CN112117649A - 一种组合防雷灭弧盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合防雷灭弧盘，属于架空线路防雷技术领域，包括灭弧盘体，所述灭弧盘体设置有若干个首尾相连的灭弧管，灭弧管由上至下以螺旋状分布，灭弧管的长度也由上至下逐级递增。本发明在灭弧盘上设置多个裙边，增大了绝缘子的电弧爬距，避免电弧沿面闪络；灭弧盘内灭弧管多重螺旋曲折结构能够完全管控电弧路径，实现对电弧闪络路径的强约束；灭弧盘具有灭弧功能，并且还设有并联间隙，达到双重灭弧的作用。

Description

一种组合防雷灭弧盘

技术领域

本发明涉及低压系统防雷技术领域，尤其涉及一种组合防雷灭弧盘。

背景技术

在雷云聚集形成雷云与大地电位差时，总是在绝缘子处感应出极不均匀电场。研究表明，发生雷击时各绝缘子不同片数间的电场强度分布也很不均匀，表现为绝缘子串的两端绝缘子片的电场强度高、中间部位的电场强度低。由于首末两端绝缘子电场强度大，绝缘子中间部位电场强度低，雷击闪络电弧首先出现在绝缘子串的首末两端，然后从绝缘子串两端向中间部位发展。

如今电力线路中广泛采用的避雷器与并联间隙主要是在雷击发生时进行干预，传统避雷器存在诸多缺点，例如：避雷器的散热时间约为一分钟，无法防护间隔时间为ms级的多重雷击；防雷效果低下，存在热击穿、硬短路风险等。并联间隙也存在诸多缺点，例如：(1)并联间隙安装需附加金具，安装固定具有一定难度；(2)并联间隙的绝缘配合按绝缘子串首尾两片绝缘子最高击穿电压设计，由于局部放电首先出现在首末端，导致并联间隙的绝缘配合比需要很低才行，这样会降低线路的绝缘水平，绝缘配合导致输电线路的绝缘强度下降，从而导致雷击跳闸率升高；(3)普通并联间隙电极多次被工频续流电弧灼烧，导致间隙越烧越短，最终失效。针对上述存在的问题，现提出一种组合防雷灭弧盘。

发明内容

本发明的目的在于提供一种组合防雷灭弧盘，解决背景技术中所提到的技术问题。

一种组合防雷灭弧盘，包括灭弧盘体，所述灭弧盘体设置有若干个首尾相连的灭弧管，灭弧管由上至下以螺旋状分布，灭弧管的长度也由上至下逐级递增。

进一步地，所述灭弧管包括引弧电极、灭弧管壁和接闪电极，所述引弧电极设置在灭弧管壁的一端内，所述接闪电极密封设置在灭弧管壁的另一端。

进一步地，所述灭弧管包括引弧电极、灭弧管壁和接闪电极，所述引弧电极设置在灭弧管壁的两端，所述接闪电极设置在灭弧管壁内部。

进一步地，所述灭弧管通过设置接闪线相连，接闪线的一端与一个灭弧管的接闪电极连接，另一端与另一个灭弧管的引弧电极连接。

进一步地，所述灭弧管通过设置接闪线相连，接闪线的一端与一个灭弧管前端的引弧电极连接，另一端与另一个灭弧管的引弧电极连接。

进一步地，所述灭弧盘体上设置有裙边，所述裙边环绕固定在灭弧盘体的外侧。

进一步地，所述灭弧盘体设置在绝缘子串的两端，上端的灭弧盘体上设置有上电极，下端的灭弧盘体上设置有下电极，所述上电极与下电极相对设置，且与绝缘子串平行设置。

进一步地，所述灭弧管壁由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，引弧电极设置为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于灭弧管壁的内壁，接闪电极由导电材料制成。

进一步地，所述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。

灭弧管的内径取值范围为2.5-10mm，应用灭弧管的输电线路电压等级越高，灭弧管内径适当越大。

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方式。

灭弧盘内部由多个灭弧管道串接而成，灭弧管道可采用压缩管或反冲管。灭弧盘内灭弧管道由上至下以螺旋状分布，灭弧管的长度也由上至下逐级递增。在相邻两灭弧管之间留有气流喷口，在灭弧盘表面也设有气流喷口，两者是相通的，灭弧管内产生的气流从灭弧盘表面的喷口喷出。灭弧管的排布略呈倾斜，利于气流喷射吹断电弧。灭弧盘设计成两种不同的形状，第一种形状，灭弧盘形状类似于玻璃绝缘子片，其表面分布多个气流喷口。第二种形状，灭弧盘形状类似宝塔状，其表面分布多个气流喷口，并在每一层边缘都设有裙边，可以增加电弧爬距，避免电弧直接沿灭弧盘表面闪络。绝缘子串的首尾两端分别有用于固定的两个悬挂端，且悬挂端为金属材质。绝缘子串的首末两片绝缘子的局部场强高，容易优先闪络，悬挂端与灭弧盘电气相连，闪络电弧在绝缘子两端产生后经金属悬挂端再进入灭弧盘内。在两相邻灭弧盘间设置上下电极，与空气共同形成一个并联间隙。上下电极分别与灭弧盘内最后一个灭弧管相连，电弧在灭弧盘内首先对电弧能量进行削减，未熄灭的电弧在并联间隙处发生闪络，能够避免绝缘子闪络。

进一步说明，不同电压等级上的绝缘子长度不同，可根据实际情况，在绝缘子上安装数量不等的灭弧盘，以便达到更好的灭弧效果。

进一步说明，反冲管灭弧原理：入口电弧快速进入反冲管，冲向引弧电极并发生弹性碰撞，使电弧方向发生180°转化，形成出口电弧并离开反冲管，电弧从喷口喷出；电弧在反冲管内被强制约束后空气温度迅速升高，冲击气流从喷口喷出对电弧截断，同时阻碍入口电弧的进入，在反冲管入口处形成电弧大尺度断口，破坏电弧连续性，加速电弧熄灭。

进一步说明，压缩管灭弧原理：冲击电弧进入压缩管前半段(从入口到引弧电极段)后被压缩管强烈压缩、折弯，在管内产生极高的轴压力梯度，电弧由内向外从入口处喷出。剩余电弧经引弧电极后进入到压缩管后半段(从引弧电极到出口段)，压缩管对电弧的挤压拉伸使电弧速度加快，加速电弧冲向压缩管出口端，使电弧更加容易被吹灭且不复燃。

本发明的基本原理：

1.电弧等离子体发生弹性形变。电弧等离子体在进入反冲管入口时，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。

2.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。

3.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。

本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明在灭弧盘上设置多个裙边，增大了绝缘子的电弧爬距，避免电弧沿面闪络；

(2)灭弧盘内灭弧管多重螺旋曲折结构能够完全管控电弧路径，实现对电弧闪络路径的强约束；

(3)灭弧盘具有灭弧功能，并且还设有并联间隙，达到双重灭弧的作用；

(4)灭弧盘可通过组合方式与绝缘子构成一个整体，结构简单，安装方便。

附图说明

图1是本发明第一种反冲管螺旋结构示意图。

图2是本发明第一种反冲管电弧传输原理图。

图3是本发明第二种反冲管螺旋结构示意图。

图4是本发明第二种反冲管电弧传输原理图。

图5是本发明灭弧盘第一种结构示意图。

图6是本发明灭弧盘第二种结构示意图。

图7是本发明灭弧盘安装结构示意图。

图8是本发明反冲管剖面图。

图9是本发明反冲管原理图。

图10是本发明反冲流程图。

图11是本发明绝缘子串的电场强度分布图。

附图说明：1-灭弧管；2-喷口；3-接闪线；4-裙边；5-灭弧盘体；6-悬挂端杆；7-下电极；8-上电极；9-引弧电极；10-灭弧管壁；11-接闪电极；12-绝缘子串。

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。

实施例1：

如图1和图3所示，本发明一种组合防雷灭弧盘，包括灭弧盘体5，所述灭弧盘体5设置有若干个首尾相连的灭弧管1，灭弧管1由上至下以螺旋状分布，灭弧管1的长度也由上至下逐级递增。灭弧盘体5作为灭弧管1的载体，灭弧管1埋设在灭弧盘体5内，灭弧管1的喷口与外部连通，实现电弧的反冲，其中一个灭弧管1的输入口作为电弧的输入口，实现电弧的引入。顶部的灭弧管1的输入口上设置有引弧装置，作为电弧的引入。经过多个灭弧管1逐级灭弧，实现电弧的熄灭。

实施例2：

如图8-9所示，所述灭弧管1包括引弧电极1、灭弧管壁10和接闪电极11，所述引弧电极1设置在灭弧管壁10的一端内，所述接闪电极11密封设置在灭弧管壁10的另一端。电弧从引弧电极1进入，然后在管内进行压缩，形成反冲在从灭弧管1的喷口喷出，另一部分从接闪电极11接闪进入到下一个灭弧管1，通过导体进行进入。

实施例3：

如图4所示，所述灭弧管1包括引弧电极1、灭弧管壁10和接闪电极11，所述引弧电极1设置在灭弧管壁10的两端，所述接闪电极11设置在灭弧管壁10内部。所述接闪电极11设置在灭弧管壁10的中间位置，然后两端都设置有引弧电极1，然后前半段形成压缩反冲，后半段实现加速喷出，实现电弧的熄灭。

实施例4：

如图1-4所示，所述灭弧管1通过设置接闪线3相连，接闪线3的一端与一个灭弧管1的接闪电极11连接，另一端与另一个灭弧管1的引弧电极1连接。接闪线3使用金属导线，一般是埋设在灭弧盘体5内，避免电弧和平时日常自然损坏，提高寿命。电弧在前一个灭弧管1内进行反冲后，剩下的部分经过接闪线3传导下一个灭弧管1，重复上述的动作，实现对电弧的逐级熄灭。

实施例5：

如图4所示，所述灭弧管1通过设置接闪线3相连，接闪线3的一端与一个灭弧管1前端的引弧电极1连接，另一端与另一个灭弧管1的引弧电极1连接。该实施例中的接闪线3主要是从一个灭弧管1的后端的引弧电极1把电弧引到下一个灭弧管的前端的引弧电极1。其中引弧电极1接在灭弧管1后半段的引弧电极1上，通过焊接等进行固定连接，防止加速电弧冲开。

实施例6：

如图6所示，所述灭弧盘体5上设置有裙边4，所述裙边4环绕固定在灭弧盘体5的外侧。裙边4用于隔断喷口之间，防止喷口与喷口之间形成闪络，使得增加在空间上电弧的爬行距离。

实施例7：

如图7所示，所述灭弧盘体5设置在绝缘子串12的两端，上端的灭弧盘体5上设置有上电极8，下端的灭弧盘体5上设置有下电极7，所述上电极8与下电极7相对设置，且与绝缘子串12平行设置。

实施例8：

所述灭弧管壁10由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，引弧电极1设置为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于灭弧管壁10的内壁，接闪电极11由导电材料制成。所述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。

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。第一个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，电弧在第一个反冲管的引弧组件牵引下进入第一个反冲管。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。

闪络电弧进入反冲管后，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。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，产生由内向外的定向电弧压爆效应，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧被迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入。

在接闪组件上设置接闪线与下一个反冲管的引弧组件连接，前一个反冲管内剩余的电弧依次经接闪线和下一个反冲管的引弧组件进入下一个反冲管。

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，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，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。

本申请中，如图9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。

灭弧盘内部由多个灭弧管道串接而成，灭弧管道可采用压缩管或反冲管，即灭弧管。灭弧盘内灭弧管道由上至下以螺旋状分布，灭弧管的长度也由上至下逐级递增。在相邻两灭弧管之间留有气流喷口2，在灭弧盘表面也设有气流喷口，两者是相通的，灭弧管内产生的气流从灭弧盘表面的喷口喷出。灭弧管的排布略呈倾斜，利于气流喷射吹断电弧。绝缘子串的首尾两端分别有用于固定的两个悬挂端，且悬挂端为金属材质。绝缘子串的首末两片绝缘子的局部场强高，容易优先闪络，悬挂端与灭弧盘电气相连，闪络电弧在绝缘子两端产生后经金属悬挂端再进入灭弧盘内。在两相邻灭弧盘间设置上下电极，与空气共同形成一个并联间隙。上下电极分别与灭弧盘内最后一个灭弧管相连，电弧在灭弧盘内首先对电弧能量进行削减，未熄灭的电弧在并联间隙处发生闪络，能够避免绝缘子闪络。

如图5-6所示，灭弧盘设计成两种不同的形状，第一种形状，灭弧盘形状类似于玻璃绝缘子片，其表面分布多个气流喷口2。第二种形状，灭弧盘形状类似宝塔状，其表面分布多个气流喷口2，并在每一层边缘都设有裙边4，可以增加电弧爬距，避免电弧直接沿灭弧盘表面闪络。

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)

1.一种组合防雷灭弧盘，其特征在于：包括灭弧盘体(5)，所述灭弧盘体(5)设置有若干个首尾相连的灭弧管(1)，灭弧管(1)由上至下以螺旋状分布，灭弧管(1)的长度也由上至下逐级递增。

2.根据权利要求1所述的一种组合防雷灭弧盘，其特征在于：所述灭弧管(1)包括引弧电极(9)、灭弧管壁(10)和接闪电极(11)，所述引弧电极(1)设置在灭弧管壁(10)的一端内，所述接闪电极(11)密封设置在灭弧管壁(10)的另一端。

3.根据权利要求1所述的一种组合防雷灭弧盘，其特征在于：所述灭弧管(1)包括引弧电极(9)、灭弧管壁(10)和接闪电极(11)，所述引弧电极(1)设置在灭弧管壁(10)的两端，所述接闪电极(11)设置在灭弧管壁(10)内部。

4.根据权利要求2所述的一种组合防雷灭弧盘，其特征在于：所述灭弧管(1)通过设置接闪线(3)相连，接闪线(3)的一端与一个灭弧管(1)的接闪电极(11)连接，另一端与另一个灭弧管(1)的引弧电极(1)连接。

5.根据权利要求3所述的一种组合防雷灭弧盘，其特征在于：所述灭弧管(1)通过设置接闪线(3)相连，接闪线(3)的一端与一个灭弧管(1)前端的引弧电极(1)连接，另一端与另一个灭弧管(1)的引弧电极(1)连接。

6.根据权利要求1所述的一种组合防雷灭弧盘，其特征在于：所述灭弧盘体(5)上设置有裙边(4)，所述裙边(4)环绕固定在灭弧盘体(5)的外侧。

7.根据权利要求1所述的一种组合防雷灭弧盘，其特征在于：所述灭弧盘体(5)设置在绝缘子串(12)的两端，上端的灭弧盘体(5)上设置有上电极(8)，下端的灭弧盘体(5)上设置有下电极(7)，所述上电极(8)与下电极(7)相对设置，且与绝缘子串(12)平行设置。

8.根据权利要求2所述的一种组合防雷灭弧盘，其特征在于：所述灭弧管壁(10)由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，引弧电极(1)设置为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于灭弧管壁(10)的内壁，接闪电极(11)由导电材料制成。

9.根据权利要求8所述的一种组合防雷灭弧盘，其特征在于：所述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。

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