CN107240859A - 基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，包括绝缘芯棒、若干个轴向穿套在绝缘芯棒上的平板放电电极、安装在绝缘芯棒低压端的固定座、插入固定座内的低压电极及布置在绝缘芯棒高压端的主间隙放电电极，以及采用硅橡胶硫化工艺制成的用于固定所述绝缘芯棒、若干个所述平板放电电极、所述固定座和所述主间隙放电电极的硅橡胶外护套，其中，若干个所述平板放电电极均匀且平行布置。无氧化锌电阻片，绿色环保，克服了氧化锌电阻片失效和受潮的缺陷；灭弧机理由近阴极效应叠加、近极压降叠加、腔室吹弧三部分组成，能有效降低架空线路由于雷击引起的建弧率，在重雷区和严酷湿污环境等极限工况下，均能有效降低线路雷击跳闸率。

Description

基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器

技术领域

本发明涉及电力系统高压输电线路防雷技术领域，具体涉及一种基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器。

背景技术

随着电力系统线路避雷器的不断深入研究，各种新型避雷器的应用飞速发展。多间隙避雷器，利用高电压技术中气体间隙放电产生多段电弧的特性进行防雷设计。在实际应用过程中，放电电极在电弧灼烧产生热效应的作用下，由于热胀冷缩的作用下，放电电极外部表面与外部结构之间会发生松动；在雷电冲击电流作用下，放电电极会受到气体急剧膨胀爆破力和电磁动力的推动作用下发生位移甚至脱落。在热效应和电磁动力的双重作用下，放电电极容易发生固定位置变化而损坏多间隙结构，使得多间隙避雷器的防雷特性发生变化，严重的导致其防雷功能失效，引发事故。

而传统金属氧化物避雷器结构体积大，不便于安装，加工难度大，生产成本价格昂贵，存在通流容量、电压梯度、热积累效应和工艺复杂等制约因素。一种平板间隙电弧放电的多间隙避雷器，利用高电压技术中间隙电弧放电的特性进行防雷设计，适用于各种严酷湿污工况。比氧化锌避雷器更适合配网架空线路防雷应用，尤其对于城郊偏远山区线路运维意义重大。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种比氧化锌避雷器更适合配网架空线路防雷应用的基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，利用高电压技术中间隙电弧放电的特性进行防雷设计，适用于各种严酷湿污工况，尤其对于城郊偏远山区线路运维意义重大。

为实现上述目的，本发明所设计的基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，包括绝缘芯棒、若干个轴向穿套在所述绝缘芯棒上的平板放电电极、安装在所述绝缘芯棒低压端的固定座、插入所述固定座内的低压电极及布置在所述绝缘芯棒高压端的主间隙放电电极，以及采用硅橡胶硫化工艺制成的用于固定所述绝缘芯棒、若干个所述平板放电电极、所述固定座和所述主间隙放电电极的硅橡胶外护套，其中，若干个所述平板放电电极均匀且平行布置；

所述主间隙放电电极包括金属圆柱、设置在所述金属圆柱一端为第一放电电极端及设置在所述金属圆柱另一端的第二放电电极端，所述第一放电电极端正对着电力架空导线，与导线间形成空气间隙；

每个所述平板放电电极包括长方体平板、开设在所述长方体平板重心上的穿心固定孔、设置在所述长方体平板一端的上球面放电端及设置在所述长方体平板另一端的下球面放电端，所述绝缘芯棒穿过所有所述平板放电电极的穿心固定孔，且所述上球面放电端和所述下球面放电端对称分布在所述穿心固定孔的两侧；所述上球面放电端的顶部凸出于所述长方体平板的表面形成上球面凸起，所述下球面放电端的顶部凸出于所述长方体平板的表面形成下球面凸起，且所述上球面凸起和所述下球面凸起呈相反的方向布置；

每相邻两个所述平板放电电极中上一层所述平板放电电极的下球面凸起与下一层所述平板放电电极的上球面凸起正对应布置且之间留有气隙，同时，最上层所述平板放电电极的上球面凸起与所述主间隙放电电极的第二放电电极端正对应布置且之间留有主间隙，最下层所述平板放电电极的下球面凸起与所述低压电极的低压电极端正对应布置且之间留有放电间隙。

进一步地，所述长方体平板的所有棱边及棱角均倒圆角呈圆弧面。

进一步地，所述长方体平板的厚度为1.5～3mm，所述上球面凸起和所述下球面凸起的高度相等且均为1～2mm，所述上球面凸起和所述下球面凸起的直径相等且均为8～10mm。

进一步地，所述硅橡胶外护套的外周缘上开有若干个与所述气隙一一正对应且相连通的释能孔。

进一步地，所述第一放电电极端和所述第二放电电极端均呈球面。

进一步地，所述上球面凸起和所述下球面凸起的外缘面粗糙度均在Ra0.8以下

进一步地，所述金属圆柱的另一端与所述第二放电电极端之间设置有主间隙放电电极防脱落固定槽。

进一步地，所述硅橡胶外护套的外周缘上还套有若干个硅橡胶伞裙，且每个所述硅橡胶伞裙均避开所有所述释能孔。

进一步地，所述固定座包括圆柱固定座本体、开设在所述圆柱固定座本体内用于安装所述绝缘芯棒低压端的绝缘芯棒固定孔、开设在所述圆柱固定座本体内用于安装低压电极的电极固定孔及开设在所述圆柱固定座本体内用于与转接金具安装的金具固定孔。

进一步地，所述穿心固定孔为圆形穿心固定孔或为长方形穿心固定孔或为U型穿心固定孔，且所述U型穿心固定孔的U型开口与外界连通。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明的基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器无氧化锌电阻片，绿色环保，克服了氧化锌电阻片失效和受潮的缺陷；灭弧机理由近阴极效应叠加、近极压降叠加、腔室吹弧三部分组成，能有效降低架空线路由于雷击引起的建弧率；

2、具有通流容量大、故障率低、免维护、寿命长的特点；

3、在重雷区和严酷湿污环境等极限工况下，均能有效降低线路雷击跳闸率。

附图说明

图1为本发明基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器结构示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为图1中主间隙放电电极结构示意图；

图4为图1中平板放电电极的第一种结构示意图；

图5为图4的剖视示意图；

图6为图1中固定座结构示意图；

图7为图1中平板放电电极的第二种结构示意图；

图8为图1中平板放电电极的第三种结构示意图。

图中各部件标号如下：

平板放电电极10、长方体平板11(其中：圆弧面11a)、穿心固定孔12、上球面放电端13(其中：上球面凸起13a)、下球面放电端14(其中：下球面凸起14a)、U型开口15；

绝缘芯棒20；

主间隙放电电极30、金属圆柱31、第一放电电极端32、第二放电电极端33、主间隙放电电极防脱落固定槽34；

固定座40、电极固定孔41、绝缘芯棒固定孔42、金具固定孔43、圆柱固定座本体44；

低压电极50、低压电极端51；

硅橡胶外护套60、硅橡胶伞盘70、气隙80、释能孔90。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，包括绝缘芯棒20、若干个平板放电电极10、固定座40、低压电极50、主间隙放电电极30、硅橡胶外护套60及硅橡胶伞盘70，若干个平板放电电极10轴向均匀且平行的穿套在绝缘芯棒20上。另外，本实施例中，如图6所示，固定座40包括圆柱固定座本体44、开设在圆柱固定座本体44内的绝缘芯棒固定孔42、开设在圆柱固定座本体44内的电极固定孔41及开设在圆柱固定座本体44内的金具固定孔43，绝缘芯棒固定孔42、电极固定孔41和金具固定孔43彼此之间不连通；绝缘芯棒20低压端插入绝缘芯棒固定孔42内固定，低压电极50插入电极固定孔41内，且低压电极50的低压电极端51裸露在电极固定孔41外，而转接金具安装的金具固定孔43，金具固定孔43保证平板间隙避雷器结构通过转接金具与杆塔横担支架相连，确保结构在杆塔上安装牢靠。最后，硅橡胶外护套60采用硅橡胶硫化工艺将绝缘芯棒20、所有的平板放电电极10、固定座40和主间隙放电电极30固定夹紧，使得主间隙放电电极30布置在绝缘芯棒20的高压端且嵌入在硅橡胶外护套60内固定。

结合图3所示，主间隙放电电极30包括金属圆柱31、设置在金属圆柱31一端为第一放电电极端32及设置在金属圆柱31另一端的第二放电电极端33，第一放电电极端正对着电力架空导线，与导线间形成空气间隙，该空气间隙用于隔离架空线路上的额定工频电压。本实施例中，第一放电电极端32和第二放电电极端33均呈球面，球面电极利于电荷均匀分布，避免形成局部畸变场强，保证其雷电冲击50％动作电压稳定性。另外，金属圆柱31的另一端与第二放电电极端32之间设置有主间隙放电电极防脱落固定槽34，保证主间隙放电电极30与硅橡胶外护套60牢靠连接，当然，主间隙放电电极防脱落固定槽也可以在金属圆柱的另一端设置花纹。

本发明的关键点在于：结合图4所示，平板放电电极10包括长方体平板11、开设在长方体平板11重心上的穿心固定孔12、设置在长方体平板11一端的上球面放电端13及设置在长方体平板11另一端的下球面放电端14，且上球面放电端13和下球面放电端14对称分布在穿心固定孔12的两侧。绝缘芯棒20穿过所有平板放电电极10的穿心固定孔12，从而将平板放电电极10有序排列；本实施例中穿心固定孔12结构可以缓冲放电电极在热胀冷缩效应下引起的松动或脱落，确保放电电极在大容量的雷电冲击大电流作用下，不会由于热膨胀效应和电磁动力作用而发生松动或脱落。另外，本实施例中，长方体平板11为由导电性良好的金属材料制作的，同时，长方体平板11的所有棱边及棱角均倒圆角呈圆弧面11a，确保长方体平板11的边缘圆滑，可有效避免由于边缘局部场强畸变强烈引起的局部绝缘材料电老化甚至绝缘击穿。

结合图5所示，上球面放电端13的顶部凸出于长方体平板11的表面形成上球面凸起13a，下球面放电端14的顶部凸出于长方体平板11的表面形成下球面凸起14a，且上球面凸起13a和下球面凸起14a呈相反的方向布置，即上球面凸起13a位于长方体平板11的正面，下球面凸起14a则位于长方体平板11的背面。而每相邻两个平板放电电极10中上一层平板放电电极10的下球面凸起14a与下一层平板放电电极10的上球面凸起13a正对应布置且之间留有气隙80构成最短放电路径，同时，最上层平板放电电极10的上球面凸起13a与主间隙放电电极30的第二放电电极端33正对应布置且之间留有主间隙，最下层平板放电电极10的下球面凸起14a与低压电极50的低压电极端51正对应布置且之间留有放电间隙。即按照由上往下排布，第一次层平板放电电极10的上球面凸起13a与主间隙放电电极30的第二放电电极端33正对应布置且之间留有主间隙，第一层平板放电电极10的下球面凸起14a与第二层平板放电电极10的上球面凸起13a正对应布置且之间留有气隙80，第二层平板放电电极10的下球面凸起14a与第三层平板放电电极10的上球面凸起13a正对应布置且之间留有气隙80，依次类推，直至倒数第二层平板放电电极10的下球面凸起14a与倒数第一层平板放电电极10的上球面凸起13a正对应布置且之间留有气隙80，而倒数第一层平板放电电极10的下球面凸起14a与低压电极50的低压电极端51正对应布置且之间留有放电间隙，从而形成多间隙腔室。

同时，硅橡胶护套60的外周缘上开有若干个与所有气隙80一一正对应且相连通的释能孔90，即一个释能孔90正对应一个气隙80，又由于上球面放电端13和下球面放电端14相对应穿心固定孔12左右相对称布置，所以气隙80与释能孔90的位置均呈现左右交替排列。而硅橡胶外护套60的外周缘上还套有若干个硅橡胶伞裙70，且每个硅橡胶伞裙70均避开所有释能孔90的位置，即所有的硅橡胶伞裙70均要避开所有的释能孔90，硅橡胶伞裙70用于增大爬电比距。

另外，本实施例中，长方体平板11的厚度为1.5～3mm，上球面凸起13a和下球面凸起14a的高度相等且均为1～2mm，上球面凸起13a和下球面凸起14a的直径相等且均为8～10mm；同时，上球面凸起13a和下球面凸起14a的外缘面粗糙度均在Ra0.8以下。而穿心固定孔12为规则几何结构，既可以为圆形穿心固定孔(如图4所示)，也可以为长方形穿心固定孔(如图7所示)，还可以为U型穿心固定孔(如图8所示)。当为圆形穿心固定孔时，其直径为8～12mm；当为长方形穿心固定孔，其边长为8～12mm；当为U型穿心固定孔时，U型开口15与外界连通，其宽度为8～12mm，加工时，而U型开口15方便了长方体平板的放置，在不影响产品工艺质量前提下提高了工作效率。

本实施例汇总平板放电电极的优点或原理如下：

1、平板放电电极为平板型结构，可大大降低作为多腔室间隙防雷装置单个间隙的整体高度；相对于其它诸如棒状、球状等类型电极，可有效缩短多腔室间隙防雷装置的高度至原高度的1/3以下；

2、放电端为球面，高压时表面场强分布相对均匀，有效避免局部电荷积累引起的击穿电压值分散，从而保证避雷器的正确有效动作和电网的安全运行，对于在高压输电网中使用，能更好的保障配电网配电质量和设备安全；

3、长方体平板的所有棱边及棱角均倒圆角呈圆弧面，使得边缘圆滑，可有效避免由于边缘局部场强畸变强烈引起的局部绝缘材料电老化甚至绝缘击穿；

4、平板放电电极为平板型结构中部设置有穿心固定孔，便于多个电极之间通过固定支撑件穿心固定，能够牢固束缚电极，确保电极不会由于热胀冷缩、气体急剧膨胀爆破力、电磁动力的推动作用下发生位移甚至脱落，从而确保多间隙避雷器的防雷物理参数不发生变化，为保障防雷功能正确和线路设备运行安全具有重要意义；

5、为适应电力系统架空线路的空间尺寸限制，可在有限的空间距离内最大限度设置更多级串联空气间隙，对提高多腔室间隙防雷装置的防雷性能具有重要意义。

对上述基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器的工作原理进行说明如下：

当输电线路受到过电压入侵时，平板气隙电弧放电产生电弧，由于每个气隙电弧近极位降电压电压梯度较高，通过多个气隙电弧近极位降电压的叠加效应产生足够高的压降，随着平板间隙避雷器两端压降的提高，可有效抑制雷击引起的工频续流的增长速率和幅值，为避雷器有效切断工频续流创造了便利条件。同时，随着平板间隙避雷器两端压降的提高，额定工频网压需克服多个近极压降叠加的总和才能产生工频续流，提高了线路遭受雷击后产生工频续流的“门槛”，可有效降低线路建弧率。

当雷击产生工频续流后，在工频续流第一次过零点时，单个气隙电弧都存在近阴极效应，通过多个气隙电弧的近阴极效应叠加，在额定工频网压反向后会产生足够高的反向场强，该反向场强远远大于正常工频电压在间隙中产生的场强且方向相反，确保额定网压反向不产生工频续流，同时为气隙空气介质快速恢复绝缘强度创造了有效条件，确保多间隙避雷器不发生重燃；

在工频续流产生阶段，单个气隙电弧产生热量引起空气急剧膨胀，通过释能孔将电弧产生的热能快速有效泄放至大气环境，释放能量，有效保护电极触点不被电弧蚀损，同时冷却电弧，为熄弧创造有利条件。

整个装置的防雷机理为在有限长度内充分利用了多个短电弧的近极位降电压叠加深度抑制工频续流增长速率，有效降低建弧率；通过多个短电弧近阴极效应叠加作用确保燃弧后不发生重燃现象。通过有效释放电弧热能方式快速泄放雷电能量，冷却介质温度，有效减小装置电极蚀损程度。充分利用了空气作为绝缘恢复介质，因空气具有极佳的绝缘自恢复性能，可耐受多次雷击，相比于金属氧化物避雷器，运行寿命更长。

综上所述，本发明的基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，平板间隙避雷器由平板放电电极间隔形成固定气隙距离的短间隙，经硅胶模压硫化构成多个平板气隙串联；平板间隙避雷器本体在有限长度内充分利用多个平板气隙的电弧近极位降区域累加提高弧道压降，有效抑制工频续流增长速率和幅值，在工频全周波内抬高产生续流的“电压门槛”以降低建弧率；在工频续流过零时，通过多个平板间隙电弧的近阴极效应累加产生远大于工频网压的反向场强，确保熄弧后不重燃；气隙电弧路径之间设计了独特释能孔确保快速释放雷电能量，拉长弧道增大弧阻，加速电弧冷却，实现5ms内快速熄弧；另外，平板间隙避雷器由硅胶和金属材料组合，设计成半开放式结构，无密封受潮、电老化、通流容量限制和热积累效应等制约因素，挂网后无须繁琐复杂测试性能参数，免维护，使用寿命更长，适用于各种严酷湿污工况，从而比氧化锌避雷器更适合配网架空线路防雷应用，尤其对于城郊偏远山区线路运维意义重大。

Claims (10)

1.一种基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，其特征在于：包括绝缘芯棒(20)、若干个轴向穿套在所述绝缘芯棒(20)上的平板放电电极(10)、安装在所述绝缘芯棒(20)低压端的固定座(40)、插入所述固定座(40)内的低压电极(50)及布置在所述绝缘芯棒(20)高压端的主间隙放电电极(30)，以及采用硅橡胶硫化工艺制成的用于固定所述绝缘芯棒(20)、若干个所述平板放电电极(10)、所述固定座(40)和所述主间隙放电电极(30)的硅橡胶外护套(60)，其中，若干个所述平板放电电极(10)均匀且平行布置；

所述主间隙放电电极(30)包括金属圆柱(31)、设置在所述金属圆柱(31)一端为第一放电电极端(32)及设置在所述金属圆柱(31)另一端的第二放电电极端(33)，所述第一放电电极端(32)正对着电力架空导线，与导线间形成空气间隙；

每个所述平板放电电极(10)包括长方体平板(11)、开设在所述长方体平板(11)重心上的穿心固定孔(12)、设置在所述长方体平板(11)一端的上球面放电端(13)及设置在所述长方体平板(11)另一端的下球面放电端(14)，所述绝缘芯棒(20)穿过所有所述平板放电电极(10)的穿心固定孔(12)，且所述上球面放电端(13)和所述下球面放电端(14)对称分布在所述穿心固定孔(12)的两侧；所述上球面放电端(13)的顶部凸出于所述长方体平板(11)的表面形成上球面凸起(13a)，所述下球面放电端(14)的顶部凸出于所述长方体平板(11)的表面形成下球面凸起(14a)，且所述上球面凸起(13a)和所述下球面凸起(14a)呈相反的方向布置；

每相邻两个所述平板放电电极(10)中上一层所述平板放电电极(10)的下球面凸起14a与下一层所述平板放电电极(10)的上球面凸起13a正对应布置且之间留有气隙(80)，同时，最上层所述平板放电电极(10)的上球面凸起(13a)与所述主间隙放电电极(30)的第二放电电极端(33)正对应布置且之间留有主间隙，最下层所述平板放电电极(10)的下球面凸起(14a)与所述低压电极(50)的低压电极端(51)正对应布置且之间留有放电间隙。

2.根据权利要求1所述基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，其特征在于：所述长方体平板(11)的所有棱边及棱角均倒圆角呈圆弧面(11a)。

3.根据权利要求1所述基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，其特征在于：所述长方体平板(11)的厚度为1.5～3mm，所述上球面凸起(13a)和所述下球面凸起(14a)的高度相等且均为1～2mm，所述上球面凸起(13a)和所述下球面凸起(14a)的直径相等且均为8～10mm。

4.根据权利要求1或2或3所述基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，其特征在于：所述硅橡胶外护套(60)的外周缘上开有若干个与所述气隙(80)一一正对应且相连通的释能孔(90)。

5.根据权利要求1或2或3所述基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，其特征在于：所述第一放电电极端(32)和所述第二放电电极端(33)均呈球面。

6.根据权利要求1或2或3所述基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，其特征在于：所述上球面凸起(13a)和所述下球面凸起(14a)的外缘面粗糙度均在Ra0.8以下。

7.根据权利要求1或2或3所述基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，其特征在于：所述金属圆柱(31)的另一端与所述第二放电电极端(33)之间设置有主间隙放电电极防脱落固定槽(34)。

8.根据权利要求1或2或3所述基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，其特征在于：所述硅橡胶外护套(60)的外周缘上还套有若干个硅橡胶伞裙(70)，且每个所述硅橡胶伞裙(170)均避开所有所述释能孔(90)。

9.根据权利要求1或2或3所述基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，其特征在于：所述固定座(40)包括圆柱固定座本体(44)、开设在所述圆柱固定座本体(44)内用于安装所述绝缘芯棒(20)低压端的绝缘芯棒固定孔(42)、开设在所述圆柱固定座本体(44)内用于安装低压电极(50)的电极固定孔(41)及开设在所述圆柱固定座本体(44)内用于与转接金具安装的金具固定孔(43)。

10.根据权利要求1或2或3所述基于短弧位降和近阴极效应叠加的平板间隙避雷器，其特征在于：所述穿心固定孔(12)为圆形穿心固定孔或为长方形穿心固定孔或为U型穿心固定孔，且所述U型穿心固定孔的U型开口(15)与外界连通。