CN112117651A - 一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法及避雷针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法及避雷针，属于防雷灭弧领域，避雷针包括一根内部空心的反冲管，反冲管底部设置在电极板上，反冲管的内部底端设置有接闪电极和尖端电极，尖端电极设置在接闪电极上，接闪电极与电极板接触设置。本发明严格管控电弧路径。金属电极板形成巨大感应电荷并在尖端电极产生大量感应电荷，从库仑力牵引和上行先导两个维度实现对雷击闪络路径的控制。同步灭弧。电弧接闪的同时利用反冲能量对电弧进行遮断。

Description

一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法及避雷针

技术领域

本发明涉及防雷灭弧领域，尤其涉及一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法及避雷针。

背景技术

雷电是大自然中的气体放电现象，在雷电放电过程中，呈现出电磁效应、热效应以及机械效应，对于建筑物和电气设备有很大的危害性，因此，我们需要设置防护装置来规避或减小这种危害性。我们需要设置防护装置来规避或减小雷电所带来的损害。我们利用避雷针来保护建筑物、高大树木等避免遭受雷击，避雷针的作用是吸引雷电击于自身，通过接地装置将雷电流迅速泄入大地。但是避雷针仍存在一些弊端。

1、避雷针的泄流过程影响较大：

当雷电来临时，普通的避雷针在一定程度上可以防御雷击对建筑或输电线路的破坏，保护建筑与电力系统的安全。但是当巨大的雷电流快速泄放到大地时，雷电流将会巨大的瞬时电磁场，这个巨大的电磁场将会影响处于这个磁场之中的电子设备、通讯设备、电力系统的线路，这些设备可能产生额外的感应电流，轻则会产生装置误动作，重则会造成设备损坏。

2、雷电过电压的降低程度不够：

当利用普通避雷针保护物体时，强大的雷电流快速流过避雷针时，会产生很高的冲击电压，但由于冲击电压大小与雷电流大小和被击物体冲击电阻大小有关，避雷针对雷电过电压降低程度不够，设备仍无法完全受到避雷针的保护。同时，在雷电流泻入大地的过程中，可向附近的各种接地导体闪络电弧，电压可高达数万伏以上，对建筑物内电子设备及输电线路产生巨大的影响。

针对存在的上述问题，现提出一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧避雷针。

发明内容

本发明的目的在于提供一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧避雷针，以解决背景技术中存在的问题。

一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设置一根内部空心的反冲管，反冲管底部设置在电极板上，反冲管的内部底端设置有接闪电极和尖端电极，尖端电极设置在接闪电极上，接闪电极与电极板接触设置；

步骤2：在雷电天气时，电极板构成电荷感应板，并感应汇聚大量电荷，在尖端电极上产生感应电荷；

步骤3：感应电荷从库仑力牵引和上行先导这两个维度实现对雷击闪络电弧吸引进入反冲管内，实现对电弧雷击闪络电弧路径的控制；

步骤4：闪络电弧对反冲管进行灌注，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5：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；

步骤6：尖端电极与接闪电极在对电弧接闪的同时，利用反冲能量对电弧进行遮断，并进入雷电通道在反冲管内形成先反冲遮断，然后电弧重燃，再到反冲遮断的间歇放电模式，拉长放电时间，压低放电强度。

进一步地，所述步骤1中，所述电极板设置为圆形薄板，金属材质，直径为反冲管直径的10-100倍。

进一步地，所述步骤1中，接闪电极和尖端电极均设置为金属材质，接闪电极密封堵在反冲管的底部。

进一步地，所述步骤1中，反冲管的外侧设置有裙边，裙边套设环绕在反冲管的外侧，所述裙边的直径比电极板的直径小。

进一步地，所述步骤1中，反冲管和电极板的外侧设置有绝缘包裹层，裙边套设在绝缘包裹层外。

进一步地，所述步骤1中，所述电极板的下方设有一根支撑杆，支撑杆顶端与电极板电气连接，支撑杆末端安装在建筑物或电气设备上。

一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法及避雷针，包括一根内部空心的反冲管，反冲管底部设置在电极板上，反冲管的内部底端设置有接闪电极和尖端电极，尖端电极设置在接闪电极上，接闪电极与电极板接触设置。

进一步地，所述电极板设置为圆形薄板，金属材质，直径为反冲管直径的10-100倍，接闪电极和尖端电极均设置为金属材质，接闪电极密封堵在反冲管的底部。

进一步地，所述反冲管的外侧设置有裙边，裙边套设环绕在反冲管的外侧，所述裙边的直径比电极板的直径小，反冲管和电极板的外侧设置有绝缘包裹层，裙边套设在绝缘包裹层外。

进一步地，所述电极板的下方设有一根支撑杆，支撑杆顶端与电极板电气连接，支撑杆末端安装在建筑物或电气设备上，反冲管的管壁由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成。

在反冲管底部设置了一个底座，底座主要包括电极板、接闪电极、尖端电极。电极板位于底座下部，为一面积较大的圆形薄板，金属材质，可采用铜等。底座中部是金属材质的接闪电极，接闪电极将反冲管底部封堵，使反冲管内部形成半封闭空间。在底座上部、接闪电极上面有一个尖端电极，尖端电极同样为金属。其中，由尖端电极、接闪电极、电极板构成的底座材料可以为同一种金属材料。

在反冲管及底座外部有绝缘材料包裹，并在绝缘包裹层外设有裙边。外部包裹绝缘材料的底座构成一个大裙边，与上面的裙边形成一个整体，能够避免电弧在避雷针装置表面闪络。

在底座下方设有一根金属支撑杆，支撑杆顶端与底座内部的电极板电气连接，支撑杆末端安装在建筑物或电气设备上，雷电流经支撑杆流向地网。

本发明的原理与过程：

反冲管底座内包裹的巨大金属电极板，能够形成巨大感应电荷并在反冲管内尖端电极产生感应电荷，从库仑力牵引和上行先导两个维度实现对雷击闪络路径的控制，闪络电弧对反冲管进行灌注。尖端电极与接闪电极在对电弧接闪的同时，利用反冲能量对电弧进行遮断，并进入雷电通道在反冲管内的“反冲遮断－电弧重燃－反冲遮断”的间歇放电模式，拉长放电时间，压低放电强度。

本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

1、本发明严格管控电弧路径。金属电极板形成巨大感应电荷并在尖端电极产生大量感应电荷，从库仑力牵引和上行先导两个维度实现对雷击闪络路径的控制。

2、同步灭弧。电弧接闪的同时利用反冲能量对电弧进行遮断。

3、拉长放电时间，压低放电强度。当雷电弧来临时，先进入装置中，逐级地削弱进入的电弧，雷电通道在反冲管内的“反冲遮断－电弧重燃－反冲遮断”的间歇放电模式，从而减小雷电流的泄流裕量，增强避雷针的效果，被保护的杆塔或建筑降低了遭受雷击的危险，被保护程度提高。

4、本发明装置结构简单、设计合理、应用范围广，可应用于任何电气设备或建筑物上，保护了设备与建筑物的安全。

附图说明

图1是库仑力牵引反冲间歇遮断电弧避雷针内部结构示意图。

图2是库仑力牵引反冲间歇遮断电弧避雷针外部整体结构示意图。

图3是本发明电弧进入反冲结构的工作示意图。

附图说明：1-喷口，2-反冲管，3-尖端电极，4-接闪电极，5-电极板，6-裙边，7-绝缘包裹层，8-底座，9-支撑杆。

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1-2所示，本发明一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：设置一根内部空心的反冲管1，反冲管1底部设置在电极板5上，反冲管1的内部底端设置有接闪电极4和尖端电极3，尖端电极3设置在接闪电极4上，接闪电极4与电极板5接触设置。

所述电极板5设置为圆形薄板，金属材质，直径为反冲管1直径的10-100倍。接闪电极4和尖端电极3均设置为金属材质，接闪电极4密封堵在反冲管1的底部。电极板5的直径是远大于反冲管1直径的，从而更好形成感应电荷。

如图2所示，反冲管1的外侧设置有裙边6，裙边6套设环绕在反冲管1的外侧，所述裙边6的直径比电极板5的直径小。反冲管1和电极板5的外侧设置有绝缘包裹层7，裙边6套设在绝缘包裹层7外。所述电极板5的下方设有一根支撑杆9，支撑杆9顶端与电极板5电气连接，支撑杆9末端安装在建筑物或电气设备上。

步骤2：在雷电天气时，电极板5构成电荷感应板，并感应汇聚大量电荷，在尖端电极3上产生感应电荷。

步骤3：感应电荷从库仑力牵引和上行先导这两个维度实现对雷击闪络电弧吸引进入反冲管1内，实现对电弧雷击闪络电弧路径的控制。

步骤4：闪络电弧对反冲管1进行灌注，电弧发生弹性变形，电弧功率增大，温度升高，反冲管1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5：反冲管1与外部的压力差变大，当反冲管1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。

步骤6：尖端电极3与接闪电极4在对电弧接闪的同时，利用反冲能量对电弧进行遮断，并进入雷电通道在反冲管内形成先反冲遮断，然后电弧重燃，再到反冲遮断的间歇放电模式，拉长放电时间，压低放电强度。

如图1-2所示，一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法及避雷针，包括一根内部空心的反冲管1，反冲管1底部设置在电极板5上，反冲管1的内部底端设置有接闪电极4和尖端电极3，尖端电极3设置在接闪电极4上，接闪电极4与电极板5接触设置。所述电极板5设置为圆形薄板，金属材质，直径为反冲管1直径的10-100倍，接闪电极4和尖端电极3均设置为金属材质，接闪电极4密封堵在反冲管1的底部。所述反冲管1的外侧设置有裙边6，裙边6套设环绕在反冲管1的外侧，所述裙边6的直径比电极板5的直径小，反冲管1和电极板5的外侧设置有绝缘包裹层7，裙边6套设在绝缘包裹层7外。所述电极板5的下方设有一根支撑杆9，支撑杆9顶端与电极板5电气连接，支撑杆9末端安装在建筑物或电气设备上，反冲管1的管壁由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成。

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。

如图1所示，在反冲管2底部设置了一个底座8，底座主要包括电极板5、接闪电极4、尖端电极3。电极板位于底座下部，为一面积较大的圆形薄板，金属材质，可采用铜等。底座8中部是金属材质的接闪电极4，接闪电极将反冲管底部封堵，使反冲管内部形成半封闭空间。在底座8上部、接闪电极4上面有一个尖端电极3，尖端电极同样为金属。其中，由尖端电极、接闪电极、电极板构成的底座材料可以为同一种金属材料。

如图2所示，在反冲管2及底座8外部有绝缘材料包裹7，并在绝缘包裹层外设有裙边6。外部包裹绝缘材料的底座构成一个大裙边，与上面的裙边形成一个整体，能够避免电弧在避雷针装置表面闪络。在底座8下方设有一根金属支撑杆9，支撑杆顶端与底座内部的电极板电气连接，支撑杆末端安装在建筑物或电气设备上，雷电流经支撑杆流向地网。

如图3所示，当产生雷击闪络电弧时，尖端电极3的感应电荷将电弧牵引至反冲管1入口附近，电弧在感应电荷的牵引下进入极细的反冲管1，其中，反冲管1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，电弧因受到反冲管1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，雷电通道在反冲管内的“反冲遮断－电弧重燃－反冲遮断”的间歇放电模式。

本申请中，可定义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)

1.一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：设置一根内部空心的反冲管(1)，反冲管(1)底部设置在电极板(5)上，反冲管(1)的内部底端设置有接闪电极(4)和尖端电极(3)，尖端电极(3)设置在接闪电极(4)上，接闪电极(4)与电极板(5)接触设置；

步骤2：在雷电天气时，电极板(5)构成电荷感应板，并感应汇聚大量电荷，在尖端电极(3)上产生感应电荷；

步骤3：感应电荷从库仑力牵引和上行先导这两个维度实现对雷击闪络电弧吸引进入反冲管(1)内，实现对电弧雷击闪络电弧路径的控制；

步骤4：闪络电弧对反冲管(1)进行灌注，电弧发生弹性变形，电弧功率增大，温度升高，反冲管(1)内热量升高；

步骤5：反冲管(1)与外部的压力差变大，当反冲管(1)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；

步骤6：尖端电极(3)与接闪电极(4)在对电弧接闪的同时，利用反冲能量对电弧进行遮断，并进入雷电通道在反冲管内形成先反冲遮断，然后电弧重燃，再到反冲遮断的间歇放电模式，拉长放电时间，压低放电强度。

2.根据权利要求1所述的一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法，其特征在于：所述步骤1中，所述电极板(5)设置为圆形薄板，金属材质，直径为反冲管(1)直径的10-100倍。

3.根据权利要求1所述的一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法，其特征在于：所述步骤1中，接闪电极(4)和尖端电极(3)均设置为金属材质，接闪电极(4)密封堵在反冲管(1)的底部。

4.根据权利要求1所述的一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法，其特征在于：所述步骤1中，反冲管(1)的外侧设置有裙边(6)，裙边(6)套设环绕在反冲管(1)的外侧，所述裙边(6)的直径比电极板(5)的直径小。

5.根据权利要求1所述的一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法，其特征在于：所述步骤1中，反冲管(1)和电极板(5)的外侧设置有绝缘包裹层(7)，裙边(6)套设在绝缘包裹层(7)外。

6.根据权利要求1所述的一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧方法，其特征在于：所述步骤1中，所述电极板(5)的下方设有一根支撑杆(9)，支撑杆(9)顶端与电极板(5)电气连接，支撑杆(9)末端安装在建筑物或电气设备上。

7.一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧避雷针，其特征在于：包括一根内部空心的反冲管(1)，反冲管(1)底部设置在电极板(5)上，反冲管(1)的内部底端设置有接闪电极(4)和尖端电极(3)，尖端电极(3)设置在接闪电极(4)上，接闪电极(4)与电极板(5)接触设置。

8.根据权利要求7所述的一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧避雷针，其特征在于：所述电极板(5)设置为圆形薄板，金属材质，直径为反冲管(1)直径的10-100倍，接闪电极(4)和尖端电极(3)均设置为金属材质，接闪电极(4)密封堵在反冲管(1)的底部。

9.根据权利要求7所述的一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧避雷针，其特征在于：所述反冲管(1)的外侧设置有裙边(6)，裙边(6)套设环绕在反冲管(1)的外侧，所述裙边(6)的直径比电极板(5)的直径小，反冲管(1)和电极板(5)的外侧设置有绝缘包裹层(7)，裙边(6)套设在绝缘包裹层(7)外。

10.根据权利要求7所述的一种库仑力牵引反冲间歇遮断电弧避雷针，其特征在于：所述电极板(5)的下方设有一根支撑杆(9)，支撑杆(9)顶端与电极板(5)电气连接，支撑杆(9)末端安装在建筑物或电气设备上，反冲管(1)的管壁由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成。

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