CN107705941A - 用于电力线路绝缘子类电气设备上的吹弧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种用于电力线路绝缘子类电气设备上的吹弧装置。本发明公布的吹弧装置应用在带放电间隙的防雷绝缘子或防雷绝缘子耐张线夹(串)上的，能够在遭到雷击时快速吹灭雷电引发的工频电弧、保护线路免受雷击损坏，杜绝或减少雷击跳闸次数的吹弧装置。所述吹弧装置和防雷绝缘子或防雷绝缘子耐张线夹(串)上两个放电电极连接时有一端是开口的，另一端是封闭的。所述吹弧装置的形状、内腔尺寸和开口方式的选择应使所述吹弧装置在受到雷击时能快速吹灭雷电引发的工频续流，达到安装了所述吹弧装置的线路减少雷击跳闸次数的效果。所述吹弧装置具有可靠性高、稳定性好、生产和安装成本低、使用寿命长的优点。

Description

用于电力线路绝缘子类电气设备上的吹弧装置

技术领域

本发明涉及一种应用在带放电间隙的防雷绝缘子或防雷绝缘子耐张线夹 (串)上的吹弧装置。所述吹弧装置能够在遭到雷击时快速吹灭雷电引发的工 频电弧，保护安装了所述吹弧装置的线路免受雷击损坏和减少雷击跳闸次数。

背景技术

在影响输配电安全的各种因数中，雷击对输配电架空线路造成的损坏情况 最为严重。这种损坏具体表现为：1)雷电弧和后续引发的工频电弧直接烧断输 配电导线或击毁绝缘子，2)由雷电引发的工频续流造成线路跳闸。

避雷器是解决雷电对架空线路造成损坏的一种常用电气设备。但避雷器的 使用寿命比较短，在每根电杆上加装避雷器都需要再加装良好的接地设施，这 样不仅工程量大，成本也将大幅提高，增添的诸多设备有增加了潜在的故障点， 客观上增加了故障风险。近年来架空线路防雷技术的发展方向是将防雷设备直 接和绝缘子结合，成为一种新的解决问题的方向。带放电间隙的防雷绝缘子就 是这种结合的一种产物，也是目前比较常用的一种架空线路防雷击损坏的电气 设备。防雷绝缘子将架空线路受到雷击后的雷电流引到无导线处放电，这样就 避免了导线直接参与电弧放电的过程，基本上解决了雷电弧和工频电弧直接烧 断输配电导线或击毁绝缘子的问题，起到保护导线和绝缘子的作用。但防雷绝缘子不能完全消除雷电弧引发的工频续流。在一些情况下，比如雷电感应电压 比较高，通过一次引弧放电不能让将架空线上的感应电压下降到再次触发次级 雷电弧的水平以下，或电杆接地绝缘性能不佳。在这些情况下，工频续流可以 持续比较长的时间，因而引发线路跳闸。由于工频续流的本质是空气被高电压 击穿后的电弧放电，因此被击穿处的空气的温度、压力、气流稳定性等因素对 击穿电弧的持续能力有非常明显的影响。空气的体积膨胀将导致空气密度和带 电粒子密度的降低，空气的快速流动将导致放电电弧处空气温度的快速下降和 带电粒子流的漂移，电弧的形状急剧变化引发的不稳定性等，这些因素的发生 都有利于工频续流的切断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用在带放电间隙的防雷绝缘子或防雷绝缘子 耐张线夹(串)上的，可靠性高、稳定性好、生产和安装成本低、使用寿命长 的架空线路防雷击保护的工频电弧吹弧装置。本发明的吹弧装置能够快速吹断 由雷电闪络引发的工频续流，杜绝或减少输配电线路的跳闸次数。

本发明的吹弧效果是通过以下技术实现的：

吹弧装置由一个引弧电极3(图1)、一个管外电极4和一个吹弧管组成。

引弧电极的放电端直接安置在吹弧管的一个端口里，和吹弧管内腔是紧密接 触的。管外电极和吹弧管另一个端口之间不是紧密连接的，而是有一个开口的。

吹弧管可以是直管，也可以是带有弧度的一次或多次弯曲的管材。吹弧管 的有效工作长度不大于引弧电极和管外电极之间的放电间距。在引弧电极和管 外电极之间有一个过渡电极时，放电电弧在引弧电极和过渡电极、过渡电极和 管外电极之间最短的直线空间发生，引弧电极和管外电极之间的放电可以在过 渡电极处发生一个弯折。更多的过渡电极可以导致更多的弯折。这种情况下的 吹弧管就是一次或多次弯折或者是弧形管。

通过吹弧管和管外电极之间的开口处，吹弧管内腔和外部贯通。吹弧管开口 端可以和管外电极有接触，也可以有一个间距。

引弧电极和管外电极都是球形电极，放电电弧的截面具有园对称性，吹弧管 选用内截面为圆形的管材，管壁对腔内电场的影响最小。如果需要对吹弧管腔 内的电弧作形状上的作调整，或内腔有折角结构需求和有锐角结构需求时，吹 弧管也可以是非圆形截面的其他管材。

吹弧管可以是单层结构，也可以是多层结构。由于吹弧管内腔材料的选定需 要同时满足机械强度高、电学绝缘性能好、化学热稳定性高、化学耐候性强等 诸多要求。一种材料不能全部满足这些要求时，可以选择N种性能不同的材料 形成一个N层管(N≥2)，以使这个多层管的各型性能都达到吹弧管的需要。

为了提高吹弧管内腔被电弧加热的空气的喷射强度，吹弧管的开口端内侧 可以做成外侧孔径大内侧孔径小的喇叭口形状的喷口(图2)，喇叭口倾斜梯度 过于平坦或过于陡峭都对提高喷射强度都没有帮助，一个合适的喇叭口梯度的 选择可以用喇叭口的的深度(高度)h和喇叭口仰角的关系来确定。在单层结构 园锥体喇叭口的情况下，喇叭口的深度(高度)h和吹弧管内层材料厚度的关系 满足h＝s₁·tan(β)，s₁为单层材料被切除部分的厚度，β为园锥体形喇叭口的仰角。 在多层结构园锥体喇叭口的情况下h＝(∑s)·tan(β)，∑s为多层材料涉及喇叭口的总 厚度的厚度。

为了提高吹弧管内腔被电弧加热的空气的喷射强度，吹弧管的开口端可以做 成收口的形状。收口后的吹弧管也可以在收口处加工一个喇叭口。

吹弧管可以在侧面开孔或开缝贯通内外侧。吹弧管侧面开孔时，可以是圆形 空，也可以是其他几何形状的孔。吹弧管侧面开缝时，可以是直线缝，也可以 是弯曲缝。开孔和开缝可以是内侧外侧尺寸一致的直线孔或直线缝，也可以是 内侧小外侧大的管孔或截面为梯形的缝。在只需要侧向吹气的情况时，吹弧管 的开口端和管外电极也可以作紧密性的密封连接。

吹弧管外侧覆置复合硅橡胶伞裙可以增加吹弧管外侧的爬电距离。

本发明中的电极是影响工频电弧吹弧管使用寿命的关键因素之一，为提高 使用寿命，连接吹弧管的引弧电极用耐高温性能好的金属材料制造。

附图说明

图1用于电力线路绝缘子类电气设备上的吹弧装置的结构示意图

图2用于电力线路绝缘子类电气设备上的吹弧装置和带放电间隙的防雷支柱绝缘子的连接示意图(没有显示吹弧管外侧的伞裙结构)

图3用于电力线路防雷支柱绝缘子类电气设备上的吹弧装置的连接示意图(没 有显示吹弧管外侧的伞裙结构)

图4用于电力线路防雷耐张绝缘子的连接示意图(没有显示吹弧管外侧的伞裙 结构)

其中1-吹弧管外层，2-吹弧管内层、发气管，3-引弧电极，3.1-引弧电极放电部位，4-引弧电极外层绝缘保护层，5-管外电极，5.1-管外电极放电部位，6-伞 裙绝缘层，s-吹弧管内层厚度，h-吹弧管开口端喇叭口高度

具体实施方法

由一个引弧电极3(图1)、一个管外电极5和一个吹弧管组成一个用于防雷 绝缘子类产品上的吹弧装置。引弧电级和管外电极都是安装在一个带放电间隙 的防雷绝缘子或一个防雷绝缘子耐张线夹(串)上的。一个吹弧装置和一个带放 电间隙的防雷绝缘子或一个防雷绝缘子耐张线夹(串)组成一个完整的防雷工作 组(图3，图4)。防雷绝缘子或防雷绝缘子耐张线夹(串)起到绝缘支撑或拉 紧导线的作用；引弧电极和管外电极起到转移雷电弧和工频电弧的作用；吹弧 管起到快速吹灭工频续流的作用。

管状的吹弧管安装在引弧电极和管外电极之间。吹弧管两端在与引弧电极 和管外电极连接时，连接方向上没有对电位高低的顺序要求。引弧电极可以安 装在高电位的一端，对应的管外电极就安装在低电位的一端；引弧电极也可以 安装在低电位的一端，对应的管外电极就高电位的一端。

吹弧管内腔的直径在2mm至20mm之间，或者管状内腔的截面积在3mm²至 300mm²之间。直径太小时，内腔形成的放电电弧释放雷电感应能量的能力太弱， 达不到防雷的效果。孔径太大时，内腔空气太多，放电时加热膨胀的效果被弱 化了，形成不了强有力的电弧向下冲击。吹弧管外径需要根据吹弧管选用材料 的机械强度来确定。机械强度高的材料制作的吹弧管外径小。吹弧管长度的选 择由线路的电压等级和防雷等级决定。对于配电线路，引弧电极和管外电极的 距离不小于工频电压对应的空气击穿距离，不大于雷电压对应的空气击穿距离。 吹弧管的有效工作长度小于引弧电极放电部位至管外电极放电部位的直线距 离，这个距离在2cm至30cm之间。吹弧管开口端至管外电极的距离小于吹弧管 有效工作长度，一般在数厘米之间。

高温发气材料是比较理想的吹弧管内腔材料。当选用高温发气管制作断弧 管内腔时，其机械强度不够高且受雨淋之后性能变差。因此在用发气管制作断 弧管内腔时，还需要在发气管外再包敷一层强度高，防水性能好和绝缘性能好 的材料，如环氧树脂或复合硅橡胶，组成一个多层结构，起到内腔保护层的作 用。保护层和内腔之间要密封接触。

在吹弧管内部不安置过渡电极时，吹弧管是直形管。直形吹弧管具有结构简 单加工成本低的优点。

引弧电极和管外电极的放电部位都是半球形的，吹弧管选择圆形管能够最大 限度保证吹弧管内壁各个方位对放电电弧的差异性影响达到最小，从而保证吹 弧管本身对管内的放电电弧没有方位上的叠加效应差异。但是在吹弧管管内安 置有过桥电极时，过桥电极对在两个放电电极之间的原有电场产生一个边界叠 加效应，在这种情况下，选椭圆形截面管可以保持吹弧管内壁和过桥电极之间 的间距不至于太小，起到保护吹弧管内壁和延长使用寿命的效果。如果在吹弧 管内腔有折角结构需求和有锐角结构需求时，吹弧管也可以是截面非圆形的管 材。

引弧电极的放电部位安置在吹弧管内腔的一个端口内，引弧电极和吹弧管内 腔与之间是密封连接。管外电极和吹弧管之间是开放的。输配电架空线路受到 雷击时，雷电感应电压被引导到带放电间隙的防雷绝缘子或防雷绝缘子耐张线 夹(传)上的引弧电极和管外电极之间，并在两个电极之间形成雷电弧。雷电 弧将空气击穿后，引发线路上的工频电压在引弧电极和管外电极之间放电，形 成工频电弧。由于这个放电部位远离输配电导线，因此可以有效地保护导线不 受雷击损坏。

受到雷击时，雷电弧和工频电弧的主体部分被局限在吹弧管内，放电电弧迅 速将管内空气加热，吹弧管腔内被加热的空气的体积迅速膨胀，发气管受热后 产生的气体加剧了管内气体膨胀的速度和程度，膨胀的气体沿吹弧管开口端迅 速向外吹出，将吹弧管内的放电电弧作一个纵向拉伸，放电电弧的几何形状发 生显著的不稳定变化。吹弧管内腔空气密度也由此出现一个短暂的下降，因而 导致带电粒子密度的下降，提高了在吹弧管腔内要维持空气击穿放电的电场强 度的要求，电弧的形状急剧变化引发的不稳定性，这些因素的叠加从而实现快 速吹断工频续流的目的。

为了提高吹弧管内腔被电弧加热的空气的喷射压力，吹弧管的开口端可以 做成收口的形状。在圆形管的情况下，开口端收口处的孔径小于吹弧管内经。 在截面为其他形状的管材情况下，开口端收口处截面积小于吹弧管内管截面积。 为了便于对吹弧管的收口处进行再加工，收口处的厚度在数毫米以内。

收口后的吹弧管可以在收口处再加工一个喇叭口。

如果需要吹弧管形成侧向吹气流，吹弧管可以在侧面开孔或开缝贯通内外 侧。吹弧管侧面开孔或开缝后，放电电弧也会向侧面吹出，这就加大了放电电 弧几何形状的改变，有助于吹弧管内轴向工频电弧的吹灭。在只需要侧向吹气 的情况下，吹弧管的开口端和管外引弧电极也可以作密封连接。在吹弧管两端 都密封的情况下，雷击发生时吹弧管腔内雷电弧和后续引发的工频电弧通过测 向孔缝外泄而被横向拉伸，这时吹弧管腔内空气密度出现下降，导致吹弧管内 放电电弧中带电粒子密度的显著下降，这也提高了在吹弧管腔内要维持空气击 穿放电的电场强度的要求，从而达到快速吹断工频电弧的目的。

在吹弧管外侧覆置复合硅橡胶伞裙可以增加吹弧管外侧的爬电距离。

耐高温金属材料制作的引弧电极在发生电弧放电时，产生的粉尘非常少。 在收到雷击次数不是很多的情况下，大部分粉尘都会随着电弧冲出吹弧管，在 腔内管壁上堆积的粉尘不会多，对吹弧管的绝缘性能的影响不大。因此用耐高 温性能比较好的金属制作的电极，可以大幅度延长吹弧管的使用寿命，降低更 换和维修成本。

Claims (11)

1.一种应用在带放电间隙的防雷绝缘子或防雷绝缘子耐张线夹(串)上的，能够在受到雷击时快速吹灭雷电引发的工频电弧、保护线路免受雷击损坏和减少雷击跳闸次数的工频电弧吹弧装置。所述吹弧装置由一个引弧电极、一个管外电极和一个吹弧管组成。其特征在于，所述吹弧管安装在引弧电极和管外电极之间。所述吹弧管可以是直管，也可以是带有弧度的一次或多次弯曲的管材。

2.根据权利要求1所述的吹弧管在与两个电极连接时，其特征在于，连接方向上没有对电位高低的顺序要求。引弧电极连接在高电位端时，管外电极则安置在低电位端；引弧电极连接在底电位端时，管外电极则安置在高电位端。

3.根据权利要求1所述的吹弧管与两个电极连接时，其特征在于，引弧电极的一端为紧密性的封闭连接，管外电极的一端为开口连接。

4.根据权利要求1所述的吹弧管，其特征在于，所述吹弧管是圆形管或截面是非圆形的其他管材。

5.根据权利要求1所述的吹弧管，其特征在于，所述吹弧管是单层结构或多层结构。在所述多层结构的情况下，每一层之间的接触是紧密的。

6.根据权利要求1所述的吹弧管，其特征在于，所述的吹弧管的开口端可以做成收口的形状。在圆形管的情况下，开口端的收口口径小于吹弧管内经；在截面为其他形状的管材情况下，开口端开口截面积小于吹弧管内管截面积。

7.根据权利要求1所述的吹弧管，其特征在于，所述吹弧管的开口端内侧，可以做成外端孔径大内侧孔径小的喇叭口，双层结构情况下，所述喇叭口的深度(高度)h和所述吹弧管壁被割除部分的厚度的关系满足h≤(s+s₁)·tan(β)，s吹弧管内曾厚度，s₁为吹弧管保护层被切除的厚度，β为喇叭口两端连线的仰角。

8.根据权利要求1和权利要求6所述的吹弧管，其特征在于，所述吹弧管的开口端收口处内侧，可以做成外端孔径大内侧孔径小的喇叭口，所述喇叭口的深度h和所述吹弧管被割除部分的厚度的关系满足h＝(s₁+s₂+s)·tan(β)，，s₂为收口处增加的壁厚，β为喇叭口两端连线的仰角。

9.根据权利要求1所述的吹弧管，或根据权利要求1和权利要求6、7、8中的任何一项或者多项所述的吹弧管，其特征在于，在所述吹弧管侧面可以开孔或开缝贯通内外侧。开孔可以是圆形的，也可以是其他几何形状的；开缝可以是直线缝，也可以是弯曲缝。开孔和开缝可以是内侧外侧尺寸一致的直线孔或直线缝，也可以是内侧小外侧大的管孔或截面为梯形的缝。

10.根据权利要求1所述的吹弧管，其特征在于，吹弧管外侧安置有复合硅橡胶伞裙。

11.根据权利要求1所述的用于防雷绝缘子类产品上的吹弧装置，其特征在于，引弧电极和管外电极都必须使用耐高温性能好的金属材料制造。