CN112117642B - 一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，属于引弧灭弧技术领域，包括若干个反冲单元，若干个反冲单元首尾依次连接，反冲单元设置为内部中空、一端开口、另一端封闭的半封闭管件。本结构可以提升防雷装置安全能力，因为它是通过阻断电弧注入实现的。防雷装置的空气介质的可恢复性，消除了“硬”短路的可能，因而，提高了电力系统安全能力；装置灭弧能力的提升降低了电力系统的短路发生的概率，在各种自然界扰动之前，所有闪络点都能有效的终止，电力系统发生恶性突变之前，消除它，防雷的性价比提高。

Description

一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构

技术领域

本发明涉及引弧灭弧技术领域，尤其涉及一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构。

背景技术

目前，架空输配电线路、变电站和发电厂等区域雷击事故频繁，由雷击造成的事故给电力系统安全、稳定和可靠带来了极大的挑战，给国家经济发展和人民生活水平带来巨大的影响。电力设备中包含了断路器灭弧和防雷器灭弧等，断路器灭弧中常用的SF6气体用作灭弧气体，防雷器灭弧包括了固体灭弧和气体灭弧。

气体灭弧主要是利用气体作用于电弧并使其熄灭，也称为吹弧。气体灭弧中包含了外能式气体灭弧和内能式气体灭弧。其中内能式气体灭弧是利用雷电或工频的自身能量作用于电弧，主要分为热膨胀灭弧和压缩灭弧两种，热膨胀灭弧主要是在防雷器中设计多个金属电极，两两电极之间为空气小间隙，当电弧击穿空气小间隙之后，利用工频续流能量烘烤加热空气小间隙中的气体，使其产生热膨胀并作用于电弧实现横吹，在工频续流过零点时熄灭电弧。压缩灭弧是在防雷器中设置多个压缩管道，压缩管道中设置一个金属电极，当冲击电弧进入压缩管道后，使电弧被大尺度压缩，利用内外压力差和温度差在喷口出形成电弧压爆效应，同时产生喷射气流作用于电弧断口处，实现纵吹。而两两压缩管道之间又增加了三通管道，三通管两端设置金属电极，来冲击电弧进入三通管道后，产生横向喷射气体作用于电弧，实现横吹。纵吹与横吹相互结合，再加上压缩管道和三通管道间的空间结构设计，使电弧形成多断点压爆，并喷射，从而在冲击电弧阶段或工频续流早期熄灭电弧。

灭弧防雷器中由于电弧运动轨迹均是按照同一个方向进行，所以电弧的整体能量均沿着运动轨迹流过气体灭弧防雷器，此时就存在着通流能力有限的问题。同时，现有压缩灭弧管内的金属电极封堵在管内中间部位，压缩管内电弧前半段反冲，后半段电弧加速，灭弧效率有待提高。

针对上述问题，现提出一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，使电弧在每个反冲管内均为全程反冲，从而提高灭弧效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，以解决背景技术中所提到的技术问题。

一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，包括若干个反冲单元，若干个反冲单元首尾依次连接，反冲单元设置为内部中空、一端开口、另一端封闭的半封闭管件。

首尾依次连接即为封闭端和不封闭端的连接，其中，每个反冲单元均是一端开口，一端封闭的结构，使得每个反冲单元均能构成反冲的基础单元结构。电弧等离子体发生弹性形变，电弧等离子体在进入反冲单元的入口时，首先物理形状发生改变，由粗电弧变成了极细的电弧，径向压力转成轴向压力，由于狭管反冲效应，在电弧反冲时喷出速度会加快。电弧温升效应加剧，电弧变细后，电弧横截面积减小，根据公式

电弧电阻会大幅度上升。由于雷电弧在实际经验工作中常作为恒流源，根据公式W＝∫I²×RΔt可知，尽管冲击时时间仅有几微秒，但整体能量会增强，反冲管内敛性温度会升高。压爆效应急剧增加，当温度的逐步升高使得电弧积累性的增加，又进一步加剧了压爆效应，使电弧喷射力度更大。

进一步地，反冲单元与反冲单元通过设置接闪线连接，所述接闪线一端连接在反冲单元封闭端，另一端连接另一个反冲单元的开口端。

进一步地，若干个反冲单元均包括引弧组件、反冲管和接闪组件，所述引弧组件开口设置在反冲管的一端，所述接闪组件封闭设置在反冲管的另一端。

进一步地，还包括支撑体，若干个反冲单元嵌设在支撑体内，所述反冲管的侧壁为支撑体的材料构成，反冲单元的开口端与外部连通，且设置为反冲口。

进一步地，所述支撑体为高强度耐高温耐高压的非导电材料制成的材料制成，为合金陶瓷、稀土陶瓷、石墨烯-陶瓷复合材料、有机陶瓷、合成硅橡胶、有机绝缘材料、合金玻璃、稀土玻璃、石墨烯玻璃或者有机玻璃，反冲管的内径大小随输电线路电压等级升高而适当增大。

进一步地，所述支撑体的外侧设置由若干个导弧边，导弧边设置为圆形圈边，且相间固定在支撑体的外侧。

进一步地，所述引弧组件和接闪组件均为由导电材料制成，引弧组件为导电金属环，且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管的内壁，在第一个反冲单元的导电金属环外设置有引弧电极。

进一步地，若干个反冲单元设置为空间螺旋状结构，支撑体设置为三棱柱、四棱柱或五棱柱结构，若干个反冲单元螺旋沿着三棱柱、四棱柱或五棱柱侧面排布，设置在侧面的内部。

进一步地，在同一垂直方向的两个反冲口之间至少设置有一个导弧边。

进一步地，等离子体的结构的灭电弧过程为：当雷击闪络电弧接近等离子体的结构时，引弧电极通过对闪络电弧的物理触碰、库仑力作用或者尖端放电形成上行先导，将电弧牵引至第一个反冲管入口附近，外电弧在第一个反冲管的引弧组件牵引下进入极细的反冲管，其中，反冲管内径远小于电弧直径，电弧弧柱在反冲管内受到狭管灌注作用，电弧因受到反冲单元中管壁限制，弧柱直径强制减小，整个电弧导电横截面积变小，电弧电阻增大，由功率计算公式：P＝I²·R可知，电弧功率也增大，使得管内热量、温度均升高，此为功率性温升，同时，入口电弧与出口电弧在管内发生180°对冲碰撞，切断了电弧辐射、对流、传导、流失的通道，散热被阻断，温度进一步上升，此为阻断性温升，电弧等离子体在管内密度急剧增大，粒子之间的摩擦、碰撞加快，热量、温度再次升高，此为摩擦性温升，三大温升效应使得管内外温度差变大，压力差也变大，当反冲管管内压力大于管外压力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，管内电弧被迅速排空，外电弧空腔效应，阻断了外电弧能量的注入，剩余电弧依次经接闪线接闪、下一个引弧组件导弧后进入下一反冲管，之后的反冲灭弧过程同上，最终，电弧在多个断点同时断裂，其连续性被破坏，加速冲击电弧的熄灭，消除了工频建弧通道的形成。

在反冲单元的其中一个端口安装接闪组件进行密封，使得反冲单元构成半封闭管件，并且反冲单元的管壁由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成。每一个反冲管的反冲单元入口处均设有引弧组件，引弧组件和接闪组件均分别由导电材料制成。引弧组件可以为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲单元的内壁。在第一个反冲管口外设置金属引弧电极，可以保证距离较远的外电弧也会被引入反冲单元内部。

一种多管反冲熄灭电弧等离子体结构，电弧在多点同步断裂，电弧断裂的阈值与诸多参数指标相关，阈值参数指标包括：反冲通道长度、反冲通道内径、反冲通道布局、结构优化设计等，通过改变这些参数，都会影响电弧断裂的阈值，可根据不同雷击情况、不同电压等级选用最合适的结构。

本结构中的反冲单元的内径取值范围为2.5-10mm，应用反冲单元的输电线路电压等级越高，反冲单元内径适当越大。

若干个单管反冲倾斜排布，首尾相连构成多管反冲，空间结构类似螺旋状，连接方式为：上一个反冲管的接闪组件与下一个反冲管的引弧组件相邻，从而构成多段多管反冲结构。接闪组件封堵在反冲管其中一个端口，使得电弧能够在整个反冲管内进行反冲灭弧，达到全程反冲的目的。灭弧能量聚集更大，灭弧效果更好。为使电弧路径能够在指定的通道内进行多管反冲，在相邻两个反冲管之间设有接闪线。接闪线为金属材质，一端连着上一反冲管的接闪组件，另一端连着下一反冲管的引弧组件，使得电弧能够更顺利进入下一反冲管。

相邻反冲管之间的连接呈平面锯齿状，并且仅用一根很细的接闪线相连，电弧的连接度、脆弱性较低，这有利于电弧的熄灭。多管反冲结构可以设计成空间类螺旋状结构，多管螺旋结构可以为沿着三棱柱、四棱柱或五棱柱侧面排布；也可以为多管交叉螺旋排布，其俯视图形状为五角星。但结构并不局限于上述几种，也可以设计成平面锯齿状排布。

该装置结构可安装于杆塔绝缘子两侧，与绝缘子相并联，避免雷电电弧造成绝缘子闪络；还可多处安装在电网避雷线上，加强灭弧防雷效果。多管反冲结构可以呈空间螺旋结构分布在一柱体内部，柱体外壁留有电弧喷口。柱体外部设有导弧边，可以增加电弧的爬弧距离，使得电弧在设定路径内。导弧边设置要求：同一垂直方向的上、下电弧喷口之间需设有一导弧边，避免上、下喷口处的电弧再次相连。

进一步地，一种多管反冲熄灭电弧等离子体结构，电弧在多点同步断裂，电弧断裂的阈值与诸多参数指标相关，阈值参数指标包括：反冲通道长度、反冲通道内径、反冲通道布局、结构优化设计等，通过改变这些参数，都会影响电弧断裂的阈值，可根据不同雷击情况、不同电压等级选用最合适的结构。

本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

1、本结构可以提升防雷装置安全能力，因为它是通过阻断电弧注入实现的。

2、提高电力系统安全能力；装置灭弧能力的提升降低了电力系统的短路发生的概率，在各种自然界扰动之前，所有闪络点都能有效的终止，电力系统发生恶性突变之前，消除它，防雷的性价比提高。

3、本结构可靠耐用、维护成本低、效率高。

附图说明

图1为本发明反冲单元剖面图。

图2为本发明多管反冲熄灭电弧等离子体的结构示意图。

图3为本发明多管反冲熄灭电弧等离子体的类螺旋状结构图。

图4为本发明三棱柱反冲管俯视图。

图5为本发明四棱柱结构俯视图。

图6为本发明类螺旋状和五边形的两种结构俯视图。

图7为本发明反冲单元反冲原理图。

图中：1-引弧组件；2-反冲管；3-接闪组件；4-引弧电极；5-接闪线；6-反冲口；7-导弧边；8-支撑体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

根据上述的原理说明和参阅图1-7对本发明实施例进一步说明：

实施例1：

如图3-6所示，本申请设置为三棱柱多管反冲螺旋结构，多管反冲螺旋结构为沿着三棱柱侧面排布。当雷击闪络电弧接近反冲装置时，首先通过最外部的引弧电极4将电弧牵引至第一个反冲单元的反冲管2入口附近，外电弧在引弧组件1牵引下进入反冲管2，电弧在图中所示结构内进行多管反冲，最终，电弧在多个断点A、B、C同时断裂，其连续性被破坏，加速了冲击电弧的熄灭，消除了工频建弧通道的形成。

实施例2：

如图2、3、5所示，本申请设置为四棱柱多管反冲螺旋结构，多管反冲螺旋结构为沿着四棱柱侧面排布。当雷击闪络电弧接近反冲装置时，首先通过最外部的引弧电极4将电弧牵引至第一个反冲单元的反冲管2入口附近，外电弧在引弧组件1牵引下进入反冲管2，电弧在图中所示结构内进行多管反冲，最终，电弧在多个断点D、E、F、G同时断裂，其连续性被破坏，加速了冲击电弧的熄灭，消除了工频建弧通道的形成。

实施例3：

如图2、3、6所示，本申请设置为五棱柱多管反冲螺旋结构，多管反冲螺旋结构为沿着五棱柱侧面排布，也可以为多管交叉空间螺旋排布、其俯视图形状为五角星。当雷击闪络电弧接近反冲装置时，首先通过最外部的引弧电极4将电弧牵引至第一个反冲单元的反冲管2入口附近，外电弧在引弧组件1牵引下进入反冲管2，电弧在图中所示结构内进行多管反冲，最终，电弧在多个断点H、I、J、K、L同时断裂，其连续性被破坏，加速了冲击电弧的熄灭，消除了工频建弧通道的形成。

实施例4：

如图3所示，本申请设置为一圆柱多管反冲空间螺旋结构，多管反冲结构可以呈空间螺旋结构分布在一柱体内部，柱体外壁留有电弧喷口6。柱体外部设有导弧边7，可以增加电弧的爬弧距离，使得电弧在设定路径内。导弧边7设置要求：同一垂直方向的上、下电弧喷口6之间需设有一导弧边7，避免上、下喷口处的电弧再次相连。

本申请中，可定义外电弧在入口处速度为v0，压强为p0，密度为ρ0，温度为T0。外电弧进入反冲组件后，形成的入口电弧速度v1，压强为p1，密度为ρ1，温度为T1。经过引弧组件后出口电弧速度v2，压强为p2，密度为ρ2，温度为T2。外电弧通过入口进入反冲组件形成了内电弧，内电弧受到反冲组件壁的限制，直径被大尺度机械压缩，使得内电弧温度、密度、压强和速度均上升。不考虑电弧能量流失和摩擦作用，当入口电弧经过接闪组件实现弹性碰撞瞬间，认为v1＝-v2，即入口电弧速度大小与出口速度大小相等，方向相反。考虑电弧能量流失和摩擦作用，入口电弧经过接闪组件碰撞后，认为∣v2∣＜∣v1∣，即出口速度大小比入口速度小，方向相反。出口电弧受到入口电弧的阻碍作用，出口电弧直径比入口电弧直径小，使出口电弧的密度、温度和压强均比入口电弧的大，即ρ2＞ρ1，T2＞T1，p2＞p1，这些共同作用，使v2增速大于v1增速，即a2＞a1。随着出口电弧直径不断被压缩，使得出口电弧密度、温度和压强不断增大，最终形成v2＞v1，促使出口电弧从入口处冲出反冲组件。出口电弧以冲出反冲组件后，对外电弧形成空腔效应，破坏电弧连续性，削弱电弧能量，加速其截断和熄灭。

考虑到反冲组件中原有存在着空气，当电弧进入反冲组件后，形成的一系列效应和机制，使得反冲组件中的空气被压缩，造成反冲组件内气压升高，减小了电子的自由行程长度，削弱和抑制了电离过程，使电气绝缘强度显著提高，有利于电弧截断和熄灭。根据实验数据可知，当空气从0.1Mpa(1atm)被压缩至2.8Mpa时，被压缩空气击穿电压可上升至标准空气击穿电压(30kV/cm)的9～12倍，极大地提高了电气绝缘强度。反冲组件中原有的空气，受到反冲组件中温升效应和压升效应的影响，产生的喷射气流从反冲组件喷射并作用于外电弧，利用气流对外电弧的空腔效应，加速外电弧的对流、辐射和传导，使电弧由导电性转化为介质性，形成电弧自熄灭。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，其特征在于：包括若干个反冲单元，若干个反冲单元首尾依次连接，反冲单元设置为内部中空、一端开口、另一端封闭的半封闭管件；

若干个反冲单元均包括引弧组件(1)、反冲管(2)和接闪组件(3)，所述引弧组件(1)开口设置在反冲管(2)的一端，所述接闪组件(3)封闭设置在反冲管(2)的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，其特征在于：反冲单元与反冲单元通过设置接闪线(5)连接，所述接闪线(5)一端连接在反冲单元封闭端，另一端连接另一个反冲单元的开口端。

3.根据权利要求2所述的一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，其特征在于：还包括支撑体(8)，若干个反冲单元嵌设在支撑体(8)内，所述反冲管(2)的侧壁为支撑体(8)的材料构成，反冲单元的开口端与外部连通，且设置为反冲口(6)。

4.根据权利要求3所述的一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，其特征在于：所述支撑体(8)为高强度耐高温耐高压的非导电材料制成的材料制成，为合金陶瓷、稀土陶瓷、石墨烯-陶瓷复合材料、有机陶瓷、合成硅橡胶、有机绝缘材料、合金玻璃、稀土玻璃、石墨烯玻璃或者有机玻璃，反冲管(2)的内径大小随输电线路电压等级升高而适当增大。

5.根据权利要求3所述的一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，其特征在于：所述支撑体(8)的外侧设置由若干个导弧边(7)，导弧边(7)设置为圆形圈边，且相间固定在支撑体(8)的外侧。

6.根据权利要求3所述的一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，其特征在于：所述引弧组件(1)和接闪组件(3)均为由导电材料制成，引弧组件(1)为导电金属环，且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管(2)的内壁，在第一个反冲单元的导电金属环外设置有引弧电极(4)。

7.根据权利要求3所述的一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，其特征在于：若干个反冲单元设置为空间螺旋状结构，支撑体(8)设置为三棱柱、四棱柱或五棱柱结构，若干个反冲单元螺旋沿着三棱柱、四棱柱或五棱柱侧面排布，设置在侧面的内部。

8.根据权利要求3所述的一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，其特征在于：在同一垂直方向的两个反冲口(6)之间至少设置有一个导弧边(7)。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种多管反冲熄灭电弧等离子体的结构，其特征在于，等离子体的结构的灭电弧过程为：当雷击闪络电弧接近等离子体的结构时，引弧电极(4)通过对闪络电弧的物理触碰、库仑力作用或者尖端放电形成上行先导，将电弧牵引至第一个反冲管入口附近，外电弧在第一个反冲管的引弧组件牵引下进入极细的反冲管，其中，反冲管内径远小于电弧直径，电弧弧柱在反冲管内受到狭管灌注作用，电弧因受到反冲单元中管壁限制，弧柱直径强制减小，整个电弧导电横截面积变小，电弧电阻增大，由功率计算公式：P＝I²·R可知，电弧功率也增大，使得管内热量、温度均升高，此为功率性温升，同时，入口电弧与出口电弧在管内发生180°对冲碰撞，切断了电弧辐射、对流、传导、流失的通道，散热被阻断，温度进一步上升，此为阻断性温升，电弧等离子体在管内密度急剧增大，粒子之间的摩擦、碰撞加快，热量、温度再次升高，此为摩擦性温升，三大温升效应使得管内外温度差变大，压力差也变大，当反冲管管内压力大于管外压力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，管内电弧被迅速排空，外电弧空腔效应，阻断了外电弧能量的注入，剩余电弧依次经接闪线接闪、下一个引弧组件(1)导弧后进入下一反冲管(2)，之后的反冲灭弧过程同上，最终，电弧在多个断点同时断裂，其连续性被破坏，加速冲击电弧的熄灭，消除了工频建弧通道的形成。

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