

近年来，随着我国特高压电网的逐步建立，以SF6气体作为绝缘介质的封闭式组合电器(Gas Insulated Switchgear, GIS)，由于其结构紧凑、可靠性高、维修周期长且节省安装空间等优点，已经得到了广泛的应用。GIS中的隔离开关在其投切空载短母线时，由于间隙电弧放电会产生特快速暂态过电压(Very fast transient overvoltage, VFTO)，严重影响了电力系统的稳定运行和相邻电气设备的安全使用。

VFTO是一个在连续多次电弧放电过程下产生的阶跃电压波。GIS隔离开关电弧放电过程的研究，不仅对VFTO的仿真计算[3]具有重要的意义，而且对于隔离开关的设计、选型和结构的改进等都具有重要的工程应用价值。电弧放电是气体放电的一种形式，由气体击穿至形成电弧是一个非常复杂的物理过程。GIS隔离开关间隙击穿进而电弧放电，是VFTO产生的根源，其电弧放电过程是影响VFTO波形的根本因素，但一些相关的理论目前尚未完全统一，有关GIS隔离开关电弧放电的研究正处于不断的发展之中。

2.GIS隔离开关电弧放电过程的理论分析

隔离开关电弧放电过程与很多因素密切相关，本文认为集中体现为2大类，即确定性因素与非确定性因素。确定性因素包括：开关线路的电压等级，开关的型式结构，最大间隙击穿电压等;不确定因素包括：重复击穿的次数、击穿时刻和熄弧时刻，电弧电流大小及其持续时间，电弧电阻在不同阶段的取值等等。数学建模与仿真已经成为研究电弧放电的重要工具。电弧是一个复杂的动态物理与化学过程。在电弧模型的研究初期，Cassie和Mayr提出了获得普遍认可的经典黑盒模型。此后，许多学者对黑盒模型进行了演绎和推导，进而提出了一些新的模型。当前，隔离开关电弧的数学模型多以黑盒电弧放电的数学模型或Toepler电弧模型为基础进行改进，通过对电弧实验数据的拟合来确定模型中的物理参数。

目前，对GIS隔离开关电弧放电的研究中，多是针对临界击穿电压的测量或数值计算，而对于开关间隙击穿过程的研究很少。

击穿过程也即电弧的形成过程，根据气体击穿理论的流柱理论，开关开断过程中，击穿总是由介质最薄弱那点引起，然后贯穿动静触头之间，从而形成连贯的放电通道，导致间隙击穿产生电弧。气体的击穿过程对于后续电弧的发展变化过程以及VFTO的陡度具有决定性的意义。当前在描述开关间隙“击穿过程”的电弧弧模型的研究方面，比较有代表性有指数衰减模型、双曲线模型、Toepler击穿模型等。其中，指数衰减模型是由麦也尔电弧模型推导简化而来，该模型可以基本描述电弧放电时的弧阻变化，用指数函数近似表示为：

式(1)中，τ=1ns为时间常数，r0=0.5Ω为静态电弧电阻，R0=1012Ω为隔离开关起弧前电阻。该模型的击穿延时约为30ns,击穿延时是影响特快速暂态过电压VFTO波形及特性的重要因素，遗憾的是当前仍没有有效的手段对该参数进行测量或计算，对击穿延时的研究是VFTO领域一个重要的研究方向。此外，电弧的熄弧过程也是影响VFTO特性的一个重要因素。对于电弧的熄灭当前存在两种理论，即弧隙介质强度恢复理论和弧隙能量平衡理论。前者认为电弧放电是由于外加电场将间隙击穿的结果，电弧的熄弧条件为电流过零后，弧隙介质恢复强度在任何时刻始终高于弧隙上的恢复电压。后者认为电弧放电并不是电流过零后简单的电压击穿，而是电路及弧隙之间能量平衡的性质。因此，电弧的熄灭条件为弧隙的输入能量小于弧隙的散出能量。

从252kV GIS的试验中采集了大量的电流波形，从电流波形来看，高频成分过零后，电流的振荡趋势并没有变化，而是一直持续下去，直到其振荡幅值不断减小，渐趋于零。这说明隔离开关电弧并不是高频过零熄弧，而是幅值趋于零才熄弧，进一步验证了弧隙的能量平衡理论中的熄弧规律。进而可以用以下数学模型近似表达整个电弧放电过程：

式(2)中，R1表示击穿前电阻;R2表示燃弧时电阻;τ1表示击穿过程时间常数，τ2表示熄弧过程时间常数。R1一般取值1012Ω，R2一般取值在几欧姆左右，具有一定的随机性。

τ1直接影响到VFTO波形及上升时间，τ2是由熄弧时间决定的，其值会影响VFTO的熄灭速度。当前对于τ1和τ2的取值仍仅凭经验，缺乏进一步的试验研究和理论计算，是科研人员一个重要的研究方向。

3.结论

本文主要探讨了SF6气体绝缘组合电器中隔离开关电弧放电过程，对当前隔离开关物理数学模型中存在的问题进行了分析，指出了今后研究过程中注意的问题和研究方向。