CN114629002A - 一种强化液电效应灭弧方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种强化液电效应灭弧方法及装置，属于防雷灭弧技术领域，装置包括上端液电灭弧装置、下电极、上极金属板、下极金属板和间隙绝缘子，上端液电灭弧装置和下电极分别设置在绝缘子串的两端的横杆上，上端液电灭弧装置与下电极相对设置，上极金属板设置在上端液电灭弧装置的底部，下极金属板设置在下电极的顶部，间隙绝缘子设置在上极金属板和下极金属板之间。通过在上端液电灭弧装置和下电极之间设置间隙绝缘子，从而使得他们形成一个整体，不会因为风吹时出现摇晃，对输电线造成磨损，液电灭弧装置截断电弧迅速，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。
Description
技术领域
本发明涉及防雷灭弧技术领域，尤其涉及一种强化液电效应灭弧方法及装置。
背景技术
现有的架空输配电线路雷电防护体系是以“阻塞型”防雷模式为主，主要措施为架设避雷线和耦合地线、降低杆塔接地电阻、增强线路绝缘和安装线路避雷器等，其主要目的为限制雷击过电压，减少雷击跳闸。但是由于“阻塞型”防雷模式受到其有效性、安全性以及经济性的制约，仅能防护单次的弱雷击，对巨大雷击和多重雷击防护存在巨大空白，雷击跳闸率长期“居高不下”。
现有的“疏导型”防雷模式作为“阻塞型”防雷模式的补充，主要是在绝缘子(串)两端安装并联保护间隙，其结构简单、安装方便，为了确保间隙的放电电压低于绝缘子(串)的放电电压，间隙距离L为绝缘子长度距离L0的0.7～0.8倍，L/L0称为绝缘配合比，其值通常小于1。静态绝缘配合比在有雷、无雷情况下都一样，在有雷情况下，并联保护间隙会优先被击穿，从而避免绝缘子闪络；但在无雷情况下就会破坏工频绝缘强度，降低工频击穿电压，降低线路绝缘水平，容易在工频工作电压与操作过电压下发生间隙击穿，造成误动作。
同时输电线路遭受雷击时会引起冲击闪络，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；如果雷击输电线或避雷线上，可能会引起输电线断裂，使输电工作无法进行。
现有的灭弧装置直接安装悬挂在输电线线上，输电线高度比较高，风力比较大，常常会出现悬挂的每户装置出现摇动，然后磨损输电线，造成输电破坏等。因此，需要设计一种更加稳定，较少输电线磨损的灭弧装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强化液电效应灭弧方法及装置，解决现有的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种强化液电效应灭弧装置，包括上端液电灭弧装置、下电极、上极金属板、下极金属板和间隙绝缘子，上端液电灭弧装置和下电极分别设置在绝缘子串的两端的横杆上，上端液电灭弧装置与下电极相对设置，上极金属板设置在上端液电灭弧装置的底部，下极金属板设置在下电极的顶部，间隙绝缘子设置在上极金属板和下极金属板之间。
进一步地，上端液电灭弧装置包括管体、密封层、上端金属板、下端金属板、绝缘油、上端电极和下端电极，上端金属板和下端金属板设置在管体的两端，密封层设置在上端金属板和下端金属板的内侧，绝缘油设置在管体内，上端电极穿过上端金属板和密封层设置，下端电极穿过下端金属板和密封层设置。
进一步地，管体的内壁设置有弹性层，弹性层为绝缘弹性层，管体的一端设置有绝缘油注入口。
一种强化液电效应灭弧方法，当雷击在杆塔或杆塔附近时，上端液电灭弧装置和下电极绝缘度比侧边的绝缘子串的绝缘度低，上端液电灭弧装置和下电极的间隙通道优先被雷电击穿，电弧从上端液电灭弧装置到下电极，上极金属板和下极金属板发生闪络，在上端液电灭弧装置和下电极内形成放电通道，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，间隙绝缘子将上端液电灭弧装置和下电极连接为一体固定，不会出现摇晃或者移位。
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，当电弧进入绝缘油的灭弧通道时，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。
进一步地，电弧进入密封的管道以后，在充满绝缘油的管内放电，放电通道中的部分液体瞬间被汽化、分解、电离成高温的离子体而膨胀，膨胀后体积为原来的若干千倍，形成一个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，加上电弧本身对液体的占位压力作用，在放电通道进行液相放电时，对外界表现出力学效应，在雷击含有液体的绝缘管管内部，发生陡度预击穿的瞬间，液体在电弧的锤击作用下会同步产生100Mpa以上的压力，由于力的相互作用，绝缘管管壁在绝缘油中产生冲击波，以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，电弧被整体压断熄灭，电弧被熄灭瞬间通过压力释放作用到管内的电弧并使其截断，切断建弧通道。
进一步地，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，则从绝缘管管内的放电通道开始，以更大的作用力冲击四周的绝缘油，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，进一步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，绝缘油在绝缘约束空间内，液电效应是在冲击电弧击穿绝缘油过程中，电弧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，由此产生几百兆帕的机械压强峰值激波，激波反作用到工频电弧本体，形成熄灭40kA全尺度工频电弧作用。
进一步地，上端液电灭弧装置设置为密封约束结构，约束结构通过密封性，消除液电效应灭弧过程中绝缘油飞溅溢出损耗，同时，约束空间对液电效应激波测试波反射的聚焦，进一步提高激波压强峰值增益和压强增益率，起到加速灭弧作用，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，绝缘强度会提高击穿场强的同时，形成电子崩击穿过程，由此提高电弧击穿速度和增加电弧空间占位的突发性，绝缘油减缓空间让位速度，吸收大量电弧热量，降低电弧温度。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明通过在上端液电灭弧装置和下电极之间设置间隙绝缘子，从而使得他们形成一个整体，不会因为风吹时出现摇晃，对输电线造成磨损，液电灭弧装置截断电弧迅速，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，绝缘强度恢复快灭弧结束后罩内的液体快速回流到灭弧通道内并自动分层，准备下次雷击的到来，减少碳排放，液体介质替代阀片后，更加安全清洁，能有效减少碳排放。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2是本发明液电灭弧装置结构示意图。
附图中，1-管体，2-密封层，3-上端金属板，4-下端金属板，5-弹性层，6-绝缘油，7-上端电极，8-下端电极，9-绝缘油注入口，10-裙边，14-上端液电灭弧装置，15-下电极，16-上极金属板，17-下极金属板，18-间隙绝缘子。
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，一种强化液电效应灭弧装置，包括上端液电灭弧装置14、下电极15、上极金属板16、下极金属板17和间隙绝缘子18，上端液电灭弧装置14和下电极15分别设置在绝缘子串的两端的横杆上，上端液电灭弧装置14与下电极15相对设置，上极金属板16设置在上端液电灭弧装置14的底部，下极金属板17设置在下电极15的顶部，间隙绝缘子18设置在上极金属板16和下极金属板17之间。
本发明实施例中，如图2所示，上端液电灭弧装置14包括管体1、密封层2、上端金属板3、下端金属板4、绝缘油6、上端电极7和下端电极9，上端金属板3和下端金属板4设置在管体1的两端，密封层2设置在上端金属板3和下端金属板4的内侧，绝缘油6设置在管体1内，上端电极7穿过上端金属板3和密封层2设置，下端电极9穿过下端金属板4和密封层2设置。
通过在上端液电灭弧装置14和下电极15之间设置间隙绝缘子18进行固定，使得上端液电灭弧装置14和下电极15之间间须距离，也就是绝缘度是不会出现变化，从而保证雷击时，闪络先从上端液电灭弧装置14和下电极15之间出现，传统的上限悬挂的方式每当风大时，出现摇晃，出现绝缘度发生变化，当变大后有可能绝缘度比绝缘子串大，无法出现闪络。同时最主要的是固定为一个整体，安装固定效果更好，避免了在输电线出现摇晃磨损输电线的情况。
管体1为绝缘壳体，使用橡胶材料、者环氧树脂、尼龙玻纤或者PC材料的有弹性的材料制成，使得管体1具有一定的变形能力，在发生液电效应时不会出现破裂的情况。
管体1的内壁设置有弹性层5，弹性层5为绝缘弹性层，管体1的一端设置有绝缘油注入口9。如果设置有弹性层5时，则管体1可以为硬质结构的管体。如果没有这个弹性层，设置为弹性管体是最好的。弹性层5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。
一种强化液电效应灭弧方法，当雷击在杆塔或杆塔附近时，上端液电灭弧装置14和下电极15绝缘度比侧边的绝缘子串的绝缘度低，上端液电灭弧装置14和下电极15的间隙通道优先被雷电击穿，电弧从上端液电灭弧装置14到下电极15，上极金属板16和下极金属板17发生闪络，在上端液电灭弧装置14和下电极15内形成放电通道，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，间隙绝缘子18将上端液电灭弧装置14和下电极15连接为一体固定，不会出现摇晃或者移位。
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，当电弧进入绝缘油的灭弧通道时，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。
电弧进入密封的管道以后，在充满绝缘油的管内放电，放电通道中的部分液体瞬间被汽化、分解、电离成高温的离子体而膨胀，膨胀后体积为原来的若干千倍，形成一个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，加上电弧本身对液体的占位压力作用，在放电通道进行液相放电时，对外界表现出力学效应，在雷击含有液体的绝缘管管内部，发生陡度预击穿的瞬间，液体在电弧的锤击作用下会同步产生100Mpa以上的压力，由于力的相互作用，绝缘管管壁在绝缘油中产生冲击波，以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，电弧被整体压断熄灭，电弧被熄灭瞬间通过压力释放作用到管内的电弧并使其截断，切断建弧通道。
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，则从绝缘管管内的放电通道开始，以更大的作用力冲击四周的绝缘油，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，进一步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。
绝缘油在绝缘约束空间内，液电效应是在冲击电弧击穿绝缘油过程中，电弧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，由此产生几百兆帕的机械压强峰值激波，激波反作用到工频电弧本体，形成熄灭40kA全尺度工频电弧作用。
上端液电灭弧装置14设置为密封约束结构，约束结构通过密封性，消除液电效应灭弧过程中绝缘油飞溅溢出损耗，同时，约束空间对液电效应激波测试波反射的聚焦，进一步提高激波压强峰值增益和压强增益率，起到加速灭弧作用，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，绝缘强度会提高击穿场强的同时，形成电子崩击穿过程，由此提高电弧击穿速度和增加电弧空间占位的突发性，绝缘油减缓空间让位速度，吸收大量电弧热量，降低电弧温度。
液电效应压强峰值时间减小：液电效应压强峰值时间的减小，形成灭弧的早期干预，减小了灭弧响应时间和灭弧完成时间。通过早期干预建弧过程，在工频电弧尚处于极弱的暂态下，进行超强液电效应激波压强灭弧，有利于形成以快制强不对称灭弧态势。
液电效应压强峰值提高：液电效应压强峰值的提高，结合极小液电效应激波压强峰值时间决定的早期干预，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。
绝缘油液电效应灭弧优势的支撑点
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。
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。
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。
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。
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；
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。
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。
与水相比绝缘油液电效应灭弧速度更快：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。
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。
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。
涉及应用场景
架空线绝缘油液电效应灭弧防雷装置：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。
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)
1.一种强化液电效应灭弧装置，其特征在于：包括上端液电灭弧装置(14)、下电极(15)、上极金属板(16)、下极金属板(17)和间隙绝缘子(18)，上端液电灭弧装置(14)和下电极(15)分别设置在绝缘子串的两端的横杆上，上端液电灭弧装置(14)与下电极(15)相对设置，上极金属板(16)设置在上端液电灭弧装置(14)的底部，下极金属板(17)设置在下电极(15)的顶部，间隙绝缘子(18)设置在上极金属板(16)和下极金属板(17)之间。
2.根据权利要求1所述的一种强化液电效应灭弧装置，其特征在于：上端液电灭弧装置(14)包括管体(1)、密封层(2)、上端金属板(3)、下端金属板(4)、绝缘油(6)、上端电极(7)和下端电极(9)，上端金属板(3)和下端金属板(4)设置在管体(1)的两端，密封层(2)设置在上端金属板(3)和下端金属板(4)的内侧，绝缘油(6)设置在管体(1)内，上端电极(7)穿过上端金属板(3)和密封层(2)设置，下端电极(9)穿过下端金属板(4)和密封层(2)设置。
3.根据权利要求2所述的一种强化液电效应灭弧装置，其特征在于：管体(1)的内壁设置有弹性层(5)，弹性层(5)为绝缘弹性层，管体(1)的一端设置有绝缘油注入口(9)。
4.一种强化液电效应灭弧方法，其特征在于：当雷击在杆塔或杆塔附近时，上端液电灭弧装置(14)和下电极(15)绝缘度比侧边的绝缘子串的绝缘度低，上端液电灭弧装置(14)和下电极(15)的间隙通道优先被雷电击穿，电弧从上端液电灭弧装置(14)到下电极(15)，上极金属板(16)和下极金属板(17)发生闪络，在上端液电灭弧装置(14)和下电极(15)内形成放电通道，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，间隙绝缘子(18)将上端液电灭弧装置(14)和下电极(15)连接为一体固定，不会出现摇晃或者移位。
5.根据权利要求4所述的一种强化液电效应灭弧方法，其特征在于：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，当电弧进入绝缘油的灭弧通道时，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。
6.根据权利要求4所述的一种强化液电效应灭弧方法，其特征在于：电弧进入密封的管道以后，在充满绝缘油的管内放电，放电通道中的部分液体瞬间被汽化、分解、电离成高温的离子体而膨胀，膨胀后体积为原来的若干千倍，形成一个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，加上电弧本身对液体的占位压力作用，在放电通道进行液相放电时，对外界表现出力学效应，在雷击含有液体的绝缘管管内部，发生陡度预击穿的瞬间，液体在电弧的锤击作用下会同步产生100Mpa以上的压力，由于力的相互作用，绝缘管管壁在绝缘油中产生冲击波，以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，电弧被整体压断熄灭，电弧被熄灭瞬间通过压力释放作用到管内的电弧并使其截断，切断建弧通道。
7.根据权利要求4所述的一种强化液电效应灭弧方法，其特征在于：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，则从绝缘管管内的放电通道开始，以更大的作用力冲击四周的绝缘油，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，进一步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。
8.根据权利要求4所述的一种强化液电效应灭弧方法，其特征在于：绝缘油在绝缘约束空间内，液电效应是在冲击电弧击穿绝缘油过程中，电弧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，由此产生几百兆帕的机械压强峰值激波，激波反作用到工频电弧本体，形成熄灭40kA全尺度工频电弧作用。
9.根据权利要求4所述的一种强化液电效应灭弧方法，其特征在于：上端液电灭弧装置(14)设置为密封约束结构，约束结构通过密封性，消除液电效应灭弧过程中绝缘油飞溅溢出损耗，同时，约束空间对液电效应激波测试波反射的聚焦，进一步提高激波压强峰值增益和压强增益率，起到加速灭弧作用，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，绝缘强度会提高击穿场强的同时，形成电子崩击穿过程，由此提高电弧击穿速度和增加电弧空间占位的突发性，绝缘油减缓空间让位速度，吸收大量电弧热量，降低电弧温度。
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