半波长线路潜供电弧的动力学特性及与系统电磁暂态的交互作用机理研究

With preferable advantages in both technological and economical prominence, Half-Wave Length AC Transmission (HWACT) renders a positive application prospect in China. The proposed project will concentrate on the key science and fundamental issues of secondary arcs with HWACT for theoretical exploration and technological innovation. Methodologies for physical experiments of the HWACT secondary arcs will be established as to achieve 3-D reconfiguration of the arc length, temperature and plasma parameters, and the equivalence criteria for physical simulation will be proposed together with topology optimization. Based on physical simulation and digital instrumentation, more attentions will be given to the interaction mechanism between secondary arcs and the surrounding spatial electromagnetic and fluid fields as to explore the evolution laws that govern secondary arcs' inception, movement, development, extinction and re-ignition. Based on the proposed dynamic model of the HWACT secondary arcs, its interaction mechanism with power systems electromagnetic transients will be elucidated from a multiple-scale point of view in terms of hydrodynamics, heat transfer and electromagnetics. The proposed project will uncover the intrinsic physical nature of the HWACT secondary arcs, which presents fundamental theory and novel technologies for future development of the HWACT system, with both theoretical significance and applicable potentials.

超远距离半波长交流输电兼具技术与经济综合优势，在我国应用前景广阔。本项目重点针对半波长输电线路潜供电弧的关键科学与基础性问题，开展理论探索与技术创新研究。建立并完善半波长线路潜供电弧的模拟实验方法，研究潜供电弧长度、温度和等离子体参量的三维空间重构算法，获得低压模拟实验的等价性准则，优化实验回路拓扑及配置方案；基于物理模拟实验与数字化测试技术研究潜供电弧等离子体与电弧周围空间电磁场、空间流场之间的内在作用机理，揭示半波长输电线路潜供电弧起始、运动、发展、熄灭与重燃的演化规律；研究潜供电弧等离子体的动力学模型，从流体力学、传热学、电磁学等多尺度分析潜供电弧与半波长输电线路电磁暂态过程的相互作用机理。本项目研究结果将揭示半波长输电线路潜供电弧的内在物理机制，为发展半波长输电提供基础理论和新技术，具有重要的理论意义和应用价值。

超远距离半波长交流输电兼具技术与经济优势，在我国应用前景较好。本项目重点针对半波长输电线路潜供电弧的关键科学与基础性问题，开展理论探索与技术创新研究。建立并完善半波长线路潜供电弧的模拟实验方法，获得潜供电弧低压物理模拟等价性准则，设计了物理模拟回路，优化实验回路拓扑及配置方案，搭建了半波长线路潜供电弧物理模拟实验平台，建立了潜供电弧运动图像的三维空间重构算法。基于物理模拟实验与数字化测试技术获得了潜供电弧等离子体的宏观物理特性，揭示了弧根弧柱的交互作用机制和潜供电弧等离子体与电弧周围空间电磁场、空间流场之间的内在作用机理，揭示了半波长输电线路潜供电弧起始、运动、发展、熄灭与重燃的演化规律。研究潜供电弧等离子体的动力学模型，建立了考虑电磁力、热浮力、空气阻力和风力作用的多物理场耦合动力学模型，纳入了潜供电弧弧根模型的定量表征，并提出了链式电弧模型的电流元最优长度的选取方法；分析了短路电弧向潜供电弧演变过程的物理机制，提出了潜供电弧起始位置随机性的数学模型，可以更准确的表征潜供电弧的运动轨迹。获得了半波长线路结构及参数对燃弧暂态过程的影响规律，基于同塔多回输电线路的等效耦合模型建立了多回输电线路潜供电流和弧道恢复电压的数学表达式，可适用于任意回数以及多重故障下的分析计算，研究了故障时刻、跳闸时刻、短路电弧电阻、潜供电弧电阻等对燃弧暂态过程的影响机理。提出了基于主动式注入功率补偿的半波长线路潜供电弧抑制方法，建立了半波长输电线路模型和潜供电弧模型，采用注入功率的方法对潜供电流进行了抑制，验证了该方法的有效性；基于等效电路变换给出了面向潜供电弧抑制措施的并联电抗器参数设计方法与优化准则，给出了上述关系的定量表达式。本项目研究结果可揭示半波长输电线路潜供电弧的内在物理机制，为发展半波长输电提供基础理论和新技术。