CN114628999B - 一种基于液电效应的衰减避雷针及其灭弧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于液电效应的衰减避雷针及其灭弧方法,属于防雷灭弧技术领域,避雷针包括引弧单元、一个及一个以上的液电灭弧单元和接地螺杆,引弧单元设置在液电灭弧单元的顶端,接地螺杆设置在液电灭弧单元的底端并接地设置。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。有效抑制残压,液体灭弧单元能够迅速截断电弧,减小电流的幅值,避免泄放雷电流造成巨大残压,对电力设备造成损坏,冲击电弧重燃被延迟,绝缘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
技术领域
本发明涉及防雷灭弧技术领域,尤其涉及一种基于液电效应的衰减避雷针及其灭弧方法。
背景技术
国家标准《交流无间隙金属氧化物避雷器》规定避雷器标准散热时间为60s,而多重雷击间隔时间为30ms。避雷器是依靠其内部的阀片非线性电阻由高阻状态转变成低阻状态,使雷电流流经避雷器内部导入大地,从而降低绝缘子两端的电位差。但避雷器的阻值转变存在时滞效应,在多重雷击条件下,极易导致残压超标。避雷器的特殊结构需要具有优异的密封性能,故当巨大的雷电能量在其中积累时,密闭结构又影响了热量泄放的通畅性,加上集肤效应导致阀片内部电流分布不均匀,直接导致避雷器内部热击穿。热击穿后的避雷器形成了短路点,造成输电线路故障,增大了线路故障排除的困难,极大增加了运行维护的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液电效应的衰减避雷针及其灭弧方法,解决现有避雷器冲击电流耐受电流低和阀片时滞效应引起的残余高的技术问题。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种基于液电效应的衰减避雷针,包括引弧单元、一个及一个以上的液电灭弧单元和接地螺杆,引弧单元设置在液电灭弧单元的顶端,接地螺杆设置在液电灭弧单元的底端并接地设置。
进一步地,液电灭弧单元包括绝缘壳体、电极、内绝缘壳体、液体介质、隔温层、绝缘板和裙边,绝缘板密封设置在内绝缘壳体的两端,电极设置在内绝缘壳体的两端,电极穿过绝缘板伸入内绝缘壳体内,液体介质设置在内绝缘壳体内,隔温层设置在内绝缘壳体的外侧,绝缘壳体设置在隔温层的外侧,裙边设置在绝缘壳体的外侧。
进一步地,内绝缘壳体的内壁上设置有弹性层,弹性层设置在液体介质与内绝缘壳体的内壁之间。
进一步地,绝缘板设置为盖套板结构,盖套板结构与内绝缘壳体螺纹连接,盖套板结构的中部设置有通孔柱,通孔柱伸入内绝缘壳体内,电极穿过通孔柱设置。
进一步地,电极包括半球体、下杆和上杆,上杆设置在半球体的上端,下杆设置在半球体的底端,半球体的平面端设置在绝缘板的外侧。
进一步地,引弧单元包括若干根引弧针和半球形壳体,半球形壳体设置在液电灭弧单元上,若干根引弧针发散型设置在半球形壳体上。
一种基于液电效应的衰减避雷针的灭弧方法,雷电形成前,雷云与大地之间形成一个雷电场,由于静电感应,由于库仑力感应出电荷,当发生雷击时,将类电流引入引弧单元,然后经过液电灭弧单元击穿,形成放电通道,产生液电效应、反射冲击波叠加效应和产生帕斯卡效应,形成冲击波,以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道,冲击波发生反弹,形成方向指向管中心的作用力,截断电弧。
进一步地,反射冲击波叠加效应的具体过程为:
冲击波和反射冲击波相遇叠加,发生干涉现象,使得振动加强振动的能量增大,当电弧进入含有乳化混合液的灭弧通道时,液相放电所产生的等离子体温度高达1500-3000K,通道内产生的高温、高压无法及时向外泄露,冲击波在灭弧通道的内壁面上来回反射,内壁面反射波相互叠加使超压峰值增大。
若乳化剂是离子型的表面活性剂,则在界面上,由于电离还有吸附作用,使得乳状液的液滴带有电荷,其电荷大小依电离强度而定;而对非离子表面活性剂,则由于吸附还有摩擦作用,使得液滴带有电荷,其电荷大小与外相离子浓度及介电常熟和摩擦常数有关,带电的液滴靠近时,产生排斥力,使得难以聚结,因而提高乳状液的稳定性,乳状液的带电液滴在界面的两侧构成双电层结构,双电层的排斥作用由此产生极大地力学效应,在绝缘管内部产生反射冲击压力,作用于电弧。
进一步地,产生帕斯卡效应的具体过程为:密封管结构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,则从绝缘管管内的放电通道开始,以更大的作用力冲击四周的液体介质,该作用力在碰到绝缘管壁后发生反弹,形成方向指向绝缘管中心的作用力,增强液电效应中产生冲击压力以及占位压强峰值,双重的压力源共同被放大力的作用,截断电弧,且在绝缘管中的电弧越长,对绝缘管壁的作用力也就越大,反过来截断电弧的冲击压力也就越大,阻止了电弧的二次重燃。
进一步地,内绝缘壳体内设置有弹性层,弹性层增大受力面积,减小管内压强,设置在绝缘管内的弹性层的弹性材料在其表面具有小凹坑,增大绝缘管内壁的受力面积,同时也提高表面的粗糙程度,由于压力与面积之间满足关系为:P=F/S,即受力面积与压强之间成反比,在密封管结构的内绝缘壳体内增加弹性层后,密封管结构的内绝缘壳体内部在受到电弧冲击作用下,管内最大压强比未增加弹性材料前低,避免管内压强过大,造成绝缘管爆炸的状况;
同时避免因帕斯卡效应产生的作用力直接冲击绝缘管,管内冲击波首先对弹性绝缘材料形成冲击作用力,减小作用在绝缘管内表面的反作用力,避免硬度较小的绝缘管因直接受到反作用力的冲击而发生断裂。
本发明由于采用了上述技术方案,具有以下有益效果:
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,有效抑制残压,液体灭弧单元能够迅速截断电弧,减小电流的幅值,避免泄放雷电流造成巨大残压,对电力设备造成损坏,冲击电弧重燃被延迟,绝缘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。
附图说明
图1是本发明避雷针结构示意图;
图2是本发明液电灭弧单元结构示意图。
附图中,1-绝缘壳体,2-电极,3-内绝缘壳体,4-液体介质,5-隔温层,6-弹性层,7-绝缘板,8-裙边,9-引弧单元,10-液电灭弧单元,11-接地螺杆。
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,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。
如图1所示,一种基于液电效应的衰减避雷针,包括引弧单元9、一个及一个以上的液电灭弧单元10和接地螺杆11,引弧单元9设置在液电灭弧单元10的顶端,接地螺杆11设置在液电灭弧单元10的底端并接地设置。液电灭弧单元10可以是多个串接一起,也可以是与氧化锌阀片串接,实现了对雷电流的衰减灭弧。
本发明实施例中,如图2所示,液电灭弧单元10包括绝缘壳体1、电极2、内绝缘壳体3、液体介质4、隔温层5、绝缘板7和裙边8,绝缘板7密封设置在内绝缘壳体3的两端,电极2设置在内绝缘壳体3的两端,电极2穿过绝缘板7伸入内绝缘壳体3内,液体介质4设置在内绝缘壳体3内,隔温层5设置在内绝缘壳体3的外侧,绝缘壳体1设置在隔温层5的外侧,裙边8设置在绝缘壳体1的外侧。绝缘壳体1为弹性绝缘管,使用橡胶材料或者环氧树脂材料制成。
本发明实施例中,内绝缘壳体3的内壁上设置有弹性层6,弹性层6设置在液体介质4与内绝缘壳体3的内壁之间。弹性层6增大受力面积,减小管内压强,设置在绝缘管内的弹性层6的弹性材料在其表面具有小凹坑,增大绝缘管内壁的受力面积,同时也提高表面的粗糙程度,由于压力与面积之间满足关系为:P=F/S,即受力面积与压强之间成反比,弹性层6为橡胶层。如果加多了弹性层6后,内绝缘壳体3可以为硬质管。
本发明实施例中,绝缘板7设置为盖套板结构,盖套板结构与内绝缘壳体3螺纹连接,盖套板结构的中部设置有通孔柱,通孔柱伸入内绝缘壳体3内,电极2穿过通孔柱设置。
通过螺纹连接,安装更加的方便,同时内部放置有密封圈或者密封浇水等,固定就更加的稳定。
本发明实施例中,电极2包括半球体、下杆和上杆,上杆设置在半球体的上端,下杆设置在半球体的底端,半球体的平面端设置在绝缘板7的外侧。半球体主要是增大了受力的面积,就是往外冲击时,可以把力分散,避免电极2被冲出的情况。
本发明实施例中,引弧单元9包括若干根引弧针和半球形壳体,半球形壳体设置在液电灭弧单元10上,若干根引弧针发散型设置在半球形壳体上。多根引弧针可以对雷电流更好的吸引。
一种基于液电效应的衰减避雷针的灭弧方法,雷电形成前,雷云与大地之间形成一个雷电场,由于静电感应,由于库仑力感应出电荷,当发生雷击时,将类电流引入引弧单元9,然后经过液电灭弧单元10击穿,形成放电通道,产生液电效应、反射冲击波叠加效应和产生帕斯卡效应,形成冲击波,以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道,冲击波发生反弹,形成方向指向管中心的作用力,截断电弧。
反射冲击波叠加效应的具体过程为:
冲击波和反射冲击波相遇叠加,发生干涉现象,使得振动加强振动的能量增大,当电弧进入含有乳化混合液的灭弧通道时,液相放电所产生的等离子体温度高达1500-3000K,通道内产生的高温、高压无法及时向外泄露,冲击波在灭弧通道的内壁面上来回反射,内壁面反射波相互叠加使超压峰值增大;
若乳化剂是离子型的表面活性剂,则在界面上,由于电离还有吸附作用,使得乳状液的液滴带有电荷,其电荷大小依电离强度而定;而对非离子表面活性剂,则由于吸附还有摩擦作用,使得液滴带有电荷,其电荷大小与外相离子浓度及介电常熟和摩擦常数有关,带电的液滴靠近时,产生排斥力,使得难以聚结,因而提高乳状液的稳定性,乳状液的带电液滴在界面的两侧构成双电层结构,双电层的排斥作用由此产生极大地力学效应,在绝缘管内部产生反射冲击压力,作用于电弧。
产生帕斯卡效应的具体过程为:密封管结构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,则从绝缘管管内的放电通道开始,以更大的作用力冲击四周的液体介质,该作用力在碰到绝缘管壁后发生反弹,形成方向指向绝缘管中心的作用力,增强液电效应中产生冲击压力以及占位压强峰值,双重的压力源共同被放大力的作用,截断电弧,且在绝缘管中的电弧越长,对绝缘管壁的作用力也就越大,反过来截断电弧的冲击压力也就越大,阻止了电弧的二次重燃。
内绝缘壳体3内设置有弹性层6,弹性层6增大受力面积,减小管内压强,设置在绝缘管内的弹性层6的弹性材料在其表面具有小凹坑,增大绝缘管内壁的受力面积,同时也提高表面的粗糙程度,由于压力与面积之间满足关系为:P=F/S,即受力面积与压强之间成反比,在密封管结构的内绝缘壳体3内增加弹性层6后,密封管结构的内绝缘壳体3内部在受到电弧冲击作用下,管内最大压强比未增加弹性材料前低,避免管内压强过大,造成绝缘管爆炸的状况。
弹性层6还反射液电效应的基波,使得基波作用在电弧通道上,电弧更容易熄灭,减少了管壁承受的瞬间压力,避免绝缘管炸裂。
液体介质采用油和水的乳化混合液或者绝缘油,油被水分割后被裹在内,油颗粒外表通过水连成一片,构成完整的水介质放电通道,保留单纯水介质的击穿特性,电弧沿水介质放电过程中,电弧等离子体又受到绝缘油包裹产生的不可压缩性制约,产生压强和衰减冲击波传导压强,由于雷电弧冲击时间短,液体无法瞬时发生变形和位移,此时可将混合液视为自身不会被压缩的激波传递介质,且比普通单一液体更难压缩的一种介质,混合液粘度更高、表面张力更大,故乳化混合液在维持自身原有状态的力会变大,在电弧占位击穿混合液产生的压力作用下,在电弧和乳化混合液的接触面会同步产生数百兆帕级的压强,百兆帕级同步压强反作用于电弧并遮断电弧,以消除电弧的占位,确保高粘度混合液体不可压缩性,同时高粘度液体可以吸收更多的传导冲击波的能量,衰减压力强度,降低对反冲灭弧结构的冲击力,提高结构的可靠性和耐用性。
绝缘油条件下的液电效应冲击电弧击穿绝缘油过程中,电弧的在极短时间内对绝缘油提出体积占位要求,由于绝缘油的粘度大,在极短时间内来不及位移让出电弧占位空间,形成电弧占位与绝缘油来不及位移让出空间位置的强烈对抗,由此产生百兆帕的机械压强峰值激波,激波反作用到工频电弧本体,提高液电效应激波压强峰值和同时减小液电效应压强峰值时间的因素包括:绝缘强度会提高击穿场强的同时,形成高场强极快电子崩过程,由此提高电弧击穿速度,增加电弧空间占位的突发性,绝缘油高粘度减缓空间让位速度,高比热容会吸收大量电弧热量,降低电弧温度。
同时避免因帕斯卡效应产生的作用力直接冲击绝缘管,管内冲击波首先对弹性绝缘材料形成冲击作用力,减小作用在绝缘管内表面的反作用力,避免硬度较小的绝缘管因直接受到反作用力的冲击而发生断裂。
绝缘油条件下的液电效应绝缘油液电效应灭弧过程包括:绝缘油击穿过程、液电效应过程、灭弧过程和抑制重燃过程。绝缘油高粘度,高比热容和高介质强度对液电效应压强峰值和峰值时间的影响;压强峰值和峰值时间对灭弧阈值和灭弧时间的影响;密封结构对压强峰值及峰值时间的影响。
1、液电效应压强峰值时间的减小,减小了灭弧效应时间,形成灭弧的早期干预,有利于形成以快制强灭弧态势。
2、液电效应压强峰值的提高,可以提高灭弧阈值。形成灭弧压强远大于电弧抗遮断压强的不对称态势,由此提高灭弧阈值。
3、与水相比绝缘油击穿场强高,有利于提高液电效应压强峰值和减小压强峰值时间:绝缘油具有比空气和水高得多的绝缘强度和击穿场强,在相同间隙距离下,击穿电压和击穿过程的突发性都会随之提高,提高击穿电压可以增加电流出现的突发性。击穿后电流稳态值随着击穿电压的提高而提高,导致电流变化率增大,与电流变化率呈比例的液电效应压强峰值也随之提高。电流变化率的提高,也相应提高了液电效应压强爬升速度,由此减小液电效应压强峰值时间。
4、与水相比绝缘油的大粘度有利于提高液电效应压强峰值和建雄压强峰值时间。绝缘油粘度大,必然导致分子之间的结合力增大,伴随电弧击穿过程出现的电弧空间占位难度增加,电弧挤压绝缘油过程实现空间占位需要的压强随之增大,电弧施加到绝缘油的压强也随之增大,绝缘油反作用到电弧的灭弧压强也随之增大。由于绝缘油大粘度特性抗拒击穿电弧体积占位的灵敏度增大,在极小击穿电流条件下,为了反抗小电弧体积占位,就能产生极高的液电效应压强,由此减小压液电效应压强峰值时间和提高压强峰值。
5、与水相比绝缘油具有更高的稳定性:绝缘油为有机高分子材料,不易分解、气化和老化,物理化学性能更加稳定,满足多次重复灭弧和免维护灭弧要求。
6、与水比较绝缘油比热容更高:绝缘油的比热容大,可以吸收大量电弧温度,对电弧产生冷却作用,提高电弧的脆弱性和易灭性;
7、与水相比绝缘油具有更好的介质强度恢复性:液电效应遮断电弧后,电弧断口被绝缘油充斥,绝缘油击穿场强高于水,由此提高了抗重燃特性。
8、与水相比绝缘油液电效应灭弧阈值更到大:通过绝缘油液电效应压强具有更高灵敏度的特点,灭弧启动时间提前,能够在建弧起始段熄灭更高的预期电流电流,满足40kA全尺度工频短路电流灭弧要求。
9、与水相比绝缘油液电效应灭弧速度按快:绝缘油液电效应灭弧具有更高的灭弧灵敏度,导致灭弧时间提前。熄灭40kA全尺度短路电流的时间为几十到几百微秒,小于几十毫秒的继电保护出口响应时间,满足在继电保护响应时间之前熄灭40kA全尺度工频短路电流的要求。
10、使用范围广:绝缘油液电效应从减小灭弧激波压强峰值时间、提高灭弧激波压强峰值和介质恢复强度大三个维度,提高了灭弧阈值,减小了灭弧时间,为解决雷击跳闸提供了新方法。适用于10kV、35kV、110kV、220kV、500kV、800kV和1000kV电压等级的灭弧要求。
11、各电压等级的绝缘配合:通过控制液电效应灭弧段长度和空气间隙长度,可以实现任意电压等级下的绝缘配合要求。
12、与水和阀片相比,绝缘油液电效应灭弧更加迅速,没有阀片存在的“时滞”效应,没有水介质液电效应过程由于低粘度和低击穿场强导致的压强峰值较低、压强峰值时间滞后和介质恢复强度低,会导致灭弧时间长和易重燃而产生较大发热量,引发水气化和分解导致结构受损的后果,提高了绝缘油液电效应防雷的安全性和耐用性。
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 (2)
1.一种基于液电效应的衰减避雷针的灭弧方法,其特征在于:所述基于液电效应的衰减避雷针包括引弧单元(9)、一个及一个以上的液电灭弧单元(10)和接地螺杆(11),引弧单元(9)设置在液电灭弧单元(10)的顶端,接地螺杆(11)设置在液电灭弧单元(10)的底端并接地设置;
液电灭弧单元(10)包括绝缘壳体(1)、电极(2)、内绝缘壳体(3)、液体介质(4)、隔温层(5)、绝缘板(7)和裙边(8),绝缘板(7)密封设置在内绝缘壳体(3)的两端,电极(2)设置在内绝缘壳体(3)的两端,电极(2)穿过绝缘板(7)伸入内绝缘壳体(3)内,液体介质(4)设置在内绝缘壳体(3)内,隔温层(5)设置在内绝缘壳体(3)的外侧,绝缘壳体(1)设置在隔温层(5)的外侧,裙边(8)设置在绝缘壳体(1)的外侧,所述液体介质(4)采用油和水的乳化混合液;
内绝缘壳体(3)的内壁上设置有弹性层(6),弹性层(6)设置在液体介质(4)与内绝缘壳体(3)的内壁之间;绝缘板(7)设置为盖套板结构,盖套板结构与内绝缘壳体(3)螺纹连接,盖套板结构的中部设置有通孔柱,通孔柱伸入内绝缘壳体(3)内,电极(2)穿过通孔柱设置;电极(2)包括半球体、下杆和上杆,上杆设置在半球体的上端,下杆设置在半球体的底端,半球体的平面端设置在绝缘板(7)的外侧;
引弧单元(9)包括若干根引弧针和半球形壳体,半球形壳体设置在液电灭弧单元(10)上,若干根引弧针发散型设置在半球形壳体上;
雷电形成前,雷云与大地之间形成一个雷电场,由于静电感应,由于库仑力感应出电荷,当发生雷击时,将雷电流引入引弧单元(9),然后经过液电灭弧单元(10)击穿,形成放电通道,产生液电效应、反射冲击波叠加效应和帕斯卡效应,形成冲击波,以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道,冲击波发生反弹,形成方向指向管中心的作用力,截断电弧;
反射冲击波叠加效应的具体过程为:
冲击波和反射冲击波相遇叠加,发生干涉现象,使得振动加强,振动的能量增大,当电弧进入含有乳化混合液的灭弧通道时,液相放电所产生的等离子体温度高达1500-3000K,通道内产生的高温、高压无法及时向外泄漏,冲击波在灭弧通道的内壁面上来回反射,内壁面反射波相互叠加使超压峰值增大;
若乳化剂是离子型的表面活性剂,则在界面上,由于电离还有吸附作用,使得乳状液的液滴带有电荷,其电荷大小依电离强度而定;而对非离子表面活性剂,则由于吸附还有摩擦作用,使得液滴带有电荷,其电荷大小与外相离子浓度及介电常数和摩擦常数有关,带电的液滴靠近时,产生排斥力,使得难以聚结,因而提高乳状液的稳定性,乳状液的带电液滴在界面的两侧构成双电层结构,双电层的排斥作用由此产生极大地力学效应,在绝缘管内部产生反射冲击压力,作用于电弧;
内绝缘壳体(3)内设置有弹性层(6),弹性层(6)增大受力面积,减小管内压强,设置在绝缘管内的弹性层(6)的弹性材料在其表面具有凹坑,增大绝缘管内壁的受力面积,同时也提高表面的粗糙程度,由于压力与面积之间满足关系为:P=F/S,即受力面积与压强之间成反比,在密封管结构的内绝缘壳体(3)内增加弹性层(6)后,密封管结构的内绝缘壳体(3)内部在受到电弧冲击作用下,管内最大压强比未增加弹性材料前低,避免管内压强过大,造成绝缘管爆炸的状况;
弹性层(6)还反射液电效应的激波,使得激波作用在电弧通道上,电弧更容易熄灭,减少了管壁承受的瞬间压力,避免绝缘管炸裂;
同时避免因帕斯卡效应产生的作用力直接冲击绝缘管,管内冲击波首先对弹性绝缘材料形成冲击作用力,减小作用在绝缘管内表面的反作用力,避免绝缘管因直接受到反作用力的冲击而发生断裂。
2.根据权利要求1述的一种基于液电效应的衰减避雷针的灭弧方法,其特征在于:产生帕斯卡效应的具体过程为:密封管结构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,则从绝缘管管内的放电通道开始,以更大的作用力冲击四周的液体介质,该作用力在碰到绝缘管壁后发生反弹,形成方向指向绝缘管中心的作用力,增强液电效应中产生冲击压力以及占位压强峰值,双重的压力源共同被放大力的作用,截断电弧,且在绝缘管中的电弧越长,对绝缘管壁的作用力也就越大,反过来截断电弧的冲击压力也就越大,阻止了电弧的二次重燃。
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