CN112117647B - 一种增压型单反冲灭弧方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增压型单反冲灭弧方法及应用，属于灭弧防雷技术领域，在一根内部中空的反冲管一端设置接闪组件封闭设置，另一端设置有引弧组件；在发生雷击闪络电弧时，引弧组件牵引闪络电弧进入反冲管；闪络电弧进入反冲管后，电弧发生弹性变形，电弧功率增大，温度升高，反冲管内热量升高；反冲管与外部的压力差变大，当反冲管管内压力大于管外压力时，并大于引弧组件的盖合力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应反冲管内剩余电弧经引弧组件传给接地线，完成电弧熄灭。封盖的设置能够增大反冲气流喷射时的压力，产生压强更高、速度更快的气流对电弧实现截断，提高灭弧的有效性，在反冲管管口设置金属材质的封盖，对闪络电弧具有牵引作用。

Description

一种增压型单反冲灭弧方法及应用

技术领域

本发明涉及灭弧防雷技术领域，尤其涉及一种增压型单反冲灭弧方法及应用。

背景技术

雷击会给电力设施带来不同形式的损伤和破坏，雷云放电在电力系统中会引起雷击过电压，分为直接雷击过电压和感应雷击过电压。雷击过电压可能对绝缘子、输电线造成损伤；输电线路发生雷击时引起的冲击闪络，导致线路绝缘子闪络，继而产生很大的工频续流，损坏绝缘子串及金具，导致线路事故；雷电击打在输电线或避雷线上，可能会引起断股甚至断裂，使输电工作无法进行。

现有的主动式反冲灭弧方法利用电弧自身能量对电弧实现截断，电弧进入半封闭反冲管后，高温电弧使管内空气温度迅速上升，管内空气受热膨胀后气压倍增，高速强气流最后从反冲管管口喷出，在管口产生空腔效应，同时将后续电弧吹断，电弧的连续性被破坏后逐渐熄灭。

经过多年研究发现，对于一些特殊场合和更高的电压等级，需要更大的灭弧气体压力，因此提出了一种增压型单反冲灭弧方法及应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增压型单反冲灭弧方法及应用，解决现有的技术问题。

一种增压型单反冲灭弧方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：在一根内部中空的反冲管一端设置接闪组件封闭设置，另一端设置有引弧组件；

步骤2：在发生雷击闪络电弧时，引弧组件牵引闪络电弧进入反冲管；

步骤3：闪络电弧进入反冲管后，电弧发生弹性变形，电弧功率增大，温度升高，反冲管内热量升高；

步骤4：反冲管与外部的压力差变大，当反冲管管内压力大于管外压力时，并大于引弧组件的盖合力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，把引弧组件掀开，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧冲开引弧组件，管内电弧迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入；

步骤5：反冲管内剩余电弧经接闪组件传给接地线，完成电弧熄灭。

进一步地，所述步骤1中，引弧组件设置为金属封盖，盖合反冲管的顶部，并可翻动设置，金属封盖作为电弧的牵引部件，同时作为反冲管底部的密封盖。

进一步地，所述引弧组件包括固定柱、旋转点、封盖和磁铁，所述固定柱设置在反冲管顶部，所述磁铁设置在固定柱相对的一侧，且设置在反冲管顶部，所述旋转点设置在固定柱的顶端，所述封盖可旋转设置在旋转点上，且与吸合在磁铁上。

进一步地，所述步骤1中，反冲管顶端设置为切口结构，所述引弧组件倾斜盖合在反冲管顶部的切口上，且引弧组件一侧可掀开地设置在切口上。

进一步地，所述引弧组件包括固定柱、旋转点和封盖，固定柱设置在反冲管顶端切口结构的较高侧，所述旋转点设置在固定柱上，所述封盖可翻转设置在旋转点上，封盖设置为金属盖，盖合在切口结构上，所述封盖设置为椭圆形金属盖结构，椭圆形金属盖结构的大小与反冲管顶端的切口结构的外径相同。

进一步地，所述步骤1中，引弧组件包括封盖和引弧罩，所述封盖可掀转设置在反冲管的顶端，所述引弧罩设置在反冲管的顶端，并设置在封盖的边缘上，与封盖不接触设置。

进一步地，所述封盖通过固定柱和旋转点可旋转设置在反冲管的顶端，所述旋转点固定在固定柱上，所述封盖另一边的底部设置有弹簧，弹簧一端固定在反冲管的顶端，另一端固定在封盖的底部，所述引弧罩为金属结构，设置为漏斗形状，且底部侧边设置有漏水孔。

进一步地，所述步骤4中的具体过程为，电弧进入反冲管内，由于引弧组件的盖合力时，使反冲管内的反冲电弧温度上升速率加快，且从反冲管喷出的气体速度和温度更高，引弧组件的金属盖被反冲电弧往上冲而掀开，引弧组件往上远离原先位置和反冲电弧对金属盖底部的接入电弧冲刷，使进入电弧被熄灭，如果一次不能熄灭时，金属盖由于重力、弹力或者磁吸力恢复原位，重复执行反冲掀开操作，直到进入电弧熄灭。

进一步地，所述步骤3的具体过程为：电弧因受到反冲管中管壁限制，弧柱直径强制减小，导致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。

一种增压型单反冲灭弧方法的应用，上述的反冲灭弧方法应用在绝缘子反冲灭弧、避雷针反冲灭弧和高压输电线雷击闪络灭弧上。

本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

本方法设置的封盖的设置能够增大反冲气流喷射时的压力，产生压强更高、速度更快的气流对电弧实现截断，提高灭弧的有效性，在反冲管管口设置金属材质的封盖，对闪络电弧具有牵引作用，更好地控制电弧路径，使闪络电弧顺利进入反冲装置内，在反冲管管口、封盖周围增设引弧罩，既能保证闪络电弧顺利进入反冲装置，又能避免雨水在管中积累，本方法及其结构简单，设计合理，具有可靠性与可行性。

附图说明

图1是本发明第一种增压反冲结构示意图。

图2是本发明封盖结构示意图。

图3是本发明第二种增压反冲结构示意图。

图4是本发明引弧罩俯视图。

图5是本发明反冲结构的工作示意图。

图6是本发明反冲灭弧的工作流程图。

图7是本发明第三种增压反冲结构示意图。

附图说明：1-反冲管；2-接闪电极；3-固定柱；4-旋转点；5-封盖；6-磁铁；7-引弧罩；8-漏水孔。

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，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。

如图1-7所示，本发明一种增压型单反冲灭弧方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：在一根内部中空的反冲管1一端设置接闪电极2封闭设置，另一端设置有引弧组件。所述反冲管1设置为中空的管状结构，所述引弧组件盖合设置在反冲管1的顶端，所述接闪电极2密封设置在反冲管1的内部底端，所述接闪电极2与外部的接地线接触设置。所述引弧组件设置为金属封盖，盖合在反冲管的顶部，并可翻动设置。所述引弧组件包括固定柱3、旋转点4、封盖5和磁铁6，所述固定柱3设置在反冲管1顶部，所述磁铁6设置在固定柱3相对的一侧，且设置在反冲管1顶部，所述旋转点4设置在固定柱3的顶端，所述封盖5可旋转设置在旋转点4上，且与吸合在磁铁6上。

反冲管1的电弧入口处增设了一个金属的封盖5，封盖5为圆形板且有一定厚度，一般为1-3cm，具体根据需要可及西宁调整厚度。在反冲管管口顶端设置一个固定点，连接封盖5与反冲管1。并且在固定点上端设有转动连接点，例如转轴或球形活动装置，使封盖能够上下开合。在反冲管管口顶端、固定点对面设有一个磁铁6，磁铁6固定在反冲管管口顶端。当封盖处于闭合状态时，封盖被磁铁吸附于反冲管管口，对增大管内气流压力起到促进作用。

其中，磁铁6也可以换成弹簧，即为弹性不是非常强的弹簧，使得封盖5进一步增大了反冲管1内部的压强，使得空腔效应和压爆效应更加的明显，能够反冲熄灭更高登记电压的电弧，灭弧的效果更好。在出现压爆效应时，反冲管1内的气压会把封盖5掀起，然后高压气体从反冲管1的顶端喷出，使得更好的反冲作用，熄灭后进来的电弧，灭弧效果非常的好。

反冲管1顶端设置为切口结构，所述引弧组件倾斜盖合在反冲管1顶部的切口上，且引弧组件一侧可掀开地设置在切口上。所述引弧组件包括固定柱3、旋转点4和封盖5，固定柱3设置在反冲管1顶端切口结构的较高侧，所述旋转点4设置在固定柱3上，所述封盖5可翻转设置在旋转点4上，封盖5设置为金属盖，盖合在切口结构上。所述封盖5设置为椭圆形金属盖结构，椭圆形金属盖结构的大小与反冲管1顶端的切口结构的外径相同。通过把封盖5设置为一个倾斜结构，使得直接把封盖5的重力作用作为盖合反冲管1，使得反冲管1内部的气体压强得到增大，即为反冲管1内部的气体压强要与外部相比要大于封盖5的重力后，才把封盖5掀开，发生空腔效应和压爆效应，使得反冲出来的气体压强更大，能够熄灭更大或者更强的电弧。

少了约束部件，不会造成损耗，特别是在电弧领域，可以大大的提高了使用寿命，更加符合客户的需求。

引弧组件包括封盖5和引弧罩7，所述封盖5可掀转设置在反冲管1的顶端，所述引弧罩7设置在反冲管1的顶端，并设置在封盖5的边缘上，与封盖5不接触设置。所述封盖5通过固定柱3和旋转点4可旋转设置在反冲管1的顶端，所述旋转点4固定在固定柱3上，所述封盖5另一边的底部设置有弹簧，弹簧一端固定在反冲管1的顶端，另一端固定在封盖5的底部。所述引弧罩7为金属结构，设置为漏斗形状，且底部侧边设置有漏水孔8。

在反冲管1管口、封盖5周围增设一个环状斜面引弧罩7，引弧罩材质为金属材质，并且固定在反冲管管口上端。在引弧罩7下端设置若干个漏水孔8，可将引弧罩内的雨水排放到反冲灭弧装置外，避免雨水堆积在反冲管内。金属材质的引弧罩7对反冲装置附近的闪络电弧具有牵引效果，能实现电弧闪络路径的严格管控。

当反冲管1口、封盖5周围增设一个环状斜面引弧罩7时，该情况下所用的封盖材质可以为金属或绝缘材质。当采用绝缘材质的封盖时，引弧作用主要通过引弧罩7实现；若采用金属材质的封盖，引弧作用由引弧罩7与封盖5共同实现。其中增设了引弧罩7使得引弧的效果更好，一般很小的电弧均能够直接引入到反冲管1内进行反冲，使用在工频绝缘上效果非常好，快速的实现引弧灭弧，防止了闪络的出现。

所述接闪电极2设置为金属体结构，形状与反冲管1内部的空管结构相同，反冲管1的侧壁由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成。引弧组件设置为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管的内壁，接闪组件由导电材料制成。高强度耐高温耐高压的非导电材料使用合金陶瓷、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、有机玻璃中的任意一种。

步骤2：在发生雷击闪络电弧时，引弧组件牵引闪络电弧进入反冲管。反冲管的引弧组件上设置有引弧电极，在发生雷击闪络电弧时，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，电弧在反冲管的引弧组件牵引下进入反冲管。反冲管内径小于电弧直径，反冲管的内径为2.5-10mm，输电线路电压等级越高，反冲管内径越大。

步骤3：闪络电弧进入反冲管后，电弧发生弹性变形，电弧功率增大，温度升高，反冲管内热量升高。电弧进入反冲管内后形成电弧弧柱，电弧弧柱在反冲管内受到狭管灌注作用，电弧发生弹性变形，电弧等离子体弹性变形能量形成反冲力，电弧径向变形转变为轴向变形，提高了轴向弹性力。电弧因受到反冲管中管壁限制，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。反冲管入口电弧与反冲管反冲的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，温度二次上升。电弧等离子体在反冲管内密度增大，粒子之间摩擦、碰撞加快，热量、温度再次升高

步骤4：反冲管与外部的压力差变大，当反冲管管内压力大于管外压力时，并大于引弧组件的盖合力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，把引弧组件掀开，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧冲开引弧组件，管内电弧迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入。电弧进入反冲管内，由于引弧组件的盖合力时，使反冲管内的反冲电弧温度上升速率加快，且从反冲管喷出的气体速度和温度更高，引弧组件的金属盖被反冲电弧往上冲而掀开，引弧组件往上远离原先位置和反冲电弧对金属盖底部的接入电弧冲刷，使进入电弧被熄灭，如果一次不能熄灭时，金属盖由于重力、弹力或者磁吸力恢复原位，重复执行反冲掀开操作，直到进入电弧熄灭。

步骤5：反冲管内剩余电弧经接闪电极传给接地线，完成电弧熄灭。接闪电极与接地的接地线连接的，使得把剩余的电弧直接引入大地。比如在作为避雷针时，把剩余电弧引入大地，其他的电弧也是一样的原理。

如图5所示，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。

如图6所示，当雷击闪络电弧接近本申请结构时，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，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。

一种增压型单反冲灭弧方法的应用，上述反冲灭弧方法应用在绝缘子反冲灭弧、避雷针反冲灭弧和高压输电线雷击闪络灭弧上。绝缘子反冲灭弧时，是直接以绝缘子为灭弧主题进行灭弧，实现更好的灭弧。避雷针反冲灭弧时，以避雷针上进行使用该反冲方法进行灭弧。高压输电线雷击闪络灭弧时，是把该装置与绝缘子并联安装进行灭弧。

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 (10)

1.一种增压型单反冲灭弧方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：在一根内部中空的反冲管一端设置接闪组件封闭设置，另一端设置有引弧组件；

步骤2：在发生雷击闪络电弧时，引弧组件牵引闪络电弧进入反冲管；

步骤3：闪络电弧进入反冲管后，电弧发生弹性变形，电弧功率增大，温度升高，反冲管内热量升高；

步骤4：反冲管与外部的压力差变大，当反冲管管内压力大于管外压力时，并大于引弧组件的盖合力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，把引弧组件掀开，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧冲开引弧组件，管内电弧迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入；

步骤5：反冲管内剩余电弧经接闪组件传给接地线，完成电弧熄灭。

2.根据权利要求1所述的一种增压型单反冲灭弧方法，其特征在于：所述步骤1中，引弧组件设置为金属封盖，盖合反冲管的顶部，并可翻动设置，金属封盖作为电弧的牵引部件，同时作为反冲管底部的密封盖。

3.根据权利要求2所述的一种增压型单反冲灭弧方法，其特征在于：所述引弧组件包括固定柱、旋转点、封盖和磁铁，所述固定柱设置在反冲管顶部，所述磁铁设置在固定柱相对的一侧，且设置在反冲管顶部，所述旋转点设置在固定柱的顶端，所述封盖可旋转设置在旋转点上，且与吸合在磁铁上。

4.根据权利要求1所述的一种增压型单反冲灭弧方法，其特征在于：所述步骤1中，反冲管顶端设置为切口结构，所述引弧组件倾斜盖合在反冲管顶部的切口上，且引弧组件一侧可掀开地设置在切口上。

5.根据权利要求4所述的一种增压型单反冲灭弧方法，其特征在于：所述引弧组件包括固定柱、旋转点和封盖，固定柱设置在反冲管顶端切口结构的较高侧，所述旋转点设置在固定柱上，所述封盖可翻转设置在旋转点上，封盖设置为金属盖，盖合在切口结构上，所述封盖设置为椭圆形金属盖结构，椭圆形金属盖结构的大小与反冲管顶端的切口结构的外径相同。

6.根据权利要求1所述的一种增压型单反冲灭弧方法，其特征在于：所述步骤1中，引弧组件包括封盖和引弧罩，所述封盖可掀转设置在反冲管的顶端，所述引弧罩设置在反冲管的顶端，并设置在封盖的边缘上，与封盖不接触设置。

7.根据权利要求6所述的一种增压型单反冲灭弧方法，其特征在于：所述封盖通过固定柱和旋转点可旋转设置在反冲管的顶端，所述旋转点固定在固定柱上，所述封盖另一边的底部设置有弹簧，弹簧一端固定在反冲管的顶端，另一端固定在封盖的底部，所述引弧罩为金属结构，设置为漏斗形状，且底部侧边设置有漏水孔。

8.根据权利要求1所述的一种增压型单反冲灭弧方法，其特征在于：所述步骤4中的具体过程为，电弧进入反冲管内，由于引弧组件的盖合力时，使反冲管内的反冲电弧温度上升速率加快，且从反冲管喷出的气体速度和温度更高，引弧组件的金属盖被反冲电弧往上冲而掀开，引弧组件往上远离原先位置和反冲电弧对金属盖底部的接入电弧冲刷，使进入电弧被熄灭，如果一次不能熄灭时，金属盖由于重力、弹力或者磁吸力恢复原位，重复执行反冲掀开操作，直到进入电弧熄灭。

9.根据权利要求1所述的一种增压型单反冲灭弧方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：电弧因受到反冲管中管壁限制，弧柱直径强制减小，导致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。

10.一种增压型单反冲灭弧方法的应用，其特征在于：所述权利要求1-9任意一项的反冲灭弧方法应用在绝缘子反冲灭弧、避雷针反冲灭弧和高压输电线雷击闪络灭弧上。

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