CN115621845B - 一种补充液体和强密封的液电效应灭弧装置及其灭弧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种补充液体和强密封的液电效应灭弧装置及其灭弧方法，属于防雷灭弧技术领域，包括保护壳体和裙边，裙边设置在保护壳体的外侧，其特征在于：还包括螺杆、液体介质存储箱、电极装置、补水装置、下电极和灭弧管。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，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，快速熄灭电弧，同时具有蓄液体介质、补液体介质和排气功能，稳定可靠持续有效灭弧。
Description
技术领域
本发明涉及防雷灭弧技术领域，尤其涉及一种补充液体和强密封的液电效应灭弧装置及其灭弧方法。
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。因此需要设计一种灭弧效果更好的液电效应灭弧装置及其灭弧方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种补充液体和强密封的液电效应灭弧装置及其灭弧方法，解决背景技术中提到的技术问题。
液电效应灭弧装置能有效降低雷击电流，使灭弧间隙的伏秒特性变得更为平坦，降低跨步电压和感应过电压的危害。目前液电效应结构灭弧效果不佳，现在对液电效应灭弧装置的结构进行改进，实现长电弧的快速熄灭的同时，提高装置的安全性，防止灭弧防雷装置被破坏，提高灭弧的稳定性和可靠性，实现有效灭弧。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种补充液体和强密封的液电效应灭弧装置，包括保护壳体和裙边，裙边设置在保护壳体的外侧，其特征在于：还包括螺杆、液体介质存储箱、电极装置、补水装置、下电极和灭弧管，灭弧管设置在保护壳体的内部，液体介质存储箱设置在保护壳体的顶端，并通过补水装置与灭弧管连通，下电极设置在灭弧管的底端，螺杆通过电极装置与灭弧管的内部连通，灭弧管内部设置有液体介质。
当雷击液电效应灭弧装置时，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，给反冲管内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，必将在绝缘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，形成方向指向绝缘管中心的作用力，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。该新型液电效应灭弧防雷装置，实现长电弧的快速熄灭，同时具有蓄水、补水和排气功能，稳定可靠持续有效灭弧。
进一步地，电极装置包括连接棒和电极棒，连接棒一端与螺杆连接，另一端与电极棒连接，而电极棒伸灭弧管内。
进一步地，补水装置包括进水孔、补水通道、上盖和出水孔，上盖盖合在电极棒的外侧，补水通道设置在电极棒内侧，进水孔设置在补水通道的上端，并与液体介质存储箱连通，出水孔设置在补水通道的顶部与灭弧管连通。
进一步地，上述方案还包括排气细管，排气细管的底端与灭弧管连通，另一端与外界连通设置。
进一步地，灭弧管的内侧边上设置有弹性层，弹性层设置在灭弧管的内壁与液体介质之间。
一种补充液体和强密封的液电效应灭弧方法，当雷电弧进入灭弧管后，产生液电效应，形成冲击压力波，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，给灭弧管内的灭弧液体施加压强，产生帕斯卡效应，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，在灭弧管的内壁上产生更大的作用力，作用力作用在外壳后发生反弹，形成方向指向灭弧管中心的作用力，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，当灭弧完成后，液体介质存储箱往灭弧管内补充液体介质，同时排气细管将灭弧管的气体排出。
进一步地，液电效应的具体过程为：电弧进入密封的管道以后，在充满液体介质的管内放电，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，绝缘管管壁在液体介质中产生冲击波，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，帕斯卡效应的具体过程为：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，在灭弧管(11)内增加弹性层后，灭弧管(11)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，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，快速熄灭电弧，同时具有蓄液体介质、补液体介质和排气功能，稳定可靠持续有效灭弧。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图。
附图中，1-螺杆；2-液体介质存储箱；3-连接棒；4-进水孔；5-补水通道；6-上盖；7-出水孔；8-排气细管；9-电极棒；10-下电极；11-灭弧管。
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，一种补充液体和强密封的液电效应灭弧装置，包括保护壳体和裙边，裙边设置在保护壳体的外侧，其特征在于：还包括螺杆1、液体介质存储箱2、电极装置、补水装置、下电极10和灭弧管11，灭弧管11设置在保护壳体的内部，液体介质存储箱2设置在保护壳体的顶端，并通过补水装置与灭弧管11连通，下电极10设置在灭弧管11的底端，螺杆1通过电极装置与灭弧管11的内部连通，灭弧管11内部设置有液体介质。保护壳体设置为有弹性结构的绝缘管。
灭弧管11为绝缘壳体，使用橡胶材料或者环氧树脂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。
装有灭弧液体的反冲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；水箱容量可按实际情况调整，水箱内蓄水可通过补水通道达到补水目的；排气孔延伸至水箱液面以上，，目的是将各零件间间隙空气排出；固定电极和灭弧管通过镶嵌方式连接。
液电效应产生冲击波：在充满灭弧液体的反冲管内引发电弧放电，放电通道中的部分液体瞬间被汽化、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。在反冲管中形成冲击管壁的作用力，由于力的相互性，管壁在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。
帕斯卡效应进一步增强液电效应，当冲击电弧作用在金属电极上，给管内的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。则从管内的放电通道开始，以更大的作用力冲击四周的介质，该作用力在碰到管壁后发生反弹，形成方向指向管中心的作用力，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。且在管中形成的电弧越长，对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，实现强有力的灭弧。
当灭弧防雷装置接闪后，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，必将在绝缘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，形成方向指向绝缘管中心的作用力，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。
该新型液电效应灭弧防雷装置，实现长电弧的快速熄灭，同时具有蓄水、补水和排气功能，稳定可靠持续有效灭弧。
本发明实施例中，电极装置包括连接棒3和电极棒9，连接棒3一端与螺杆1连接，另一端与电极棒9连接，而电极棒9伸灭弧管11内。
本发明实施例中，补水装置包括进水孔4、补水通道5、上盖6和出水孔7，上盖6盖合在电极棒9的外侧，补水通道5设置在电极棒9内侧，进水孔4设置在补水通道5的上端，并与液体介质存储箱2连通，出水孔7设置在补水通道5的顶部与灭弧管11连通。进水孔4、补水通道5和出水孔7实现了液体介质的自动补充，从而实现多次重复利用和重复灭弧的效果。
本发明实施例中，上述方案还包括排气细管8，排气细管8的底端与灭弧管11连通，另一端与外界连通设置。排气细管8主要是经过液电效应后产生的气体排出，当气体排出后，使得上面的液体接在才能补充进来，从实现了压力平衡。
本发明实施例中，灭弧管11的内侧边上设置有弹性层，弹性层设置在灭弧管11的内壁与液体介质之间。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，在灭弧管11内增加弹性层后，灭弧管11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。
一种补充液体和强密封的液电效应灭弧方法，当雷电弧进入灭弧管11后，产生液电效应，形成冲击压力波，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，给灭弧管11内的灭弧液体施加压强，产生帕斯卡效应，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，在灭弧管11的内壁上产生更大的作用力，作用力作用在外壳后发生反弹，形成方向指向灭弧管11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，当灭弧完成后，液体介质存储箱2往灭弧管11内补充液体介质，同时排气细管8将灭弧管11的气体排出。
液电效应的具体过程为：电弧进入密封的管道以后，在充满液体介质的管内放电，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，绝缘管管壁在液体介质中产生冲击波，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。
帕斯卡效应的具体过程为：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，在灭弧管11内增加弹性层后，灭弧管11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。
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 (1)
1.一种补充液体和强密封的液电效应灭弧方法，其特征在于：当雷电弧进入灭弧管(11)后，产生液电效应，形成冲击压力波，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，给灭弧管(11)内的灭弧液体施加压强，产生帕斯卡效应，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，在灭弧管(11)的内壁上产生更大的作用力，作用力作用在外壳后发生反弹，形成方向指向灭弧管(11)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，当灭弧完成后，液体介质存储箱(2)往灭弧管(11)内补充液体介质，同时排气细管(8)将灭弧管(11)的气体排出；
实现上述方法的装置包括保护壳体和裙边，裙边设置在保护壳体的外侧，其特征在于：还包括螺杆(1)、液体介质存储箱(2)、电极装置、补水装置、下电极(10)和灭弧管(11)，灭弧管(11)设置在保护壳体的内部，液体介质存储箱(2)设置在保护壳体的顶端，并通过补水装置与灭弧管(11)连通，下电极(10)设置在灭弧管(11)的底端，螺杆(1)通过电极装置与灭弧管(11)的内部连通，灭弧管(11)内部设置有液体介质；
电极装置包括连接棒(3)和电极棒(9)，连接棒(3)一端与螺杆(1)连接，另一端与电极棒(9)连接，而电极棒(9)伸入灭弧管(11)内；
补水装置包括进水孔(4)、补水通道(5)、上盖(6)和出水孔(7)，上盖(6)盖合在电极棒(9)的外侧，补水通道(5)设置在电极棒(9)内侧，进水孔(4)设置在补水通道(5)的上端，并与液体介质存储箱(2)连通，出水孔(7)设置在补水通道(5)的底部与灭弧管(11)连通；
还包括排气细管(8)，排气细管(8)的底端与灭弧管(11)连通，另一端与外界连通设置；
灭弧管(11)的内侧边上设置有弹性层，弹性层设置在灭弧管(11)的内壁与液体介质之间；
液电效应的具体过程为：电弧进入密封的管道以后，在充满液体介质的管内放电，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，绝缘管管壁在液体介质中产生冲击波，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；
帕斯卡效应的具体过程为：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；
灭弧管内设置有弹性层，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，在灭弧管(11)内增加弹性层后，灭弧管(11)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。
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