CN108063366B - 一种多腔室间隙防雷装置吹弧结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多腔室间隙防雷装置吹弧结构，包括嵌入在硅胶绝缘材料中的两个对称布置的金属电极；两个所述金属电极圆弧面之间的距离形成空气间隙，且两个所述金属电极圆弧面之间最短距离的连线位于所述空气间隙内；所述空气间隙正下方由所述空气间隙的底面、两个所述金属电极的圆弧面和所述硅胶绝缘材料合围形成圆柱形空气腔体，所述空气间隙正上方的所述硅胶绝缘材料上开有与所述空气间隙连通的圆柱形吹弧孔。通过吹弧结构实现引导高温高压气体能量快速释放至大气环境中，确保防雷装置吹弧过程中的方向、速率、压强等物理量指标、确保防雷装置切断工频续流的能力和恢复线路绝缘强度的时间，从而实现装置的防雷功能。

Description

一种多腔室间隙防雷装置吹弧结构

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，具体涉及一种多腔室间隙防雷装置吹弧结构。

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。其中多腔室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。实际应用过程中，在雷电冲击电流作用下，多腔室间隙中腔室中空气在燃烧电弧等离子体作用下会急剧膨胀产生爆破力，在爆破力和电磁动力的共同作用下，吹弧通道引导高温高压气体能量快速、强劲释放至大气环境中，实现吹弧，熄弧作用。在多腔室间隙防雷装置的熄弧过程中，吹弧通道的结构设计直接决定防雷装置吹弧的方向、速度、压强等物理量，这些关键物理量决定防雷装置快速切断工频续流的能力和恢复线路绝缘强度的时间，是防雷装置防雷功能是否有效的判断标准。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种多腔室间隙防雷装置吹弧结构，通过吹弧结构实现引导高温高压气体能量快速释放至大气环境中，确保防雷装置吹弧过程中的方向、速率、压强等物理量指标、确保防雷装置切断工频续流的能力和恢复线路绝缘强度的时间，从而实现装置的防雷功能。

为实现上述目的，本发明所设计的多腔室间隙防雷装置吹弧结构，包括嵌入在硅胶绝缘材料中的两个对称布置的金属电极；两个所述金属电极圆弧面之间的距离形成空气间隙，且两个所述金属电极圆弧面之间最短距离的连线位于所述空气间隙内，所述空气间隙g在水平方向上的最短距离连线与所述连线共线；

所述空气间隙正下方由所述空气间隙的底面、两个所述金属电极的圆弧面和所述硅胶绝缘材料合围形成圆柱形空气腔体c，所述空气间隙正上方的所述硅胶绝缘材料上开有与所述空气间隙连通的圆柱形吹弧孔，且所述圆柱形吹弧孔的轴线与两个所述金属电极的对称线共线。

进一步地，所述圆柱形吹弧孔延伸至防雷装置本体表面后通过设置在所述硅胶绝缘材料端部的凸台继续延长直至与外界连通，且所述凸台与所述硅胶绝缘材料同材质。

进一步地，所述金属电极圆弧面的曲面半径R_e为4～6mm。

进一步地，所述空气间隙在水平方向上的最短距离连线长度l_g为0.8～1.2mm，所述空气间隙在平面方向上的直径为1mm，所述空气间隙顶面距离所述连线的距离为0.5mm，所述空气间隙底面距离所述连线的距离为0.5mm。

进一步地，所述圆柱形空气腔体底面距离所述空气间隙在水平方向上的最短距离连线的垂直距离l_c在2～4mm。

进一步地，所述圆柱形吹弧孔距离所述空气间隙在水平方向上的最短距离连线的深度h_t为8～14mm，且所述圆柱形吹弧孔t的直径d_t为3～4mm。

进一步地，所述凸台为由硅橡胶硫化而成的圆台形凸台，所述圆台形凸台的下底面半径R为3～4.5mm、上底面半径r为2.5～4mm，且R-r＝0.5mm，所述圆台形凸台的高度h为3～6mm。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、金属电极圆弧面e的曲面半径设计决定了过电压入侵时防雷装置具有较低的50％冲击动作电压，燃弧时合适的弧根面积可避免热量过于集中，有效降低电极烧蚀程度；

2、在标称5kA的8/20μs雷电流作用下，空气间隙g的距离设计可确保在大范围的雷电流幅值内，电弧等离子体能够获得较大的气压梯度，从而获得最大初始加速度，在空气动力下更容易被拉长形成长弧，快速提高弧道压降，抑制工频续流增长

3、在标称5kA的8/20μs雷电流作用下，圆柱形空气腔体c的设计确保燃弧下方具有适量的空气储备，在燃弧时通过空气膨胀产生足够的吹弧能量；

4、在标称5kA的8/20μs雷电流作用下，圆柱形吹弧孔t的直径d_t和深度h_t尺寸配合能够获得最优的空气动力学性能，即深度h_t可以确保获得最大的电弧等离子体出口速度，保持吹弧过程中强劲推动力，有利于提高熄弧速度；

5、凸台f的外形设计可在不增加防雷装置本体直径的条件下延长圆柱形吹弧孔t长度，同时防止沿面雨水冲刷时由于表面张力进入圆柱形吹弧孔t中。

附图说明

图1为本发明多腔室间隙防雷装置吹弧结构示意图；

图2为图1的尺寸示意图。

图中各部件标号如下：

连线a、圆柱形空气腔体c、金属电极d、圆弧面e、凸台f、空气间隙g、硅胶绝缘材料m、圆柱形吹弧孔t、。

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所示多腔室间隙防雷装置吹弧结构，包括嵌入在硅胶绝缘材料m中的两个对称布置的金属电极d，两个金属电极d圆弧面e之间的距离形成空气间隙g，且两个金属电极d圆弧面e之间最短距离的连线a位于空气间隙g内，空气间隙g在水平方向上的最短距离连线与连线a共线；空气间隙g正下方由空气间隙g的底面、两个金属电极d的圆弧面e和硅胶绝缘材料m合围形成圆柱形空气腔体c，空气间隙g正上方的硅胶绝缘材料m上开有与空气间隙g连通的圆柱形吹弧孔t，且圆柱形吹弧孔t的轴线与两个金属电极d的对称线共线；另外，圆柱形吹弧孔t延伸至防雷装置本体表面后通过设置在硅胶绝缘材料m端部的凸台f继续延长直至与外界连通，且凸台f与硅胶绝缘材料m同材质。

其中，如图2所示，金属电极d圆弧面e的曲面半径R_e为4～6mm，金属电极d圆弧面e的曲面半径R_e设计决定了过电压入侵时防雷装置具有较低的50％冲击动作电压，燃弧时合适的弧根面积可避免热量过于集中，有效降低电极烧蚀程度。在常规5kA雷电冲击通流容量技术要求下，R_e＜4mm时易造成弧面电弧燃烧时弧根面积过小导致热量集中，圆弧面蚀损严重，影响性能；R_e＞6mm时虽然有利于散热，避免圆弧面电弧灼烧，但提高了曲面电场分布的均匀度，局部场强变小，不利于阴极电子逸出，提高了防雷装置整体的雷电冲击50％动作电压。

空气间隙g在水平方向上的最短距离连线长度l_g为0.8～1.2mm，空气间隙g在平面方向上的直径为1mm，空气间隙g顶面距离连线a的距离为0.5mm，空气间隙g底面距离连线a的距离为0.5mm，空气间隙g在水平方向上的最短距离连线长度l_g的设计与金属电极圆弧面e紧密相关。根据试验室中工频续流遮断模拟试验中，在正常工频续流遮断能力测试中弧面燃弧金属熔融颗粒最大直径约0.5mm，当l_g＜0.8mm时，熔融金属颗粒易造成间隙空气路径短路，无法形成空气电离产生高温等离子体，防雷装置失效；当l_g＞1.2mm时，单个吹弧结构的雷电冲击50％动作电压会抬高，受防雷装置雷电冲击动作电压不允许超过100kV的条件限制，造成串联吹弧结构数量减少，减弱了防雷装置额定工况下的工频续流遮断能力。因此，本实施例中，在标称5kA的8/20μs雷电流作用下，空气间隙g在水平方向上的最短距离连线长度l_g为0.8～1.2mm的距离设计可确保在大范围的雷电流幅值内，电弧等离子体能够获得较大的气压梯度，从而获得最大初始加速度，在空气动力下更容易被拉长形成长弧，快速提高弧道压降，抑制工频续流增长。

圆柱形空气腔体c底面距离空气间隙g在水平方向上的最短距离连线(即连线a)的垂直距离l_c在2～4mm，该要求目的是限制空气间隙g正下方空气储备空腔容积。在满足4mm＜R_e＜6mm及0.8mm＜l_g＜1.2mm条件下，如果l_c＜2mm，造成圆柱形空气腔体c容积偏小，在标称5kA雷电冲击电流作用下，圆柱形空气腔体内空气加热膨胀体积不足，造成腔内气体温度过高，膨胀做功减小，严重情况下无法切断工频续流电弧，装置失效；当l_c＞4mm时，造成圆柱形空气腔体c容积偏大，在标称5kA雷电冲击电流作用下，腔内气体温度过低，同样造成膨胀做功不足，无法形成良好的吹弧效果，装置失效。因此，本实施例中，在标称5kA的8/20μs雷电流作用下，圆柱形空气腔体c的设计确保燃弧下方具有适量的空气储备，在燃弧时通过空气膨胀产生足够的吹弧能量。

圆柱形吹弧孔t距离空气间隙g在水平方向上的最短距离连线(即连线a)的深度h_t为8～14mm，且圆柱形吹弧孔t的直径d_t为3～4mm。根据圆柱形空气腔体c容积的设计，其容积约3～5mm³，以容积4mm³为基础，以标称5kA雷电流作用为依据仿真模拟计算，其内部气体温度变化范围约分布在5000～8000K之间，根据气体膨胀体积计算公式Vt＝V0(1+αt)计算，其气体容积变化Vt＝4*(1+3.676×10^-3×5000)＝73.5mm³。

上式中V0为初始体积，Vt为最终体积，α为空气膨胀系数，t为气体温度变化值。圆柱形吹弧孔t的直径d_t受曲面半径R_e和空气间隙g在水平方向上的最短距离连线长度l_g限制，优选3～4mm。以d_t直径为3mm，Vt＝73.5mm³计算吹弧孔深度

当圆柱形吹弧孔深度h_t在11mm时可确保气体膨胀持续做功，在出口位置等离子体出口速率达到峰值。深度过大，圆柱形吹弧孔t内部摩擦力导致等离子体速率下降；深度过小，在等离子体未达到最大速率时已扩算至大气中。考虑到标称5kA的雷电概率分布较大，为满足概率相对较小的其它雷电流幅值，优选地圆柱形吹弧孔t深度h_t为8～14mm，以适应大多数自然环境中工况应用。

因此，本实施例中，在标称5kA的8/20μs雷电流作用下，圆柱形吹弧孔t的直径d_t和深度h_t尺寸配合能够获得最优的空气动力学性能，根据气体状态方程

Q＝c*m*△T；

其中，Q为标称5kA的8/20μs雷电流作用下加热气体的能量，c为气体比热容，m为气体质量，△T为气体温升。

由上式得出△T＝Q/cm；

依据标准气体状态方程：

P*V＝n*R*T；

其中T为温度；R为气体常数；P为压强；n为摩尔数；V为灭弧室容积。

在气体吸收能量后膨胀过程中P*V的乘积恒定，并且由于吹弧通道与外界连通，即灭弧室压强始终趋向外界大气压，计算出T的最大变化量△T即可换算出相应的V值，在圆柱形吹弧孔t内外压强一致时容积变化△V最大。

由于△V≈ht*πdt²/4

这里ht可理解为气体膨胀做功的最大行程。

根据△V变化量可求得直径d_t的吹弧孔深度h_t。求得的深度h_t可以确保获得最大的电弧等离子体出口速度，保持吹弧过程中强劲推动力，有利于提高熄弧速度。

凸台f为由硅橡胶硫化而成的圆台形凸台，圆台形凸台的下底面半径R为3～4.5mm、上底面半径r为2.5～4mm，且R-r＝0.5mm，圆台形凸台的高度h为3～6mm。受圆柱形吹弧孔t的深度h_t为8～14mm和直径d_t为3～4mm条件约束，优选地，圆台形凸台的下底面半径R为3～4.5mm、圆台形凸台的上底面半径r为2.5～4mm。为保障气体膨胀做功时吹弧孔内壁产生的压强，需要有一定厚度的硅橡胶来确保吹弧孔不发生破裂，根据实验室试验验证，其厚度不应小于0.5mm。圆台形凸台高度受电极绝缘厚度和圆柱形吹弧孔t深度h_t限制，圆台形凸台的高度h优选地选择在3～6mm。另外，凸台f的外形设计可在不增加防雷装置本体直径的条件下延长圆柱形吹弧孔t长度，同时防止沿面雨水冲刷时由于表面张力进入圆柱形吹弧孔t中。

上述中的*均为乘以，-均为减号。

Claims (3)

1.一种多腔室间隙防雷装置吹弧结构，包括嵌入在硅胶绝缘材料(m)中的两个对称布置的金属电极(d)；其特征在于：两个所述金属电极(d)圆弧面(e)之间的距离形成空气间隙(g)，且两个所述金属电极(d)圆弧面(e)之间最短距离的连线(a)位于所述空气间隙(g)内，所述空气间隙(g)在水平方向上的最短距离连线与所述连线(a)共线；

所述空气间隙(g)正下方由所述空气间隙(g)的底面、两个所述金属电极(d)的圆弧面(e)和所述硅胶绝缘材料(m)合围形成圆柱形空气腔体(c)，所述空气间隙(g)正上方的所述硅胶绝缘材料(m)上开有与所述空气间隙(g)连通的圆柱形吹弧孔(t)，且所述圆柱形吹弧孔(t)的轴线与两个所述金属电极(d)的对称线共线；

所述金属电极(d)圆弧面(e)的曲面半径R_e为4～6mm；所述空气间隙(g)在水平方向上的最短距离连线长度l_g为0.8～1.2mm，所述空气间隙(g)在平面方向上的直径为1mm，所述空气间隙(g)顶面距离所述连线(a)的距离为0.5mm，所述空气间隙(g)底面距离所述连线(a)的距离为0.5mm；所述圆柱形空气腔体(c)底面距离所述空气间隙(g)在水平方向上的最短距离连线的垂直距离l_c在2～4mm。

2.根据权利要求1所述多腔室间隙防雷装置吹弧结构，其特征在于：所述圆柱形吹弧孔(t)距离所述空气间隙(g)在水平方向上的最短距离连线的深度h_t为8～14mm，且所述圆柱形吹弧孔(t)的直径d_t为3～4mm。

3.根据权利要求1所述多腔室间隙防雷装置吹弧结构，其特征在于：凸台(f)为由硅橡胶硫化而成的圆台形凸台，所述圆台形凸台的下底面半径R为3～4.5mm、上底面半径r为2.5～4mm，且R-r＝0.5mm，所述圆台形凸台的高度h为3～6mm。

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