CN113594878A - 一种基于液电效应灭弧防雷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液电效应灭弧防雷装置，属于灭弧防雷技术领域，灭弧防雷装置设置为一个密封管，密封管两端分别设置上电极和下电极密封设置，密封管内设置有绝缘油，密封管的侧边设置有裙边。本发明截断电弧迅速，电弧在液体中放电产生液电效应，迅速形成冲击压力波，冲击电弧在刚刚形成之时就立即被截断。冲击电弧重燃被延迟，陶瓷管内的高压破坏了持续放电条件和重燃条件，截断冲击电弧后，重燃击穿时间被大幅度延迟十几到几十微秒以上，雷电流的陡度显著降低90％，电流幅值衰减50％以上。

Description

一种基于液电效应灭弧防雷装置

技术领域

本发明涉及灭弧防雷技术领域，尤其涉及一种基于液电效应灭弧防雷装置。

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。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。

现有的防雷灭弧装置能使主动式灭弧并联间隙的伏秒特性变得更为平坦，但是现有的防雷灭弧装置仅能减小雷电流的波头陡度，无法进一步衰减雷电流幅值大小，衰减雷电流的能力有限。因此，需要设计一种灭弧防雷装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液电效应灭弧防雷装置，解决现有的防雷灭弧装置衰减电流幅值大小能力有限的技术问题。提高单防雷灭弧装置在灭弧过程中对大电流的衰减强度。增强防雷灭弧装置在灭弧过程中的灭弧压强，既能衰减雷电流幅值大小，也可以延长电弧的放电时间，避免瞬时雷电流幅值过大对输电线路造成损坏。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于液电效应灭弧防雷装置，灭弧防雷装置设置为一个密封管，密封管两端分别设置上电极和下电极密封设置，密封管内设置有绝缘油，密封管的侧边设置有裙边。

进一步地，密封管还包括陶瓷管和保护外壳，保护外壳设置在陶瓷管的外侧，裙边设置在保护外壳的外侧。

进一步地，上电极包括上层石墨电极、中间金属电极和下层石墨电极，中间金属电极固定在陶瓷管和保护外壳的一端，上层石墨电极设置在中间金属电极的上层，下层石墨电极设置在中间金属电极的底部，且设置在陶瓷管内，下电极包括上端石墨电极和底部金属电极，底部金属电极固定在陶瓷管和保护外壳的另一端，上端石墨电极设置在陶瓷管内，且与底部金属电极连接。

进一步地，由两个以上的灭弧防雷装置，若干个灭弧防雷装置首尾相接固定连接，最低端的灭弧防雷装置的低端接地。

进一步地，灭弧防雷装置的顶端或者底端设置有反冲灭弧结构，反冲灭弧结构包括接闪电极、反冲管体、裙边和底部接闪电极，接闪电极设置在反冲管体的顶端，裙边设置在反冲管体的侧边，反冲管体内部设置为反冲空孔，反冲空孔的低端设置有底部接闪电极，所述接闪电极和底部接闪电极均为石墨电极。

进一步地，反冲灭弧结构设置在顶端时，反冲灭弧结构内设置有绝缘液体，所述底部接闪电极密封设置在反冲空孔的底部。

进一步地，灭弧防雷装置灭弧的具体过程为，

步骤1：在充满绝缘油的密封管内引发电弧放电时，液电效应产生冲向侧壁的击波；

步骤2：帕斯卡效应增强液电效应，电弧作用在绝缘油上时，静止的绝缘油某一部分发生压强变化时，将大小不变地向密封管内侧各个方向传递；

步骤3：液电效应和帕斯卡效应的冲击波冲击到侧边后返回冲击，集中对准中心的电弧通道进行冲击灭弧，完成灭弧。

进一步地，步骤1中的具体过程为，在充满绝缘油的陶瓷管内引发电弧放电，放电通道中的部分绝缘油瞬间被汽化、分解、电离成高温等离子体而突然膨胀，形成一个迅速向外传播的机械压力波，但由于液体可视为自身不会被压缩的激波传递介质，所以在放电通道进行液相放电时，对外界表现出功率的力学效应，在陶瓷管中形成冲击陶瓷管壁的作用力，由于力的相互性，陶瓷管管壁在绝缘油介质中产生冲击波。

进一步地，步骤2中的具体过程为，当冲击电弧作用在金属电极上，给陶瓷管内的绝缘油施加压强，根据帕斯卡原理，封闭容器中的静止流体的某一部分发生压强变化，将大小不变地向各个方向传递，则从陶瓷管内的放电通道开始，以更大的作用力冲击四周的绝缘油介质，该作用力在碰到陶瓷管壁后发生反弹。

进一步地，步骤3的具体过程为，由于陶瓷管内壁的反作用，冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，方向指向陶瓷管中心的作用力，增强液电效应中产生冲击压力，达到截断电弧的目的，且在陶瓷管中形成的电弧越长，对陶瓷管壁的作用力也就越大，反过来截断电弧的冲击力也就越大。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明截断电弧迅速，电弧在液体中放电产生液电效应，迅速形成冲击压力波，冲击电弧在刚刚形成之时就立即被截断；

(2)冲击电弧重燃被延迟，陶瓷管内的高压破坏了持续放电条件和重燃条件，截断冲击电弧后，重燃击穿时间被大幅度延迟十几到几十微秒以上，雷电流的陡度显著降低90％，电流幅值衰减50％以上；

(3)有效防护直击雷过电压，当雷电放电的先导通道击中输电线路的导线、杆塔或其他建筑物时，基于帕斯卡原理的灭弧方法能够减小过电压幅值，并延长放电时间。避免了直击雷过电压对设备、装置造成的损坏；

(4)避免电磁感应过电压损坏设备，雷击放电过程中，放电通道周围空间产生瞬变的强电磁场，产生更高的电磁感应电动势干扰信号线、甚至损坏仪器设备。基于帕斯卡原理的灭弧方法通过反冲作用力截断电弧，不仅延缓了电弧的放电时间，也降低了雷电波的陡度。避免了感应电磁过电压对电力电子元器件、通讯信号等造成危害。

附图说明

图1是本发明第一灭弧防雷装置结构示意图；

图2是本发明第二种灭弧防雷装置结构示意图；

图3是本发明第三种灭弧防雷装置结构示意图；

图4是本发明装置高压密封结构示意图；

图5是本发明装置外部加固结构示意图。

附图中，1-上电极，2-绝缘油，3-陶瓷管，4-裙边，5-保护外壳，6-下电极，7-接闪电极，8-反冲管体，9-反冲管裙边，10-底部接闪电极，11-反冲空孔，12-绝缘液体。

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。

实施例1：

如图1所示，一种基于液电效应灭弧防雷装置，灭弧防雷装置设置为一个密封管，密封管两端分别设置上电极1和下电极6密封设置，密封管内设置有绝缘油2，密封管的侧边设置有裙边4。密封管还包括陶瓷管3和保护外壳5，保护外壳5设置在陶瓷管3的外侧，裙边4设置在保护外壳5的外侧。上电极1包括上层石墨电极、中间金属电极和下层石墨电极，中间金属电极固定在陶瓷管3和保护外壳5的一端，上层石墨电极设置在中间金属电极的上层，下层石墨电极设置在中间金属电极的底部，且设置在陶瓷管3内，下电极6包括上端石墨电极和底部金属电极，底部金属电极固定在陶瓷管3和保护外壳5的另一端，上端石墨电极设置在陶瓷管3内，且与底部金属电极连接。

通过在接闪的地方设置为石墨电极，可以有效的提高使用寿命。

石墨电极导电性好，易将电弧引入反冲管中：石墨是一种非金属材料，石墨的导电性比一般非金属矿高100倍。石墨中每个碳原子的周边联结着另外三个碳原子，排列成蜂巢式的多个六边形，由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。一般来说，石墨电极的放电加工速度要比铜电极整体快1.5～2倍。在雷击输电线路的时候，石墨电极能够起到引弧的作用，使电弧能够顺利进入到灭弧管。

石墨电极熔点极高，能承受更大的电流，不易变形：石墨电极具有能承受大电流条件的特性。铜的软化点在1000度左右，容易因受热而产生变形；而石墨升华温度在3650度左右。强度在5000安培到5万安培之间的雷击电流，产生的雷击温度最高超过3000度。所以金属电极在雷击大电流作用下极易变形，产生金属粉末，发生飞溅，损坏灭弧室的结构，影响反冲灭弧的效果，而采用石墨电极可以有效解决上述问题。

石墨电极的损耗小：石墨电极具有能承受大电流条件的特性，在雷电弧作用下，产生极性效应，部分蚀除物、碳颗粒会粘附在电极表面形成一层保护层，保证了石墨电极在反冲灭弧作用过程中的损耗极小，甚至是“零损耗”。

装有绝缘油的陶瓷管以高硬度耐高温耐高压的无机非金属材料构成，呈圆柱状；陶瓷管与外壳紧密连接，外壳以绝缘材料制成，目的起到固定陶瓷管的作用；陶瓷管内部的半封闭空间，装有绝缘油，是电弧弹性碰撞的区域；圆柱形陶瓷管上下端均采用导电极密封。

灭弧防雷装置灭弧的具体过程为：

步骤1：在充满绝缘油的密封管内引发电弧放电时，液电效应产生冲向侧壁的击波。在充满绝缘油的陶瓷管内引发电弧放电，放电通道中的部分绝缘油瞬间被汽化、分解、电离成高温等离子体而突然膨胀，形成一个迅速向外传播的机械压力波。但由于液体可视为自身不会被压缩的激波传递介质，所以在放电通道进行液相放电时，对外界表现出超高功率的力学效应。在陶瓷管中形成冲击陶瓷管壁的作用力，由于力的相互性，陶瓷管管壁在绝缘油介质中产生强大的冲击波，以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，冲击电弧并使其截断。

步骤2：帕斯卡效应增强液电效应，电弧作用在绝缘油2上时，静止的绝缘油2某一部分发生压强变化时，将大小不变地向密封管内侧各个方向传递。帕斯卡原理是指：“不可压缩静止流体中任一点受外力产生压力增值后，此压力增值瞬时间传至静止流体各点”，即压强等于作用压力除以受力面积。

当冲击电弧作用在金属电极上，给陶瓷管内的绝缘油施加了一定的压强。根据帕斯卡原理，封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化，将大小不变地向各个方向传递。则从陶瓷管内的放电通道开始，以更大的作用力冲击四周的绝缘油介质，该作用力在碰到陶瓷管壁后发生反弹，形成方向指向陶瓷管中心的作用力，进一步增强了液电效应中产生冲击压力，达到截断电弧的目的。且在陶瓷管中形成的电弧越长，对陶瓷管壁的作用力也就越大，反过来截断电弧的冲击力也就越大。

步骤3：液电效应和帕斯卡效应的冲击波冲击到侧边后返回冲击，集中对准中心的电弧通道进行冲击灭弧，完成灭弧。由于陶瓷管内壁的反作用，冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，方向指向陶瓷管中心的作用力，增强液电效应中产生冲击压力，达到截断电弧的目的，且在陶瓷管中形成的电弧越长，对陶瓷管壁的作用力也就越大，反过来截断电弧的冲击力也就越大。

步骤3中还包括，绝缘油作为灭弧介质和绝缘介质，防止电弧的扩展向四周扩张，电弧产生的能量温度使一部分绝缘油迅速分解为氢气、乙炔、甲烷、乙烷、二氧化碳的气体，油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧，氢气具有很好导热系数，使电弧的热量传递快，由于存在温度差，气泡产生运动，又进一步加快电弧的冷却和熄灭。

当雷击装满绝缘油的陶瓷管时，产生液电效应，形成强大的冲击波，以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，截断电弧。同时，在雷击金属电极的时候，给陶瓷管内的绝缘油施加了一定的压强，根据帕斯卡原理，封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化，将大小不变地向各个方向传递，必将在陶瓷管的内壁上产生更大的作用力。该作用力作用在外壳后发生反弹，形成方向指向陶瓷管中心的作用力，达到截断电弧，减小电流的幅值大小，降低雷电波的陡度，延长电弧的放电时间的目的。

实施例2：

如图2所示，该实施例与实施例1不同的是，由两个以上的灭弧防雷装置，若干个灭弧防雷装置首尾相接固定连接，最低端的灭弧防雷装置的低端接地。将实施例1中的灭弧防雷装置进行固定叠装一起，同时叠装同一条直线上，实现多个阶段的灭弧，使得每户效果更好。

实施例3：

如图3所示，该实施例与实施例1不同的是，灭弧防雷装置的顶端或者底端设置有反冲灭弧结构，反冲灭弧结构包括接闪电极7、反冲管体8、反冲管裙边9和底部接闪电极10，接闪电极7设置在反冲管体8的顶端，反冲管裙边9设置在反冲管体8的侧边，反冲管体8内部设置为反冲空孔11，反冲空孔11的低端设置有底部接闪电极9，所述接闪电极7和底部接闪电极4均为石墨电极。反冲灭弧结构设置在顶端时，反冲灭弧结构内设置有绝缘液体12，所述底部接闪电极9密封设置在反冲空孔11的底部。

通过设置反冲灭弧结构对电弧进行第一阶段反冲灭弧，使得进入到灭弧防雷装置内的电弧变小，可以更好的灭弧，同时该装置可以从上面引弧或者下面引弧，实现两端引弧。

该装置内设置有高压密封结构和外部加固结构，如图4-5所示。

高压密封结构包括塑胶套21、不锈钢垫圈22、O型环23、钢套24、密封硅胶25和挤压固定块26，电极嵌套在密封硅胶25内，密封硅胶25密封设置在陶瓷管的两端，钢套24紧固在密封硅胶25与陶瓷管的连接处的外侧，塑胶套21套设在钢套24和陶瓷管的外侧。不锈钢垫圈22垫设在电极的前端，O型环23设置在密封硅胶25与陶瓷管接触处之间。挤压固定块26设置在密封硅胶25的外侧，挤压固定块26上设置有螺栓孔27，螺栓孔27与不锈钢垫圈22接触设置。密封硅胶25设置为“T”型结构硅胶，“T”型结构硅胶的底部设置为球面凹型结构。

外壳以塑胶绝缘材料制成，目的是起到固定陶瓷管的作用；钢套安装在陶瓷管的两端，固定陶瓷管的端部，防止产生的高强度压力将陶瓷管机械变形；呈半弧形的硅胶包裹着上下电极，在上下电极灭弧时狭小空间，面积小，产生压力分散现象，用半弧形的硅胶包裹电极可以将压力波聚焦，灭弧通道的压力提高数倍，有效遮断电弧。由螺丝向不锈钢垫圈和硅胶组合体产生推力，使其与O型环、陶瓷管紧密配合，达到高压密封的目的，很好地防止了高强度压力外泄，能够保证产生的高强度压力最大化作用在电弧上。

当装置遭到雷击后，产生液电效应，形成强大的冲击压力波，以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，截断电弧。同时，给陶瓷管内的灭弧液体施加了一定的压强，根据帕斯卡原理，封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化，将大小不变地向各个方向传递，必将在陶瓷管的内壁上产生更大的作用力。该作用力作用在外壳后发生反弹，形成方向指向陶瓷管中心的作用力，达到截断电弧，减小电流的幅值大小，降低雷电波的陡度，延长电弧的放电时间的目的，有效灭弧，结构简单，密封性能好。

外部加固结构包括顶部套盖板31、绝缘螺杆33、底部套盖板34和绝缘覆盖层35，顶部套盖板33设置在高压密封装置的顶部，底

部套盖板34设置在高压密封装置的底部，绝缘螺杆33穿过顶部套盖板31和底部套盖板34，并固定设置，绝缘覆盖层35设置在高压密封装置的外侧，顶部套盖板31和底部套盖板34分别顶住挤压固定块26，同时顶部套盖板31和底部套盖板34设置有螺孔。固定效果更好，是的整个灭弧装置能后承受更大的压力。

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)

1.一种基于液电效应灭弧防雷装置，其特征在于：灭弧防雷装置设置为一个密封管，密封管两端分别设置上电极(1)和下电极(6)密封设置，密封管内设置有绝缘油(2)，密封管的侧边设置有裙边(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于液电效应灭弧防雷装置，其特征在于：密封管还包括陶瓷管(3)和保护外壳(5)，保护外壳(5)设置在陶瓷管(3)的外侧，裙边(4)设置在保护外壳(5)的外侧。

3.根据权利要求2所述的一种基于液电效应灭弧防雷装置，其特征在于：上电极(1)包括上层石墨电极、中间金属电极和下层石墨电极，中间金属电极固定在陶瓷管(3)和保护外壳(5)的一端，上层石墨电极设置在中间金属电极的上层，下层石墨电极设置在中间金属电极的底部，且设置在陶瓷管(3)内，下电极(6)包括上端石墨电极和底部金属电极，底部金属电极固定在陶瓷管(3)和保护外壳(5)的另一端，上端石墨电极设置在陶瓷管(3)内，且与底部金属电极连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于液电效应灭弧防雷装置，其特征在于：由两个以上的灭弧防雷装置，若干个灭弧防雷装置首尾相接固定连接，最低端的灭弧防雷装置的低端接地。

5.根据权利要求1所述的一种基于液电效应灭弧防雷装置，其特征在于：灭弧防雷装置的顶端或者底端设置有反冲灭弧结构，反冲灭弧结构包括接闪电极(7)、反冲管体(8)、反冲管裙边(9)和底部接闪电极(10)，接闪电极(7)设置在反冲管体(8)的顶端，反冲管裙边(9)设置在反冲管体(8)的侧边，反冲管体(8)内部设置为反冲空孔(11)，反冲空孔(11)的低端设置有底部接闪电极(9)，所述接闪电极(7)和底部接闪电极(4)均为石墨电极。

6.根据权利要求5所述的一种基于液电效应灭弧防雷装置，其特征在于：反冲灭弧结构设置在顶端时，反冲灭弧结构内设置有绝缘液体(12)，所述底部接闪电极(9)密封设置在反冲空孔(11)的底部。

7.根据权利要求1所述的一种基于液电效应灭弧防雷装置，其特征在于：灭弧防雷装置灭弧的具体过程为，

步骤1：在充满绝缘油的密封管内引发电弧放电时，液电效应产生冲向侧壁的击波；

步骤2：帕斯卡效应增强液电效应，电弧作用在绝缘油(2)上时，静止的绝缘油(2)某一部分发生压强变化时，将大小不变地向密封管内侧各个方向传递；

步骤3：液电效应和帕斯卡效应的冲击波冲击到侧边后返回冲击，集中对准中心的电弧通道进行冲击灭弧，完成灭弧。

8.根据权利要求7所述的一种基于液电效应灭弧防雷装置，其特征在于：步骤1中的具体过程为，在充满绝缘油的陶瓷管内引发电弧放电，放电通道中的部分绝缘油瞬间被汽化、分解、电离成高温等离子体而突然膨胀，形成一个迅速向外传播的机械压力波，但由于液体可视为自身不会被压缩的激波传递介质，所以在放电通道进行液相放电时，对外界表现出功率的力学效应，在陶瓷管中形成冲击陶瓷管壁的作用力，由于力的相互性，陶瓷管管壁在绝缘油介质中产生冲击波。

9.根据权利要求8所述的一种基于液电效应灭弧防雷装置，其特征在于：步骤2中的具体过程为，当冲击电弧作用在金属电极上，给陶瓷管内的绝缘油施加压强，根据帕斯卡原理，封闭容器中的静止流体的某一部分发生压强变化，将大小不变地向各个方向传递，则从陶瓷管内的放电通道开始，以更大的作用力冲击四周的绝缘油介质，该作用力在碰到陶瓷管壁后发生反弹。

10.根据权利要求9所述的一种基于液电效应灭弧防雷装置，其特征在于：步骤3的具体过程为，由于陶瓷管内壁的反作用，冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，方向指向陶瓷管中心的作用力，增强液电效应中产生冲击压力，达到截断电弧的目的，且在陶瓷管中形成的电弧越长，对陶瓷管壁的作用力也就越大，反过来截断电弧的冲击力也就越大。

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