架空输电线路长间隙交流电弧不规则运动引发动态阻抗突变的机理研究

The irregular motion of long AC arc of overhead transmission lines, such as anode arc root jumping, cathode arc root excitation and short circuit and rotation of arc column, is a common phenomenon in a power system. The irregular motion of AC arc would lead to a sudden change of the arc voltage and current, resulting in the instability of the arcing process. This objective of this proposal is to study the phenomenon of sudden change of arc impedance, which is caused by the irregular arc motion. Firstly, the experimental setup equipped with advanced optical and electrical instrument which are triggered by the same signal, is established for the long AC arc. The arc trajectory and the critical physical property of the arc are acquired and the evolutionary of the irregular arc motion are investigated. The smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is introduced to the area of the irregular arc motion, and the issues related to the SPH in numerical simulation is discussed in detail. A series of the optimized simulation method regarding to the irregular arc motion is achieved. By comparison with experimental results, the applicability of the SPH is verified. From the perspective of micro, the influence of the irregular arc motion on the arc voltage and current is quantitatively studied and the mechanism of the sudden change of the arc impedance is finally illustrated.

架空输电线路长间隙交流电弧发展过程中常发生不规则运动现象，如阳极弧根跳跃、阴极弧根激发、弧柱短路和旋转等。电弧不规则运动易导致电弧电流和电压发生突变，影响燃弧的稳定性。本项目针对长间隙交流电弧不规则运动引发电弧动态阻抗突变的现象率先开展理论探索与技术创新研究。建立长间隙交流电弧试验系统，采用先进光学、电学同步测量方法，获得电弧的运动轨迹和关键状态参量，研究电弧不规则运动瞬时的动态演化规律。将光滑粒子流体动力学方法引入到电弧不规则运动的建模中，分析SPH方法在模拟电弧不规则运动现象中的数值计算问题，并从核函数的形式、光滑长度、粒子间距等方面对其进行优化，形成一套针对长间隙交流电弧运动的仿真方法。对比实验数据和仿真结果，从微观角度定量研究长间隙交流电弧不规则运动时的电流、电压变化，揭示电弧不规则运动引发动态阻抗突变的机理。

架空输电线路长间隙交流电弧在电力系统中广泛存在，如：输电线路绝缘子串沿面的短路电弧、超/特高压输电线路潜供电弧、防雷用并联间隙电弧。与短间隙电弧相比，长间隙交流电弧两个弧根相距较远，相互影响小；由于处在开放环境中，不存在逆安培定律方向运动的反常现象；由于电流大小不停变化，弧根极性交替变换，不断熄灭和重燃。主要研究内容：1）基于光学和电学同步测量系统，获得长间隙交流电弧的多个特征物理量，从更深层次认识长间隙交流电弧的物理特性；2）将 SPH 流体动力学方法引入到长间隙交流电弧运动的建模中，形成一套描述电弧不规则运动现象的仿真方法；3）明晰长间隙交流电弧不规则运动对电流和电压的影响规律， 从微观层面揭示电弧不规则运动导则动态阻抗突变的机理。本项目获得以下重要结果：1）依据等价性条件，搭建了长间隙交流电弧的物理模拟实验平台，并得到电弧的电流、电压等数据。2）基于比色测温法得到长间隙交流电弧的温度分布特性。3）利用图像处理技术，能够有效识别电弧的不规则的运动，得到电弧弧根与弧柱的运动特性，并量化了长间隙电弧的物理特征。4）建立了长间隙交流电弧的微观仿真模型，得到空间电场和带电粒子的空间分布。5）分析总结出架空输电线路长间隙交流电弧不规则运动引发动态阻抗突变的机理。上述结果不仅具有较强的理论意义，对于电力系统中防雷用并联间隙的优化设计、制定相关继电保护策略、发展新型熄弧措施等均具有重要参考价值。

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